多網協同的實驗室智能安防實驗系統設計

籍風磊， 李志軍， 遲學芬， 梁 楠

（吉林大學a.通信工程學院；b.公共計算機教學與研究中心，長春 130012）

0 引 言

通信工程類課外培養是本科培養的重要組成部分，與課內教學計劃緊密配合，互相補充，培養學生的創新精神和實踐能力，提升學生的綜合能力［1-2］。本系統以開放性創新實驗為導向，融合基于STM32的嵌入式軟硬件開發技術［3］、傳感器技術［4-5］、物聯網技術［6-7］、手機APP開發［8-9］等多種通信工程類學科所需實用型技術，采用WiFi網絡、ZigBee網絡、移動4G多網協同組網，實現實驗室智能安防功能。在設置的實驗中，學生根據學習意向及專業方向需求選擇實驗項目，充分體現循序漸進和因材施教。同時，本實驗系統為學生參加各類科技競賽及科研、就業奠定堅實的基礎。

1 系統方案設計

本系統由采集子系統、控制子系統、用戶監控子系統三部分構成，總體設計框圖如圖1所示。其中，采集子系統通過布放門磁、紅外、煙霧、溫濕度、水浸等傳感器及攝像頭采集實驗室實時數據信息；控制子系統以STM32為主控芯片，通過ZigBee網絡接收采集子系統信息，對數據預處理，若有數據超過閾值，通過GSM模塊通過移動4G網絡向實驗室管理人員發送預警短信息。用戶子系統接收實時預警信息，通過WiFi網絡，利用APP查看實驗室各類傳感器周期性采集的信息及視頻信號。

2 系統硬件設計

系統的總設計方案中，用戶子系統不涉及硬件的選型與設計，利用測試用戶手機即可完成子系統測試。因此，只分析采集子系統和控制子系統的硬件選型與設計。

2.1 采集子系統硬件設計

采集子系統分為傳感器部分和視頻采集部分。傳感器部分負責各傳感器信號的采集，視頻采集部分負責視頻信號的獲取。

（1）傳感器部分。門磁傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、紅外聲光報警器、水浸傳感器分別連接STM32最小系統。最小系統通過串口與ZigBee模塊的終端節點連接，各終端節點通過ZigBee組網將數據發送至控制子系統的網絡匯聚節點。最小系統采用意法半導體生產的STM32F103 VET6，實現采集信號由傳感器至ZigBee模塊的傳輸及控制系統子系統指令的執行。ZigBee模塊采用TI公司的CC2530芯片，所有模塊波特率均設置為115 200，并設置為不同的頻道，實現數據的在ZigBee無線網絡無干擾的傳輸［10］。

（2）視頻采集部分。視頻采集部分采用OV5640數字攝像頭，通過控制子系統上的攝像頭模塊接口連接至核心控制芯片STM32F429。攝像頭接口模塊原理圖如圖2所示。其中，DOUT0～DOUT7向控制子系統發送數據；SLC和SDA分別為與STM32通信的I2C總線的串行時鐘線和雙向串行數據線；VSYNC和HSYNC分別為幀同步和行同步信號線；PCLK和XCLK分別為像素時鐘信號線和主時鐘信號線［11］。

2.2 控制子系統硬件設計

本系統采用意法半導體生產的STM32F429-BITx作為控制器，設計了復位、晶振、編程下載接口電路。其中，晶振電路中X8所在電路用于RTC時鐘，X2所在時鐘為CPU主時鐘，通過內部FLASH倍頻到180MB［12］；編程下載接口電路設計為SWD調測接口，此接口比20P的JTAG接口節約口線。除此之外，系統還設計了與ZigBee協調器通信的USART串行接口電路、進行以太網通信的10MB/100MB的網卡電路及用于短信發送的GSM模塊電路。圖3給出了網卡電路和GSM模塊電路原理圖。其中，10MB/100MB的網卡電路采用DM9000AE高速以太網接口芯片，該芯片與STM32間采用16位的FSMC總線連接，使用PF0作為CMD，譯碼器輸出的FMC_NE2_C接CS［13］；GSM模塊電路采用SIM800A芯片，該模塊采用串口方式與STM32通信，在本系統中利用移動4G網絡，實現發送短信的功能［14］。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計分為采集、控制和用戶部分。采集部分負責傳感器信息數據及視頻信號的采集；控制部分進行數據預處理，判別數據是否超出閾值，從而決定是否向管理員發送告警信息，以及接收管理員指令，并下發給各采集模塊，起到上傳下達作用；用戶部分利用手機自帶的短信功能，并開發Android手機APP，接收告警信息并實時查看實驗室各項傳感器信息數據及視頻信號，通過手機APP下達管理指令。

3.1 采集部分軟件設計

基于STM32F103的C語言程序設計，采集各傳感器信息，通過ZigBee網絡上傳至控制子系統STM32F429。采集子系統的各傳感器采集軟件設計流程基本一致，由如下幾部分構成：初始化、傳感器驅動、設置信息采集周期、采集傳感器信息、ZigBee網絡上傳信息。其中，初始化主要完成GPIO、A/D模塊及用于ZigBee終端節點通信的串口的配置；傳感器信息采集由定時器周期性觸發，為便于程序設計，傳感器信息的采集周期均設置為1 s。ZigBee網絡上傳信息是通過直接向與ZigBee模塊通信的串口發送數據實現。

視頻采集部分利用STM32F429的數字攝像頭接口Digital camera interface（DCMI）驅動OV5640攝像頭［15］，獲取視頻數據，然后利用DMA通道將數據運送至內存，最后通過以太網發送至用戶端。軟件設計的流程圖如圖4所示。

3.2 控制部分軟件設計

控制部分程序是整個程序設計的核心部分，實現了上傳下達的功能，既上報傳感器及告警信息，又接收手機APP下達的指令，同時實現視頻信號傳輸通道的建立。控制部分軟件設計的流程圖如圖5所示。

主程序實現模塊初始化、硬件自檢、信息接收及發送功能后，進入循環等待，通過判定標識進入不同函數，此步驟在程序中利用Switch語句實現。短信發送函數負責將自檢及告警信息實時發送至管理員；身份校驗函數實現管理員登錄校驗；視頻傳輸函數建立傳輸通道，將采集的視頻信號通過以太網傳送至手機終端；信息上傳函數將管理員需求的傳感器采集信息上傳至手機終端；指令下發函數將管理員發送的指令通過ZigBee網絡下發至采集子系統的不同控制器。

3.3 用戶部分程序設計

用戶部分程序開發手機APP，實現安防系統的遠端監控和管理。通過APP，管理員可以遠程查看實驗室各種安防信息，實時查看實驗室監控視頻，下達管理指令。安防系統手機APP為按鍵響應式的操作，功能簡單，通過拖拽UI組件構建APP界面。對每個按鍵進行編程的軟件設計流程如圖6所示。

4 系統測試

開啟采集子系統和控制子系統設備，各模塊上電并初始化。PC機通過串口與控制子系統連接，可查看各模塊啟動及運行狀態，如圖7所示。串口工具的連接可用作人機交互的一種方式。

打開手機APP，輸入用戶名、密碼，呈現功能顯示界面，分為文本區、視頻顯示區、按鍵區。文本區顯示各參數，并周期性更新。視頻區顯示實驗室的實時畫面。按鍵區可遠程控制傳感器狀態信息顯示開關、實驗室視頻監控的開關、實驗室門磁開關及退出監控系統。圖8為APP的功能顯示界面。

5 結 語

實驗室安防創新實驗系統已在開放性創新實驗中應用，面向通信工程和信息工程兩個專業的學生。學生通過學習本實驗課程，深刻領會智能安防系統的整體架構、各子系統的功能劃分及所運用的專業技術。同時，設置分別偏重于嵌入式軟硬件、物聯網技術、傳感器技術、手機APP開發的實驗項目，由學生自由選擇，既培養了學生綜合實踐能力，又達到了因材施教的目的。