基于GPRS與ARM的智能安防系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張 如，董喜慧

(福州職業(yè)技術學院 計算機系，福建 福州 350108)

隨著科技的迅猛發(fā)展和人們生活水平的提高，人類已經(jīng)進入了網(wǎng)絡化、數(shù)字化的智能社會階段，人們對于保護自身財產(chǎn)與人身安全也有了新的要求.隨著人們生活節(jié)奏的不斷加快，迫切需要一種遠程智能安防系統(tǒng)，能讓出門在外的業(yè)主及時了解和處理物業(yè)中的突發(fā)安防事件，全面實現(xiàn)遠程監(jiān)控，為自己的物業(yè)提供最全面的保護.針對現(xiàn)代安防的實際要求，本研究結合了功能強大的ARM處理器、GPRS無線通信技術、無線組網(wǎng)的ZigBee技術，設計了一套基于無線傳輸?shù)那度胧街悄馨卜老到y(tǒng).

1 系統(tǒng)功能與體系結構

本系統(tǒng)擁有全面的防盜功能，能實現(xiàn)門、窗、陽臺等進出門戶的監(jiān)控報警；實現(xiàn)火災與有毒氣體泄漏的檢測；實現(xiàn)重要地點或重要物品的監(jiān)控保護，具有攝像頭抓拍功能；實現(xiàn)對某些特殊人員的人身安全的保護；實現(xiàn)積水報警；在出現(xiàn)火災時能對一些危險電器的電源實現(xiàn)遠程關閉；實現(xiàn)安全狀況的遠程實時查詢與報警.

本系統(tǒng)主要由兩部分組成：控制傳輸部分與內(nèi)網(wǎng)采集部分.內(nèi)網(wǎng)采集部分主要由安防監(jiān)控模塊、ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調器組成；控制傳輸部分主要由ARM主處理器平臺、GPRS無線通信模塊、USB監(jiān)控攝像頭等部分組成.系統(tǒng)結構圖如圖1所示.安防監(jiān)控模塊由不同功能的傳感器處理模塊及電源開關繼電器控制模塊組成，它們各自連接一個ZigBee無線收發(fā)模塊.這些ZigBee終端節(jié)點會在ZigBee協(xié)調器開啟后陸續(xù)加入到協(xié)調器建立的ZigBee網(wǎng)絡中，并由協(xié)調器賦予各節(jié)點以網(wǎng)絡地址.這些節(jié)點通過ZigBee無線自組網(wǎng)與ARM主處理器平臺進行無線通信連接，ARM就可通過地址來判斷是何節(jié)點傳來的信號.ARM主處理器平臺同時連接USB監(jiān)控攝像頭，當發(fā)生安全隱患時會對物業(yè)相關部位進行實時抓拍.ARM主處理器平臺可通過相連的GPRS模塊與業(yè)主手機進行遠程連接，實現(xiàn)安防系統(tǒng)的遠程監(jiān)控.當物業(yè)出現(xiàn)安防問題時，ARM向業(yè)主發(fā)送短信并進行報警，控制攝像頭進行抓拍，并將圖像數(shù)據(jù)轉成彩信經(jīng)由GPRS網(wǎng)絡發(fā)送給業(yè)主手機.當然，出現(xiàn)安全隱患時，業(yè)主也可通過手機發(fā)送控制短信來控制物業(yè)中電源設備的繼電器開關.

圖1 系統(tǒng)結構圖

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)硬件主要由ARM主處理器平臺，USB紅外攝像頭，GPRS模塊，ZigBee無線收發(fā)模塊(協(xié)調器與終端節(jié)點)、安防監(jiān)控模塊(各個傳感器模塊，以及繼電器控制模塊組成).

2.1 ARM主處理器平臺

ARM主處理器平臺主要由ARM11主處理器、FLASH、SDRAM、電源復位模塊、LCD觸摸屏及相關外圍電路組成.本系統(tǒng)選用SAMSUNG公司的基于ARM1176JZF-S 內(nèi)核的16/32位RISC微處理器的S3C6410作為主處理器.S3C6410采用了64/32位內(nèi)部總線架構，為2.5G和3G通信服務提供優(yōu)化的H/W性能，具有4通道UART，為與ZigBee模塊和GPRS模塊通信提供了方便，支持修剪過的嵌入式操作系統(tǒng)，具有低功率、高性價比、高性能的優(yōu)點[1].

2.2 GSM/ GPRS模塊

GPRS—General Packet Radio Service，是通用分組無線業(yè)務的簡稱，由歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標準[2].GPRS基于GSM網(wǎng)，提供端到端的、廣域的無線IP連接.GPRS以封包(Packet)式來傳輸，計費只以流量計算，提高了資源利用率，而且始終在線[2].在嵌入式系統(tǒng)的應用開發(fā)中使用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術是較優(yōu)選擇.GPRS 模塊的功能是通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)ARM主處理器平臺與業(yè)主手機間的數(shù)據(jù)傳輸.經(jīng)選擇，本系統(tǒng)選用SIMCom的SIM900模塊.SIM900屬于四頻850/900/1800/1900MHz的GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，支持數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真等多種通信方式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，具有MMS(彩信)功能.GPRS模塊與ARM主處理器平臺采用AT指令集通過串口進行數(shù)據(jù)通信.

2.3 ZigBee無線收發(fā)模塊

ZigBee無線收發(fā)模塊使用基于IEEE802.15.4協(xié)議的TI公司的CC2530芯片.系統(tǒng)采用一個ZigBee協(xié)調器節(jié)點與多個ZigBee終端節(jié)點組成的星形網(wǎng)絡結構.系統(tǒng)通過Z-Stack協(xié)議棧實現(xiàn)整個網(wǎng)絡的啟動自組，在網(wǎng)絡中協(xié)調器節(jié)點是整個網(wǎng)絡的管理者，它負責啟動整個網(wǎng)絡，將終端節(jié)點加入到網(wǎng)絡中，并為它們配置網(wǎng)絡地址.協(xié)調器節(jié)點與各終端節(jié)點間通過無線通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，而協(xié)調器與S3C6410間采用串口通信.終端節(jié)點將信息傳輸給協(xié)調器后，再由協(xié)調器傳到S3C6410，S3C6410會對接收到的信息進行解析，通過網(wǎng)絡地址判斷是哪個終端節(jié)點發(fā)送來的信息.

2.4 傳感器模塊

根據(jù)安防要求，系統(tǒng)要實現(xiàn)防火、防有毒氣體泄漏、防盜、防水淹等功能.根據(jù)不同的檢測內(nèi)容設置不同的傳感器.為了提高檢測的準確度，本系統(tǒng)采用多種傳感器結合的方法進行某一種項目的檢測.

火災中會有煙霧與溫度的上升，因而由MQ2煙霧傳感器和數(shù)字型溫濕度傳感器SHT10組成檢測元件，兩者均檢測到信號時才確認有火災發(fā)生，這樣精確度較高.

有毒氣體泄漏檢測采用MQ5氣體傳感器，它對煤氣、天然氣、液化氣有較好靈敏度，抗乙醇、煙霧的干擾.

防盜方面的檢測主要根據(jù)不同環(huán)境來設置對應的傳感器.比如在窗戶處的防盜采用兩種傳感器進行雙保險感應.在窗戶外圍布置主動式紅外對射傳感器，主動式紅外對射傳感器可采用多束紅外線射束構成多束的密集防衛(wèi)，可設定規(guī)定的若干射束被侵入者阻斷多少時間后產(chǎn)生報警輸出，它構成對窗、陽臺等出入口的封閉式防范，御賊于戶外但又不妨礙業(yè)主在室內(nèi)的活動.對于盜賊可能通過砸玻璃進入室內(nèi)的安全隱患，采用聲控——震動型雙技術玻璃破碎傳感器，只有同時探測到玻璃破碎時發(fā)出的高頻聲和敲玻璃時的震動才輸出報警信號，此類傳感器監(jiān)測整個房間，與窗戶多少無關.當業(yè)主在外時，對于入戶門的安防工作，采用振動傳感器結合門磁傳感器對門進行安防感應.同時還可在室內(nèi)安裝紅外感應器感應人員闖入，此感應器是靠探測人體發(fā)射的10um左右的紅外線進行感應報警的.

對于要求積水報警的場所，將點式水浸傳感器的探頭面平行安裝于被檢測的區(qū)域處，使水浸傳感器平行于地面.此傳感器是應用電極浸水阻值變化的原理來進行水浸檢測的，其探針有防電蝕設計.

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件環(huán)境

Linux 操作系統(tǒng)具有完整的TCP/IP協(xié)議，有易于裁減移植、內(nèi)核小、源代碼開放等優(yōu)點，為本系統(tǒng)的開發(fā)提供了技術支持.本系統(tǒng)軟件設計主要是基于ARM-Linux操作系統(tǒng)，ARM-Linux是裁剪了的Linux 操作系統(tǒng)，基于ARM體系，易于移植[3-4].

建立本ARM系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境就是將ARM-Linux移植到ARM主處理器平臺,并搭建移植QT/Embedded環(huán)境.首先建立交叉編譯環(huán)境，然后引導Bootloader實現(xiàn)系統(tǒng)的快速引導，將Linux內(nèi)核載到內(nèi)存并進行內(nèi)核初始化(系統(tǒng)采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc-4.5.1，Linux內(nèi)核版本為Linux-2.6.36，Bootloader采用U-boot.)，移植操作系統(tǒng)，裝載文件系統(tǒng)[3-4].然后完成QT/E環(huán)境的搭建，將QT/E移植到ARM11上，開發(fā)圖形界面，進行應用程序的編寫[5].

3.2 系統(tǒng)主程序

系統(tǒng)主程序根據(jù)系統(tǒng)具體功能由多個功能子程序組成.子程序主要包括GPRS無線通信程序、圖像采集程序、ZigBee通信程序、各智能安防模塊程序、QT /E用戶界面等.系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)啟動時首先對S3C6410進行初始化，通過按鍵值來判斷運行狀態(tài)，當被定義為設防狀態(tài)時，分別建立ZigBee模塊和GPRS模塊的操作線程.首先S3C6410通過串口向ZigBee協(xié)調器發(fā)送查詢指令，由ZigBee協(xié)調器通過ZigBee無線網(wǎng)絡轉發(fā)給各終端節(jié)點，查詢ZigBee各終端節(jié)點的信息.終端節(jié)點將當前的采集數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡經(jīng)由協(xié)調器返回給S3C6410.S3C6410收到ZigBee信息后，對數(shù)據(jù)進行判析，若是普通信息，則在界面上實時顯示;若發(fā)生異常安防問題時，系統(tǒng)判斷是何種事件，則界面圖標閃爍，啟動對應的報警安防措施，并發(fā)送GPRS短信、GPRS彩信通知業(yè)主.若S3C6410收到GPRS短信，解析短信是否是控制短信，如果是則向ZigBee協(xié)調器發(fā)送控制命令，經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡轉發(fā)給對應終端節(jié)點，最終實現(xiàn)對終端節(jié)點的遠程控制.

3.3 GPRS 模塊程序

GPRS 模塊程序設計主要結合函數(shù)調用AT指令實現(xiàn)串口初始化、GPRS模塊的初始化、網(wǎng)絡參數(shù)配置、短信收發(fā)和發(fā)送彩信等操作.

(1) GPRS模塊的初始化與模塊的短信收發(fā).系統(tǒng)啟動時，通過調用Equipinit_sp()、Equipinit _gprs()等函數(shù)實現(xiàn)基本的初始化配置工作.S3C6410通過串口發(fā)送AT指令到GPRS模塊并讀取GPRS 模塊的回饋.S3C6410通過調用int sendgprs(int fd,char*s_buffer)函數(shù)發(fā)送AT命令到GPRS 模塊，并通過int readgprs (int fd,char*r_buffer)函數(shù)讀取GPRS模塊的數(shù)據(jù).

系統(tǒng)通過AT指令實現(xiàn)短信接收與發(fā)送.當出現(xiàn)突發(fā)情況時，系統(tǒng)只要調用對應的AT指令即可完成短信的收發(fā).當系統(tǒng)要向業(yè)主手機發(fā)送短信時，首先會向GPRS模塊發(fā)送“AT”命令，設備串口通訊正常會回饋“OK”后，再發(fā)送命令“AT+CSCA=SIM卡歸屬地短信中心號碼”及“AT+CMGF= 1(1表示為文本格式)”，均回饋“OK”后，再向GPRS模塊發(fā)送命令“AT+CMGS=業(yè)主手機號”，GPRS模塊將返回“>”，這時就可將要指定格式的短信內(nèi)容輸入，發(fā)送成功后將返回“OK”，而業(yè)主手機上就能收到對應的短信.

對于接收短信的情況，先使用AT+CNMI=2，1設置接收短信的模式后，當GPRS模塊接收到業(yè)主手機發(fā)來的信息時，短信會存儲在SIM卡中，并通知串口有新消息：+CMTI:“SM”，6.系統(tǒng)得到提示后會向GPRS模塊發(fā)送讀短信命令“AT+CMGR =6”，GPRS模塊就返回指定格式的數(shù)據(jù)+CMGR: "REC UNREAD"，" 手機號"，""，"14/01/27，15:30:21+32"closepower1!.可以通過返回的數(shù)據(jù)得出短消息內(nèi)容.然后ARM將根據(jù)收到的指令要求控制節(jié)點完成指定任務.

(2)彩信的發(fā)送.彩信的作用是當物業(yè)內(nèi)發(fā)生突發(fā)情況時，啟動攝像頭進行抓拍，并將截圖以彩信形式發(fā)送到用戶手機.

當保存好的抓圖圖片需要通過GPRS模塊發(fā)送出去時，系統(tǒng)同樣調用對應的AT指令進行發(fā)送.發(fā)送AT+CMMSEDIT=1 、AT+CMMSDOWN="PIC",12836,40000 、AT+CMMSRECP="手機號"等指令，通知SIM900創(chuàng)建一條彩信及設置好彩信接收手機號并通知SIM900準備傳輸大小為12836字節(jié)的圖片.最后通過AT+CMMSSEND這條指令通知GPRS模塊可以發(fā)送這條彩信了.

3.4 圖像采集程序

Video for Linux Two(V4L2)是Linux為圖像視頻采集設備驅動程序的編寫提供的統(tǒng)一接口，本系統(tǒng)的USB攝像頭的圖像采集是基于V4L2實現(xiàn)的.攝像頭的文件名為/dev/video0，在程序中對文件video0進行讀操作就是對攝像頭的操作.系統(tǒng)通過ioctl給驅動發(fā)送命令、設置不同的參數(shù)，來實現(xiàn)采集過程.當ARM收到報警信息后，調用capture函數(shù)對USB攝像頭驅動并捕抓圖像.

(1)在capture函數(shù)中先調用int fd=open(“/dev/video0,O_RDWR|O_NONBLOCK，0)函數(shù)打開攝像頭，通過返回的文件描述符fd對攝像頭進行操作.

(2)通過 ioctl (int fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap) 查詢攝像頭屬性、配置和驅動功能；通過fmt.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE; fmt.fmt.pix.pixelformat = V4L2_PIX_FMT_YUYV; ioctl(fd, VIDIOC_S_FMT, &fmt)等設置捕獲格式.

(3)捕捉攝像頭數(shù)據(jù)，在V42L接口中設定應用程序與攝像頭驅動之間提取數(shù)據(jù)的交互方式為mmap映射方式.這種方式是驅動將內(nèi)部數(shù)據(jù)空間映射到應用程序空間上,兩者直接在這個空間上交換數(shù)據(jù).通過ioctl(fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)為捕獲的視頻申請了req. count個緩存；通過buffers = calloc (req.count, sizeof (*buffers))在內(nèi)存中建立對應空間；通過int ioctl(fd, VIDIOC_QUERYBUF, &buf) 獲取這些緩存的地址；用buffers[n_buffers].start = mmap(NULL, buf.length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, buf.m.offset)將設備緩存和應用程序分配內(nèi)存發(fā)生映射.

(4)ioctl(fd, VIDIOC_QBUF, &buf)將這段所映射緩存加入隊列，然后通過ioctl (fd, VIDIOC_STREAMON, &type)開始捕捉圖像數(shù)據(jù)，并進入循環(huán).在循環(huán)中通過select函數(shù)判斷攝像頭是否可讀，如可讀則執(zhí)行read_frame()函數(shù)讀取一幀數(shù)據(jù).完成采集處理后，解除映射釋放內(nèi)存源，關閉設備文件.

3.5 ZigBee通信程序與智能安防模塊程序

ZigBee通信程序設計基于ZStack2006 協(xié)議棧，由協(xié)調器和各終端節(jié)點兩大模塊設計組成.協(xié)調器負責ZigBee網(wǎng)絡的建立維護，啟動后的協(xié)調器初始化并按設好的參數(shù)構建ZigBee網(wǎng)絡，終端節(jié)點繼而申請入網(wǎng)，協(xié)調器分配網(wǎng)絡地址給終端節(jié)點,ZigBee網(wǎng)絡組建成功.ZigBee組網(wǎng)成功后，協(xié)調器進入ZigBee協(xié)議棧事件處理循環(huán)中，輪詢所有觸發(fā)事件后調用任務處理函數(shù)，無任務則休眠.觸發(fā)事件包括節(jié)點加入、查詢采集數(shù)據(jù)、向控制節(jié)點傳遞控制指令.ZigBee終端節(jié)點初始化后搜索網(wǎng)，申請入網(wǎng)成功后得到網(wǎng)絡地址.終端采集節(jié)點定時調用采集程序進行采集，并將信息發(fā)送給協(xié)調器，并由協(xié)調器發(fā)給ARM；控制節(jié)點在接到協(xié)調器轉來的控制命令后，調用對應控制程序對設備進行控制.

智能安防模塊程序的功能是完成數(shù)據(jù)采集或設備控制，其軟件開發(fā)必須根據(jù)各終端實際實現(xiàn)的功能進行設計，這里不再詳述.

4 測試與總結

當開啟設防后，依次對每個智能安防模塊進行測試.比如火災測試中，當MQ2煙霧傳感器感應到煙霧時，系統(tǒng)界面提示有煙霧，僅根據(jù)預設的應急處理程序自動做出對應處理，但并未觸動火災報警，這時將溫度傳感器加溫到較高溫度時，系統(tǒng)的火災報警被啟動，過一會兒在遠處的業(yè)主手機收到“Fire Alarm”；當物業(yè)出現(xiàn)水漫情況時，業(yè)主手機得到“Water Alarm”后，業(yè)主為了保證家里電器安全要及時切斷部分電器的電源時，可以向系統(tǒng)發(fā)短信“closepower1”，系統(tǒng)將指定電器連接的電源斷電；當人接近紅外感應器時，入侵警報啟動，攝像頭進行抓圖，遠處的業(yè)主手機得到報警短信并得到攝像截圖彩信；其他智能安防模塊均一一進行測試，都按系統(tǒng)要求完成報警操作.

本文設計了一種基于GPRS與ARM技術的智能安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)應用ZigBee自組網(wǎng)技術組建了無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)了各安防終端模塊與ARM嵌入式網(wǎng)關的無線通信；利用GPRS技術實現(xiàn)了手機遠程監(jiān)控安防系統(tǒng).經(jīng)測試，該系統(tǒng)能及時將安防系統(tǒng)的報警信息通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)綐I(yè)主手機，實現(xiàn)了業(yè)主對安防系統(tǒng)的遠程實時監(jiān)測，并能根據(jù)實際需要進行遠程控制.測試結果表明，該系統(tǒng)報警及時，誤報率低，擴展方便，操作性強，具有較廣闊的市場空間.

參考文獻：

[1]杜春雷.ARM體系結構與編程[M].北京:清華大學出版社,2003：1-80.

[2]文志成.GPRS網(wǎng)絡技術[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005:30-100.

[3]周立功.ARM嵌入式linux系統(tǒng)構建與驅動開發(fā)范例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2006：110-218.

[4]韋東山.嵌入式Linux應用開發(fā)完全手冊[M].北京:人民郵電出版社,2008:37-124.

[5]方雙蓮,李小力.基于ARM單片機的溫度控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].無線互聯(lián)科技,2014(5):66.