多网协同的实验室智能安防实验系统设计

籍风磊， 李志军， 迟学芬， 梁 楠

（吉林大学a.通信工程学院；b.公共计算机教学与研究中心，长春 130012）

0 引 言

通信工程类课外培养是本科培养的重要组成部分，与课内教学计划紧密配合，互相补充，培养学生的创新精神和实践能力，提升学生的综合能力［1-2］。本系统以开放性创新实验为导向，融合基于STM32的嵌入式软硬件开发技术［3］、传感器技术［4-5］、物联网技术［6-7］、手机APP开发［8-9］等多种通信工程类学科所需实用型技术，采用WiFi网络、ZigBee网络、移动4G多网协同组网，实现实验室智能安防功能。在设置的实验中，学生根据学习意向及专业方向需求选择实验项目，充分体现循序渐进和因材施教。同时，本实验系统为学生参加各类科技竞赛及科研、就业奠定坚实的基础。

1 系统方案设计

本系统由采集子系统、控制子系统、用户监控子系统三部分构成，总体设计框图如图1所示。其中，采集子系统通过布放门磁、红外、烟雾、温湿度、水浸等传感器及摄像头采集实验室实时数据信息；控制子系统以STM32为主控芯片，通过ZigBee网络接收采集子系统信息，对数据预处理，若有数据超过阈值，通过GSM模块通过移动4G网络向实验室管理人员发送预警短信息。用户子系统接收实时预警信息，通过WiFi网络，利用APP查看实验室各类传感器周期性采集的信息及视频信号。

2 系统硬件设计

系统的总设计方案中，用户子系统不涉及硬件的选型与设计，利用测试用户手机即可完成子系统测试。因此，只分析采集子系统和控制子系统的硬件选型与设计。

2.1 采集子系统硬件设计

采集子系统分为传感器部分和视频采集部分。传感器部分负责各传感器信号的采集，视频采集部分负责视频信号的获取。

（1）传感器部分。门磁传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、红外声光报警器、水浸传感器分别连接STM32最小系统。最小系统通过串口与ZigBee模块的终端节点连接，各终端节点通过ZigBee组网将数据发送至控制子系统的网络汇聚节点。最小系统采用意法半导体生产的STM32F103 VET6，实现采集信号由传感器至ZigBee模块的传输及控制系统子系统指令的执行。ZigBee模块采用TI公司的CC2530芯片，所有模块波特率均设置为115 200，并设置为不同的频道，实现数据的在ZigBee无线网络无干扰的传输［10］。

（2）视频采集部分。视频采集部分采用OV5640数字摄像头，通过控制子系统上的摄像头模块接口连接至核心控制芯片STM32F429。摄像头接口模块原理图如图2所示。其中，DOUT0～DOUT7向控制子系统发送数据；SLC和SDA分别为与STM32通信的I2C总线的串行时钟线和双向串行数据线；VSYNC和HSYNC分别为帧同步和行同步信号线；PCLK和XCLK分别为像素时钟信号线和主时钟信号线［11］。

2.2 控制子系统硬件设计

本系统采用意法半导体生产的STM32F429-BITx作为控制器，设计了复位、晶振、编程下载接口电路。其中，晶振电路中X8所在电路用于RTC时钟，X2所在时钟为CPU主时钟，通过内部FLASH倍频到180MB［12］；编程下载接口电路设计为SWD调测接口，此接口比20P的JTAG接口节约口线。除此之外，系统还设计了与ZigBee协调器通信的USART串行接口电路、进行以太网通信的10MB/100MB的网卡电路及用于短信发送的GSM模块电路。图3给出了网卡电路和GSM模块电路原理图。其中，10MB/100MB的网卡电路采用DM9000AE高速以太网接口芯片，该芯片与STM32间采用16位的FSMC总线连接，使用PF0作为CMD，译码器输出的FMC_NE2_C接CS［13］；GSM模块电路采用SIM800A芯片，该模块采用串口方式与STM32通信，在本系统中利用移动4G网络，实现发送短信的功能［14］。

3 系统软件设计

系统的软件设计分为采集、控制和用户部分。采集部分负责传感器信息数据及视频信号的采集；控制部分进行数据预处理，判别数据是否超出阈值，从而决定是否向管理员发送告警信息，以及接收管理员指令，并下发给各采集模块，起到上传下达作用；用户部分利用手机自带的短信功能，并开发Android手机APP，接收告警信息并实时查看实验室各项传感器信息数据及视频信号，通过手机APP下达管理指令。

3.1 采集部分软件设计

基于STM32F103的C语言程序设计，采集各传感器信息，通过ZigBee网络上传至控制子系统STM32F429。采集子系统的各传感器采集软件设计流程基本一致，由如下几部分构成：初始化、传感器驱动、设置信息采集周期、采集传感器信息、ZigBee网络上传信息。其中，初始化主要完成GPIO、A/D模块及用于ZigBee终端节点通信的串口的配置；传感器信息采集由定时器周期性触发，为便于程序设计，传感器信息的采集周期均设置为1 s。ZigBee网络上传信息是通过直接向与ZigBee模块通信的串口发送数据实现。

视频采集部分利用STM32F429的数字摄像头接口Digital camera interface（DCMI）驱动OV5640摄像头［15］，获取视频数据，然后利用DMA通道将数据运送至内存，最后通过以太网发送至用户端。软件设计的流程图如图4所示。

3.2 控制部分软件设计

控制部分程序是整个程序设计的核心部分，实现了上传下达的功能，既上报传感器及告警信息，又接收手机APP下达的指令，同时实现视频信号传输通道的建立。控制部分软件设计的流程图如图5所示。

主程序实现模块初始化、硬件自检、信息接收及发送功能后，进入循环等待，通过判定标识进入不同函数，此步骤在程序中利用Switch语句实现。短信发送函数负责将自检及告警信息实时发送至管理员；身份校验函数实现管理员登录校验；视频传输函数建立传输通道，将采集的视频信号通过以太网传送至手机终端；信息上传函数将管理员需求的传感器采集信息上传至手机终端；指令下发函数将管理员发送的指令通过ZigBee网络下发至采集子系统的不同控制器。

3.3 用户部分程序设计

用户部分程序开发手机APP，实现安防系统的远端监控和管理。通过APP，管理员可以远程查看实验室各种安防信息，实时查看实验室监控视频，下达管理指令。安防系统手机APP为按键响应式的操作，功能简单，通过拖拽UI组件构建APP界面。对每个按键进行编程的软件设计流程如图6所示。

4 系统测试

开启采集子系统和控制子系统设备，各模块上电并初始化。PC机通过串口与控制子系统连接，可查看各模块启动及运行状态，如图7所示。串口工具的连接可用作人机交互的一种方式。

打开手机APP，输入用户名、密码，呈现功能显示界面，分为文本区、视频显示区、按键区。文本区显示各参数，并周期性更新。视频区显示实验室的实时画面。按键区可远程控制传感器状态信息显示开关、实验室视频监控的开关、实验室门磁开关及退出监控系统。图8为APP的功能显示界面。

5 结 语

实验室安防创新实验系统已在开放性创新实验中应用，面向通信工程和信息工程两个专业的学生。学生通过学习本实验课程，深刻领会智能安防系统的整体架构、各子系统的功能划分及所运用的专业技术。同时，设置分别偏重于嵌入式软硬件、物联网技术、传感器技术、手机APP开发的实验项目，由学生自由选择，既培养了学生综合实践能力，又达到了因材施教的目的。