基于S3C2440的自动智能防盗窗系统设计

高 峰,蔡乐才,姚彩虹

(四川理工学院自动化与电子信息学院,四川自贡 643000)

0 引 言

随着物联网技术的迅速发展,智能家居悄然走进了人们的工作和生活.智能家居的应用使人们享受到更舒适、更方便的生活,同时安全性也得到了很大的提高.在现代家居中,窗户是建筑必不可少的部分,本研究设计的自动智能防盗窗系统在高性能嵌入式处理器S3C2440A中移植了μC/OS-II实时操作系统,通过μC/OS-II操作系统中的消息机制,使用GSM模块、无线网络、手机短信和LED显示,实现防盗窗系统对室内温度、CO浓度(煤气浓度)和防盗示警的多功能自动智能监控.

1 S3C2440处理器概述

S3C2440[1]是一款32位低功耗嵌入式处理器,主频400 MHz,并集成了指令、数据分开的14 K Cache、4通道DMA、3通道UARTIIC总线、IIS总线、PWM定时器、看门狗、LCD控制器、触摸屏控制器、USB、红外接口、SD存储卡接口、AC97数字音频接口等手持式产品必备的功能模块,能对核心模块和各接口功能模块的供电电源分别管理,并具有系统休眠和唤醒功能.该处理器为本自动智能防盗窗系统最大限度地降低功耗提供了完备的硬件条件.

2 系统硬件设计

2.1 总体结构

自动智能防盗窗系统采用模块化的结构设计思路:将设备分为主控模块、LED显示模块、蜂鸣器语音报警模块、GSM短信报警模块以及各种传感器模块,其总体结构框图如图1所示.

图1 智能防盗窗系统总体结构框图

图1中,用户通过使用主控模块对其他模块进行操作;当前室内温度、CO浓度、窗户的开启状况在LED显示模块中一一显示,以便于用户对室内各种状况有直观了解;传感器模块包括温度传感器、CO浓度传感器、红外传感器、振动传感器和窗磁传感器,各种被采集的数据被实时传送到主控模块;当室内温度过高或过低,门窗发生侵入情况或CO浓度超标时,蜂鸣器语音报警模块将发出报警音,并由主控模块对开窗器进行操作,从而打开或关闭窗户; GSM模块在门窗发生侵入情况下,发送文字短信到用户的手机进行示警.

2.2 主控模块

自动智能防盗窗系统的主控模块采用S3C2440A处理器,其提供了UART、IIC、I/O等多种接口,由S3C2440A芯片、JTAG、RS232、电源以及复位电路等部分组成.主控模块如图2所示.

图2 主控模块框图

2.3 传感器模块

系统通过传感器采集到各种信号,经过转换元件的信号放大、A/D转换等信号处理过程,使采集到的模拟信号能够被主控制芯片识别,从而使主控模块对其他各模块进行相应的操作.

2.3.1 CO传感器.

CO传感器选用TGS5042型电化学CO传感器.传感器的检测范围为0～10 000 ppm,输出电流1.2～2.4 nA/ppm,响应时间<60 s,工作温度为-10℃～+60℃(持续工作)、-40℃～+70℃(间断工作),工作湿度为5%～99%RH.该传感器对乙醇低敏感性,降低了各种干扰气体的影响,且传感器信号输出与CO气体的浓度成线性关系.当CO扩散到气体传感器时,其输出端产生电流输出,提供给报警器中的采样电路.当室内气体浓度发生变化时,气体传感器的输出电流也随之成正比变化,经报警器的中间电路转换放大输出,以驱动蜂鸣器语音报警模块.

2.3.2 人体接近传感器.

人体接近传感器选用YTMW8631型传感器.该型传感器开关亮信号可设置,探测灵敏度、距离可调,报警时间、距离可设置,探测方向可调,穿透性能好,输出周期为2～180 s,非接触探测,工作时不受温度、湿度、噪声、气流、尘埃、光线等影响,适合恶劣环境,其抗射频干扰能力强.当有人进入到传感器的感应范围时,传感器一旦探测到人体的红外光谱的变化,开关接通负载,开始计时,当延时到一定时间后该人仍未离开,则接通蜂鸣器语音报警.

2.3.3 振动传感器.

振动传感器选用Z04A振动传感器,其体积小,寿命长,重量轻(约1 g),外型如同一枚纽扣,灵敏度极高,能检测极其微弱的震动波,抗干扰性好,对外界声响无反映,对同一物体上的碰触极为敏感.当对着窗户猛击或打碎玻璃窗户时,振动传感器输出瞬态脉冲,接通蜂鸣器语音报警,同时GSM发出示警短信.

2.3.4 门 磁.

门磁由钢簧管和永久磁块两部分组成.当磁体与钢簧管的距离保持在1.5 cm内时,钢簧管处于断开状态.一旦磁体与钢簧管分离的距离超过1.5 cm时,钢簧管就会闭合,造成短路,报警指示灯亮,同时向控制模块发出报警信号,从而操作GSM发出示警短信.

2.4 门窗防盗与执行模块

2.4.1 门窗防盗模块.

由人体接近传感器、振动传感器和门磁组成的门窗防盗模块如图3所示.其主要功能是防止住户不在家时不法分子趁机打开门窗或破窗入室对住户的人身及财产安全造成的威胁.

图3 门窗防盗模块框图

2.4.2 执行模块.

执行模块包括开窗器和GSM模块.

本系统采用LS600型电动螺杆式开窗器,其工作电压为直流24 V,工作电流为1.0～1.2 A,推拉力为600～900 N,推动速度为6 mm/s,行程距离为50～1 000 mm.该开窗器为全金属结构,拥有平滑,畅顺的强力输出,具有电子控制过载保护装置,利用同步控制箱可以多个电机同步运行.用户通过LED显示屏自行设置适合居住的室内温度,主控制模块通过不断检测数据,对其实时监控并自动操作开窗器智能调节.通过智能操作开窗器可加速或减缓室内空气流通,从而达到调节室内温度和CO浓度的目的,使得居住环境更舒适、更安全.

系统工作时,GSM模块一直处于关机状态,直至主控制模块检测到有人不法入侵住处时,GSM模块被激活,向住户发送示警短信并使蜂鸣器发出语音警告.

3 系统软件设计

嵌入式操作系统μC/OS-II具有实时、简洁以及使软件更安全等特性[4].μC/OS-II是占先式操作系统,对任务的调度是按优先权的高低进行的,优先权的设置按照整个系统运行的时序来确定,对系统安全运行较重要和对实时性要求较严格的任务设置成较高的优先级.在本自动智能防盗窗系统中,各任务优先级由高到低依次为:CO处理任务、振动处理任务、门磁处理任务、人接近处理任务、温度处理任务、电机开窗任务、电机关窗任务、GSM短信任务.对此,系统的软件设计上,首先在主函数main中调用OS-Init()函数初始化μC/OS-II,然后建立第一个任务(起始任务),最后调用OS-Start()函数启动多任务.主函数的程序清单如下:

整个系统的任务组成流程如图4所示.

4 结 语

本研究按照低成本、低功耗和实时性的设计思路,综合了ARM技术、传感器技术、通信技术和自动控制技术,设计了一种基于S3C2440的自动智能防盗窗系统,该系统基本实现了CO气体检测、门窗的智能化以及防盗报警等功能.

图4 系统任务组成流程图

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

[2]巩艳华.基于ARM7处理器的嵌入式智能家居监控系统[J].电子科技期刊,2009,22(8):39-42.

[3]崔斌,韩俊峰.基于嵌入式系统的智能门窗设计[J].现代电子技术,2010,22(3):78-80.

[4]周立功.ARM嵌入式系统实验教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[5]浦灵敏,季爱明.基于STC89C52单片机智能窗户控制系统的设计[J].中国科技信息,2011,10(5):150-151.