基于ARM的實(shí)驗(yàn)室智能無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白 杰， 孟令軍， 張慧慧

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

基于ARM的實(shí)驗(yàn)室智能無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白 杰， 孟令軍， 張慧慧

(中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 太原 030051)

針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)分立不集成的問(wèn)題，提出了一種基于ARM的實(shí)驗(yàn)室多功能視頻監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)，S3C2440微處理器，使用CC2530單芯片ZigBee無(wú)線模塊進(jìn)行組網(wǎng)。可以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度、監(jiān)測(cè)是否有人員、設(shè)置蜂鳴器報(bào)警并且實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控。通過(guò)ZigBee終端采集信息并且無(wú)線傳輸、S3C2440控制平臺(tái)接收處理數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸進(jìn)而實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)合。整個(gè)系統(tǒng)適合應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境安全監(jiān)測(cè)，以及安防監(jiān)控，將為實(shí)驗(yàn)室的安全提供有力保障。

S3C2440處理器; 智能監(jiān)控; 無(wú)線傳輸; 嵌入式系統(tǒng)

0 引 言

嵌入式系統(tǒng)[1]是繼IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后，又一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展方向。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括三表抄送功能、安防報(bào)警功能、可視對(duì)講功能、監(jiān)控中心功能、家電控制功能、有線電視接入、電話接入、住戶信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布線箱、寬帶網(wǎng)接入和統(tǒng)軟件配置等。近年來(lái)，實(shí)驗(yàn)室安全事故頻頻發(fā)生，直接威脅到師生的生命財(cái)產(chǎn)安全。基于此，設(shè)計(jì)了一套適合實(shí)驗(yàn)室的智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)。將實(shí)時(shí)采集實(shí)驗(yàn)室的溫濕度，當(dāng)溫濕度異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警，便于人員及時(shí)排障，消除安全隱患。當(dāng)夜間有人員闖入時(shí)，可以發(fā)出報(bào)警，并且通過(guò)遠(yuǎn)程打開(kāi)視頻，監(jiān)控記錄當(dāng)前視頻信息。目前傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要繁瑣的布線，大大增加了成本。本文提出了一種無(wú)線多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，經(jīng)核心處理器處理，通過(guò)路由器，可以遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)[2-3]。

隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，以及互聯(lián)網(wǎng)+的提出，智能監(jiān)控系統(tǒng)[4]在工業(yè)領(lǐng)域中的作用愈發(fā)凸顯。而開(kāi)發(fā)一套低成本，高可靠性的智能監(jiān)控系統(tǒng)成為一種市場(chǎng)需求。在不久的將來(lái)，必將廣泛應(yīng)用在家庭、企業(yè)、工廠中。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

本文通過(guò)對(duì)ZigBee終端[5]、協(xié)調(diào)器[6]的設(shè)計(jì)基本完成基于ARM的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該方案將ZigBee終端采集到的現(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)ZigBee無(wú)線通信[7]傳給嵌入式S3C2440控制平臺(tái)，該平臺(tái)整合視頻、溫濕度等信息，經(jīng)路由器與PC端進(jìn)行通信。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以小范圍內(nèi)通過(guò)ZigBee組網(wǎng)[8]，進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集，并通過(guò)S3C2440控制平臺(tái)將各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩部分，終端電路設(shè)計(jì)與控制平臺(tái)電路設(shè)計(jì)。

2.1 終端電路設(shè)計(jì)

終端電路采用的ZigBee 無(wú)線傳感器模塊的芯片為Chipcon公司的CC2530。外圍電路包括DHT11溫濕度傳感器電路，LCD12864顯示電路，熱式紅外傳感器電路和電源模塊。圖2所示為終端電路示意。

2.2 控制平臺(tái)電路設(shè)計(jì)

主控使用的是三星公司32位微處理器S3C2440。本設(shè)計(jì)選擇該處理器的原因就是利用其可以運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)[9]且滿足低功耗的要求。板載DM9000網(wǎng)卡芯片，自適應(yīng)100MB網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)在Linux內(nèi)核中植入，網(wǎng)絡(luò)MAC地址可通過(guò)軟件設(shè)定。圖3所示為控制平臺(tái)電路示意。

圖2 終端電路結(jié)構(gòu)

圖3 控制平臺(tái)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式linux系統(tǒng)的移植

Linux操作系統(tǒng)是一個(gè)強(qiáng)大而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，其代碼開(kāi)源，可根據(jù)需要來(lái)修改，使之適用于本文應(yīng)用。

嵌入式Linux系統(tǒng)的移植主要包括：對(duì)BootLoader的移植、內(nèi)核的移植、根文件的移植。

(1) BootLoader的移植。 BootLoader是引導(dǎo)系統(tǒng)內(nèi)核啟動(dòng)的一段代碼，其不具有通用性，不同的處理器以及不同的硬件結(jié)構(gòu)，其BootLoader均不同。BootLoader在啟動(dòng)時(shí)完成硬件的初始化，建立的內(nèi)存分配。以不同的CPU對(duì)BootLoader進(jìn)行區(qū)分(見(jiàn)如表1)。

表1 不同CPU的BootLoader表

基本上所有的CPU都有對(duì)應(yīng)的BootLoader，由表1可知，ARM9處理器[10]的可以使用4種BootLoader。本設(shè)計(jì)采用U-Boot來(lái)移植。根據(jù)S3C2440芯片資料修改smdk2410.c、MakeFile、Start.S、speed.c、Micro2410.c等文件，然后添加NAND Flash控制指令使其從NAND FLASH啟動(dòng)，定義相關(guān)參數(shù)并且傳遞給Linux內(nèi)核來(lái)引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)，最后將修改過(guò)的內(nèi)核的編譯生成UBoot.bin文件，燒寫到Flash中，BootLoader的移植完成。

(2) 內(nèi)核移植。 內(nèi)核是一個(gè)系統(tǒng)軟件。其目的是為了將中斷、驅(qū)動(dòng)等與硬件密切相關(guān)的程序、進(jìn)程調(diào)度等使用頻率較高的模塊、一些重要的數(shù)據(jù)獨(dú)立出來(lái)，在操作系統(tǒng)每次啟動(dòng)的時(shí)候常駐內(nèi)存里。內(nèi)核提供硬件抽象層、文件系統(tǒng)控制、進(jìn)程通信控制等功能。對(duì)內(nèi)核進(jìn)行編譯需要在Linux計(jì)算機(jī)中安裝內(nèi)核交叉編譯器。本文使用的是Canonical公司、Ubuntu基金會(huì)發(fā)布的開(kāi)源Ubuntu Linux操作系統(tǒng)，并且安裝了交叉編譯工具器。

(3) 根文件系統(tǒng)的燒寫。YAFFS2格式是專為NAND Flash存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)的一種新型根文件系統(tǒng)。它具有讀取速度快，啟動(dòng)時(shí)間短，內(nèi)存占用小的優(yōu)點(diǎn)。YAJFFS2根文件系統(tǒng)默認(rèn)支持NAND Flash啟動(dòng)(自帶驅(qū)動(dòng))，提供應(yīng)用層編程接口函數(shù)，可以不使用Linux中的內(nèi)存訪問(wèn)函數(shù)與應(yīng)用編程函數(shù)，直接對(duì)根文件系統(tǒng)進(jìn)行讀取。文中的應(yīng)用程序不需要對(duì)根文件系統(tǒng)的修改，直接在UBoot中引導(dǎo)下載即可。

通過(guò)上述3個(gè)步驟，完成了嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植，可以正常掛載系統(tǒng)啟動(dòng)。并且可識(shí)別Ov9650攝像頭、網(wǎng)卡等硬件。

3.2 ZigBee模塊的串口通信實(shí)現(xiàn)方法

S3C2440通過(guò)串口USART與ZigBee串口進(jìn)行通信。需要設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)流等參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信。

3.3 攝像頭的實(shí)現(xiàn)方法

使用攝像頭是為了對(duì)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低，或者熱式紅外傳感器檢測(cè)到有人進(jìn)入時(shí)，ZigBee傳輸給處理器的數(shù)據(jù)異常，可以通過(guò)訪問(wèn)S3C2440的IP地址和端口，來(lái)進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

S3C2440自帶了20針的CMOS攝像頭接口，本文使用的攝像頭為ov9650,經(jīng)過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)接板將接口轉(zhuǎn)換成20針的排座接口，與電路板相連。

Ov9650是一款CMOS圖像傳感器，實(shí)現(xiàn)攝像頭Ov9650網(wǎng)絡(luò)瀏覽需要安裝開(kāi)源軟Mjpeg‐stream。它能夠?qū)ipeg格式的圖片輸出成流媒體保存在Mjpeg-stream的S3C2440目錄下。在此需要獲取Mjpeg-stream軟件并且安裝于開(kāi)發(fā)板上。將下載好的文件移動(dòng)到開(kāi)發(fā)板上，接下來(lái)將在開(kāi)發(fā)板上安裝Mjpeg-stream程序。將該軟件源碼解壓到一個(gè)文件夾中，并在該文件夾中安裝測(cè)試。具體操作如下，PC機(jī)與開(kāi)發(fā)板經(jīng)網(wǎng)線相連然后通過(guò)Xshell 軟件talent網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)對(duì)開(kāi)發(fā)板的控制。在控制臺(tái)終端執(zhí)行如下命令：

mkdir /mjpg //創(chuàng)建一個(gè)目錄

cd /mjpg //進(jìn)入該測(cè)試目錄

tar xvzf mjpg-streamer-S3C2440-bin-r6.tar.gz;解壓安裝， Mjpg軟件在此已經(jīng)安裝成功。然后啟動(dòng)Mjpg軟件，在控制端輸入如下命令，軟件啟動(dòng)(見(jiàn)圖5)。

cd /mjpg ;進(jìn)入解壓目錄

./start_s3c2410.sh ;執(zhí)行程序

圖5 軟件正常啟動(dòng)圖

在瀏覽器中輸入http://192.168.1.230:8080/stream_simple.html，其中192.168.1.230是開(kāi)發(fā)板的IP，8080是端口號(hào)，用戶可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)實(shí)時(shí)監(jiān)控。需要注意的是，需要瀏覽器安裝相關(guān)JAVA組件。本文使用的是谷歌瀏覽器，其自帶JAVA組件，支持圖像數(shù)據(jù)流的顯示。

4 測(cè)試及結(jié)果

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，測(cè)試了系統(tǒng)的無(wú)線終端與控制電路的有效傳輸距離與丟包率[11]的情況。將終端點(diǎn)的溫濕度值以2 Hz的頻率發(fā)出，以控制終端為圓心，在一定半徑長(zhǎng)度的距離進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)試其最遠(yuǎn)傳輸距離。結(jié)果見(jiàn)表2。表明終端與主控之間通過(guò)ZigBee傳輸[12]，開(kāi)闊地帶有效傳輸距離在60 m左右，而有墻壁隔擋的建筑群中有效傳輸距離在40 m左右。

表2 終端與主控的有效傳輸距離

將終端與主控的距離放置在40 m范圍之內(nèi)的不同測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行了丟包率測(cè)試，結(jié)果表明在30 m范圍內(nèi)，丟包率最大為0.02%左右，結(jié)果見(jiàn)表3。

將距離確定在20 m左右進(jìn)行了系統(tǒng)聯(lián)試。系統(tǒng)使用了兩個(gè)ZigBee無(wú)線模塊，一個(gè)作為協(xié)調(diào)器與ARM9通信，另一個(gè)作為終端采集信息。數(shù)據(jù)在終端的液晶顯示屏上顯示，無(wú)線傳輸給協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器信息由串口輸出。

表3 不同距離的丟包率測(cè)試 %

通過(guò)對(duì)Linux系統(tǒng)的裁剪與移植，控制平臺(tái)與ZigBee終端的串口之間可以正常通信，讀取傳輸?shù)臏囟刃畔⒑蜔崾郊t外傳感器的信息，攝像頭正常運(yùn)行。具體測(cè)試如下：

首先，對(duì)S3C2440控制平臺(tái)[13]、ZigBee終端和協(xié)調(diào)器上電。設(shè)備正常運(yùn)行。將S3C2440與路由器LAN口通過(guò)網(wǎng)線相連。PC機(jī)通過(guò)無(wú)線連接路由器。可以正常監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 ARM9與ZigBee信息傳輸

圖7 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控圖

測(cè)試表明，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控；PC機(jī)可以與S3C2440控制模塊網(wǎng)絡(luò)連接；終端可以顯示溫度等信息。溫度過(guò)高或者有人闖入，蜂鳴器發(fā)出響聲。通過(guò)遠(yuǎn)端打開(kāi)攝像頭實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)視頻。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，具備預(yù)期效果。

5 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)嵌入式Linux操作系統(tǒng)的裁剪與移植，完成了基于ARM平臺(tái)的智能無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制；通過(guò)對(duì)TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧的使用，完成了CC2530無(wú)線傳感器的組網(wǎng)與信息的網(wǎng)絡(luò)共享。系統(tǒng)控制中心與智能終端之間采用ZigBee無(wú)線傳輸方式，避免了有線布線的繁瑣，節(jié)省空間，節(jié)約成本，方便節(jié)點(diǎn)移動(dòng)。測(cè)試表明，S3C2440處理器性能滿足要求；通過(guò)運(yùn)行嵌入式Linux操作系統(tǒng)，使得其功能得到了巨大的拓展，完美的解決了多任務(wù)處理的問(wèn)題。系統(tǒng)非常適合用于實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)測(cè)，將有效降低實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生。隨著工業(yè)4.0與互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，無(wú)線智能監(jiān)控系統(tǒng)[14]必然會(huì)得到廣泛應(yīng)用。

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Design of Intelligent Wireless Monitoring System of Laboratory Based on ARM

BAIJie，MENGLingjun，ZHANGHuihui

(Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory; Key Lab of Instrumentation Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education, North University of China，Taiyuan 030051，China)

The existing monitoring systems and alarm systems are not integrated, a versatile video surveillance and alarm system is presented based on ARM for laboratoryies. The system chooses the Linux, S3C2440 microprocessor, and CC2530 single-chip to construct ZigBee wireless network. The system can real-timely monitor temperature and humidity and the appearance of officers, can set buzzer alarm and remote network camera surveillance. Information is collected through the ZigBee terminal and the wireless transmission, S3C2440 platform receives process control data and completes image transmission to achieve real-time remote monitoring in order to achieve a combination of intelligent monitoring and alarm system. The entire system is suitable for laboratory monitoring of environmental safety, security and surveillance, it will provide a strong guarantee for the safety of the laboratory.

S3C2440 processor; intelligent monitoring; wireless transmission; embedded system

2016-06-10

國(guó)家自然科學(xué)基金(61274103)

白 杰(1990-)，男，山西呂梁人，碩士研究生，研究方向領(lǐng)域：測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器。

Tel.：18734920678；E-mail：18734920678@qq.com

孟令軍(1969-)，男，山東青島人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事集成測(cè)試系統(tǒng)及儀器，動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)方面的研究。

Tel.：18903419570；E-mail:3037559350@qq.com

TN 92

A

1006-7167(2017)02-0121-04