摘 要： 將嵌入式系統(tǒng)與3G網(wǎng)絡技術相結合，設計了一套基于3G技術的無線遠程控制安防報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結構上分為現(xiàn)場聲光報警板塊、煤氣防險短信發(fā)送裝置和3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置3個部分。布防時，一旦出現(xiàn)陌生人影，現(xiàn)場聲光報警板塊就會將探測到的警情信號傳輸至3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置，并同時向用戶發(fā)送短信，且提示通過瀏覽器觀察屋內情況。如果屋內煤氣等易燃易爆氣體泄漏，則觸發(fā)煤氣防險短信發(fā)送裝置，該裝置向用戶發(fā)出內容上不同于前者的短信進行報警，提示在手機瀏覽器上查看監(jiān)控信息。整個報警系統(tǒng)大小可以靈活配置，具有較好的發(fā)展前景與實用價值。
關鍵詞： 3G技術；ARM嵌入式系統(tǒng)；無線遠程報警；CCD傳感器
隨著社會經(jīng)濟高速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們的生活需求也變得多樣化，對財產(chǎn)安全、人身安全等的需求應運而生，這使得智能安防報警系統(tǒng)與居民日常生活越來越緊密。目前，國內絕大部分家庭都對家庭安防報警系統(tǒng)有所需求，大多數(shù)家庭需要能夠實時監(jiān)控家庭情況并且可以達到安防目的的產(chǎn)品。以往的防盜窗不僅影響美觀而且?guī)碓S多問題，如影響火災救援通道、給犯罪分子提供便利的翻越條件等。而傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)產(chǎn)品多采用警鈴或短信等傳統(tǒng)報警方式，即當警報發(fā)生時，通過聲光報警或發(fā)送報警短信進行報警。雖然這類傳統(tǒng)的報警系統(tǒng)具有成本低廉、結構簡單、安全可靠的特點，但由于傳輸網(wǎng)絡及設備所限，其保密性、實時性較差，并且多數(shù)產(chǎn)品只能以簡單地通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送短信的形式進行報警[1]。本設計通過嵌入式設備與3G網(wǎng)絡模塊相連，利用3G網(wǎng)絡將聲音、視頻等各種信號發(fā)送至遠程用戶手機終端上，用來監(jiān)控現(xiàn)場情況，可以達到防盜防險雙重作用。整個安防報警系統(tǒng)大小可以靈活配置，報警信息發(fā)送及時、準確、可靠，具有較好的發(fā)展前景與應用價值。
1 系統(tǒng)硬件設計
1.1 系統(tǒng)總體設計方案
本設計供單戶家庭使用，根據(jù)我國住宅建設的實際情況，為滿足新時期居民的居住要求，并充分考慮其經(jīng)濟性和可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的總體功能，將其劃分為探測傳感器模塊（利用單片機）、CCD攝像模塊、3G網(wǎng)絡無線收發(fā)模塊和ARM核心控制模塊等功能模塊。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。
1.2 系統(tǒng)工作原理
本設計中的3G智能安防報警系統(tǒng)主要由現(xiàn)場聲光報警模塊、煤氣防險短信發(fā)送裝置和3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置3部分組成。現(xiàn)場聲光報警模塊一般安裝在需要進行安防的地點，如門口、臥室內等?，F(xiàn)場聲光報警模塊上的熱釋紅外傳感器經(jīng)過檢測可以確定人影的到來。當檢測到人影時，其立即啟動自身聲光報警，可以達到震懾入侵者的目的，同時觸發(fā)3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置，向用戶發(fā)送短信，并提示用戶打開手機瀏覽器觀察屋內情況。同樣，如果家中煤氣等易燃易爆氣體泄漏就會觸發(fā)設置于房間內的煤氣短信發(fā)送裝置，與前者一樣，該裝置會自動地往指定手機發(fā)送短信報警，并通過3G網(wǎng)絡對外發(fā)送視頻信號。用戶根據(jù)短信提示，打開手機瀏覽器就可以看到屋內情況，進行相關的處理。
1.2.1 現(xiàn)場聲光報警模塊
本模塊使用的是AT89C2051單片機，接收到外部信息時，進行處理，并且進行相關的操作[2]，該模塊與3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置中主機相連。其系統(tǒng)主要由鍵盤、運行指示燈、熱釋紅外傳感器、電源、蜂鳴器和單片機構成，如圖2所示。圖中鍵盤1為設防鍵盤，鍵盤2為撤防鍵盤，鍵盤3為緊急報警鍵盤。
1.2.2 煤氣防險短信發(fā)送裝置
本裝置由電源、傳感器、中央處理器STM32F101C8T6、GPRS裝置和聲光報警等子模塊組成，用來完成對室內可燃性氣體的監(jiān)測與報警。通過氣體傳感器MQ-4來獲取室內環(huán)境中的可燃性氣體濃度及其他相關環(huán)境參數(shù)，中央處理模塊根據(jù)預先設定的相關參數(shù)閾值判別氣體是否泄漏，若室內天然氣發(fā)生泄漏，則通過GPRS模塊向用戶手機發(fā)送報警短信，并與3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置中主機通信，以便實現(xiàn)遠程報警的功能。圖3為STM32F101C8T6芯片的周邊電路。
1.2.3 3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置
為了節(jié)省開發(fā)時間，本設計中的3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置使用ARM11開發(fā)板實現(xiàn)相應功能，經(jīng)過分析系統(tǒng)信號數(shù)量與類型，采用的開發(fā)板是基于德州儀器（TI）OMAP3530處理器的DevKit8000。OMAP3530處理器集成了600 MHz的ARM Cortex-A8內核及430 MHz的具有高級數(shù)字信號處理算法的DSP核，并提供了豐富的外設接口。DevKit8000提供了完善的軟件開發(fā)平臺，支持Linux-2.6.28及WinCE 6.0操作系統(tǒng)，并包含完善的底層驅動程序[3-4]。
ARM 11開發(fā)板系統(tǒng)分析現(xiàn)場報警裝置及煤氣傳感器短信發(fā)送裝置所傳送信號的邏輯關系。如果同時具有信號的時候則通過ARM 11開發(fā)板對CCD傳感器的視頻信號進行壓縮，然后利用與之相連的無線路由器與服務器對接。同時，將壓縮后的視頻信號傳送至服務器上，再通過3G網(wǎng)絡模塊將整個系統(tǒng)與3G網(wǎng)絡相連，最后可以利用3G手機訪問瀏覽器的方式看到整個現(xiàn)場情況。為了便于調試，在開發(fā)板上設計了一個觸摸屏，可以看到現(xiàn)場情況。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 現(xiàn)場聲光報警模塊軟件設計
現(xiàn)場聲光報警模塊使用的是AT89C2051單片機，使用的編程調試軟件是Keil。軟件流程圖如圖4所示。程序首先將AT89C2051初始化，開啟每個需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態(tài)下，此時讀取按鍵1、2的鍵值。如果按鍵2被按下，則直接循環(huán)回初始化步驟；如果按鍵1按下，則繼續(xù)讀取鍵3端口數(shù)據(jù)；若鍵3按下，則直接聲光報警，否則就從熱釋紅外傳感器接口處讀取數(shù)據(jù)。如果有人影信號，則進行聲光報警，并通過端口P1.4向ARM開發(fā)板傳輸開關量信號；沒有人影信號則直接返回初始化。
2.2 煤氣防險短信發(fā)送裝置中央處理軟件設計
煤氣傳感器短信發(fā)送裝置中主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F101C8T6微處理器，使用的編程調試軟件是IAR。程序流程如圖5所示。
程序首先對STM32F101C8T6進行初始化，開啟每個需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態(tài)下。然后，從STM32F101C8T6的A/D口讀入此時的數(shù)據(jù)，即此時空氣中甲烷濃度的量測值，將該值與程序中的原設定值進行比較。若甲烷的濃度超限，則STM32F101C8T6控制蜂鳴器與一個報警用的LED燈發(fā)出報警信號，接著通過串口向GPRS模塊發(fā)送信號，使之向用戶發(fā)送報警短信，提醒用戶，同時通過I/O口與3G發(fā)送與顯示裝置中的ARM 11控制器相連，達到通信的目的。
2.3 3G網(wǎng)絡發(fā)射與顯示裝置軟件設計
2.3.1 CCD傳感器視頻采集壓縮方案
由于安防報警系統(tǒng)對實時性要求較高，則需要視頻流暢地傳輸，但由于CCD傳感器所采集的視頻信號數(shù)據(jù)量較大，因此必須進行相應的壓縮處理。通過分析，可以利用DSP、FPGA一系列硬件裝置予以壓縮處理，也可以通過編寫算法處理視頻信號，達到與硬件壓縮相媲美的處理效果。
本設計通過編寫算法完成信號的處理過程，采用的是JPEG壓縮算法。JPEG是根據(jù)每幀圖像內容進行壓縮，即幀內壓縮，這樣會造成大量冗余信息被重復存儲，存儲占用空間在8 KB～15 KB之間，如果采用高壓縮比，視頻質量就會嚴重降低。系統(tǒng)的主要缺點是壓縮率低、占用帶寬多。但由于JPEG是目前較為通用的標準，可以得到高質量的圖像畫面，并且擁有較好的實時性，因此該算法可以較好地完成視頻的壓縮工作。
2.3.2 3G網(wǎng)絡傳輸方案
針對3G網(wǎng)絡傳輸部分，本設計選擇CDMA8000模塊，它是天漠公司推出的3G無線通信模塊，是基于高通最新的MSM6290平臺開發(fā)的UMTS 標準開發(fā)的，該模塊適用于EDGE、GPRS、GSM及WCDMA（HSPA）網(wǎng)絡，可實現(xiàn)全球漫游。通用的 USB 接口和強大的軟件支撐平臺，使模塊具備友好的二次開發(fā)軟硬件平臺，可以支持多種外圍設備，滿足3G用戶豐富的業(yè)務功能需求產(chǎn)品特征[5-6]。本系統(tǒng)設計開發(fā)的3G網(wǎng)絡傳輸基本流程圖如圖6所示。
3 3G網(wǎng)絡智能安防報警系統(tǒng)測試
3G網(wǎng)絡智能安防報警系統(tǒng)測試圖如圖7所示。本安防報警系統(tǒng)硬件主要包括2塊單片機實驗板、無線路由器、Nokia 3G手機和ARM 11開發(fā)板，可以實現(xiàn)設防、撤防及立即報警3個基本功能。
3.1 設防功能
按下現(xiàn)場報警按鍵1后，系統(tǒng)在1 min后進入警戒狀態(tài)，并且觸發(fā)煤氣檢測短信發(fā)送板。在警戒狀態(tài)下，如果有人闖入禁區(qū)，觸發(fā)熱釋紅外傳感器，則CPU收到信息后馬上進行聲光報警，從而達到威懾壞人的目的，同時向用戶手機發(fā)送報警短信，提示用戶打開手機瀏覽器觀察屋內情況。同樣，若屋中有煤氣等易燃氣體泄漏，則觸發(fā)煤氣防險短信發(fā)送裝置，其會向用戶手機發(fā)送與前者內容不同的短信。ARM板依靠3G網(wǎng)絡發(fā)送模塊向3G手機傳輸視頻信號，同樣，此時打開瀏覽器也可以觀察到現(xiàn)場狀況，如圖8所示。在本設計中，使用了LED二極管及蜂鳴器作為聲光報警設備。系統(tǒng)報警后，連續(xù)響3 min，嚇跑壞人，3 min后，再次檢測，看是否還有人，如果還有人，則繼續(xù)報警3 min，當人走后，報警停止，重新進入警戒狀態(tài)。圖8為手機收到視頻信號。
3.2 立即報警功能
立即報警功能在情況非常危及的時候，或者需要通知他人情況下的功能。按下立即報警按鍵3，系統(tǒng)會立即進行報警操作，一直不停報警，直到按下撤防鍵為止，從而達到發(fā)現(xiàn)壞人后嚇走壞人的目的。
3.3 撤防功能
屋主離開后，會按下設防鍵，但是當屋主回來后，必須進行撤防操作，不然系統(tǒng)仍然會進行報警。因此，必須按下撤防按鍵2，清除警戒功能。在實際應用中，撤防鍵可以安裝在比較隱蔽的地方，屋主容易操作，且壞人無法找到的地方。
本文結合目前國內安防產(chǎn)品的特點，提出了基于3G網(wǎng)絡技術的無線遠程控制安防報警系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了視頻采集和壓縮模塊的軟件代碼編寫，保證視頻信號可以按要求進行發(fā)送。針對無線遠程報警的任務，搭建了傳感器、控制板、發(fā)送和接收的硬件平臺，編寫了紅外傳感器觸發(fā)、攝像頭驅動和信號的處理及發(fā)送的相關程序，實現(xiàn)了視頻信息的無線遠程報警，具有較強的實時性。
參考文獻
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