摘 要： 將嵌入式系統與3G網絡技術相結合，設計了一套基于3G技術的無線遠程控制安防報警系統。該系統在結構上分為現場聲光報警板塊、煤氣防險短信發送裝置和3G網絡發射與顯示裝置3個部分。布防時，一旦出現陌生人影，現場聲光報警板塊就會將探測到的警情信號傳輸至3G網絡發射與顯示裝置，并同時向用戶發送短信，且提示通過瀏覽器觀察屋內情況。如果屋內煤氣等易燃易爆氣體泄漏，則觸發煤氣防險短信發送裝置，該裝置向用戶發出內容上不同于前者的短信進行報警，提示在手機瀏覽器上查看監控信息。整個報警系統大小可以靈活配置，具有較好的發展前景與實用價值。
關鍵詞： 3G技術；ARM嵌入式系統；無線遠程報警；CCD傳感器
隨著社會經濟高速發展和人們生活水平的不斷提高，人們的生活需求也變得多樣化，對財產安全、人身安全等的需求應運而生，這使得智能安防報警系統與居民日常生活越來越緊密。目前，國內絕大部分家庭都對家庭安防報警系統有所需求，大多數家庭需要能夠實時監控家庭情況并且可以達到安防目的的產品。以往的防盜窗不僅影響美觀而且帶來許多問題，如影響火災救援通道、給犯罪分子提供便利的翻越條件等。而傳統的報警系統產品多采用警鈴或短信等傳統報警方式，即當警報發生時，通過聲光報警或發送報警短信進行報警。雖然這類傳統的報警系統具有成本低廉、結構簡單、安全可靠的特點，但由于傳輸網絡及設備所限，其保密性、實時性較差，并且多數產品只能以簡單地通過GSM網絡發送短信的形式進行報警[1]。本設計通過嵌入式設備與3G網絡模塊相連，利用3G網絡將聲音、視頻等各種信號發送至遠程用戶手機終端上，用來監控現場情況，可以達到防盜防險雙重作用。整個安防報警系統大小可以靈活配置，報警信息發送及時、準確、可靠，具有較好的發展前景與應用價值。
1 系統硬件設計
1.1 系統總體設計方案
本設計供單戶家庭使用，根據我國住宅建設的實際情況，為滿足新時期居民的居住要求，并充分考慮其經濟性和可靠性。根據系統的總體功能，將其劃分為探測傳感器模塊（利用單片機）、CCD攝像模塊、3G網絡無線收發模塊和ARM核心控制模塊等功能模塊。系統硬件組成框圖如圖1所示。
1.2 系統工作原理
本設計中的3G智能安防報警系統主要由現場聲光報警模塊、煤氣防險短信發送裝置和3G網絡發射與顯示裝置3部分組成。現場聲光報警模塊一般安裝在需要進行安防的地點，如門口、臥室內等。現場聲光報警模塊上的熱釋紅外傳感器經過檢測可以確定人影的到來。當檢測到人影時，其立即啟動自身聲光報警，可以達到震懾入侵者的目的，同時觸發3G網絡發射與顯示裝置，向用戶發送短信，并提示用戶打開手機瀏覽器觀察屋內情況。同樣，如果家中煤氣等易燃易爆氣體泄漏就會觸發設置于房間內的煤氣短信發送裝置，與前者一樣，該裝置會自動地往指定手機發送短信報警，并通過3G網絡對外發送視頻信號。用戶根據短信提示，打開手機瀏覽器就可以看到屋內情況，進行相關的處理。
1.2.1 現場聲光報警模塊
本模塊使用的是AT89C2051單片機，接收到外部信息時，進行處理，并且進行相關的操作[2]，該模塊與3G網絡發射與顯示裝置中主機相連。其系統主要由鍵盤、運行指示燈、熱釋紅外傳感器、電源、蜂鳴器和單片機構成，如圖2所示。圖中鍵盤1為設防鍵盤，鍵盤2為撤防鍵盤，鍵盤3為緊急報警鍵盤。
1.2.2 煤氣防險短信發送裝置
本裝置由電源、傳感器、中央處理器STM32F101C8T6、GPRS裝置和聲光報警等子模塊組成，用來完成對室內可燃性氣體的監測與報警。通過氣體傳感器MQ-4來獲取室內環境中的可燃性氣體濃度及其他相關環境參數，中央處理模塊根據預先設定的相關參數閾值判別氣體是否泄漏，若室內天然氣發生泄漏，則通過GPRS模塊向用戶手機發送報警短信，并與3G網絡發射與顯示裝置中主機通信，以便實現遠程報警的功能。圖3為STM32F101C8T6芯片的周邊電路。
1.2.3 3G網絡發射與顯示裝置
為了節省開發時間，本設計中的3G網絡發射與顯示裝置使用ARM11開發板實現相應功能，經過分析系統信號數量與類型，采用的開發板是基于德州儀器（TI）OMAP3530處理器的DevKit8000。OMAP3530處理器集成了600 MHz的ARM Cortex-A8內核及430 MHz的具有高級數字信號處理算法的DSP核，并提供了豐富的外設接口。DevKit8000提供了完善的軟件開發平臺，支持Linux-2.6.28及WinCE 6.0操作系統，并包含完善的底層驅動程序[3-4]。
ARM 11開發板系統分析現場報警裝置及煤氣傳感器短信發送裝置所傳送信號的邏輯關系。如果同時具有信號的時候則通過ARM 11開發板對CCD傳感器的視頻信號進行壓縮，然后利用與之相連的無線路由器與服務器對接。同時，將壓縮后的視頻信號傳送至服務器上，再通過3G網絡模塊將整個系統與3G網絡相連，最后可以利用3G手機訪問瀏覽器的方式看到整個現場情況。為了便于調試，在開發板上設計了一個觸摸屏，可以看到現場情況。
2 系統軟件設計
2.1 現場聲光報警模塊軟件設計
現場聲光報警模塊使用的是AT89C2051單片機，使用的編程調試軟件是Keil。軟件流程圖如圖4所示。程序首先將AT89C2051初始化，開啟每個需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態下，此時讀取按鍵1、2的鍵值。如果按鍵2被按下，則直接循環回初始化步驟；如果按鍵1按下，則繼續讀取鍵3端口數據；若鍵3按下，則直接聲光報警，否則就從熱釋紅外傳感器接口處讀取數據。如果有人影信號，則進行聲光報警，并通過端口P1.4向ARM開發板傳輸開關量信號；沒有人影信號則直接返回初始化。
2.2 煤氣防險短信發送裝置中央處理軟件設計
煤氣傳感器短信發送裝置中主控芯片采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F101C8T6微處理器，使用的編程調試軟件是IAR。程序流程如圖5所示。
程序首先對STM32F101C8T6進行初始化，開啟每個需要使用的引腳并使之處于正確的功能狀態下。然后，從STM32F101C8T6的A/D口讀入此時的數據，即此時空氣中甲烷濃度的量測值，將該值與程序中的原設定值進行比較。若甲烷的濃度超限，則STM32F101C8T6控制蜂鳴器與一個報警用的LED燈發出報警信號，接著通過串口向GPRS模塊發送信號，使之向用戶發送報警短信，提醒用戶，同時通過I/O口與3G發送與顯示裝置中的ARM 11控制器相連，達到通信的目的。
2.3 3G網絡發射與顯示裝置軟件設計
2.3.1 CCD傳感器視頻采集壓縮方案
由于安防報警系統對實時性要求較高，則需要視頻流暢地傳輸，但由于CCD傳感器所采集的視頻信號數據量較大，因此必須進行相應的壓縮處理。通過分析，可以利用DSP、FPGA一系列硬件裝置予以壓縮處理，也可以通過編寫算法處理視頻信號，達到與硬件壓縮相媲美的處理效果。
本設計通過編寫算法完成信號的處理過程，采用的是JPEG壓縮算法。JPEG是根據每幀圖像內容進行壓縮，即幀內壓縮，這樣會造成大量冗余信息被重復存儲，存儲占用空間在8 KB～15 KB之間，如果采用高壓縮比，視頻質量就會嚴重降低。系統的主要缺點是壓縮率低、占用帶寬多。但由于JPEG是目前較為通用的標準，可以得到高質量的圖像畫面，并且擁有較好的實時性，因此該算法可以較好地完成視頻的壓縮工作。
2.3.2 3G網絡傳輸方案
針對3G網絡傳輸部分，本設計選擇CDMA8000模塊，它是天漠公司推出的3G無線通信模塊，是基于高通最新的MSM6290平臺開發的UMTS 標準開發的，該模塊適用于EDGE、GPRS、GSM及WCDMA（HSPA）網絡，可實現全球漫游。通用的 USB 接口和強大的軟件支撐平臺，使模塊具備友好的二次開發軟硬件平臺，可以支持多種外圍設備，滿足3G用戶豐富的業務功能需求產品特征[5-6]。本系統設計開發的3G網絡傳輸基本流程圖如圖6所示。
3 3G網絡智能安防報警系統測試
3G網絡智能安防報警系統測試圖如圖7所示。本安防報警系統硬件主要包括2塊單片機實驗板、無線路由器、Nokia 3G手機和ARM 11開發板，可以實現設防、撤防及立即報警3個基本功能。
3.1 設防功能
按下現場報警按鍵1后，系統在1 min后進入警戒狀態，并且觸發煤氣檢測短信發送板。在警戒狀態下，如果有人闖入禁區，觸發熱釋紅外傳感器，則CPU收到信息后馬上進行聲光報警，從而達到威懾壞人的目的，同時向用戶手機發送報警短信，提示用戶打開手機瀏覽器觀察屋內情況。同樣，若屋中有煤氣等易燃氣體泄漏，則觸發煤氣防險短信發送裝置，其會向用戶手機發送與前者內容不同的短信。ARM板依靠3G網絡發送模塊向3G手機傳輸視頻信號，同樣，此時打開瀏覽器也可以觀察到現場狀況，如圖8所示。在本設計中，使用了LED二極管及蜂鳴器作為聲光報警設備。系統報警后，連續響3 min，嚇跑壞人，3 min后，再次檢測，看是否還有人，如果還有人，則繼續報警3 min，當人走后，報警停止，重新進入警戒狀態。圖8為手機收到視頻信號。
3.2 立即報警功能
立即報警功能在情況非常危及的時候，或者需要通知他人情況下的功能。按下立即報警按鍵3，系統會立即進行報警操作，一直不停報警，直到按下撤防鍵為止，從而達到發現壞人后嚇走壞人的目的。
3.3 撤防功能
屋主離開后，會按下設防鍵，但是當屋主回來后，必須進行撤防操作，不然系統仍然會進行報警。因此，必須按下撤防按鍵2，清除警戒功能。在實際應用中，撤防鍵可以安裝在比較隱蔽的地方，屋主容易操作，且壞人無法找到的地方。
本文結合目前國內安防產品的特點，提出了基于3G網絡技術的無線遠程控制安防報警系統。本系統實現了視頻采集和壓縮模塊的軟件代碼編寫，保證視頻信號可以按要求進行發送。針對無線遠程報警的任務，搭建了傳感器、控制板、發送和接收的硬件平臺，編寫了紅外傳感器觸發、攝像頭驅動和信號的處理及發送的相關程序，實現了視頻信息的無線遠程報警，具有較強的實時性。
參考文獻
[1] 黃小池.智能家居系統的現狀和發展趨勢[J].計算機科學，2003（1）：74-75.
[2] 賈素娟.基于彩信的無線紅外防盜報警系統的軟件設計[D].天津：河北工業大學，2007.
[3] Liu Hong， Ding Wei. The integrated model of embedded management systems and its implementation[J]. The Journal of China Universities of Posts and Telecommunicatopm， 2002，9（3）.
[4] 天漠科技有限公司.DevKit8000評估套件用戶手冊（版本5.0）[Z].2010.
[5] Du Yi. A study on IEEE 802.11 WLAN implementation with embedded microprocessor[J]. Journal of Harbin Institute of Technology， 2005（4）.
[6] 深圳市天漠科技有限公司.CDMA8000模塊用戶手冊（版本1.0）[Z].2010.