嵌入式家居可视安防监控系统

2015-06-12阴玉梅曹景太

长春工业大学学报 2015年4期

徐聪，陈娟，阴玉梅，曹景太

（1.长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春 130012；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春 130033）

0 引言

随着经济和科技的发展，人们对生活质量的要求越来越高，智能家居技术应运而生。智能家居又称智能住宅，是拥有舒适的居住环境以及便利的通讯网络的家庭住宅。智能家居是一个多功能的系统，它包括可视对讲、智能灯控制、家电控制、远程视频控制等。随着人类的应用需求和住宅智能化的发展，智能家居系统将拥有更丰富的内容，系统也越来越复杂［1－2］。与此同时，居室环境的质量直接关系到人们的身心健康，家中的安全情况也让人关注，智能家居也涉及到监控系统，传统的监控系统大都是有线通信方式，这样的有线通信方式存在布线复杂、可扩展性差、移动性差的缺点。为此，文中提出一种嵌入式家居可视安防监控系统，具有嵌入式CPU集中控制、多传感器信息融合等特点，可实现随时随地的远程发送报警信息和现场图像等特点，并可实现对现成设备的远程控制，成本低廉、体积小、功耗低，比较容易实现［3］。

1 系统介绍

本系统是将传感监控、CPU控制和远程无线通信技术相结合，形成一个可视安防监测系统。嵌入式硬件部分由3部分组成：第1部分是由烟雾传感器、温湿度传感器、红外传感器通过传感器接口与CPU构成连接；第2部分是CPU与GPRS无线传输模块组成；第3部分是由CPU与远程开关组成［4］。这套系统可实现对温湿度的监测，对居室的可视，对居室内外来人员、火灾等的监控。并且以短信或彩信的方式通知用户，还可以对远程开关进行控制，控制家里的一些智能电器，从而构成了嵌入式家居可视安防系统。

1.1 系统结构框图

系统采用嵌入式技术设计，控制成本和功耗，系统结构如图1所示。

图1 系统的结构图

系统由CPU、传感器（包括烟雾传感器、温湿度传感器、红外传感器）、摄像头、GPRS模块和远程开关等组成。该系统由烟雾、温湿度、红外传感器采集环境信息，经过CPU对信息的分析、综合，处理后的信息如烟雾信息、温湿度信息，通过GPRS模块就可以发送短信到用户的手机当中。红外信息则利用串口摄像头进行拍照，得到的照片再发送彩信，彩信通过GPRS无线模块发送到用户的手机当中，另外也可以给远程开关发送命令，进行远程控制［5］。

1.2 工作原理

系统工作开始首先进行系统自检，自检通过后执行注册，然后设置传感器等各参数，再打开或关闭报警开关，等待红外、烟雾和超温等报警信息。系统的工作原理如图2所示。

图2 系统的工作原理

注册的目的是写入用户的电话号码，系统默认注册的用户为合法用户，即只能给合法用户发送短信或彩信。设置参数的目的是设置传感器参数和报警的方式，传感器参数包括温湿度系数（温湿度灵敏度、测温范围），烟雾系数（烟雾浓度、烟雾灵敏度），红外参数（触发方式、灵敏度、触发延时）等其它的传感器参数［6－7］。用户可以通过发送短信来设置报警的开启或关闭来实现对3种报警（红外报警、烟雾报警、超温报警）的控制。

1.3 系统主要功能

1）可发送短信功能；

2）拍照，发送彩信功能；

3）GPRS上网拨号功能；

4）语音通话功能；

5）短信的远程控制功能，可以控制继电器和蜂鸣器；

6）红外、烟雾、超温报警功能等。

该监测系统实物图如图3所示。

2 系统设计方案

系统包括硬件设计和软件设计两部分。考虑到小型化、低成本、低功耗等需求，系统采用嵌入式设计，使用低功耗单片机作为CPU，外扩各种传感器并驱动摄像头和GPRS模块［8］，下面分别从硬件和软件两部分介绍系统设计方案。

图3 系统实物图

2.1 硬件设计

系统的硬件电路板图如图4所示。

图4 系统硬件电路板图

2.1.1 无线模块设计

无线模块设计主要是GPRS模块，系统采用EM310彩信模块，该模块是EM310彩信模块，可以通过它发短信或彩信。工作频段为EGSM900／GSM1800双频；工作温度为正常工作温度－20～＋70℃；扩展工作温度－30～－20℃和＋70～＋75℃；存储温度－40～＋90℃。GPRS：最大下行传输速率为85.6kbps，最大上行传输速率为42.8kbps。

2.1.2 CPU设计

CPU是系统的控制中心，考虑小型化设计，系统采用STC低功耗单片机，STC89C52是一个低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失存储技术生产，兼容标准MCS－51指令系统，片内置通用8位中央处理器和FLASH存储单元，AT89C52D单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。

2.1.3 串行接口设计

串口电路主要用于驱动串口摄像头和GPRS模块，采用传统的MAX232芯片完成电平转换。串口电路可连接串口摄像头。主要由串口转换芯片MAX232和DB9转换接头组成。MAX232符合RS－232的技术标准，只需5V电源供电，功耗低，典型的供电电流5mA，内部集成2个RS－232驱动器，高度集成，片外最低只需4个电容即可工作。

2.1.4 电源设计

系统电源部分考虑外供电和电池供电两种方式，外供电方式可采用9V电源供电，通过AMS1117调整为4.3～4.6V。电池供电可采用3.7V手机电池，配备升压器至5V经过二极管调整至工作电压范围内。

2.2 软件设计

本系统采用嵌入式软件设计，设计流程如图5所示［9］。

图5 系统的软件流程图

首先是系统软件模块初始化，主要完成无线模块系统工作状态、传感器等初始化工作。其次是注册，即写入合法用户电话号码。然后设置相应参数，包括传感器参数和控制方式等。软件在工作过程中分时循环判断报警方式，有相应的传感器报警随即给出报警信息。

3 测试实验

为了验证设计方案的可行性，文中设计了嵌入式家居可视安防检测系统，按照软件设计方案进行以下实验。

3.1 注册

注册的功能是写入用户的电话号码。发送短信至设备号码，格式为TEL 01P135xxxxxxxx，字母为大写。注册成功后，设备回复“号码存储成功”，如图6所示。

图6 注册成功

3.2 红外触发

红外触发功能是主动防御的重要方式。设置触发方式为单次触发，摄像头的分辨率为320＊240，延时时间为0.5s。开启红外触发功能后，设备检测有目标后会发送彩信至注册的手机号码。

3.3 超温报警

超温报警主要检测周围环境温度，在超出注册用户设置的温度后，会发送报警短信至注册用户号码。实验中首先设置温度报警值为50℃，设置成功后，设备回复设置成功信息，如图7所示。

图7 设置与温度过高报警图

3.4 烟雾报警

烟雾报警功能主要是预警周围烟雾浓度，首先开启烟感功能，编辑短信“烟感开启”发送至设备号码，烟感功能开启成功后，设备回复设置成功短信，当周围烟雾浓度超过阈值后，即时发送报警短信至注册用户号码，如图8所示。

实验结果显示，文中设计的设备具有超温报警、烟雾报警、红外触发及彩信报警灯功能。成本低、体积小，可应用于智能家居及工业安防等领域。

4 结语

家庭安防系统是智能家居的重要组成部分，极大地提高了人们居住生活的安全性和舒适性。文中介绍的嵌入式家居可视安防系统是一个复杂的系统，该系统利用温湿度、红外、烟雾等传感器。实现了对居室内环境监测，实时视频监控，远程红外、烟雾、温湿度报警等功能。系统在长时间的运行测试中表现正常，很好地实现了家居安防智能化的监控，具有很好的市场前景。相信在不久的将来，这种智能化安防系统必将得到更广泛的应用。