基于ARM的实验室智能无线监控系统设计

白 杰， 孟令军， 张慧慧

(中北大学 电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 太原 030051)

基于ARM的实验室智能无线监控系统设计

白 杰， 孟令军， 张慧慧

(中北大学 电子测试技术重点实验室，仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 太原 030051)

针对现有监控系统与报警系统分立不集成的问题，提出了一种基于ARM的实验室多功能视频监控与报警系统。该系统选用Linux操作系统，S3C2440微处理器，使用CC2530单芯片ZigBee无线模块进行组网。可以实时监控温湿度、监测是否有人员、设置蜂鸣器报警并且实现远程网络摄像头监控。通过ZigBee终端采集信息并且无线传输、S3C2440控制平台接收处理数据并实现网络图像传输进而实时远程监控，从而实现了智能监控与报警系统的结合。整个系统适合应用于实验室的环境安全监测，以及安防监控，将为实验室的安全提供有力保障。

S3C2440处理器; 智能监控; 无线传输; 嵌入式系统

0 引 言

嵌入式系统[1]是继IT网络技术之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可剪裁的专用计算机系统。嵌入式智能监控系统，主要包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和统软件配置等。近年来，实验室安全事故频频发生，直接威胁到师生的生命财产安全。基于此，设计了一套适合实验室的智能监测监控系统。将实时采集实验室的温湿度，当温湿度异常时，发出报警，便于人员及时排障，消除安全隐患。当夜间有人员闯入时，可以发出报警，并且通过远程打开视频，监控记录当前视频信息。目前传统的系统需要繁琐的布线，大大增加了成本。本文提出了一种无线多节点组网，经核心处理器处理，通过路由器，可以远距离网络访问[2-3]。

随着工业4.0时代的到来，以及互联网+的提出，智能监控系统[4]在工业领域中的作用愈发凸显。而开发一套低成本，高可靠性的智能监控系统成为一种市场需求。在不久的将来，必将广泛应用在家庭、企业、工厂中。

1 系统总体方案设计

本文通过对ZigBee终端[5]、协调器[6]的设计基本完成基于ARM的智能监控系统的设计。该方案将ZigBee终端采集到的现场信息通过ZigBee无线通信[7]传给嵌入式S3C2440控制平台，该平台整合视频、温湿度等信息，经路由器与PC端进行通信。该方案的优点是可以小范围内通过ZigBee组网[8]，进行多节点的数据采集，并通过S3C2440控制平台将各节点数据通过互联网进行远程访问。整个系统结构框图如图1所示。

图1 系统整体框架图

2 硬件电路设计

硬件系统设计分为两部分，终端电路设计与控制平台电路设计。

2.1 终端电路设计

终端电路采用的ZigBee 无线传感器模块的芯片为Chipcon公司的CC2530。外围电路包括DHT11温湿度传感器电路，LCD12864显示电路，热式红外传感器电路和电源模块。图2所示为终端电路示意。

2.2 控制平台电路设计

主控使用的是三星公司32位微处理器S3C2440。本设计选择该处理器的原因就是利用其可以运行Linux操作系统[9]且满足低功耗的要求。板载DM9000网卡芯片，自适应100MB网络。网卡驱动在Linux内核中植入，网络MAC地址可通过软件设定。图3所示为控制平台电路示意。

图2 终端电路结构

图3 控制平台电路

3 系统软件设计

3.1 嵌入式linux系统的移植

Linux操作系统是一个强大而稳定的操作系统，其代码开源，可根据需要来修改，使之适用于本文应用。

嵌入式Linux系统的移植主要包括：对BootLoader的移植、内核的移植、根文件的移植。

(1) BootLoader的移植。 BootLoader是引导系统内核启动的一段代码，其不具有通用性，不同的处理器以及不同的硬件结构，其BootLoader均不同。BootLoader在启动时完成硬件的初始化，建立的内存分配。以不同的CPU对BootLoader进行区分(见如表1)。

表1 不同CPU的BootLoader表

基本上所有的CPU都有对应的BootLoader，由表1可知，ARM9处理器[10]的可以使用4种BootLoader。本设计采用U-Boot来移植。根据S3C2440芯片资料修改smdk2410.c、MakeFile、Start.S、speed.c、Micro2410.c等文件，然后添加NAND Flash控制指令使其从NAND FLASH启动，定义相关参数并且传递给Linux内核来引导内核启动，最后将修改过的内核的编译生成UBoot.bin文件，烧写到Flash中，BootLoader的移植完成。

(2) 内核移植。 内核是一个系统软件。其目的是为了将中断、驱动等与硬件密切相关的程序、进程调度等使用频率较高的模块、一些重要的数据独立出来，在操作系统每次启动的时候常驻内存里。内核提供硬件抽象层、文件系统控制、进程通信控制等功能。对内核进行编译需要在Linux计算机中安装内核交叉编译器。本文使用的是Canonical公司、Ubuntu基金会发布的开源Ubuntu Linux操作系统，并且安装了交叉编译工具器。

(3) 根文件系统的烧写。YAFFS2格式是专为NAND Flash存储器设计的一种新型根文件系统。它具有读取速度快，启动时间短，内存占用小的优点。YAJFFS2根文件系统默认支持NAND Flash启动(自带驱动)，提供应用层编程接口函数，可以不使用Linux中的内存访问函数与应用编程函数，直接对根文件系统进行读取。文中的应用程序不需要对根文件系统的修改，直接在UBoot中引导下载即可。

通过上述3个步骤，完成了嵌入式Linux操作系统的移植，可以正常挂载系统启动。并且可识别Ov9650摄像头、网卡等硬件。

3.2 ZigBee模块的串口通信实现方法

S3C2440通过串口USART与ZigBee串口进行通信。需要设置串口的波特率、奇偶校验、数据流等参数来实现通信。

3.3 摄像头的实现方法

使用摄像头是为了对ZigBee监控网络异常情况进行实时监控。当温度过高或过低，或者热式红外传感器检测到有人进入时，ZigBee传输给处理器的数据异常，可以通过访问S3C2440的IP地址和端口，来进行网页实时监控。

S3C2440自带了20针的CMOS摄像头接口，本文使用的摄像头为ov9650,经过一个转接板将接口转换成20针的排座接口，与电路板相连。

Ov9650是一款CMOS图像传感器，实现摄像头Ov9650网络浏览需要安装开源软Mjpeg‐stream。它能够将Mipeg格式的图片输出成流媒体保存在Mjpeg-stream的S3C2440目录下。在此需要获取Mjpeg-stream软件并且安装于开发板上。将下载好的文件移动到开发板上，接下来将在开发板上安装Mjpeg-stream程序。将该软件源码解压到一个文件夹中，并在该文件夹中安装测试。具体操作如下，PC机与开发板经网线相连然后通过Xshell 软件talent网络连接，实现PC机对开发板的控制。在控制台终端执行如下命令：

mkdir /mjpg //创建一个目录

cd /mjpg //进入该测试目录

tar xvzf mjpg-streamer-S3C2440-bin-r6.tar.gz;解压安装， Mjpg软件在此已经安装成功。然后启动Mjpg软件，在控制端输入如下命令，软件启动(见图5)。

cd /mjpg ;进入解压目录

./start_s3c2410.sh ;执行程序

图5 软件正常启动图

在浏览器中输入http://192.168.1.230:8080/stream_simple.html，其中192.168.1.230是开发板的IP，8080是端口号，用户可以实现网页实时监控。需要注意的是，需要浏览器安装相关JAVA组件。本文使用的是谷歌浏览器，其自带JAVA组件，支持图像数据流的显示。

4 测试及结果

为了验证系统的可靠性，测试了系统的无线终端与控制电路的有效传输距离与丢包率[11]的情况。将终端点的温湿度值以2 Hz的频率发出，以控制终端为圆心，在一定半径长度的距离进行多点测试其最远传输距离。结果见表2。表明终端与主控之间通过ZigBee传输[12]，开阔地带有效传输距离在60 m左右，而有墙壁隔挡的建筑群中有效传输距离在40 m左右。

表2 终端与主控的有效传输距离

将终端与主控的距离放置在40 m范围之内的不同测试点进行了丢包率测试，结果表明在30 m范围内，丢包率最大为0.02%左右，结果见表3。

将距离确定在20 m左右进行了系统联试。系统使用了两个ZigBee无线模块，一个作为协调器与ARM9通信，另一个作为终端采集信息。数据在终端的液晶显示屏上显示，无线传输给协调器上，协调器信息由串口输出。

表3 不同距离的丢包率测试 %

通过对Linux系统的裁剪与移植，控制平台与ZigBee终端的串口之间可以正常通信，读取传输的温度信息和热式红外传感器的信息，摄像头正常运行。具体测试如下：

首先，对S3C2440控制平台[13]、ZigBee终端和协调器上电。设备正常运行。将S3C2440与路由器LAN口通过网线相连。PC机通过无线连接路由器。可以正常监控现场信息。实验结果如图6、7所示。

图6 ARM9与ZigBee信息传输

图7 通过网络实时监控图

测试表明，可以通过网络实现视频监控；PC机可以与S3C2440控制模块网络连接；终端可以显示温度等信息。温度过高或者有人闯入，蜂鸣器发出响声。通过远端打开摄像头实时获取现场视频。系统经过实验验证，具备预期效果。

5 结 语

与传统监控系统相比，该系统通过对嵌入式Linux操作系统的裁剪与移植，完成了基于ARM平台的智能无线监控系统的数据处理与系统控制；通过对TI公司提供的ZigBee协议栈的使用，完成了CC2530无线传感器的组网与信息的网络共享。系统控制中心与智能终端之间采用ZigBee无线传输方式，避免了有线布线的繁琐，节省空间，节约成本，方便节点移动。测试表明，S3C2440处理器性能满足要求；通过运行嵌入式Linux操作系统，使得其功能得到了巨大的拓展，完美的解决了多任务处理的问题。系统非常适合用于实验室的安全监测，将有效降低实验室安全事故的发生。随着工业4.0与互联网+的发展，无线智能监控系统[14]必然会得到广泛应用。

[1] Pan Meng-Shiuan, Tsai Chia-Hung, Tseng Yu-Chee. The orphan problem in ZigBee wireless networks[C]//IEEE Transactions on Mobile Computing， 2009.

[2] 于克生,别少伟.无线温湿度采集系统的Linux驱动程序设计[J]. 电子测量技术， 2012，35(12) ：71-74.

[3] 向细波.基于嵌入式Linux和GPRS的无线远程监控系统研究与应用[D].上海： 同济大学， 2007.

[4] 杨德伟,宋雪松，王 华，等.基于嵌入式Linux数字基带预失真控制系统的设计与实现[J]. 实验室研究与探索，2014，33(2)：103-107.

[5] 钟群锋.基于ZigBee技术的离子浓度远程监控系统[J].实验室研究与探索，2015，34(7)：142-146.

[6] 陶为戈,许海燕,贾中宁.基于ZigBee和GPRS技术的基站环境远程监测系统[J]. 计算机测量与控制， 2012,20(11):2943-2945.

[7] 苏维均,邵 军,于重重,等.基于ZigBee的温室监测系统的低功耗设计[J].计算机测量与控制， 2012,20(7):1812-1814.

[8] 饶达琴,张文超.基于ZigBee的自愈自组网的设计与应用[J]. 电子设计工程，2012,20(23):111-113.

[9] 刘永安.基于ARM的智能家居控制系统[D].成都：西南交通大学, 2009.

[10] 闫明明，郭 涛，鲍爱达.基于ARM的无线温度传感器网络设计[J].实验室研究与探索，2014,33(3):105-109.

[11] 习海旭，张 杰，时国龙，等.基于GPRS的嵌入式无线控制自动检测系统[J].实验室研究与探索，2014,33(7):105-108.

[12] 张 周.ZigBee技术研究及其在智能家居中的应用[D].厦门：厦门大学, 2007.

[13] 黄向骥.基于CC2430的无线智能家居系统的设计[D].武汉：武汉理工大学, 2010.

[14] 孙永坚.基于无线传感器网络的智能家居远程监控系统研究与设计[D].长春：吉林大学, 2014.

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

国家自然科学基金(61274103)

白 杰(1990-)，男，山西吕梁人，硕士研究生，研究方向领域：测试计量技术与仪器。

Tel.：18734920678；E-mail：18734920678@qq.com

孟令军(1969-)，男，山东青岛人，副教授，硕士生导师，主要从事集成测试系统及仪器，动态测试技术方面的研究。

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

TN 92

A

1006-7167(2017)02-0121-04