嵌入式论文基于ARM智能报警系统设计

1、I湖北民族学院科技学院湖北民族学院科技学院ARM 嵌入式系统(结业作业结业作业)题目：关于嵌入式的居室安全报警设计关于嵌入式的居室安全报警设计学号：k031141723姓名：谭鑫鑫谭鑫鑫教师：_II摘 要随着社会经济水平的发展和人们安防意识的提高，人们对家居生活追求人性化、智能化的同时，越来越重视居住环境的安全性，特别对危及人民生命和财产安全的情况如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等的安全监控提出了前所未有的高要求。本文针对这一社会现实，设计并实现了一种基于嵌入式技术的家居安全智能报警监控系统。本系统分成两大部分：服务端（小区报警中心监控系统）和用户端（家居监控系统） ，小区报警中心监控系统处于整

2、个小区的报警值班室，用户端处于每个家庭中。系统可以实现的功能：通过家庭中的各种传感器实时获取家庭中的环境数据，如烟雾浓度，煤气浓度等。如果获取到的环境数据超出了预警值，处于家庭中的监控系统就会把报警信息发送到小区报警中心监控系统，同时传输监控摄像头采集的现场图像，并控制 GSM 发送报警信息到用户手机。报警中心监控系统分别显示接收到的环境数据和图像，值班人员可以根据监控界面了解现场情况以采取相应行动。用户也可以通过手机发送指令到家庭中的监控系统以控制家庭中设备的开关，从而实现减少甚至避免住户的灾害损失。III目 录摘 要.1 绪论.11.1 智能小区和智能家居的概念 .11.2 智能家居在国外

3、的发展状况 .11.2.1 国外智能家居的发展状况 .11.2.2 国内智能家居的发展状况 .21.3 系统研究意义 .22 智能家居监控系统总体设计方案.32.1 系统组成 .32.2 系统功能介绍 .42.3 系统特色 .53 系统硬件设计方案.63.1 EELIOD270 平台 .63.2 扩展板 .63.2.1 传感器接口电路 .83.2.2 家电控制接口电路 .93.2.3 RS232 接口电路.104 系统软件设计方案 .114.1 服务器端程序设计 .114.1.1 服务器接收流程图 .12图 4.2 服务器接收主程序流程图.134.2 客户端（EELIOD270 板）程序设计

4、.154.2.1 客户端网络程序设计 .154.2.2 扩展板接口程序设计 .164.2.3 视频监视程序设计 .175 总结.1811 绪论1.1 智能小区和智能家居的概念智能住宅的概念源于美国，且发展最为迅猛，随后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到飞速发展。在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度很快，由于国内的住宅产业的特殊性，智能小区取代了智能住宅的概念，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小区。在国际上智能小区的概念至今尚没有取得一致的认同，国家建设部住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念，即：住宅小区智能化是利用4C（计算机、通讯与网络、自控、

5、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。家居智能化是小区智能化的核心。智能家居监控系统利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术, 将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，连接到一个家庭智能化系统（即家庭控制器）上，以实现集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调，让家居生活更加舒适、安全、有效。与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生

6、活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间,增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用提供节约方案。1.2 智能家居在国外的发展状况1.2.1 国外智能家居的发展状况智能家居的概念最早起源于美国，英文为 Smart Home8，但一直未有具体的建筑案例出现，直到 1984 年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的 CityPlaceBuilding 时，才出现了首栋“智能型建筑

7、”，从此揭开了全世界2争相建造智能家居的序幕4。自从世界上第一栋智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案79。此后智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有料广泛的应用7。1998 年 5 月新加坡举办的“98 亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在场内模拟“未来之家” ，推出了新加坡模式的家居智能化系统。它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家居智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等68。面对智能家居的巨大市场，像思科、英特尔、

8、摩托罗拉、朗讯、IBM、爱立信和 LG 等公司都纷纷加入这个领域，研发智能信息家电和智能家居系统16。1.2.2 国内智能家居的发展状况我国自 20 世纪 80 年代开始引入智能家居概念至以来，智能家居行业得到了飞速的发展。虽然还未能像美国、日本那样对智能家居行业制定技术标准，但已经借助智能家居的概念和技术开始建设智能化得住宅小区了。但因为国内对智能家居系统的研究起步相对较晚，我国智能家居的发展存在很多障碍和问题，例如智能家居工程技术人员缺乏，管理水平低；行业规范与标准制定滞后；智能家居产品的层次和技术含量低，智能化不明显，精品很少12。1999 年，建设部勘察设计司建设部住宅产业化办公室联合

9、组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，目标是提高住宅使用功能、推进住宅质量换代、促进住宅产业化，同时摸索出一套适合各地的住宅小区智能化技术体系，该示范工程的启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段。我国在2000 年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。这必然促使智能化从智能大厦建设向智能住宅化小区，乃至向家庭智能化方向发展。建设部要求“到 2010 年，大中城市中 60%的住宅要实现智能化”1113。目前，国内智能家居产业处于引导期，产品标准不统一，没有形成优势品牌和领军企业，产品五花八门，市场处于无序竞争期。国内形成了一些不

10、同标准的智能家居系统，如海信的智能家居控制系统、清华同方的 e-Home 数字家3园、海尔的 U-Home 数字家庭系统、西南交通大学科技公司开发的 NDT 系统等16。1.3 系统研究意义从我国智能家居的发展可以看出,虽然目前智能家居系统有了一定的发展,出现了一系列的研究公司和产品,但总体来说还处于市场发展初期,特别是缺乏统一的标准和成熟的产品。而随着社会经济的发展,科学技术的进步,人们对家居智能化必然提出越来越高的要求。智能家居监控系统作为智能化家居的一个重要组成部分，也将起到更加重要的作用。考虑到地区经济发展的不均衡和消费者对智能家居监控功能的不同要求，本课题提出系统采用嵌入式技术来降低

11、功耗和成本，结合 GSM 移动通信网络扩展应用范围，引入模块化设计提高系统的开放性的设计思路。最终构建一个家居服务网络，特别是通过远程控制技术，提高其操作的便捷性。是家居信息远程监控系统实现大众化和普及化。研究内容：课题中从一下几个方面进行研究和设计:1通过传感器和摄像头实现用户和小区警报室值班人员的双向监控通过各类传感器和摄像头检测室内情况，当出现异常情况时产生警报信号并通过 GSM 给用户发送信息；同时小区警报室值班人员通过服务端界面能够实时监视住户家的环境状况，如发现异常可以迅速采取有效措施，以减小甚至避免住户的损失。2通过手机发送短消息实现对家居的远程控制用户可以通过发送预先设计好的短

12、消息指令给家居监控系统，监控系统识别收到的指令完成所对应的操作，以实现用户对家居设施的远程控制。3通过模块化的设计实现用户使用系统的自主性与开放性随着家居内部电器设备的增多，以及安防以监控的不同要求，将各种监控设备进行模块化设计，使得用户在选择使用该系统时能够按自身的实际需求选择使用不同功能的监控模块，并在使用过程中，随着实际需求的变化增加或删减功能模块。42 智能家居监控报警系统总体设计方案2.1 系统组成智能家居安全监控报警系统由EELiod270 ARM开发平台、系统扩展板、GSM模块、USB摄像头、有线网络等接口设备组成，系统架构如图2.1所示。其中：EELiod270 ARM 为系统

13、核心，主要完成视频数据采集、有线视频数据传输、对 GSM 收发的短消息进行解析和处理、以及对系统扩展板进行控制；扩展板电路主要负责传感器数据的采集、家用电器开关的控制、接收和处理来自 EELiod270 开发平台的控制信息以及将传感器报警信息、家用电器开关状态信息反馈给 EELiod270 平台；GSM 模块负责短消息的收发；USB 摄像头负责视频数据的采集；所有的监视信息通过有线网络系统传输到小区的服务器中，从而实现对危及人民生命和财产安全如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等情况需要有效的监视。5图图 2.12.1 系统架构图系统架构图2.2 系统功能介绍家用电器远程监控USB视频数据采集有线网

14、络数据传输传感器报警数据采集异常情况报警GSM短消息收发重要日志文件保存2.3 系统特色系统性：该系统中融入家电智能控制，GSM 通信，视频监控，传感器监测，无线网络通讯。是一个适用于多种环境的集成系统。6兼容性：在用户终端的设计上，考虑到不同的用户，使用 PDA 或手机都能实现远程监控。在监测方式上，也可采用多种不同类型的传感器。实时性：监视信息具有实时性要求，系统可在容许的准实时条件下做出反应，及时通知用户和相关机构，并将现场数据永久保存。远距离：由于我们使用 GSM 或 GPRS 网络通信，只要在有网络覆盖到的地方，用户手持设备就能连接监测端。无线网络也可容易地覆盖整个社区。73 系统硬

15、件设计方案3.1 EELiod270 平台EELiod270平台（图3-1）主要包括数据通信、视频采集和发送控制命令等三个方面，其中数据通信包括与扩展板、GSM模块的RS232通信和与服务器端的有线网络通信；视频数据采集主要包括客户端的视频预览和视频数据传输；发送控制命令则主要根据短信内容、扩展板传感器报警信息发送各种控制命令。图图 3.1 EEloid270 平台平台3.2 扩展板本系统主要用于安全监控，居民比较关心的家居安全问题主要是危及人民生命和财产安全的煤气泄漏，着火，外人非法入侵等，所以系统选用煤气、烟雾、人体红外等传感器。为了节约成本和调试方便，本系统使用几个按钮代替传感器的功能（

16、如图 3.2） 。扩展板电路在系统主要负责采集传感器报警信号，并将信息通过 RS232 传输到 EELiod270 平台上进行处理，同时，扩展板接收 EELiod270 平台的家电控制命令并实现对家用电器的控制。扩展板接口GSM 接口USB 摄像头接口以太网接口扩展板GSM摄像头8扩展板以 AT89C51 为控制核心。扩展板的元件布局如图 3.2 所示，其上有四盏 LED 分别模拟四种家电，三个按钮模拟三种传感器。其中四盏 LED 分别连接单片机的 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3；三个按钮分别连接 P2.0、P2.1、P2.2。扩展板顶视图及外设接口如图 3.3 所示。图图 3.2 扩

17、展板实物图扩展板实物图图图 3.3 扩展板顶视图及外设接口扩展板顶视图及外设接口红外按钮烟雾按钮燃气报警按钮家庭设备开关指示灯开关传感器接口93.2.1 传感器接口电路烟雾、煤气泄漏、红外等这些传感器的报警信号通过光电耦合接入单片机的 P2 口（如图 3.4 所示） ，在传感器没有报警信号时，光电耦合芯片处于截止状态，与之相接的单片机端口为低电平；当传感器有报警，传感器输出高电平，此时光电耦合芯片导通，与之相接的单片机端口为高电平，由单片机对报警信号进行采集并做出相应处理。12345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:24-Feb-

18、2007Sheet of File:C:Documents and Settingsli桌桌smarthomePCB_SCHbacgPCB&SCH.ddbDrawn By:R15 R16 R17 R18R11R12R13R141J19JP11J20JP11J21JP11J22JP11J23JP11J24JP11J25JP11J26JP1U4U5U3U2VCCP20P21P22P23图图 3.4 传感器接口电路传感器接口电路3.2.2 家电控制接口电路家用电器控制接口电路如图 3.5 所示，K1K4 为继电器，分别控制四路家电的闭合和断开，Q1Q3 为继电器线圈电流驱动，电路由单片机的

19、P1 口进行控制，DD1DD4 发光二极管用于显示某路控制电路的工作情况，主要为了调试电路1012345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:24-Feb-2007Sheet of File:C:Documents and Settingsli桌桌smarthomePCB_SCHbacgPCB&SCH.ddbDrawn By:Q1PNPQ2PNPQ3PNPQ4PNPVCCK1K2K4K3D1D2D3D412J012J412J312J212J10.1u0.1u0.1u0.1uDD1DD2DD3DD4R2R3R4R5R6R7R8R

20、9P10P11P12P13P10P11P12P13VCCVCCVCCVCC图图 3.5 家电控制接口电路家电控制接口电路3.2.3 RS232 接口电路扩展板与 EELiod270 开发平台通过 RS232 接口进行通信，扩展板的 RS232电平转换芯片采用 MAX232，扩展板的主控处理器芯片采用通用的 51 系列单片机。具体接口电路如图 3.6 所示。1112345678ABCD87654321DCBATitleNumberRevisionSizeA3Date:24-Feb-2007Sheet of File:C:Documents and Settingsli桌桌smarthomePCB

21、_SCHbacgPCB&SCH.ddbDrawn By:P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XLAT118XLAT219P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40PSEN29GND20P2.021P1.01A1AT89S5XY1C1C4C1+1V+2C1-3C2+4C2-5V-6T2ou

22、t7R2in8R2out9T2in10T2out11R1out12R1in13T1out14GND15VCC16U1MAX232VCC162738495J15DB9R6C7VCCVCC0.1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27C40.1uFC30.1uFC20.1uFC50.1uFC60.1uFS1图图 3.6 RS232 接口电路接口电路 4 系统软件设计方案本系统是在基于 Linux 操作系统环境下，使用嵌入式开发工具Qt/Embedded- 2.3.7、Qtopia-1.7.0 作为系统界面的开发工具。本系统的软件主要包括基于

23、PC 的服务端软件设计、EELiod270 开发板上的软件设计单片机程序设计。其中服务器端的程序主要通过有线网络接收来自 EELiod270 开发板的视频和所有设备的状态信息数据，并将信息保存在日志文件中；EELiod270开发板上的软件主要完成短消息的收发、与扩展板的数据通信和基于 PC 的服务器的数据传输；扩展板程序主要接收来自 EELiod270 平台的控制信息和采集传感器的报警信息并将数据上传到 EELiod270 开发板。系统软件功能架构如图4.1 所示。12图图 4.14.1 系统软件功能架构系统软件功能架构4.1 服务器端程序设计本系统基于 PC 的服务器端程序完成通过有线网络接

24、收来自 EELiod270 平台的视频和所有设备的状态信息数据，并将所有的状态信息保存到日志文件中，服务器端程序基于 Linux 的 Qt-3.1 软件开发平台而设计。Qt 提供的网络编程类相当丰富，有基于 TCP 套接字的 QSocket 类和QserverSocket 类，QSocket 类提供了一个有缓冲的 TCP 连接，该类与网络传输有关的主要信号有：网络连接信号 connected()、网络断开信号connectionClosed()、读数据信号 readyRead()、发现主机信号 hostFound()、数据写到网络信号 bytesWritten ( int nbytes )、连

25、接出错信号 error(int)、延迟关闭完成信号 delayedCloseFinished ()，一旦网络的某一种状态发生（如网络断开） ，信号就会发送（connectionClosed()） ，再通过信号与槽函数相关联进行处理。QServerSocket 类提供了基于 TCP 连接的服务器，在构造函数中设置 IP 地址和端口号，一旦设置好 IP 地址和端口号，QServerSocket 能侦听所有连到服务器的用户，由成员函数 newConnection ( int socket )对最新连接到的服务用户做出反应。可能过 QSocket 类的 readBlock( char * data,

26、Q_ULONG maxlen )和writeBlock ( const char * data, Q_ULONG len )实现网络数据传输 ，也可利用QDataStream 类的 readRawBytes ( char * s, uint len ) 、writeRawBytes ( 13const char * s, uint len )、操作重载函数等函数。4.1.1 服务器接收流程图服务器端接收的数据主要为所有设备和传感器的状态信息数据以及视频数据，在接收是利用信息头加以区分。其中状态信息数据头为“Basic” ，视频数据头为“” 。对于状态信息的数据内容较小，在接收过程中不存在网络阻

27、塞而丢数据包的情况，但是对于视频数据而言，由于视频数据较大，在接收过程中由于网络阻塞而丢数据包，最终导致视频无法恢复，因此在视频数据接收过程中采用分块接收的方法，即将需要传输的视频数据分成 n 个数据块，每个数据块的传输进行通信握手，当一块数据完全传输到服务后向客户端回送握手信号，客户端再发送下一个数据块数据，在一帧视频传输完毕后，在将视频数据进行合成。由于视频图像采用分块传输，在接收视频图像数据过程中需要每接收一块必须进行通信握手。具体算法：将一幅 K 字节大小的视频图像分成 M 字节大小的数据块，需要传输的块数为 NK/M + K%M。因此在每次数据传输过程中需要传输当前块、当前块的大小和

28、需要传输总块数。接收过程根据总的块数来判断数据是否接收完毕。14系统界面初始化建立服务QserverSocket有客户端接入吗？创建与客户端连接的套接字，准备接收数据客户端连接断开吗？Y网络侦听NYN图图 4.24.2 服务器接收主程序流程图服务器接收主程序流程图15客户套接字中有数据建立读取数据的套接字数据流读取数据流是状态信息头Basic吗？读取所有状态信息数据状态信息刷新更新数据显示保存日志数据Y是视频数据头吗？读取当前视频数据帧相关内容数据为整数帧且当前帧数等于已收帧数加1吗更新已收帧变量、整数帧变量，读取视频数据向客户端回复握手信息和当前已收帧数整帧视频都收到了吗？显示视频、视频相关

29、变量清零YYY视频相关变量清零NN返回NN图图 4.3 服务器接收子程序服务器接收子程序164.2 客户端（EELiod270 板）程序设计客户端程序即EELiod270板程序主要包括数据通信、视频采集和发送控制命令等三个方面，其中数据通信包括与扩展板、GSM模块的RS232通信和与服务器端的有线网络通信；视频数据采集主要包括客户端的视频预览和视频数据传输；发送控制命令则主要根据短信内容、扩展板传感器报警信息发送各种控制命令。4.2.1 客户端网络程序设计客户端网络程序设计要实现的功能有：连接小区服务器；向服务器端传输 EELiod270 开发板的视频和所有设备的状态信息数据；1.客户端程序流

30、程图图图 4.4 客户端程序流程图客户端程序流程图网络传输操作网络是否已连上？连接服务器操作网络使能标志是否为真？清除网络使能和网络连接标志视频采集使能标志是否为真？启动视频捕获定时器置位网络使能和网络连接标志关视频捕获定时器置位传输完毕标志启动基本信息传输定时器服务器网络断开清除网络使能和网络连接标志关闭网络套接字视频采集使能标志是否为真？启动视频捕获定时器关视频捕获定时器YYYYN连上服务器网络返回NNN174.2.2 扩展板接口程序设计系统扩展板主要完成接收 EELiod270 平台发送来的控制命令和采集传感器警报信息并将警报信息通过串口上传到 EELiod270 平台。EELiod27

31、0 平台根据警报信息和警报使能标志启动自动报警处理操作，在有线网络连通的情况下，通过网络向小区服务端进行报警。考虑可能出现的误报警，程序设计中采用多次读取扩展板发送来的数据，如果出现四次以上的数据，则进行数据处理，否则视为误报警，为了避免主人在家时出现报警，程序中设置了报警允许标志，只有在报警允许的情况下，才启动报警，流程图如图 4.5 所示。报警数据处理，（来自扩展板）扩展板串口打开没有？读取报警数据（共四次）有四次读取吗？是红外警报且警报允许吗是烟雾警报且警报允许吗是煤气警报且警报允许吗置位红外警报标志，启动自动短信报警置位烟雾警报标志，启动自动短信报警置位煤气警报标志，启动自动短信报警网络连通吗启动网络警报发送网络连通吗启动网络警报发