基于ARM9與PLC技術的家庭安防系統設計

歐陽哲，張新左，陳 翔，許曉平（昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明　650051）

?

基于ARM9與PLC技術的家庭安防系統設計

歐陽哲，張新左，陳 翔，許曉平
（昆明理工大學信息工程與自動化學院，昆明650051）

摘 要：為提高家庭安防的智能化、簡約化與成本最小化，以遍布每個家庭的電力線為主要通信介質，設計并實現了一種基于ARM與電力線載波通信技術的微型嵌入式家庭安防系統。闡述了該系統的具體安防功能與整體結構組成，包括系統工作原理、系統硬件設計、電力線載波通信原理、網絡接口電路、系統軟件實施方案等，各從節點控制模塊相互獨立分散，功能上進行互補，除基本的火災、可燃性氣體檢測報警等外，特殊地方的從節點增加門窗防盜與圖像抓拍等功能。最后對各個節點模塊與系統整體功能進行測試，表明系統穩定可靠，數據收發準確，且即插即用，能方便且穩定的應用于家庭安防系統中。

關鍵詞：電力線載波通信；嵌入式系統；家庭安防；門窗防盜；圖像抓拍；報警

1 引 言

隨著城鎮化的發展，各地流動人口不斷增加，高大密集的居民樓林立，家庭對內對外的安防已成為人們越來越關注的問題。傳統的基于無線通信方式的家庭安防系統存在距離短、相對成本較高、頻率有限、陰影衰落、多徑干擾及其它電磁干擾等問題，且高頻電磁波的影響是否存在著有害的生物學效應，國內外的大量研究尚無定論［1］，從而系統的可靠性和安全性受到限制。本課題以遍布每個家庭的輸電線作為主要通信介質，設計并實現了一種基于ARM與電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，PLC）技術的家庭安防系統，該系統除了具有傳統安防系統所具有的可燃性氣體檢測報警、煙霧火災報警、門窗防盜報警、現場圖像抓拍等功能外，還具有供用戶可以選擇的主動安防功能，即用戶有數天或數月不在家時，模擬用戶的正常生活習慣，到了一定時間或者隨機時間打開關閉家中的電視、洗手間電燈、客廳燈、臥室燈等操作，以制造家里有人居住的場景，從而取得很好的防盜效果。

?

2 系統結構及工作原理

系統總體設計結構如圖1所示，主要由前端（信號處理）和后端（中央處理器）兩部分組成。前端由傳感器檢測模塊、信號處理模塊、電力線載波數據發送模塊與控制模塊組成；后端由ARM中央處理器、外圍電路、電力線載波接收模塊、網絡接口模塊組成，通過電力線載波技術進行數據傳輸。

圖1 系統結構

通過電力線傳輸數據做到系統不需要額外布線，普通家庭不需要為繁瑣的布線安裝憂慮。系統總體設計遵循的原則有：①中央處理器和信號采集控制終端分離式設計，滿足用戶的個性化需求分散節點、集中控制的智能化控制系統設計，并以用戶認可的需求和目標作為工作開展的方向；②采用電力線載波技術做為傳輸數據、控制指令的方式，保證家庭智能安防系統的實時性、可靠性；③利用遍布千家萬戶的網絡通訊作為介入控制，用戶可以遠程、實時的監控家中情況。

每一個檢測點即從模塊由相應的傳感器檢測到對應的物理量，經A/D轉換后由STC89 C52作為微處理器結合HLPLCS520F作為電力線通訊單元通過家用電力線將信號傳給ARM主控單元，主機根據地址判斷信號來自哪個節點，然后通過軟件判斷是有非法人員進入還是有火災隱患或是有煤氣泄漏，無論哪種突發狀況發生，主機都會啟動USB攝像頭對現場圖像抓拍，并驅動報警裝置進行報警。當屋主長時間外出時，可在ARM主控單元上增加設置主動安防功能，按照一定的作息時間打開關閉家中的電視、洗手間電燈、客廳燈、臥室燈等操作，以制造家中有人居住的假象，從而起到主動安防功能。

3 系統硬件設計

系統硬件電路框圖如圖2所示，主控制模塊主要包括電力線通信模塊HLPLCS52F及其外圍電路、S3C2440的ARM處理器、存儲器、網絡通信模塊DM9000、液晶顯示模塊等。各從模塊主要由電力線通信HLPLS520F模塊、STC89C52單片機、FLASH存儲器、A/D模擬量采集電路、輸入輸出模塊、傳感器采集模塊和繼電器執行模塊組成。

圖2 系統硬件框圖

3.1從智能模塊和智能家電模塊

從智能模塊包含三部分功能：防盜、火災檢測和煤氣檢測。防盜主要是門窗防盜，將震動傳感器與熱釋電紅外傳感器安裝在相應的門窗位置上，其中，熱釋電傳感器能感受人體的移動［2］，如果震動傳感器連續震動超過三分鐘且熱釋電紅外傳感器一直能感應到人的紅外線，那么兩傳感器相結合作用判斷是否有人動門或窗。火災檢測由煙霧傳感器與溫度傳感器組成，當兩個傳感器都檢測到信號時才發生火災報警，這樣以免誤報。煤氣泄漏檢測采用MQ-6傳感器，它對液化氣、天然氣及城市煤氣有較好的靈敏度，而對乙醇、煙霧幾乎不響應。

智能家電模塊是能實現家庭主動安防功能的模塊。該模塊功能可以在ARM主控板上選擇設置是否工作，當屋主外出數天或數月時，設置啟動該模塊功能，它不影響正常安防模式下的全部功能，還可以模擬用戶的正常生活習慣。到了一定時間或者隨機時間打開關閉家中的電視、洗手間電燈、客廳燈、臥室燈等操作，到了休息時間關閉這些電氣設備。完全可以將家用電器連接起來進行網絡化的整體管理。

3.2電力線載波通信模塊

電力線通信技術（Power Line Communication）是利用220V電力線作為載體進行數據傳送的一種通信方式。該技術將載有信息的高頻信號加載到電力線上，由電力線進行數據傳輸，通過專用的電力線調制/解調器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設備并接收其他設備發來的數據［3］。由于使用堅固可靠的電力線作為載波信號的傳輸媒介，因此具有信息傳輸穩定可靠、路由合理、可同時復用信號等特點。

現在流行的三種調制解調方法有：調頻方式（FSK）、調幅鍵控（ASK）、相移鍵控（PSK）。其中FSK是利用基帶數據信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數字調制技術，最常用的是用兩個頻率承載二進制1和0的雙頻FSK系統［4］，由于它具有技術成熟、工程實施難度較小等優點，已經有了大批量生產并得到了廣泛應用。因此，此系統選用調頻方式作為調制解調器的HLPLCS520F芯片。該模塊框圖如圖3所示。

圖3 電力線載波模塊框圖

其中內部集成高速數字信號處理器（DSP）和FSK調制解調器，調制信號為110KHz方波，帶寬20KHz，可在正常發送模式和過零發送模式之間自由切換。正常發送模式下載波有效數據速率為800Byte/s，過零發送模式下載波有效數據速率為100Byte/s。解調器具有較高的靈敏度和強的抗干擾性能，可適應各種復雜的電力線信道環境［5］。廣泛應用于各類交流、直流載波模塊和通訊線直連的通訊模塊中。

3.3網絡接口電路

系統的ARM主控板所采用的微處理芯片是S3C2440A，它的內部并沒有集成網絡模塊，需要使用外置網絡芯片，在本系統中設計使用DM9000通用網絡芯片，如圖4為DM9000芯片的接口電路圖。

3.4主控制微處理器

系統主控制微處理器是基于ARM9核心的嵌入式智能芯片S3C2440A，它是一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，該內核是由Advanced RISC Machine（ARM）公司設計的16/32位處理器，具有強大的指令集，實現了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結構［6］。這一結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB的數據Cache，每個都由具有8個字長的行組成。S3C2440A集成了SDRAM控制器、3個UART、4個DMA、4個具有PWM功能的計時器和1個內部時鐘、8通道的10位ADC。S3C2440A有很多豐富的外部接口，包括I2C總線接口、IIS總線接口、2個USB主機接口、1個USB設備接口、MMC卡等。S3C2440A在時鐘方面也具有突出的優勢，具有片上MPLL和UPLL，其中采用MPLL產生操作USB主機/設備的時鐘，MPLL產生最大400MHz的MCU所需要的時鐘，該工作頻率可使處理器輕松運行winCE、Linux等操作系統以及進行較為復雜的信息處理［7］。此外，S3C2440A擁有多達60個中斷源，支持電平/邊沿觸發模式的外部中斷源和可編程的邊沿/電平觸發極性，能為緊急中斷請求提供快速中斷服務，完全能滿足本系統的設計要求。

圖4 DM9000芯片接口電路圖

4 系統軟件設計

通過系統硬件電路設計可以看出，系統軟件設計整體上可以分為ARM主控板S3C2440A的軟件設計和從機STC89C52的軟件設計兩部分，對于其中若干從機，只是地址不同主程序是一樣的。ARM主控板的軟件設計主要包括Linux平臺搭建與移植、LCD液晶顯示模塊程序設計、WEB服務器的移植程序設計、QT4.5圖形界面程序設計、電力線載波通信程序設計等部分；從機STC89C52的軟件設計主要包括燈光控制程序設計、火焰傳感器程序設計、可燃氣體傳感器程序設計、電力線載波通信程序設計等。系統軟件整體結構框架如圖5所示。

圖5 系統軟件整體結構框架

系統在軟件上移植了嵌入式實時操作系統Linux，該系統具有易移植、穩定性高、裁剪方便、網絡功能豐富和源碼公開等優點［8］。ARM主機系統流程圖如圖6所示，主要完成的功能有：設置并完成主動安防功能，網絡功能，普通的火災、防盜、煤氣泄漏等功能。

5 系統功能測試與實現

系統測試分為五步進行，分別為：驅動模塊功能測試，電力線載波模塊的數據傳輸測試，各傳感器傳感功能測試，網絡功能測試，最后進行整體功能測試。其中，電力線載波模塊的數據傳輸測試是通過串口調試小助手來驗證主從機發送與接收的數據是否正常。網絡功能測試時將主控板與電腦連接，打開IE瀏覽器在網頁中輸入http：//192.168.1.8登入訪問安防控制界面，看是否具有界面顯示。最后系統整體功能測試，將ARM主控板安放在本實驗室，將STC89C52從機安放在隔壁實驗室，在用打火機靠近火焰傳感器時，ARM主機界面上有火災信號，同時蜂鳴器響起。在ARM板上設置主動安防功能參數，以白熾燈的亮暗來反映各家電的工作情況，與預期值相符。在與AEM板連接的電腦IE瀏覽器中輸入http：//192.168.1.8，可查看安防情況，如圖7所示。

圖6 ARM主機系統流程圖

圖7 整體功能測試圖

6 結束語

設計的基于ARM9與電力線載波通信技術的家庭安防系統，運用電力線載波通信技術將走進千家萬戶的電力線作為通信載體，無需重新布線，節約成本，不會影響家庭美觀，同時又具有即插即用的優點。經實驗測試，能完全滿足所設計的功能需求，是一種相對較好的家庭安防系統解決方案，具有一定的應用前景。

參考文獻：

［1］李永明，張迅，俞集輝等.手機近場輻射及屏蔽的數值模擬［J］.重慶大學學報（自然科學版），2007，30（10）：28-32.LI Yong Ming，ZHANG Xun，YU Ji Hui，et al.Numerical Simulation of EM Radiation and Shielding Effectiveness of Handset［J］.JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY （NATURAL SCIENCE EDITION），2007，30（10）：28-32.

［2］楊波，陳憂先.熱釋電紅外傳感器的原理和應用［J］.儀表技術，2008（6）：66-68.YANG Bo，CHEN You Xian.Principle and Application of Pyroelectric Infrared Transducer［J］.INSTRUMENTATION TECHNOLOGY，2008（6）：66-68.

［3］楊剛.電力線通信技術［M］.北京：電子工業出版社，2011：74-75.YANG Gang.Powerline Communication Technology［M］.Beijing：PUBLISHING HOUSE OF ELECTRONICS INDUSTRY，2011：74-75.

［4］李亞巍.低壓電力線通信中OFDM關鍵技術的研究［D］.北京：華北電力大學，2013.LI Ya Wei.Research on Key Technologies of OFDM in Low-voltage Power Line Communication［D］.Beijing：North Cina Electric Power University，2013.

［5］陳鳳，鄭文剛，申長軍，等.低壓電力線載波通信技術及應用［J］.電力系統保護與控制，2009，37（22）：188-194.CHEN Feng，ZHENG Wen Gang，SHEN Chang Jun，et al.Low-voltage Power Line Carrier Communication Technology and its Application［J］.POWER SYSTEM PROTECTION AND CONTROL，2009，37（22）：188-194.

［6］黃昆.基于ARM與Linux的多功能安防監測平臺［D］.長沙：湖南大學，2013.Hang kun.Multi-function Security Monitoring Platform Based on ARM and Linux［D］.Changsha：Hunan University，2013.

［7］趙宏，王小牛，任學惠.嵌入式系統應用教程［M］.北京：人民郵電大學出版社，2010：20-94.ZHANG Hong，WANG Xiao Niu，REN Xue Hui.The Course of Embedded System Application［M］.Beijing：POSTS & TELECOM PRESS，2010：20-94.

［8］趙國安.基于linux嵌入式原理與應用開發［M］.北京：清華大學出版社，2008：22-84.ZHAO Guo An.Based on The Principles and Application Development Embedded Linux［M］.Beijing：TSINGHUA UNIVERSITY PRESS，2008：22-84.

Design of Home Security System Based on ARM and Power Line Communication

Ouyang Zhe，Zhang Xinzuo，Chen Xiang，Xu Xiaoping
（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

Abstract：The power line，available in each family，is used as the main communication medium to design and implement of home security system based on ARM and Power Line Communication.The specific security functions of the system and overall structure，including the system operation principle，the system hardware design，power line carrier communication theory，network interface circuits，systems software implementation programs，etc.，are described in this paper.The control modules from the node are decentralized independently and complemented in functions，in addition to the basic fire，combustible gas detection alarm，the functions of security doors and windows and image capture in a special place from the node are added.Finally，the functional test conducted for each node module and system shows that it is reliable，has accurate data transceiver in plug and play，and easy to use stably in home security systems.

Key words：Power Line Communication；Embedded Systems；Home Security；Anti-theft doors and windows；Image capture；Alarm

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.023

中圖分類號：TP271

文獻標識碼：B

文章編號：1002-2279（2016）02-0090-04

基金項目：?昆明理工大學教育技術基金項目（2013115）

作者簡介：歐陽哲（1990-），男，湖北省天門市人，碩士研究生，主研方向：嵌入式系統設計。

通訊作者：許曉平（1965-），男，云南省昆明市人，副教授，主研方向：嵌入式系統設計，傳感器，檢測及自動化系統集成應用研究。

收稿日期：2015-06-05