基于WiFi和GSM的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周青青，王　洋，陳德裕

（1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇南通　226019；2.南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南通　226019）

基于WiFi和GSM的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周青青1，王洋1，陳德裕2

（1.南通大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇南通226019；2.南通大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇南通226019）

針對無線監(jiān)控的現(xiàn)實需求，設(shè)計了一種在STM32F4微處理器平臺上的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；該系統(tǒng)主要由傳感器模塊、主控模塊、無線傳輸模塊和監(jiān)控終端模塊4個部分組成，具有傳感器驅(qū)動、自動報警和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能；文中著重給出了系統(tǒng)的整體方案詳細(xì)說明、各個模塊的原理和性能參數(shù)、系統(tǒng)的軟件設(shè)計等；經(jīng)過調(diào)試與測試，系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了預(yù)期的功能，而且具有良好的實際應(yīng)用前景。

無線監(jiān)控；傳感器；GSM；WiFi

0　引言

在監(jiān)控的很多特殊現(xiàn)場條件和環(huán)境下，監(jiān)測人員很難直接進(jìn)入監(jiān)控點進(jìn)行監(jiān)測，這就需要借助能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境的電子設(shè)備進(jìn)行無線監(jiān)測工作。遠(yuǎn)程無線圖像監(jiān)控

系統(tǒng)實現(xiàn)了對遠(yuǎn)程目標(biāo)的實時監(jiān)控，為無人值守場合提供了監(jiān)控新手段，它不受空間限制，獲取信息量大，適用范圍廣泛，已經(jīng)成為主流監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向［1］。文“基于GSM/ GPRS的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計”提出了一種通過無線模塊發(fā)送和接收短消息以實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備監(jiān)控的方法［2］；文 “基于WiFi技術(shù)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)”中，利用WiFi技術(shù)搭建無線局域網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)攝像機的設(shè)置來實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控［3］。雖然這些系統(tǒng)都實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能，但仍存在數(shù)據(jù)傳輸距離有限、無法主動報警等方面的問題。本文設(shè)計了一種無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，以ARM為微處理器，以人體紅外傳感器、震動傳感器為驅(qū)動，借助于視頻攝像頭進(jìn)行圖像采集，通過全球移動通信系統(tǒng)（global system for mobile communication，GSM）和WiFi實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程的無線監(jiān)控。

1　系統(tǒng)分析與總體框架設(shè)計

1.1系統(tǒng)設(shè)計思想

本文設(shè)計并實現(xiàn)了一種無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過傳感器采集監(jiān)測環(huán)境內(nèi)數(shù)據(jù)，當(dāng)監(jiān)測環(huán)境出現(xiàn)異常時能及時主動報警，并將實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，通過監(jiān)控中心用戶可及時準(zhǔn)確的做出人為決策。當(dāng)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)有較大的震動或有人長時間逗留的時，將觸發(fā)SW-420震動傳感器模塊或HCSR501熱釋電紅外傳感器模塊，驅(qū)動攝像頭對監(jiān)測環(huán)境進(jìn)行圖像采集。同時系統(tǒng)可以通過手機短信、手機客戶端應(yīng)用程序（Application，APP）或PC端實現(xiàn)交互式的圖像采集。根據(jù)監(jiān)測要求，系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)總體框架

系統(tǒng)采用“監(jiān)測節(jié)點—監(jiān)控中心”架構(gòu)模式，其總體框架如圖2所示。其中，監(jiān)測節(jié)點主要分為傳感器、主控制器和無線傳輸3個模塊。傳感器模塊主要分為攝像頭、熱釋電紅外傳感器、震動傳感器等監(jiān)測環(huán)境數(shù)據(jù)采集單元，用于采集監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的數(shù)據(jù)。主控制器為STM32F407ZGT6芯片，是整個無線監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，能夠負(fù)責(zé)分析和處理監(jiān)測節(jié)點所采集的各種數(shù)據(jù)，并將處理過的結(jié)果數(shù)據(jù)發(fā)送到無線傳輸模塊上。無線傳輸模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過WiFi或GSM兩種無線傳輸方式發(fā)送至監(jiān)控中心。作為整個系統(tǒng)的監(jiān)測和控制部分，監(jiān)控中心由自主設(shè)計的PC客戶端、手機APP和短消息（Short Messaging Service，SMS）組成，主要用于發(fā)送控制命令和接收、顯示監(jiān)測環(huán)境內(nèi)傳送過來的監(jiān)控數(shù)據(jù)。

圖2　系統(tǒng)總體框架圖

2　系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

系統(tǒng)的硬件主要由主控制器模塊、傳感器模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊3個模塊組成。為了降低整個系統(tǒng)的功耗，系統(tǒng)電源控制電路中加入XC6201芯片和SI2301三極管。當(dāng)外部傳感器觸發(fā)時，產(chǎn)生一段連續(xù)的方波信號 （External_Signal），當(dāng)External_Signal為高電平，三極管導(dǎo)通，電容上產(chǎn)生由低到高的跳變信號，傳送到VCC_WAKEUP上。VCC_WAKEUP使其后的三極管導(dǎo)通，從而使得SI2301的G極為低電平，S極為高電平，SI2301導(dǎo)通，此時VCC_3 V3處電壓為3.3 V，系統(tǒng)上電工作；反之，當(dāng)沒有外部觸發(fā)條件時，External_ Signal為低電平時，三極管截止，此時VCC_3 V3處電壓為0 V，系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)。其具體電路圖如圖3所示。

圖3　電源控制電路

2.1.1主控制器模塊

STM32F407ZGT6芯片集成了FPU和DSP指令，并具有192KB SRAM、1024KB FLASH、12個16位定時器、2個32位定時器、2個全雙工I2S、3個IIC、6個串口、1個數(shù)字?jǐn)z像頭接口、以及112個通用IO口等。本系統(tǒng)中用到一個同步并行接口（DCMI），該接口能夠接收攝像頭傳來的數(shù)據(jù)并放到32位數(shù)據(jù)寄存器中，然后通過通用DMA進(jìn)行傳輸。圖像緩沖區(qū)由DMA管理，而不是攝像頭接口管理。DCMI采用連續(xù)采集模式，對攝像頭傳輸過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

系統(tǒng)使用了兩個USART，一個連接GSM模塊，一個連接WiFi模塊。USART能夠靈活地與外部設(shè)備進(jìn)行全雙工數(shù)據(jù)交換，USART的雙向通信通過接收數(shù)據(jù)輸入引腳（RX）和發(fā)送數(shù)據(jù)輸出引腳（TX）實現(xiàn)。如果關(guān)閉發(fā)送器，該輸出引腳模式由其I/O端口配置決定。如果發(fā)送器使能但沒有待發(fā)送的數(shù)據(jù)，則TX引腳處于高電平。

2.1.2傳感器模塊

系統(tǒng)的傳感器模塊主要由人體紅外傳感器、震動傳感器和圖像傳感器3個部分組成。人體紅外傳感器HC-SR501靈敏度高，可靠性強；震動傳感器SW-420觸發(fā)性強，體積?。粓D像傳感器模塊采用了OV2640圖像傳感器作為核心部件，集成有源晶振和LDO，接口簡單，使用非常方便。

HC-SR501是一種采用紅外線技術(shù)的自動控制模塊。只有當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時，紅外光譜到達(dá)雙元的時間、距離才會出現(xiàn)差值，且差值越大，感應(yīng)越靈敏。在安裝時，盡量使感應(yīng)器探頭雙元的方向與人體活動最多的方向保持平行，以保證人體經(jīng)過時先后被探頭雙元所感應(yīng)。為了使探頭四面都感應(yīng)，本模塊采用了圓形透鏡。

SW-420常閉型震動傳感器，信號干凈，波形好，驅(qū)動能力強。當(dāng)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)沒有震動觸發(fā)源時，震動開關(guān)呈閉合導(dǎo)通狀態(tài)，輸出端輸出低電平，反之，輸出端輸出高電平。將震動傳感器與單片機相連，單片機通過檢測輸出端的高低電平判斷環(huán)境是否有震動，實現(xiàn)主動報警的功能。

OV2640傳感器體積小、工作電壓低，能夠?qū)崿F(xiàn)單片UXGA攝像頭和影像處理器的全部功能。通過SCCB總線控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式；通過SCCB接口編程實現(xiàn)所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、對比度、色度等。OV2640圖像傳感器具有獨特的傳感器技術(shù)，能夠減少或消除光學(xué)或電子缺陷，提高圖像質(zhì)量，獲得清晰穩(wěn)定的彩色圖像。同時OV2640自帶的JPEG輸出功能，可大大減少圖像的數(shù)據(jù)量，使其在網(wǎng)絡(luò)傳輸、無線視頻傳輸?shù)确矫婢哂泻艽蟮膬?yōu)勢。

2.1.3數(shù)據(jù)傳輸模塊

系統(tǒng)在GSM傳輸方面采用了SIM900 A模塊。該模塊可以低功耗實現(xiàn)系統(tǒng)所需要的短信和彩信功能，可以非常方便的與系統(tǒng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)在WiFi傳輸方面使用了USR-WIFI232模塊。本系統(tǒng)中利用該模塊的透明傳輸功能，把該模塊看作一個虛擬的串口，按照使用普通串口的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了串口的即插即用，在最大程度上降低了用戶的使用復(fù)雜度。

2.2系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分。本系統(tǒng)在軟件設(shè)計中使用模塊化方式，各功能模塊之間相互獨立，方便后續(xù)軟件更新和升級。系統(tǒng)主函數(shù)首先進(jìn)行初始化，包括I/O口、串口以及GSM模塊等。然后進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，在監(jiān)控狀態(tài)下主要完成各單項任務(wù)的監(jiān)控與協(xié)調(diào)。最后，根據(jù)優(yōu)先級的高低，依次執(zhí)行各分支任務(wù)。在系統(tǒng)運行期間，各分支任務(wù)按重要性來排列優(yōu)先級，并且這個優(yōu)先級是固定的。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。本系統(tǒng)軟件主要分為兩大模塊：基于GSM的交互信息的實現(xiàn)和基于WiFi的監(jiān)控終端的實現(xiàn)。

圖4　系統(tǒng)流程圖

短消息是GSM中唯一不要求建立端到端路徑的業(yè)務(wù)。短消息業(yè)務(wù)利用GSM系統(tǒng)通信信道的空閑帶寬，把短消息發(fā)送到GSM的基站，再由短消息中心發(fā)送到接收方［4］。在短消息通訊單元中，函數(shù)主要實現(xiàn)的功能有短消息的狀態(tài)查詢、解析、編寫和發(fā)送。其流程圖如圖5所示。

圖5　GSM通信流程圖

WiFi客戶端的實現(xiàn)主要解決的客戶端與監(jiān)測節(jié)點的通訊問題。通過Socket技術(shù)，可極大地降低網(wǎng)絡(luò)通信的技術(shù)難度。為實現(xiàn)進(jìn)程在網(wǎng)絡(luò)中的通信，Socket技術(shù)將TCP/IP層復(fù)雜的操作抽象為幾個簡單的接口，供應(yīng)用層直接調(diào)用。Socket是面向客戶/服務(wù)器模型設(shè)計的，網(wǎng)絡(luò)上的兩個程序通過一個雙向的通訊連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，這個雙向鏈路的一端稱為一個Socket［5］。

2.3系統(tǒng)總體功能的實現(xiàn)

通過上述硬件與軟件的設(shè)計，最終實現(xiàn)了一個全新的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用雙攝像頭實現(xiàn)對監(jiān)測環(huán)境多角度、多方向的圖像采集，通過傳感器節(jié)點采集環(huán)境數(shù)據(jù)，并將實時數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)控中心。系統(tǒng)采用GSM和WiFi兩種數(shù)據(jù)傳輸方式。基于GSM的監(jiān)控平臺，可以通過手機短信的方式查看監(jiān)測環(huán)境，實現(xiàn)拍照，開關(guān)傳感器等功能；基于WiFi的監(jiān)控平臺分為PC端和手機APP，兩者均可通過連接到WiFi上，對攝像頭進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的功能。

系統(tǒng)初始化過程中，將震動傳感器和熱釋電紅外傳感器的檢測觸發(fā)功能均設(shè)置為關(guān)閉狀態(tài)，并發(fā)送一條開機指令給手機端。手機端接收到開機指令后，就可根據(jù)不同的短信指令去控制整個系統(tǒng)執(zhí)行所有的操作，主要操作指令如下：

1）控制用戶配置指令：

cmd_num：num1，num2，num3，ok

通過該指令可以重置控制系統(tǒng)工作的3個號碼，其中num1、num2和num3分別指代3個手機號碼。當(dāng)系統(tǒng)的GSM模塊接收到手機端發(fā)送過來的正確的“控制用戶配置指令”后，會將指令通過指定串口發(fā)送給CPU，CPU接收到指令后，會從中提取出按順序排列的3個號碼，重置系統(tǒng)軟件內(nèi)部的3個控制號碼。

2）圖像采集指令：

cmd_pic：size_x，ok

通過該指令可驅(qū)動攝像頭采集圖像，其中x的大小為0～8，對應(yīng)的圖片大小分別為160×120到1600×1200。系統(tǒng)接收到指令后，啟動攝像頭拍下當(dāng)前的實時畫面，將圖像數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)開辟的一塊緩存內(nèi)，隨即關(guān)閉攝像頭。緊接著將GSM模塊配置為彩信模式，將緩存區(qū)內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)下載到SIM900A芯片內(nèi)開辟的一塊指定大小的緩存區(qū)，并發(fā)送給手機端。

3）開傳感器指令：

cmd_on：size_x，ok

通過該指令使得系統(tǒng)處于主動監(jiān)控的模式，即開啟“震動傳感器”和“熱釋電紅外傳感器”的監(jiān)測觸發(fā)功能，并同時設(shè)置自動采集圖像的大小。當(dāng)有人體移動超過了一定時間或監(jiān)測到較大的震動時，均會通過指定的控制引腳發(fā)送相應(yīng)的觸發(fā)電平，CPU將會對檢測到的信號進(jìn)行處理，自動啟動攝像頭，采集監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的實時圖像并以彩信的方式發(fā)送給手機端。

4）關(guān)傳感器指令：

cmd_off

通過該指令可關(guān)閉震動傳感器和熱釋電紅外傳感器的監(jiān)測觸發(fā)功能。系統(tǒng)接收到

手機端發(fā)送的指令就會立即停止對周圍環(huán)境的監(jiān)測，系統(tǒng)對人體移動和震動均不會做出處理，除非用戶再次開啟傳感器監(jiān)測功能，或者直接控制系統(tǒng)進(jìn)行圖像采集。

3　運行結(jié)果與評價

系統(tǒng)測試需在PC機上編譯成功后，下載到芯片中，才能進(jìn)行。搭建好硬件電路環(huán)境后，將系統(tǒng)程序在Keil u Vision軟件上編譯，通過Jlink將程序燒錄到STM32F407芯片中，驅(qū)動系統(tǒng)工作。當(dāng)在手機端發(fā)送圖像采集命令后 （cmd_pic：size_6，ok），系統(tǒng)就會對所監(jiān)測的環(huán)境進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像以彩信的形式發(fā)送到手機上。當(dāng)打開傳感器功能后，系統(tǒng)對環(huán)境進(jìn)行自動檢測，當(dāng)有人經(jīng)過時，系統(tǒng)進(jìn)行會自動采集圖像，并傳至手機端。手機端測試結(jié)果如圖6所示。同樣當(dāng)PC端和手機APP連接到WiFi信號后，也實現(xiàn)了對監(jiān)測節(jié)點的控制，啟動攝像頭采集圖像。由測試結(jié)果圖可知，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動監(jiān)控和主動監(jiān)控的功能。

圖6　手機端測試結(jié)果圖

4　結(jié)論

本文設(shè)計的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有方便、快捷、遠(yuǎn)程遙控、自主監(jiān)控等特點。通過傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和無線通信技術(shù)等技術(shù)手段，完成軟、硬件方面的設(shè)計工作，最終達(dá)到了預(yù)期的的目標(biāo)。本系統(tǒng)能夠通過智能傳感器對監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的突發(fā)事件進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷，并將監(jiān)測環(huán)境內(nèi)的實時數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心，監(jiān)控人員可以通過SMS、PC端或手機APP多種方式實現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境內(nèi)實時情況的主動查詢，確保能夠及時準(zhǔn)確的做出人為決策。系統(tǒng)擁有較強的實時性、可靠性和多選擇性，系統(tǒng)成本低，維護(hù)方便，具有較好的“互聯(lián)網(wǎng)+”前景。

［1］楊楠無線監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計［D］.阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2008.

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Design and Implementation of Wireless Monitoring System Based on WiFi and GSM

Zhou Qingqing1，Wang Yang1，Chen Deyu2

（1.School of Electronics and Information，Nantong University，Nantong226019，China；2.School of Computer Science and Technology，Nantong University，Nantong226019，China）

For the demands of wireless monitoring，a wireless monitoring system based on STM32F4 microprocessor is designed.The system consists of four parts：sensor module，main controller module，wireless transmission module and monitoring terminal module.It has many functions such as sensor driving，auto alarming，remote monitoring and so on.This article focuses on a detailed description of the overall programme，principles and performance parameters of each module，design of the system software.After many times of debug and test，it not only has achieved the expected function，but also has good prospects for practical application.

wireless monitoring；sensor；GSM；WiFi

1671-4598（2016）05-0106-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.031

TP273

A

2015-11-16；

2015-12-22。

周青青（1991-），女，南通人，碩士研究生，主要從事信息與通信工程方向的研究。

陳德裕（1963-），男，南通人，碩士生導(dǎo)師，副教授，主要從事數(shù)字圖象處理方向的研究。