基于ARM的實驗室智能無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

白 杰， 孟令軍， 張慧慧

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

基于ARM的實驗室智能無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

白 杰， 孟令軍， 張慧慧

(中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051)

針對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)與報警系統(tǒng)分立不集成的問題，提出了一種基于ARM的實驗室多功能視頻監(jiān)控與報警系統(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無線模塊進行組網(wǎng)?？梢詫崟r監(jiān)控溫濕度、監(jiān)測是否有人員、設(shè)置蜂鳴器報警并且實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)攝像頭監(jiān)控。通過ZigBee終端采集信息并且無線傳輸、S3C2440控制平臺接收處理數(shù)據(jù)并實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸進而實時遠程監(jiān)控，從而實現(xiàn)了智能監(jiān)控與報警系統(tǒng)的結(jié)合。整個系統(tǒng)適合應(yīng)用于實驗室的環(huán)境安全監(jiān)測，以及安防監(jiān)控，將為實驗室的安全提供有力保障。

S3C2440處理器; 智能監(jiān)控; 無線傳輸; 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，以計算機為基礎(chǔ)，軟硬件可剪裁的專用計算機系統(tǒng)。嵌入式智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括三表抄送功能、安防報警功能、可視對講功能、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，實驗室安全事故頻頻發(fā)生，直接威脅到師生的生命財產(chǎn)安全?；诖?，設(shè)計了一套適合實驗室的智能監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)。將實時采集實驗室的溫濕度，當溫濕度異常時，發(fā)出報警，便于人員及時排障，消除安全隱患。當夜間有人員闖入時，可以發(fā)出報警，并且通過遠程打開視頻，監(jiān)控記錄當前視頻信息。目前傳統(tǒng)的系統(tǒng)需要繁瑣的布線，大大增加了成本。本文提出了一種無線多節(jié)點組網(wǎng)，經(jīng)核心處理器處理，通過路由器，可以遠距離網(wǎng)絡(luò)訪問[2-3]。

隨著工業(yè)4.0時代的到來，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)成為一種市場需求。在不久的將來，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

本文通過對ZigBee終端[5]、協(xié)調(diào)器[6]的設(shè)計基本完成基于ARM的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。該方案將ZigBee終端采集到的現(xiàn)場信息通過ZigBee無線通信[7]傳給嵌入式S3C2440控制平臺，該平臺整合視頻、溫濕度等信息，經(jīng)路由器與PC端進行通信。該方案的優(yōu)點是可以小范圍內(nèi)通過ZigBee組網(wǎng)[8]，進行多節(jié)點的數(shù)據(jù)采集，并通過S3C2440控制平臺將各節(jié)點數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)進行遠程訪問。整個系統(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

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

2.1 終端電路設(shè)計

終端電路采用的ZigBee 無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 控制平臺電路設(shè)計

主控使用的是三星公司32位微處理器S3C2440。本設(shè)計選擇該處理器的原因就是利用其可以運行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)動在Linux內(nèi)核中植入，網(wǎng)絡(luò)MAC地址可通過軟件設(shè)定。圖3所示為控制平臺電路示意。

圖2 終端電路結(jié)構(gòu)

圖3 控制平臺電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式linux系統(tǒng)的移植

Linux操作系統(tǒng)是一個強大而穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，其代碼開源，可根據(jù)需要來修改，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在啟動時完成硬件的初始化，建立的內(nèi)存分配。以不同的CPU對BootLoader進行區(qū)分(見如表1)。

表1 不同CPU的BootLoader表

基本上所有的CPU都有對應(yīng)的BootLoader，由表1可知，ARM9處理器[10]的可以使用4種BootLoader。本設(shè)計采用U-Boot來移植。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，定義相關(guān)參數(shù)并且傳遞給Linux內(nèi)核來引導(dǎo)內(nèi)核啟動，最后將修改過的內(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)核是一個系統(tǒng)軟件。其目的是為了將中斷、驅(qū)動等與硬件密切相關(guān)的程序、進程調(diào)度等使用頻率較高的模塊、一些重要的數(shù)據(jù)獨立出來，在操作系統(tǒng)每次啟動的時候常駐內(nèi)存里。內(nèi)核提供硬件抽象層、文件系統(tǒng)控制、進程通信控制等功能。對內(nèi)核進行編譯需要在Linux計算機中安裝內(nèi)核交叉編譯器。本文使用的是Canonical公司、Ubuntu基金會發(fā)布的開源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存儲器設(shè)計的一種新型根文件系統(tǒng)。它具有讀取速度快，啟動時間短，內(nèi)存占用小的優(yōu)點。YAJFFS2根文件系統(tǒng)默認支持NAND Flash啟動(自帶驅(qū)動)，提供應(yīng)用層編程接口函數(shù)，可以不使用Linux中的內(nèi)存訪問函數(shù)與應(yīng)用編程函數(shù)，直接對根文件系統(tǒng)進行讀取。文中的應(yīng)用程序不需要對根文件系統(tǒng)的修改，直接在UBoot中引導(dǎo)下載即可。

通過上述3個步驟，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。并且可識別Ov9650攝像頭、網(wǎng)卡等硬件。

3.2 ZigBee模塊的串口通信實現(xiàn)方法

S3C2440通過串口USART與ZigBee串口進行通信。需要設(shè)置串口的波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)流等參數(shù)來實現(xiàn)通信。

3.3 攝像頭的實現(xiàn)方法

使用攝像頭是為了對ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)異常情況進行實時監(jiān)控。當溫度過高或過低，或者熱式紅外傳感器檢測到有人進入時，ZigBee傳輸給處理器的數(shù)據(jù)異常，可以通過訪問S3C2440的IP地址和端口，來進行網(wǎng)頁實時監(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)過一個轉(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，實現(xiàn)攝像頭Ov9650網(wǎng)絡(luò)瀏覽需要安裝開源軟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軟件并且安裝于開發(fā)板上。將下載好的文件移動到開發(fā)板上，接下來將在開發(fā)板上安裝Mjpeg-stream程序。將該軟件源碼解壓到一個文件夾中，并在該文件夾中安裝測試。具體操作如下，PC機與開發(fā)板經(jīng)網(wǎng)線相連然后通過Xshell 軟件talent網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)PC機對開發(fā)板的控制。在控制臺終端執(zhí)行如下命令：

mkdir /mjpg //創(chuàng)建一個目錄

cd /mjpg //進入該測試目錄

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Mjpg軟件，在控制端輸入如下命令，軟件啟動(見圖5)。

cd /mjpg ;進入解壓目錄

./start_s3c2410.sh ;執(zhí)行程序

圖5 軟件正常啟動圖

在瀏覽器中輸入http://192.168.1.230:8080/stream_simple.html，其中192.168.1.230是開發(fā)板的IP，8080是端口號，用戶可以實現(xiàn)網(wǎng)頁實時監(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 測試及結(jié)果

為了驗證系統(tǒng)的可靠性，測試了系統(tǒng)的無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，在一定半徑長度的距離進行多點測試其最遠傳輸距離。結(jié)果見表2。表明終端與主控之間通過ZigBee傳輸[12]，開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)的不同測試點進行了丟包率測試，結(jié)果表明在30 m范圍內(nèi)，丟包率最大為0.02%左右，結(jié)果見表3。

將距離確定在20 m左右進行了系統(tǒng)聯(lián)試。系統(tǒng)使用了兩個ZigBee無線模塊，一個作為協(xié)調(diào)器與ARM9通信，另一個作為終端采集信息。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試 %

通過對Linux系統(tǒng)的裁剪與移植，控制平臺與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，攝像頭正常運行。具體測試如下：

首先，對S3C2440控制平臺[13]、ZigBee終端和協(xié)調(diào)器上電。設(shè)備正常運行。將S3C2440與路由器LAN口通過網(wǎng)線相連。PC機通過無線連接路由器。可以正常監(jiān)控現(xiàn)場信息。實驗結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 ARM9與ZigBee信息傳輸

圖7 通過網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)控圖

測試表明，可以通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻監(jiān)控；PC機可以與S3C2440控制模塊網(wǎng)絡(luò)連接；終端可以顯示溫度等信息。溫度過高或者有人闖入，蜂鳴器發(fā)出響聲。通過遠端打開攝像頭實時獲取現(xiàn)場視頻。系統(tǒng)經(jīng)過實驗驗證，具備預(yù)期效果。

5 結(jié) 語

與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)通過對嵌入式Linux操作系統(tǒng)的裁剪與移植，完成了基于ARM平臺的智能無線監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制；通過對TI公司提供的ZigBee協(xié)議棧的使用，完成了CC2530無線傳感器的組網(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)點移動。測試表明，S3C2440處理器性能滿足要求；通過運行嵌入式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)處理的問題。系統(tǒng)非常適合用于實驗室的安全監(jiān)測，將有效降低實驗室安全事故的發(fā)生。隨著工業(yè)4.0與互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，無線智能監(jiān)控系統(tǒng)[14]必然會得到廣泛應(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：測試計量技術(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，主要從事集成測試系統(tǒng)及儀器，動態(tài)測試技術(shù)方面的研究。

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

TN 92

A

1006-7167(2017)02-0121-04