基于ARM+GPRS的報警系統(tǒng)設(shè)計和應(yīng)用

摘 要：應(yīng)用mini2440開發(fā)板作為硬件設(shè)計平臺，采用嵌入式linux作為軟件設(shè)計平臺，基于GPRS A6模塊的遠(yuǎn)程監(jiān)控和報警系統(tǒng)。模擬場景測試后，此次設(shè)計的報警系統(tǒng)完成了在室內(nèi)溫度探測，視頻監(jiān)控，短信通知和聲光報警等功能，具有很好的安防實用性。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；mini2440；GPRS A6；監(jiān)控報警

目前科技和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，越來越多的自動化電氣設(shè)備進(jìn)入普通的家庭，因此帶來了更多的安全隱患，如何降低電器設(shè)備在非正常工作之后產(chǎn)生的安全問題是此次報警系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)。當(dāng)設(shè)備在異常后，人們能通過監(jiān)控設(shè)備及時的了解異常的信息并自動的處理異常的問題，由此可見，報警監(jiān)控系統(tǒng)對于家庭來說有著很大的作用。

早在幾年前，就有人提出了基于嵌入式Web服務(wù)器信息家電安防系統(tǒng)的軟件方面的設(shè)計，進(jìn)而實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)相連的方案，室內(nèi)情況可以得到實時安全監(jiān)控和圖像信息傳輸。但是也有很多的不足之處，比如傳輸速率低下，監(jiān)控設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互相對繁瑣。此次方案設(shè)計是基于GSM/GPRS，采用USB攝像頭傳送的視頻信息通過網(wǎng)絡(luò)接口傳送到服務(wù)器，人們可以在手機(jī)等監(jiān)控端可以直接通過網(wǎng)絡(luò)看到服務(wù)器上的攝像頭傳送的圖像信息，進(jìn)而實現(xiàn)了對特定場景的實時監(jiān)控。

1 總體方案設(shè)計

報警系統(tǒng)采用以ARM9處理器mini2440作為控制器，只要功能是從溫度傳感器，紅外傳感器和USB攝像頭采集溫度和圖像信息，并且根據(jù)相應(yīng)的信息來自動進(jìn)行報警和滅火操作的執(zhí)行，發(fā)生異常情況之后通過GSM/GPRS模塊向制定的手機(jī)發(fā)送報警信息，同時監(jiān)控設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并可以通過登陸特定的網(wǎng)頁對監(jiān)控機(jī)進(jìn)行控制。系統(tǒng)總體方案設(shè)計框架如圖1所示。

2 硬件模塊設(shè)計

2.1 主控電路模塊

本次設(shè)計采用的主控電路模塊是Samsung公司的S3C2440處理器，主控模塊外圍硬件設(shè)備包括USB攝像頭，GSM/GPRS模塊，溫度傳感器模塊，紅外傳感器模塊，蜂鳴器報警模塊，模擬滅火操作模塊。MCU采用時間片輪流查詢的方式從溫度傳感器模塊和紅外傳感器模塊分別讀取數(shù)據(jù)信息，當(dāng)讀取的溫度數(shù)據(jù)超過設(shè)置的值，或者當(dāng)MCU收到紅外傳感器模塊的特定中斷信號時，此時蜂鳴器會發(fā)出警報聲，并且向用戶手機(jī)發(fā)送警報信息，在自動進(jìn)行這些警報操作時，攝像頭還會獲取視頻信息。

2.2 聲音報警模塊

采用mini2440硬件模塊上自帶的蜂鳴器，將蜂鳴器接到MCU的通用輸入輸出設(shè)備上（GPIO），此次采用的硬件管腳為GPB0，首先將GPIO配置寄存器GPBCON設(shè)置為輸出模式（01表示輸出），當(dāng)數(shù)據(jù)寄存器GPBDAT寫入1時，蜂鳴器開啟，否則寫入0為關(guān)閉蜂鳴器。聲音報警模塊電路如圖2所示。

2.3 滅火模擬模塊

將四個用戶LED作為滅火模擬電路，LED亮表示滅火裝置已經(jīng)啟動。LED與MCU的GPIO相連，具體的連接引腳為GPB5，GPB6，GPB7，GPB8，首先應(yīng)該對可復(fù)用的GPIO口進(jìn)行對應(yīng)寄存器的配置，將配置寄存器GPBCON配置為輸出模式，接著就是對LED的控制，具體是對數(shù)據(jù)寄存器GPBDAT的寫操作，寫入0，LED燈亮，表示滅火裝置啟動，寫入1，LED滅。

2.4 溫度監(jiān)控模塊

溫度值是由最小系統(tǒng)從溫度傳感器中獲取，獲取的溫度值通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳送給MCU。A/D轉(zhuǎn)換器又稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是將模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識別處理的數(shù)字信號，數(shù)模轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于一般模擬信號和單片機(jī)之間進(jìn)行聯(lián)系的中轉(zhuǎn)站。mini2440開發(fā)板采用的A/D轉(zhuǎn)換器是ARM s3c2440集成的一個8通道10位CMOS A/D轉(zhuǎn)換器，而且可以支持LCD觸摸屏功能。AD轉(zhuǎn)換器頻率=50MHz/（49+1）=1MHz，轉(zhuǎn)換時間=1/（1MHz/5cycles）=1/200KHz=5us。

本次設(shè)計的電路是通過轉(zhuǎn)動變阻器的阻值來改變加載電壓進(jìn)而實現(xiàn)對模擬溫度的變化。在程序的實現(xiàn)上是通過read，write函數(shù)來進(jìn)行對A/D轉(zhuǎn)換器的讀和寫操作。

2.5 紅外傳感模塊

本次設(shè)計采用的紅外傳感器模塊是E18-D80NK紅外光電傳感器，這種光電傳感器將發(fā)射頭和接收頭集成在一個模塊上，傳感器的原理是，首先將光線經(jīng)過調(diào)制后從發(fā)射頭發(fā)出，碰到障礙物后形成反射光，接收頭將反射光重新進(jìn)行解調(diào)后輸出，正因為這種調(diào)制作用，受外界光線的干擾較小，發(fā)射頭上安裝了透鏡增加了探測距離。特點(diǎn)是具有探測距離遠(yuǎn)，受可見光干擾小，價格便宜，易于裝配，使用方便等特點(diǎn)。硬件引腳接到MCU的GPIO口上，軟件上首先對相關(guān)寄存器進(jìn)行配置，將配置寄存器GPFCON設(shè)置為輸入模式，根據(jù)原理圖，最后就是進(jìn)行中斷的處理，設(shè)置為下降沿驅(qū)動。

2.6 GSM/GPRS模塊

GPRS模塊全稱是通用分組無線技術(shù)，其作用是將TTL串口數(shù)據(jù)通訊轉(zhuǎn)化為GPRS無線數(shù)據(jù)通訊。GPRS在全國范圍內(nèi)都有很好的廣域覆蓋，本次設(shè)計電路采用的是GPRS A6模塊，繼承了數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮诵哪K，提供了TTL串口轉(zhuǎn)GPRS/短信息/語音通話等信息傳輸功能。A6模塊的傳輸高效，目前GPRS最高可支持86.5比特率的傳輸速率，理論峰值傳輸可超過一百比特率。特點(diǎn)是價格低廉，使用方便，性能優(yōu)秀，支持2個串口，一個下載串口和一個AT命令口，模塊的UART_TXD和UART_RXD口連接開發(fā)板的UART1口。A6 GSM/GPRS模塊電路圖如圖3所示。

3 軟件程序設(shè)計

本次設(shè)計的程序主要有三個方面，主程序流程框圖如圖4所示，其中包含等待紅外傳感器出發(fā)的中斷信號和獲取溫度傳感器超過臨界溫度信號兩個線程等待的控制命令，在程序中使用輪流查詢的方式來檢測運(yùn)行中的線程狀況，獲取到輸入信號時及時的進(jìn)行相應(yīng)的操作。

防盜進(jìn)程和滅火模擬處理進(jìn)程流程框圖如圖5所示，當(dāng)紅外傳感器接收到信號后，給用戶發(fā)送報警短信，并且開啟聲光報警提示和通過攝像頭獲取現(xiàn)場的圖像信息。程序中是通過AT指令給用戶手機(jī)發(fā)送報警信息。

4 模擬測試結(jié)果及分析

4.1 設(shè)計平臺

硬件上選擇友善之臂公的mini2440開發(fā)板，MCU為s3c2440芯片，軟件平臺選擇的是Linux操作系統(tǒng)：Fedora 14。

由于程序開發(fā)是在Linux系統(tǒng)上進(jìn)行，而可執(zhí)行文件是在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行，鑒于兩者平臺處理器結(jié)構(gòu)不同，所以首先第一步是交叉開發(fā)工具鏈的建立，目的是完成不同體系結(jié)構(gòu)上程序代碼的編譯鏈接和最終調(diào)試。在Linux終端上執(zhí)行命令gcc -v，可以看到安裝的gcc版本4.5.1，表明交叉工具鏈建立完成。

第二步是進(jìn)行u-boot的移植。采用的u-boot版本為u-boot-1.1.6，將修改好的u-boot源碼進(jìn)行編譯，在終端上執(zhí)行命令make，生成二進(jìn)制文件u-boot.bin，最后通過jlink燒寫到開發(fā)板Nandflash的第一個分區(qū)。

第三步是Linux內(nèi)核的編譯和移植，采用的內(nèi)核是Linux-2.6.32.2版本，然后將鏡像文件燒寫到Nandflash的第二個分區(qū)。

最后是根文件系統(tǒng)的制作。創(chuàng)建目錄/bin，/sbin，/dev，/etc，/lib，/home，/root，/usr，/war，/proc，/mnt，/tmp，再在/etc下建立初始化啟動所需要的文件，最后是構(gòu)建yaffs文件系統(tǒng)映像文件，目的是將編譯好的程序以文件的形式燒寫到存儲設(shè)備上去。

應(yīng)用mkyaffsimage工具程序制作yaffs image，打包鏡像文件：cd/opt/mkyaffs2image-128M root/root.yaffs，然后將生成的rootfs.yaffs拷貝到Windows平臺，最后燒寫YAFFS（rootfs.yaffs）到Nandflash的第三個分區(qū)，至此，根文件系統(tǒng)制作燒寫完成。

4.2 系統(tǒng)功能測試與分析

在開發(fā)板上插入USB攝像頭，串口上插入GSM/GPRS A6模塊，在SIM卡插入GPRS卡槽中，打開電源啟動開發(fā)板。在一臺已聯(lián)網(wǎng)的電腦設(shè)備的瀏覽器中輸入網(wǎng)址：http：//192.168.1.230：8080 /stream_simple.html，即可看到攝像頭的動態(tài)畫面了，進(jìn)而實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)控，此次采用的開發(fā)板IP地址為192.168.1.230，結(jié)果如圖6所示。

頁面左側(cè)有控制按鈕，能實現(xiàn)控制功能。手動模擬觸發(fā)紅外傳感器，此時蜂鳴器報警，用戶手機(jī)收到報警短信，短信內(nèi)容為“thief”。當(dāng)旋轉(zhuǎn)開發(fā)板上的電位器時，調(diào)整A/D模塊的輸入，進(jìn)而模擬溫度改變的情況，當(dāng)輸入溫度達(dá)到設(shè)定的臨界值時，蜂鳴器報警，監(jiān)控機(jī)通過GPRS模塊向用戶手機(jī)發(fā)送報警短信“fire”，此時模擬滅火裝置的LED燈亮。

5 結(jié)語

本次設(shè)計的報警系統(tǒng)結(jié)合嵌入式Web服務(wù)器，GSM/GPRS技術(shù)以及嵌入式ARM9相關(guān)編程技術(shù)，實現(xiàn)用戶對室內(nèi)情況的實時監(jiān)控，該系統(tǒng)也可以進(jìn)行多種功能的擴(kuò)展，根據(jù)用戶的功能需求或監(jiān)控環(huán)境的改變進(jìn)行個性化定制，使得用戶及時通過網(wǎng)絡(luò)和手機(jī)獲得家中的異常情況，當(dāng)安全隱患發(fā)生時，自動的進(jìn)行相應(yīng)的操作降低異常帶來的經(jīng)濟(jì)損失。在報警系統(tǒng)中通過網(wǎng)絡(luò)提供遠(yuǎn)程訪問服務(wù)，并通過GSM短信息及時的通知用戶發(fā)生的異常情況。在現(xiàn)代化安防中，起到很重要的作用。

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作者簡介：

王元（1993-），男，漢族，湖北仙桃人，碩士，研究方向：嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。