基于S3C2440的自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高 峰,蔡樂才,姚彩虹

(四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院,四川自貢 643000)

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展,智能家居悄然走進(jìn)了人們的工作和生活.智能家居的應(yīng)用使人們享受到更舒適、更方便的生活,同時(shí)安全性也得到了很大的提高.在現(xiàn)代家居中,窗戶是建筑必不可少的部分,本研究設(shè)計(jì)的自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)在高性能嵌入式處理器S3C2440A中移植了μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),通過μC/OS-II操作系統(tǒng)中的消息機(jī)制,使用GSM模塊、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)短信和LED顯示,實(shí)現(xiàn)防盜窗系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)溫度、CO濃度(煤氣濃度)和防盜示警的多功能自動(dòng)智能監(jiān)控.

1 S3C2440處理器概述

S3C2440[1]是一款32位低功耗嵌入式處理器,主頻400 MHz,并集成了指令、數(shù)據(jù)分開的14 K Cache、4通道DMA、3通道UARTIIC總線、IIS總線、PWM定時(shí)器、看門狗、LCD控制器、觸摸屏控制器、USB、紅外接口、SD存儲(chǔ)卡接口、AC97數(shù)字音頻接口等手持式產(chǎn)品必備的功能模塊,能對(duì)核心模塊和各接口功能模塊的供電電源分別管理,并具有系統(tǒng)休眠和喚醒功能.該處理器為本自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)最大限度地降低功耗提供了完備的硬件條件.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路:將設(shè)備分為主控模塊、LED顯示模塊、蜂鳴器語音報(bào)警模塊、GSM短信報(bào)警模塊以及各種傳感器模塊,其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

圖1 智能防盜窗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖1中,用戶通過使用主控模塊對(duì)其他模塊進(jìn)行操作;當(dāng)前室內(nèi)溫度、CO濃度、窗戶的開啟狀況在LED顯示模塊中一一顯示,以便于用戶對(duì)室內(nèi)各種狀況有直觀了解;傳感器模塊包括溫度傳感器、CO濃度傳感器、紅外傳感器、振動(dòng)傳感器和窗磁傳感器,各種被采集的數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳送到主控模塊;當(dāng)室內(nèi)溫度過高或過低,門窗發(fā)生侵入情況或CO濃度超標(biāo)時(shí),蜂鳴器語音報(bào)警模塊將發(fā)出報(bào)警音,并由主控模塊對(duì)開窗器進(jìn)行操作,從而打開或關(guān)閉窗戶; GSM模塊在門窗發(fā)生侵入情況下,發(fā)送文字短信到用戶的手機(jī)進(jìn)行示警.

2.2 主控模塊

自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)的主控模塊采用S3C2440A處理器,其提供了UART、IIC、I/O等多種接口,由S3C2440A芯片、JTAG、RS232、電源以及復(fù)位電路等部分組成.主控模塊如圖2所示.

圖2 主控模塊框圖

2.3 傳感器模塊

系統(tǒng)通過傳感器采集到各種信號(hào),經(jīng)過轉(zhuǎn)換元件的信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理過程,使采集到的模擬信號(hào)能夠被主控制芯片識(shí)別,從而使主控模塊對(duì)其他各模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作.

2.3.1 CO傳感器.

CO傳感器選用TGS5042型電化學(xué)CO傳感器.傳感器的檢測范圍為0～10 000 ppm,輸出電流1.2～2.4 nA/ppm,響應(yīng)時(shí)間<60 s,工作溫度為-10℃～+60℃(持續(xù)工作)、-40℃～+70℃(間斷工作),工作濕度為5%～99%RH.該傳感器對(duì)乙醇低敏感性,降低了各種干擾氣體的影響,且傳感器信號(hào)輸出與CO氣體的濃度成線性關(guān)系.當(dāng)CO擴(kuò)散到氣體傳感器時(shí),其輸出端產(chǎn)生電流輸出,提供給報(bào)警器中的采樣電路.當(dāng)室內(nèi)氣體濃度發(fā)生變化時(shí),氣體傳感器的輸出電流也隨之成正比變化,經(jīng)報(bào)警器的中間電路轉(zhuǎn)換放大輸出,以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器語音報(bào)警模塊.

2.3.2 人體接近傳感器.

人體接近傳感器選用YTMW8631型傳感器.該型傳感器開關(guān)亮信號(hào)可設(shè)置,探測靈敏度、距離可調(diào),報(bào)警時(shí)間、距離可設(shè)置,探測方向可調(diào),穿透性能好,輸出周期為2～180 s,非接觸探測,工作時(shí)不受溫度、濕度、噪聲、氣流、塵埃、光線等影響,適合惡劣環(huán)境,其抗射頻干擾能力強(qiáng).當(dāng)有人進(jìn)入到傳感器的感應(yīng)范圍時(shí),傳感器一旦探測到人體的紅外光譜的變化,開關(guān)接通負(fù)載,開始計(jì)時(shí),當(dāng)延時(shí)到一定時(shí)間后該人仍未離開,則接通蜂鳴器語音報(bào)警.

2.3.3 振動(dòng)傳感器.

振動(dòng)傳感器選用Z04A振動(dòng)傳感器,其體積小,壽命長,重量輕(約1 g),外型如同一枚紐扣,靈敏度極高,能檢測極其微弱的震動(dòng)波,抗干擾性好,對(duì)外界聲響無反映,對(duì)同一物體上的碰觸極為敏感.當(dāng)對(duì)著窗戶猛擊或打碎玻璃窗戶時(shí),振動(dòng)傳感器輸出瞬態(tài)脈沖,接通蜂鳴器語音報(bào)警,同時(shí)GSM發(fā)出示警短信.

2.3.4 門 磁.

門磁由鋼簧管和永久磁塊兩部分組成.當(dāng)磁體與鋼簧管的距離保持在1.5 cm內(nèi)時(shí),鋼簧管處于斷開狀態(tài).一旦磁體與鋼簧管分離的距離超過1.5 cm時(shí),鋼簧管就會(huì)閉合,造成短路,報(bào)警指示燈亮,同時(shí)向控制模塊發(fā)出報(bào)警信號(hào),從而操作GSM發(fā)出示警短信.

2.4 門窗防盜與執(zhí)行模塊

2.4.1 門窗防盜模塊.

由人體接近傳感器、振動(dòng)傳感器和門磁組成的門窗防盜模塊如圖3所示.其主要功能是防止住戶不在家時(shí)不法分子趁機(jī)打開門窗或破窗入室對(duì)住戶的人身及財(cái)產(chǎn)安全造成的威脅.

圖3 門窗防盜模塊框圖

2.4.2 執(zhí)行模塊.

執(zhí)行模塊包括開窗器和GSM模塊.

本系統(tǒng)采用LS600型電動(dòng)螺桿式開窗器,其工作電壓為直流24 V,工作電流為1.0～1.2 A,推拉力為600～900 N,推動(dòng)速度為6 mm/s,行程距離為50～1 000 mm.該開窗器為全金屬結(jié)構(gòu),擁有平滑,暢順的強(qiáng)力輸出,具有電子控制過載保護(hù)裝置,利用同步控制箱可以多個(gè)電機(jī)同步運(yùn)行.用戶通過LED顯示屏自行設(shè)置適合居住的室內(nèi)溫度,主控制模塊通過不斷檢測數(shù)據(jù),對(duì)其實(shí)時(shí)監(jiān)控并自動(dòng)操作開窗器智能調(diào)節(jié).通過智能操作開窗器可加速或減緩室內(nèi)空氣流通,從而達(dá)到調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度和CO濃度的目的,使得居住環(huán)境更舒適、更安全.

系統(tǒng)工作時(shí),GSM模塊一直處于關(guān)機(jī)狀態(tài),直至主控制模塊檢測到有人不法入侵住處時(shí),GSM模塊被激活,向住戶發(fā)送示警短信并使蜂鳴器發(fā)出語音警告.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II具有實(shí)時(shí)、簡潔以及使軟件更安全等特性[4].μC/OS-II是占先式操作系統(tǒng),對(duì)任務(wù)的調(diào)度是按優(yōu)先權(quán)的高低進(jìn)行的,優(yōu)先權(quán)的設(shè)置按照整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)序來確定,對(duì)系統(tǒng)安全運(yùn)行較重要和對(duì)實(shí)時(shí)性要求較嚴(yán)格的任務(wù)設(shè)置成較高的優(yōu)先級(jí).在本自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng)中,各任務(wù)優(yōu)先級(jí)由高到低依次為:CO處理任務(wù)、振動(dòng)處理任務(wù)、門磁處理任務(wù)、人接近處理任務(wù)、溫度處理任務(wù)、電機(jī)開窗任務(wù)、電機(jī)關(guān)窗任務(wù)、GSM短信任務(wù).對(duì)此,系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)上,首先在主函數(shù)main中調(diào)用OS-Init()函數(shù)初始化μC/OS-II,然后建立第一個(gè)任務(wù)(起始任務(wù)),最后調(diào)用OS-Start()函數(shù)啟動(dòng)多任務(wù).主函數(shù)的程序清單如下:

整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)組成流程如圖4所示.

4 結(jié) 語

本研究按照低成本、低功耗和實(shí)時(shí)性的設(shè)計(jì)思路,綜合了ARM技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù),設(shè)計(jì)了一種基于S3C2440的自動(dòng)智能防盜窗系統(tǒng),該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了CO氣體檢測、門窗的智能化以及防盜報(bào)警等功能.

圖4 系統(tǒng)任務(wù)組成流程圖

[1]三星公司.SUMSUNG S3C2440.[2011-06-02].http:// ishare.iask.sina.com.cn/f/15895815.html.

[2]鞏艷華.基于ARM7處理器的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子科技期刊,2009,22(8):39-42.

[3]崔斌,韓俊峰.基于嵌入式系統(tǒng)的智能門窗設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2010,22(3):78-80.

[4]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[5]浦靈敏,季愛明.基于STC89C52單片機(jī)智能窗戶控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國科技信息,2011,10(5):150-151.