基于ARM9與PLC技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)設(shè)計

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

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基于ARM9與PLC技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)設(shè)計

歐陽哲，張新左，陳 翔，許曉平
（昆明理工大學(xué)信息工程與自動化學(xué)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(zhì)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ARM與電力線載波通信技術(shù)的微型嵌入式家庭安防系統(tǒng)。闡述了該系統(tǒng)的具體安防功能與整體結(jié)構(gòu)組成，包括系統(tǒng)工作原理、系統(tǒng)硬件設(shè)計、電力線載波通信原理、網(wǎng)絡(luò)接口電路、系統(tǒng)軟件實施方案等，各從節(jié)點控制模塊相互獨立分散，功能上進(jìn)行互補(bǔ)，除基本的火災(zāi)、可燃性氣體檢測報警等外，特殊地方的從節(jié)點增加門窗防盜與圖像抓拍等功能。最后對各個節(jié)點模塊與系統(tǒng)整體功能進(jìn)行測試，表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)收發(fā)準(zhǔn)確，且即插即用，能方便且穩(wěn)定的應(yīng)用于家庭安防系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：電力線載波通信；嵌入式系統(tǒng)；家庭安防；門窗防盜；圖像抓拍；報警

1 引 言

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)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(nèi)對外的安防已成為人們越來越關(guān)注的問題。傳統(tǒng)的基于無線通信方式的家庭安防系統(tǒng)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(xué)效應(yīng)，國內(nèi)外的大量研究尚無定論［1］，從而系統(tǒng)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(zhì)，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于ARM與電力線載波通信（Power Line Carrier Communication，PLC）技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)，該系統(tǒng)除了具有傳統(tǒng)安防系統(tǒng)所具有的可燃性氣體檢測報警、煙霧火災(zāi)報警、門窗防盜報警、現(xiàn)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(shù)天或數(shù)月不在家時，模擬用戶的正常生活習(xí)慣，到了一定時間或者隨機(jī)時間打開關(guān)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。

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2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)發(fā)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(wǎng)絡(luò)接口模塊組成，通過電力線載波技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過電力線傳輸數(shù)據(jù)做到系統(tǒng)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(tǒng)總體設(shè)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(shè)計，滿足用戶的個性化需求分散節(jié)點、集中控制的智能化控制系統(tǒng)設(shè)計，并以用戶認(rèn)可的需求和目標(biāo)作為工作開展的方向；②采用電力線載波技術(shù)做為傳輸數(shù)據(jù)、控制指令的方式，保證家庭智能安防系統(tǒng)的實時性、可靠性；③利用遍布千家萬戶的網(wǎng)絡(luò)通訊作為介入控制，用戶可以遠(yuǎn)程、實時的監(jiān)控家中情況。

每一個檢測點即從模塊由相應(yīng)的傳感器檢測到對應(yīng)的物理量，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由STC89 C52作為微處理器結(jié)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(jī)根據(jù)地址判斷信號來自哪個節(jié)點，然后通過軟件判斷是有非法人員進(jìn)入還是有火災(zāi)隱患或是有煤氣泄漏，無論哪種突發(fā)狀況發(fā)生，主機(jī)都會啟動USB攝像頭對現(xiàn)場圖像抓拍，并驅(qū)動報警裝置進(jìn)行報警。當(dāng)屋主長時間外出時，可在ARM主控單元上增加設(shè)置主動安防功能，按照一定的作息時間打開關(guān)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(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(jī)、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(zhí)行模塊組成。

圖2 系統(tǒng)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(zāi)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(yīng)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(xù)震動超過三分鐘且熱釋電紅外傳感器一直能感應(yīng)到人的紅外線，那么兩傳感器相結(jié)合作用判斷是否有人動門或窗?；馂?zāi)檢測由煙霧傳感器與溫度傳感器組成，當(dāng)兩個傳感器都檢測到信號時才發(fā)生火災(zāi)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(yīng)。

智能家電模塊是能實現(xiàn)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(shè)置是否工作，當(dāng)屋主外出數(shù)天或數(shù)月時，設(shè)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(xí)慣。到了一定時間或者隨機(jī)時間打開關(guān)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(guān)閉這些電氣設(shè)備。完全可以將家用電器連接起來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化的整體管理。

3.2電力線載波通信模塊

電力線通信技術(shù)（Power Line Communication）是利用220V電力線作為載體進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的一種通信方式。該技術(shù)將載有信息的高頻信號加載到電力線上，由電力線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過專用的電力線調(diào)制/解調(diào)器將高頻信號從電力線上分離出來，傳送到終端設(shè)備并接收其他設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)［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(wěn)定可靠、路由合理、可同時復(fù)用信號等特點。

現(xiàn)在流行的三種調(diào)制解調(diào)方法有：調(diào)頻方式（FSK）、調(diào)幅鍵控（ASK）、相移鍵控（PSK）。其中FSK是利用基帶數(shù)據(jù)信號離散取值特點去鍵控載波頻率以傳遞信息的一種數(shù)字調(diào)制技術(shù)，最常用的是用兩個頻率承載二進(jìn)制1和0的雙頻FSK系統(tǒng)［4］，由于它具有技術(shù)成熟、工程實施難度較小等優(yōu)點，已經(jīng)有了大批量生產(chǎn)并得到了廣泛應(yīng)用。因此，此系統(tǒng)選用調(diào)頻方式作為調(diào)制解調(diào)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(nèi)部集成高速數(shù)字信號處理器（DSP）和FSK調(diào)制解調(diào)器，調(diào)制信號為110KHz方波，帶寬20KHz，可在正常發(fā)送模式和過零發(fā)送模式之間自由切換。正常發(fā)送模式下載波有效數(shù)據(jù)速率為800Byte/s，過零發(fā)送模式下載波有效數(shù)據(jù)速率為100Byte/s。解調(diào)器具有較高的靈敏度和強(qiáng)的抗干擾性能，可適應(yīng)各種復(fù)雜的電力線信道環(huán)境［5］。廣泛應(yīng)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(wǎng)絡(luò)接口電路

系統(tǒng)的ARM主控板所采用的微處理芯片是S3C2440A，它的內(nèi)部并沒有集成網(wǎng)絡(luò)模塊，需要使用外置網(wǎng)絡(luò)芯片，在本系統(tǒng)中設(shè)計使用DM9000通用網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)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(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，該內(nèi)核是由Advanced RISC Machine（ARM）公司設(shè)計的16/32位處理器，具有強(qiáng)大的指令集，實現(xiàn)了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)［6］。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB指令Cache和16KB的數(shù)據(jù)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(nèi)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(jī)接口、1個USB設(shè)備接口、MMC卡等。S3C2440A在時鐘方面也具有突出的優(yōu)勢，具有片上MPLL和UPLL，其中采用MPLL產(chǎn)生操作USB主機(jī)/設(shè)備的時鐘，MPLL產(chǎn)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(yùn)行winCE、Linux等操作系統(tǒng)以及進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理［7］。此外，S3C2440A擁有多達(dá)60個中斷源，支持電平/邊沿觸發(fā)模式的外部中斷源和可編程的邊沿/電平觸發(fā)極性，能為緊急中斷請求提供快速中斷服務(wù)，完全能滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求。

圖4 DM9000芯片接口電路圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過系統(tǒng)硬件電路設(shè)計可以看出，系統(tǒng)軟件設(shè)計整體上可以分為ARM主控板S3C2440A的軟件設(shè)計和從機(jī)STC89C52的軟件設(shè)計兩部分，對于其中若干從機(jī)，只是地址不同主程序是一樣的。ARM主控板的軟件設(shè)計主要包括Linux平臺搭建與移植、LCD液晶顯示模塊程序設(shè)計、WEB服務(wù)器的移植程序設(shè)計、QT4.5圖形界面程序設(shè)計、電力線載波通信程序設(shè)計等部分；從機(jī)STC89C52的軟件設(shè)計主要包括燈光控制程序設(shè)計、火焰?zhèn)鞲衅鞒绦蛟O(shè)計、可燃?xì)怏w傳感器程序設(shè)計、電力線載波通信程序設(shè)計等。系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框架如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框架

系統(tǒng)在軟件上移植了嵌入式實時操作系統(tǒng)Linux，該系統(tǒng)具有易移植、穩(wěn)定性高、裁剪方便、網(wǎng)絡(luò)功能豐富和源碼公開等優(yōu)點［8］。ARM主機(jī)系統(tǒng)流程圖如圖6所示，主要完成的功能有：設(shè)置并完成主動安防功能，網(wǎng)絡(luò)功能，普通的火災(zāi)、防盜、煤氣泄漏等功能。

5 系統(tǒng)功能測試與實現(xiàn)

系統(tǒng)測試分為五步進(jìn)行，分別為：驅(qū)動模塊功能測試，電力線載波模塊的數(shù)據(jù)傳輸測試，各傳感器傳感功能測試，網(wǎng)絡(luò)功能測試，最后進(jìn)行整體功能測試。其中，電力線載波模塊的數(shù)據(jù)傳輸測試是通過串口調(diào)試小助手來驗證主從機(jī)發(fā)送與接收的數(shù)據(jù)是否正常。網(wǎng)絡(luò)功能測試時將主控板與電腦連接，打開IE瀏覽器在網(wǎng)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(tǒng)整體功能測試，將ARM主控板安放在本實驗室，將STC89C52從機(jī)安放在隔壁實驗室，在用打火機(jī)靠近火焰?zhèn)鞲衅鲿r，ARM主機(jī)界面上有火災(zāi)信號，同時蜂鳴器響起。在ARM板上設(shè)置主動安防功能參數(shù)，以白熾燈的亮暗來反映各家電的工作情況，與預(yù)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(jī)系統(tǒng)流程圖

圖7 整體功能測試圖

6 結(jié)束語

設(shè)計的基于ARM9與電力線載波通信技術(shù)的家庭安防系統(tǒng)，運(yùn)用電力線載波通信技術(shù)將走進(jìn)千家萬戶的電力線作為通信載體，無需重新布線，節(jié)約成本，不會影響家庭美觀，同時又具有即插即用的優(yōu)點。經(jīng)實驗測試，能完全滿足所設(shè)計的功能需求，是一種相對較好的家庭安防系統(tǒng)解決方案，具有一定的應(yīng)用前景。

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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(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1002-2279（2016）02-0090-04

基金項目：?昆明理工大學(xué)教育技術(shù)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(tǒng)設(shè)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(tǒng)設(shè)計，傳感器，檢測及自動化系統(tǒng)集成應(yīng)用研究。

收稿日期：2015-06-05