徐 聰， 陳 娟， 陰玉梅， 曹景太

（1.長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130012；2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033）

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來越高，智能家居技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居又稱智能住宅，是擁有舒適的居住環(huán)境以及便利的通訊網(wǎng)絡(luò)的家庭住宅。智能家居是一個(gè)多功能的系統(tǒng)，它包括可視對(duì)講、智能燈控制、家電控制、遠(yuǎn)程視頻控制等。隨著人類的應(yīng)用需求和住宅智能化的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)將擁有更豐富的內(nèi)容，系統(tǒng)也越來越復(fù)雜［1－2］。與此同時(shí)，居室環(huán)境的質(zhì)量直接關(guān)系到人們的身心健康，家中的安全情況也讓人關(guān)注，智能家居也涉及到監(jiān)控系統(tǒng)，傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)大都是有線通信方式，這樣的有線通信方式存在布線復(fù)雜、可擴(kuò)展性差、移動(dòng)性差的缺點(diǎn)。為此，文中提出一種嵌入式家居可視安防監(jiān)控系統(tǒng)，具有嵌入式CPU集中控制、多傳感器信息融合等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地的遠(yuǎn)程發(fā)送報(bào)警信息和現(xiàn)場(chǎng)圖像等特點(diǎn)，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)成設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，成本低廉、體積小、功耗低，比較容易實(shí)現(xiàn)［3］。

1 系統(tǒng)介紹

本系統(tǒng)是將傳感監(jiān)控、CPU控制和遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)相結(jié)合，形成一個(gè)可視安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。嵌入式硬件部分由3部分組成：第1部分是由煙霧傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器通過傳感器接口與CPU構(gòu)成連接；第2部分是CPU與GPRS無線傳輸模塊組成；第3部分是由CPU與遠(yuǎn)程開關(guān)組成［4］。這套系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度的監(jiān)測(cè)，對(duì)居室的可視，對(duì)居室內(nèi)外來人員、火災(zāi)等的監(jiān)控。并且以短信或彩信的方式通知用戶，還可以對(duì)遠(yuǎn)程開關(guān)進(jìn)行控制，控制家里的一些智能電器，從而構(gòu)成了嵌入式家居可視安防系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)采用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)，控制成本和功耗，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)由CPU、傳感器（包括煙霧傳感器、溫濕度傳感器、紅外傳感器）、攝像頭、GPRS模塊和遠(yuǎn)程開關(guān)等組成。該系統(tǒng)由煙霧、溫濕度、紅外傳感器采集環(huán)境信息，經(jīng)過CPU對(duì)信息的分析、綜合，處理后的信息如煙霧信息、溫濕度信息，通過GPRS模塊就可以發(fā)送短信到用戶的手機(jī)當(dāng)中。紅外信息則利用串口攝像頭進(jìn)行拍照，得到的照片再發(fā)送彩信，彩信通過GPRS無線模塊發(fā)送到用戶的手機(jī)當(dāng)中，另外也可以給遠(yuǎn)程開關(guān)發(fā)送命令，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制［5］。

1.2 工作原理

系統(tǒng)工作開始首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，自檢通過后執(zhí)行注冊(cè)，然后設(shè)置傳感器等各參數(shù)，再打開或關(guān)閉報(bào)警開關(guān)，等待紅外、煙霧和超溫等報(bào)警信息。系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的工作原理

注冊(cè)的目的是寫入用戶的電話號(hào)碼，系統(tǒng)默認(rèn)注冊(cè)的用戶為合法用戶，即只能給合法用戶發(fā)送短信或彩信。設(shè)置參數(shù)的目的是設(shè)置傳感器參數(shù)和報(bào)警的方式，傳感器參數(shù)包括溫濕度系數(shù)（溫濕度靈敏度、測(cè)溫范圍），煙霧系數(shù)（煙霧濃度、煙霧靈敏度），紅外參數(shù)（觸發(fā)方式、靈敏度、觸發(fā)延時(shí)）等其它的傳感器參數(shù)［6－7］。用戶可以通過發(fā)送短信來設(shè)置報(bào)警的開啟或關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)對(duì)3種報(bào)警（紅外報(bào)警、煙霧報(bào)警、超溫報(bào)警）的控制。

1.3 系統(tǒng)主要功能

1）可發(fā)送短信功能；

2）拍照，發(fā)送彩信功能；

3）GPRS上網(wǎng)撥號(hào)功能；

4）語音通話功能；

5）短信的遠(yuǎn)程控制功能，可以控制繼電器和蜂鳴器；

6）紅外、煙霧、超溫報(bào)警功能等。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分?？紤]到小型化、低成本、低功耗等需求，系統(tǒng)采用嵌入式設(shè)計(jì)，使用低功耗單片機(jī)作為CPU，外擴(kuò)各種傳感器并驅(qū)動(dòng)攝像頭和GPRS模塊［8］，下面分別從硬件和軟件兩部分介紹系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

圖3 系統(tǒng)實(shí)物圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路板圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件電路板圖

2.1.1 無線模塊設(shè)計(jì)

無線模塊設(shè)計(jì)主要是GPRS模塊，系統(tǒng)采用EM310彩信模塊，該模塊是EM310彩信模塊，可以通過它發(fā)短信或彩信。工作頻段為EGSM900／GSM1800雙頻；工作溫度為正常工作溫度－20～＋70℃；擴(kuò)展工作溫度－30～－20℃和＋70～＋75℃；存儲(chǔ)溫度－40～＋90℃。GPRS：最大下行傳輸速率為85.6kbps，最大上行傳輸速率為42.8kbps。

2.1.2 CPU設(shè)計(jì)

CPU是系統(tǒng)的控制中心，考慮小型化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用STC低功耗單片機(jī)，STC89C52是一個(gè)低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和FLASH存儲(chǔ)單元，AT89C52D單片機(jī)可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。

2.1.3 串行接口設(shè)計(jì)

串口電路主要用于驅(qū)動(dòng)串口攝像頭和GPRS模塊，采用傳統(tǒng)的MAX232芯片完成電平轉(zhuǎn)換。串口電路可連接串口攝像頭。主要由串口轉(zhuǎn)換芯片MAX232和DB9轉(zhuǎn)換接頭組成。MAX232符合RS－232的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，只需5V電源供電，功耗低，典型的供電電流5mA，內(nèi)部集成2個(gè)RS－232驅(qū)動(dòng)器，高度集成，片外最低只需4個(gè)電容即可工作。

2.1.4 電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)電源部分考慮外供電和電池供電兩種方式，外供電方式可采用9V電源供電，通過AMS1117調(diào)整為4.3～4.6V。電池供電可采用3.7V手機(jī)電池，配備升壓器至5V經(jīng)過二極管調(diào)整至工作電壓范圍內(nèi)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用嵌入式軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)流程如圖5所示［9］。

圖5 系統(tǒng)的軟件流程圖

首先是系統(tǒng)軟件模塊初始化，主要完成無線模塊系統(tǒng)工作狀態(tài)、傳感器等初始化工作。其次是注冊(cè)，即寫入合法用戶電話號(hào)碼。然后設(shè)置相應(yīng)參數(shù)，包括傳感器參數(shù)和控制方式等。軟件在工作過程中分時(shí)循環(huán)判斷報(bào)警方式，有相應(yīng)的傳感器報(bào)警隨即給出報(bào)警信息。

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，文中設(shè)計(jì)了嵌入式家居可視安防檢測(cè)系統(tǒng)，按照軟件設(shè)計(jì)方案進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

3.1 注冊(cè)

注冊(cè)的功能是寫入用戶的電話號(hào)碼。發(fā)送短信至設(shè)備號(hào)碼，格式為TEL 01P135xxxxxxxx，字母為大寫。注冊(cè)成功后，設(shè)備回復(fù)“號(hào)碼存儲(chǔ)成功”，如圖6所示。

圖6 注冊(cè)成功

3.2 紅外觸發(fā)

紅外觸發(fā)功能是主動(dòng)防御的重要方式。設(shè)置觸發(fā)方式為單次觸發(fā)，攝像頭的分辨率為320＊240，延時(shí)時(shí)間為0.5s。開啟紅外觸發(fā)功能后，設(shè)備檢測(cè)有目標(biāo)后會(huì)發(fā)送彩信至注冊(cè)的手機(jī)號(hào)碼。

3.3 超溫報(bào)警

超溫報(bào)警主要檢測(cè)周圍環(huán)境溫度，在超出注冊(cè)用戶設(shè)置的溫度后，會(huì)發(fā)送報(bào)警短信至注冊(cè)用戶號(hào)碼。實(shí)驗(yàn)中首先設(shè)置溫度報(bào)警值為50℃，設(shè)置成功后，設(shè)備回復(fù)設(shè)置成功信息，如圖7所示。

圖7 設(shè)置與溫度過高報(bào)警圖

3.4 煙霧報(bào)警

煙霧報(bào)警功能主要是預(yù)警周圍煙霧濃度，首先開啟煙感功能，編輯短信“煙感開啟”發(fā)送至設(shè)備號(hào)碼，煙感功能開啟成功后，設(shè)備回復(fù)設(shè)置成功短信，當(dāng)周圍煙霧濃度超過閾值后，即時(shí)發(fā)送報(bào)警短信至注冊(cè)用戶號(hào)碼，如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，文中設(shè)計(jì)的設(shè)備具有超溫報(bào)警、煙霧報(bào)警、紅外觸發(fā)及彩信報(bào)警燈功能。成本低、體積小，可應(yīng)用于智能家居及工業(yè)安防等領(lǐng)域。

4 結(jié) 語

家庭安防系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分，極大地提高了人們居住生活的安全性和舒適性。文中介紹的嵌入式家居可視安防系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用溫濕度、紅外、煙霧等傳感器。實(shí)現(xiàn)了對(duì)居室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)程紅外、煙霧、溫濕度報(bào)警等功能。系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試中表現(xiàn)正常，很好地實(shí)現(xiàn)了家居安防智能化的監(jiān)控，具有很好的市場(chǎng)前景。相信在不久的將來，這種智能化安防系統(tǒng)必將得到更廣泛的應(yīng)用。

圖8 煙霧報(bào)警

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