毕业论文设计基于GPRS远程安防监控系统设计

1、基于GPRS远程安防监控系统设计摘 要伴随着数字化和网络化的进程，智能化的浪潮席卷了世界的每一个角落，成为一种势不可挡的历史化大趋势。面对当前犯罪分子作案手段日趋技能化、智能化、团伙化和暴力化的势态，单靠传统的“人防”一种途径已远不能适应新形式下斗争的需要 。随着网络通讯技术及图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展，使得家庭能够采用最新的通讯和图像处理技术，通过网络传输数字图像，可为实现家庭监控系统提供高效可行而且价格低廉的解决方案。本设计所制作的基于GPRS的远程安防监控系统,目的在于使得人们在可以繁忙工作的同时，在远程就了解自己家庭概况，及时作出分析与判断。本设计主要实现了以SAMSUNG

2、 ARM9（S3C2410）和嵌入式 Linux 为平台的，基于SIEMENS M35 GPRS模块的无线远程监控系统的硬件和软件方面的设计。主要内容包括：S3C2410内部芯片的详细分析；ARM9的外围与内部硬件电路的设计分析；GPRS AT 指令的收发等等。该设计实现了以下功能：实时远程监控；拍照储存；短信服务；入侵报警；火灾报警。本文重点介绍了在实际研究开发过程中采用的一些技术手段和具体的实现过程，并简要介绍了一些嵌入式相关理论基础，同时指出了该系统开发有待于进一步完善发展的方向。关键词： ARM，GPRS，嵌入式，安防，s3c2410，远程监控Design of Remote Secu

3、rity Monitoring System Based on GPRSAbstractWith the development of digitization and networkings process, the intelligents wave swept every corner of the world, and to be an unstoppable history of trend. Face to the increasing of the criminals committing crimes skills, intelligence, gangs and violen

4、t of the trend to rely solely on the traditional Human Defense a way to far can not meet the needs of the new form of struggle. With the network communication technology and image compression technology and transmission technologys rapid development. Allows families to use the latest communications

5、and image processing technology, digital images through network transmission, home monitoring systems can provide efficient realization of a viable and affordable solution program. his paper which is GPRS-based remote security monitoring system designed to enable people who is busy to work, to know

6、family situation in the distance, and timely to analyze and judge to do something.This paper introduces to SAMSUNG ARM9 (S3C2410) and embedded Linux as the platform. SIEMENS M35 GPRS module based wireless remote monitoring system hardware and software design. The main contents include: S3C2410 detai

7、led analysis of the internal chip; ARM9 external and internal hardware circuit design and analysis; AT command of the transceiver so. This system has the following features: real-time remote monitoring; photo storage; SMS; intrusion alarm; fire alarm and fire fighting.This paper focuses on the pract

8、ical research in the development process used in a number of technical means and specific steps. Briefly introduces of the embedded-related theories. Also pointed out that the system had to be further improved development.Key words: Embedded，GPRS，ARM，Security，s3c2410，Remote monitoring目 录摘 要IAbstract

9、II第1章 绪论11.1 课题背景11.2 课题来源21.3 国内外研究现状21.4 课题的主要内容41.5 论文结构5第2章 系统分析及总体方案62.1 系统功能分析62.1.1 功能服务全局分析72.1.2 功能模块需求分析72.1.3 硬件平台功能需求分析72.2 性能需求分析82.2.1 系统稳定性92.2.2 支持用户远程登录92.2.3 警报准确性高92.3 系统总体方案选择92.3.1 远程安防监控方案102.3.2 无线传输方案11第3章 开发环境搭建及硬件设计143.1 嵌入式系统简介143.2 Linux 操作系统简介153.3 开发平台搭建173.3.1 ARM 处理器选

10、型173.3.2 GSM/GPRS通讯模块选型183.4 主要仪器设备设计概述183.4.1 FS2410开发板简介193.4.2 三星S3C2410X详细概述213.4.3 摄像头传感器223.4.4 温湿度传感器DHT11233.4.5 光照传感器ISL29003243.5 系统设计方案总体框架243.5.1 系统设计方案253.5.2 系统设计框架25第4章 系统软件设计264.1总程序设计结构图264.2 视频采集模块264.2.1 移植摄像头驱动说明264.2.2 视频采集流程及程序实现274.3 GPRS通讯模块设计294.3.1 GPRS 模块说明294.3.2 短消息 AT 指

11、令294.3.3 GPRS 发送接收程序设计304.4 WEB 服务器的搭建314.4.1 Boa服务器功能设计324.4.2 Boa程序的移植334.4.3 Boa的配置与执行334.4.4 Cgi代码设计354.5 主程序流程364.5.1 主程序流程图364.5.2 有人闯入时子程序处理流程374.5.3 火灾发生时子程序处理流程384.5.4 守候线程处理流程39第5章 测试结果与总结415.1 功能测试415.2 功能说明415.3 总结42参考文献44致 谢45第1章 绪论高速发展的现代社会，让人们对信息的获取提出了越来越高的要求。监控系统的出现，满足了人们掌握生产各环节信息的需求

12、，对确保人民生命财产的安全，保障生产过程自动化的安全运行等方面起到了巨大的作用，而且对生产管理也有重要意义。1.1 课题背景远程监控技术随着Internet网络的不断发展而得到广泛应用，如远程网络教学、Internet网络的家电接入、远程故障诊断、网上考试等，利用Internet网络可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。远程监控系统己广泛应用于邮电、电力、通讯、银行等系统及设施。对于许多监控现场，由于需要监控的区域广、监控的对象种类繁多，因而需要花费大量的人力、物力和财力进行设备的维护。而且还存在着某些容易发生突发性事件的领域，如容易发生火灾和洪灾的场所，由于这些事件发生的概率

13、相对较小，且具有随机性和不确定性，如果在现场实施人员值守是不现实的。同时，在许多条件恶劣、人们不易到达或不能时刻停留的地方偶尔采集一些现场数据，这时如果进行大量的布线工作则是不经济、不合理的1。随着移动数据通讯业务的发展，GPRS网络通信以其更加低廉的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。这一切的最终目的为人们提供一个以人为本的舒适、便捷、高效、安全的生活环境。如何建立一个高效率、低成本的智能家居系统已成为当今世界的一个热点问题。信息化程度的不断提高，人们对智能家居的功能也提出了更高层次的要求。正是基于以上考虑，本文提出并设计了一种基于GPRS网络通信的远程视频监控系统。利用市场上比较通

14、用的GPRS模块收发信息，利用linux内核中的PPP拨号上网的方式，并在Linux系统中搭建web服务器来实现远程监控的目的。此类远程监控系统对于电子消费各个领域都有着重要的意义。1.2 课题来源本系统是定义为以个人家庭为目标客户的远程安防监控系统，从功能设计到产品的实现模式都立足于满足人们能远程对家庭实施远程监控的目的。本设计主要来源于本人在实习期间，所在公司正处研发阶段的一个项目。本项目主要立足以互联网、宽带ADSL应用方案，采用网络摄像机采集影像，并进行数字压缩，转换成数字信号，最后通过路由器或交换机或ADSL 将视频传输到局域网或互联网，远端用户可以通过IE 浏览器或手机上网直接观看

15、家中情况。利用市场上比较通用的GPRS模块收发信息，利用linux内核中的PPP拨号上网的方式，并在Linux系统中搭建web服务器来实现远程监控的目的2。1.3 国内外研究现状在现代工业企业的生产和管理中，大量的物理量、工艺数据、特性参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制。这是现代化工业生产必不可少的基本手段。从单台计算机直接监测控制到多级计算机监测控制系统，以及分布式、网络化、智能化的系统，在各种企业中都有应用。计算机监控系统，是以监测控制计算机为主体，加上检测装置、执行机构，与被监测控制的对象(生产过程)共同构成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。(1)采集

16、和处理功能 主要是对生产过程的各种模拟和数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等。为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。(2)监督功能 将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以储存。(3)管理功能 利用己有的有效的数据、图像、报表等对工作情况进行分析、故障诊断、险情预测。并以声光电的形式对故障和突发事件报警。(4)控制功能在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。一般情况下，计算机监控系统都

17、是在生产现场或附近进行管理的，这样便于生产技术人员及时到达现场指导生产，在发生故障时能够尽快解决问题以便恢复生产。但是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和其它一些条件比较恶劣时就无法在生产现场或数据采集现场建立计算机监控系统，这时就需要建立远程监控系统，另外，对于有许多地理位置分散的分厂或者分部的企业集团，总公司为了能够统一和全面管理各个分厂的生产，也需要建立一个计算机远程监控系统。目前远程监控主要有以下几种方式：短距离长线监控；通过市话网；通过Internet网络；通过自组网络(CDPD网)；通过数传电台方式。短距离长线监控和通过自组网络(CDPD网)首先要自行建设通信网络，建网初期投

18、资巨大，运营期间自主维护耗费人力物力较大，信号质量得以保证，效果好，相对运营费用高；通过市话网和Intemet方式以现有的网络为依托，无需自行建设通信网络，但是由于市话网和Internet难以达到工业现场覆盖面，接入网络受到限制，局限性很大，网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证，其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉；数传电台出现较早，应用很广泛，是一种不错的无线数传方式，但是建网初期投资巨大，数传电台的传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障，但是数传电台信号传输实时性好，运行费用低3。而目前这些监控系统无论从成本、可靠性、稳定性、使用方便性、还是维护的

19、难易程度等方面都不能最大限度的使人满意。因此本文把GPRS网络引入到远程监控系统中，提出了基于GPRS的远程监控系统。GPRS是在现有的GSM网络基础上增加一些硬件设备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用IP数据网络协议，提高了现有的GSM网的数据业务传输速率，最高可达170kb/s。GPRS把分组交换技术引入现有GSM系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传送”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。GPRS网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信网络，利用GPRS实现远程脏控可靠性高、信号传播距离远、

20、覆盖面积广，并且可以节省建网初期的巨额投资，运营期间无需维护网络，运行费用低廉。随着移动通信技术的迅猛发展，笔者相信基于GPRS的远程监控系统将广泛应用于国民经济的诸多领域，也将成为一个崭新的研究热点。1.4 课题的主要内容本系统设计主要分为四个大的模块，分别是：嵌入式系统开发平台搭建模块，摄像头监控模块；GPRS远程通讯模块；WEB服务器模块。嵌入式系统开发平台搭建模块主要是实现交叉编译工具的安装，uboot的具体移植，文件系统的制作，内核的移植。摄像头监控模块主要实现摄像头的驱动移植，远程图像采集的具体实现，图像采集流程具体分析。由于本人不直接参与本模块的详细设计，所以在这里不做过多阐述。

21、GPRS远程通讯模块主要实现远程信息的接收与发送。实现远程报警的功能。并通过GPRS上网远程监控家里情况。WEB服务器模块主要为提供远程web服务，用户可能通过internet或GPRS网络接入互联网，远程监控家里情况。系统设计初期，本人与项目组成员主要对系统功能需求进行调研分析，了解最新的功能需求。在项目组的分配下，本人主要负责对GPRS驱动模块的分析及相关文档的整理工作。系统实施期间，本人参与了系统开发环境的搭建与设计，GPRS驱动模块的详细设计与具体实现。并担任相关文档的整理与书写工作，协助解决疑难问题。完成相关工作。系统设计后期，主要针对系统的测设与调试工作。本人主要负责对系统整体框架

22、进行测试与分析。并对相关文档进行修正和整理。1.5 论文结构第一章：绪论：系统的产生背景，个人工作任务，以及论文结构。第二章：系统分析及总体方案设计：功能分析，需求分析及系统设计总体方案。第三章：开发环境搭建及硬件设计：主要搭建开发环境，涉及硬件选型及主要仪器设备详细设计。第四章：软件详细设计与实现：主要包括摄像头驱动的详细设计与实现，GPRS通讯模块的详细设计与实现，web服务器的详细设计与实现以及主程序的流程详细设计。第五章：整体功能测试与总结：对各功能模块的测试，并作针对性总结。第2章 系统分析及总体方案本设计所要实现的目标是开发设计一种基于GPRS远程监控系统。根据设计需求，利用嵌入式

23、系统、传感器技术和无线通信技术等技术手段，开发设计出一套较为完善的智能远程监控平台，并且完成系统软、硬件方面的设计工作。系统能够有效的将监控环境内的实时数据（如图像、温湿度）传送给监控中心，能够通过智能传感器对环境内的突发事件进行准确的分析和判断，并且监控人员可以通过手机终端主动查询监控环境的实时状况，做出人为决策并发送控制指令。系统拥有较强的实时性、可靠性和安全性，并且有利于降低维护成本4。2.1 系统功能分析远程监控系统通过传感器现场采集环境数据，当有异常事件发生时能及时主动告警，并将实时数据传送至监控终端，确保用户及时做出人为决策。现场需要获取的环境信息主要包括：人体红外探测、温湿度、光

24、照度、现场图像等。根据监测要求，系统被安装在指定环境内，以无人值守的方式工作5。实时数据检测：主控制器定时轮询传感器节点，检测环境实时数据，如温度、湿度、光亮度等参数状态，将信息存储到主控器中，用于环境数据的记录，便于后期数据处理和分析。系统参数设定包括：主控制器轮询时间、环境数据的存储空间、用于报警的温湿度、光照度警告阀值、历史数据查询时间、需要采集的图像参数等。系统自动报警：当主控制器检测到本地监控参数，会对数据进行分析，如果监控参数达到报警阈值，主控制器将根据预警方案向控制中心发送报警信息，从而提醒用户。这种机制可以监控环境内的紧急状况并快速的传送到监控中心。入侵检测：该功能针对图像监测

25、，当监控区域遭到非法入侵后，人体红外传感器会触发相应告警，系统可以根据人体红外传感器进行入侵检测。实时控制：主控制器正确接收和解析监控中心的控制命令，控制前端传感器模块进行相应操作。如当入侵报警触发后，系统可以通过终端发送拍照命令，控制摄像头进行预定操作6。2.1.1 功能服务全局分析系统中主要的进程，包括两个线程等待控制命令，在代码中采用轮询的形式来对线程状况进行检测，发生问题的时候进行相应得处理，用户可通过网络访问本系统并远程进行控制操作。调用了两个进程分别操作thief进程和fire进程。thief进程和fire进程分别调用GPRS模块和摄像头模块进行短消息的发送和图像的采集并保存图片。

26、而且调用FS2410开发板自带的，蜂鸣器模块和LED模块实现报警和模拟灭火的操作。2.1.2 功能模块需求分析本项目主要是为了实现利用现有的GPRS网络实现远程监控的目的，并在有人入侵或火灾火生时能发及时发送短消息给用户，预警有人入侵或火灾发生，用户接到短消息预警后，通过现在网络通过远程登陆web服务器查看家中情况并作出相应处理，比如采集现场照片，及时报警，关闭蜂鸣器报警，关闭远程监控等等。基于GPRS的远程安防监控系统从功能上分析，主要分为：入侵报警功能模块，火灾报警功能模块，GPRS远程接发消息模块，摄像头监控模块，WEB服务器模块。2.1.3 硬件平台功能需求分析对应于远程安防监控系统从

27、功能上的需求，相应的硬件需求主要有：红外探测，温度传感器，GPRS远程接发消息模块，摄像头模块，WEB服务器模块。各功能模块所需硬件如表2-1所示：表2-1 硬件功能需求列表系统模块模块功能硬件需求入侵报警功能模块入侵警报红外探测火灾报警功能模块火灾警报温度传感器GPRS远程接发消息模块接发短信息GPRS模块摄像头监控模块远程监控摄像头模块WEB服务器模块为监控提供web页面Web服务器2.2 性能需求分析由于监测系统被安装在无人值守的环境中，因此系统应该具有操作方便、便于安装、数据采集准确、数据传输快、维护成本低等特点。系统的性能要求主要有以下几点：（1）实时性当监测环境内有警情发生，系统能

28、够及时采集信息并发送警告至监控终端。（2）准确性数据的准确性是监控系统的关键。为了能够了解监测环境内的真实信息，在数据采集和传输过程中，系统必须保证实时数据的准确性。（3）可靠性系统能够保证长时间稳定工作，不能出现系统无法响应、硬件严重故障等。（4）可扩展性对于监控系统来说，可扩展性是一项很重要的性能指标。在监控活动中，往往监控人员需要添加或者更换前端传感器件，以扩展系统功能。这就要求在系统硬件设计过程中，需要采用模块化设计方法、简化模块间接口关系，便于系统的灵活扩展。2.2.1 系统稳定性(1) 可持续运行监控系统可全天候24小时不间断的运行，不受到天气环境的影响。并能根据实时指令作相应的变

29、化，且具有省电节能，操作方便简单，覆盖范围广等的功能。(2) 可扩展升级系统留有相关扩展接口，可供用户以后进行比如智能家电控制，PDA手持设备终端，多媒体设备，高清视频机顶盒等多功能扩展和匹配。此系统也提供了供日后生产方设备升级后所用的接口和相应参数。 2.2.2 支持用户远程登录系统可支持多用户远程登录，并支持多用户操作。2.2.3 警报准确性高(1) 火警低误报率火灾警报子系统要能及时准确判断火灾是否确实发生，以免产生误报。(2) 入侵低误报率入侵警报子系统要能及时准确判断是否非法入侵。2.3 系统总体方案选择对于传统的监控系统， 一般来说监控人员需要自行建设有线通信网络并且对其进行维护。

30、然而随着通信技术与电子信息技术的发展，传统的监控系统已经无法满足社会日益增长的多方面要求，人们需要更便捷，更智能的监控方案。现有的远程监控系统主要有两种实现方式：一种是监控现场只进行数据采集工作，然后直接通过数据传输设备将现场信息发送到远程计算机。这种实现方式实际上与传统的现场监控没有多大区别，只是提高了数据的传输距离，方便监控人员远程操作；另一种则是将现场监控与远程监控结合使用。通常采用有线或者无线的方式将监控环境内的传感节点、监控设备相连，监控单元具有独立的数据处理能力，整个系统实现自动化、智能化7。现在市场上，主流的远程监控系统通常采用第二种实现方式，具有很广泛的的应用。2.3.1 远程

31、安防监控方案目前，主流的远程监控技术通常采用嵌入式技术与无线通信技术相结合，利用 www 规范和 TCP/IP 协议，搭建合理的软硬件平台，使得监控人员迅速获取所需要的信息，同时做出人为决策并发出控制指令。(1) 火灾监控在服务控制器主机外接火灾探测模块，并通过数据线传输探测数据，用户可以根据系统需求，可在客户端打开或者关闭火灾探测器。在火灾探测器打开的情况下，火灾探测器探测现场火灾参数（如温度），并且将探测参数实时的向控制主机端报告。 在火灾探测模块被用户使能的状态下，服务器主机接收到火灾探测器的及时火灾参数，在服务器端进行数据判断，当服务器主机探测到火灾发生时，记录火灾发生的时间，此时包含

32、两种情况：一种是有客户端连接到服务器端时，把火灾参数（如温度）及时传送到已经登录的客户端，客户端在接收到火灾参数的同时把参数信息通过界面传达给用户，并且打开红色警报通知，服务器端进行火灾响铃报警操作，同时，按照用户制定报警方式组成火灾报警信息，通过发送短信或响铃的方式及时地向用户发出火灾警报8；另一种情况在没有客户端登录的状态下，服务器端会自动进行以上操作，但不会进行数据的网络传输至客户端。 在一般情况下，用户可在通过客户端界面查看现场温度。同时自动报警铃响后，用户可在服务端和客户端中一个进行关闭操作。（2）防盗监控在服务器控制端，可根据用户系统需求外接安装红外探测器。系统通过对住宅各个重要入

33、口实施红外探测。当有非法入侵时，红外探测器会产生一个低电平，通过数据传输线传输到控制器，控制器进行识别，然后作出相应的操作。防盗系统模块在被用户使能的情况下，当系统经过探测确认有非法入侵者时，按照用户制定的警报方式进行非法入侵警报。（3）视频监控系统通过摄像头实时监控住宅环境状况，用户通过终端控制摄像头的开/关查看住宅环境情况。用户可通过设置菜单启动和停止视频监控,在图形界面实时了解住宅情况。当有火灾,非法入侵时,服务端实时抓拍现场视频数据,存放在服务端.并根据是否有客户端连上将视频数据发到客户端显示9。服务器端在收到客户端视频显示操作后，将监控数据通过网络发送到已登录客户端，用户可通过界面查

34、看监控现场环境。（4）功能制定与远程监控用户通过控制主机终端，制定自己的火警、防盗和视频采集功能。用户通过网络连接，在客户端远程登录系统，进行火警、防盗和视频监控的相关操作。根据自身环境需求设置系统参数。所有设置参数以及监控数据通过指定网络进行数据的交互、传输。2.3.2 无线传输方案无线监控系统具有多种灵活的组网方式，既可以通过现有的无线通信网络，如GSM/GPRS网络，Bluetooth、3G移动网络等，亦可以通过专门的无线局域网来实现 。在无线方案的选取过程中，需要充分考虑系统的性能需求以及开发成本。现有的无线传输方式主要有以下几种：（1）无线局域网无线局域网组网方便，配置灵活，但是一般

35、只适合局域范围内的环境监控，由于其网络覆盖范围有限，并不适合本系统的远程监控要求。（2）GSM 无线传输GSM 是早期最主要的 2G 标准，它能够在低服务成本、低终端成本条件下提供较高的通信质量。但就其业务能力而言，由于 GSM 短消息采用半双工通信方式，不能同时双向收发数据，具有较高延时。而且它不支持移动多媒体服务，所以并不适用本系统。（3）3G 无线传输现有的3G网络有WCDMA、 CDMA2000和TD-SCDMA。3G网络在通信速度和通信质量上有很大的优势，但是它也有自身的一些缺陷。从网络覆盖率上来说，3G网络目前不如2G网络。且它的通信成本较高，市场上流行的3G无线通信模块价格比普通

36、的2G模块要高出很多10。（4）GPRS 无线传输GPRS 在现有的 GSM 网络基础上引入了分组交换技术， 使得数据网络和移动通信合二为一，具有传输速率快、网络覆盖率高、永远在线等特点。 GPRS 无线模块在短彩信应用方面具有很大的优势，短信具有随时在线、价格便宜、无需拨号以及广泛的覆盖范围等诸多特点，特别适合于远程遥感遥控、远程维护等应用领域。 GPRS 无线远程传输系统大多利用嵌入式单片机和智能传感器组成数据采集传输模块，通过 GPRS 无线网络完成监测数据的无线传输，即在现有的嵌入式远程监控系统中添加一个支持无线数据通信的 GPRS 模块11。充分考虑模块实现的功能以及产品价格，系统最

37、终本系统采用GPRS无线传输方案。第3章 开发环境搭建及硬件设计远程安防监控系统是一套嵌入式系统，具有图像采集、图像处理、数据传输、命令信号智能识别等主要功能。通过中国移动的GPRS网络，使得无论监控者身处何地，都可以查看到安装了本系统的监控现场的实时现场图像，这样对于无人职守的监控现场提供非常便捷的监控方式12。3.1 嵌入式系统简介嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机

38、器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波

39、炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑13。嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式处理器一般具备以下4个特点：(1) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时操作系统的执行时间减少到最低限度。(2) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件

40、模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。(3) 可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。(4) 嵌入式微处理器必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W 级。3.2 Linux 操作系统简介Linux操作系统是可以运行在许多不同类型的计算机上的一种操作系统的“内核”。在所有操作系统中，Linux是发展最快、应用最广泛的。它是提供命令行或者程序与计算机硬件之间接口的软件的核心部分。Linux操作系统内核管理以下事情：比如内存采用什么方法以及在什么时候打开或者

41、关闭文件、哪一个进程或者程序可以获得计算机的中央处理单元（CPU）等等。大多数 Linux 系统运行在 PC 平台上，但 Linux 也可以作为嵌入式系统的可靠主力。Linux 流行的“back-to-basics”方法使得它的安装和管理比UNIX 更加简单灵活，这对于那些 UNIX 专家们来说又是一个优点，他们已经因为 Linux 中有许多命令和编程接口同传统的 UNIX 一样而赏识它了。典型的压缩Linux 系统经过打包，在拥有硬盘和大容量内存的 PC 机上运行，嵌入式系统可不要这么高的配置。一个功能完备的 Linux 内核要求大约 1 MB 内存。而 Linux 微内核只占用其中很小一部

42、分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需占用 Pentium CPU 系统的 100 K 内存。只要有 500 K 的内存，一个有网络栈和基本实用程序的完全的 Linux 系统就可以在一台 8 位总线（SX）的 Intel 386 微处理器上运行的很好了。由于内存要求常常是需要的应用所决定的，比如 Web 服务器或者 SNMP 代理，Linux 系统甚至可以仅使用 256 KB ROM 和 512 KB RAM 进行工作。因此它是一个瞄准嵌入式市场的轻量级操作系统14。与传统的实时操作系统相比（RTOS），采用象嵌入式 Linux 这样的开放源码的操作系统的另外一个好处是 Lin

43、ux 开发团体看来会比 RTOS 的供应商更快地支持新的 IP 协议和其它协议。例如，用于Linux 的设备驱动程序要比用于商业操作系统的设备驱动程序多，如网络接口卡（NIC）驱动程序以及并口和串口驱动程序。核心 Linux 操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模块编译到或者是添加到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。而在典型情况下该系统需结合定制的驱动程序和应用程序以提供附加功能。嵌入式系统也常常要求通用的功能，为了避免重复劳动，这些功能的实现运用了许多现成的程序和驱动程序，它们可以用于公

44、共外设和应用。Linux 可以在外设范围广泛的多数微处理器上运行，并早已经有了现成的应用库15。Linux 正在嵌入式开发领域稳步发展。因为Linux 使用GPL，所以任何对将Linux 定制于PDA、掌上机或者可佩带设备感兴趣的人都可以从因特网免费下载其内核和应用程序，进行移植或开发。许多Linux 改良品种迎合了嵌入式实时市场。它们包括RTLinux（实时Linux）、 uclinux（用于非MMU 设备的Linux）、Montavista Linux（用于ARM、MIPS、PPC 的Linux 分发版）、ARM-Linux（ARM 上的Linux）和其它Linux 系统。3.3 开发平台

45、搭建3.3.1 ARM 处理器选型ARM 微处理器目前包括下面ARM7,ARM9,ARM9E,ARM10E,SecurCore, Xscale, StrongARM 等几个系列. 鉴于当前电子市场上的情况,在此我主要讨论一下ARM7 与ARM9 这两种主流处理器的特点及应用领域。ARM7 微处理器系列:ARM7 系列微处理器为低功耗的32 位RISC 处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7 微处理器系列具有如下特点：(1) 具有嵌入式ICERT 逻辑，调试开发方便。(2) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。(3) 能够提供0.9MIPS/MHz 的三级流

46、水线结构。(4) 代码密度高并兼容16 位的Thumb 指令集。(5) 对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS 等。(6) 指令系统与ARM9、ARM9E 和ARM10E 系列兼容，便于用户升级换代。(7) 主频最高可达130MIPS，高速的运算能力能胜任绝大多数的复杂应用。ARM7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet 设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。ARM7 系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI 是目前使用最广泛的3

47、2 位嵌入式RISC 处理器，属低端ARM 处理器核。ARM9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。 主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数字摄像机等。ARM9 系列微处理器包含ARM920T、ARM922T 和ARM940T 三种类型.由此可见, ARM9 对于Linux 操作系统的支持性明显强于ARM7。 因此, 本系统采用的核心微处理器是SAMSUNG S3C2410 (以ARM920T 为内核)。3.3.2 GSM/GPRS通讯模块选型目前市面上出现的主流GPRS/GSM 模块主要有以下几种:(1) BenQ 公司的M20/M22(A

48、)/M32(A) 模块；(2) SIEMENS 公司的TC35i/MC35 模块；(3) Sony Ericsson 公司的GR47/GR48 模块；考虑到市场的普及度与可靠性的要求, 我们选择SIEMENS 公司的通讯MC35模块。下面详细的介绍一下SIEMENS 公司 MS35模块。MS35 是SIEMENS 公司生产的GPRS 调制解调器，它提供RS232 数据口，用AT 指令进行控制。MS35 的主要特征如下：(1) 支持语音、数据传输、短消息、传真业务；(2) 三种语音编码方式(FR/EFR/HR)；(3) 四种数据传输模式CS-1、CS-2、CS-3、CS-4 下行速率最大为85.

49、6Kbit/s，上传速率最大为21.4Kbit/s；(5) 提供RS232 全双工数据口； (6) 使用AT指令进行控制；鉴于设计成本与功能上的要求，本系统采用SIEMENS M35 无线模块。3.4 主要仪器设备设计概述（1）SAMSUNG fs2410 ARM9开发板（2）SIEMENS M35 GPRS模块（3）SIM卡（4）PC机一台（4）中星微摄像头一个3.4.1 FS2410开发板简介（1）中央处理器：CPU:三星S3C2410，主频203MHz；（2）外部存储器：内存：64M 字节；NOR Flash：2M 字节（SST39VF160或SST39VF1601）；NAND Flas

50、h：64M 字节（K9F1208，用户可自己更换为16M、32M 或128M NandFlash）；（3）串口：两个五线异步串行口，波特率高达115200bps；（4）网络接口：一个10M 网口，采用CS8900Q3，带联接和传输指示灯；（5）USB接口：二个USB1.1 HOST接口；一个USB1.1 Device接口；（6）红外通讯口：一个IRDA红外线数据通讯口；（7）LCD和触摸屏接口：板上集成了4线电阻式触摸屏接口的相关电路；（8）时钟源：内部实时时钟（带有后备锂电池）；（9）复位电路：一个复位按键，并采用专用复位芯片进行复位，稳定可靠；（10）调试及下载接口：一个20芯MultiI

51、CE标准JTAG接口，支持SDT2.51,ADS1.2等调试；（11）电源接口：12V电源供电，带电源开关和指示灯；（12）其他：十六个小按键，四个高亮LED；一个蜂鸣器（带使能控制的短路块）；一个可调电阻接到ADC引脚上用来验证模数转换；一个50芯2毫米间距双排标准连接器用作扩展口，引出了地址线、数据线、读写、片选、中断、IO口、ADC、5V和3.3V电源、等用户扩展可能用到信号；FS2410开发板实物图如图3-1所示：图3-1 FS2410实物图3.4.2 三星S3C2410X详细概述S3C2410X是韩国三星公司推出的16/32位RISC微控制器，其CPU采用的是ARM920T内核，加上

52、丰富的片内外设，为手持设备和其它应用，提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。S3C2410A采用了ARM920T内核， 0.18um工艺的CMOS标准宏单元和存储单元。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。同样它还采用了一种叫做Advanced Microcontroller Bus Architecture(AMBA)新型总线结构。S3C2410的内部结构图如图3-2所示：图3-2 S3C2410内部结构S3C2410的显著特性是它的CPU核心， 是一个由Advanced RISC Machines(ARM)有限公司设计的16/32位ARM920T R

53、ISC处理器。ARM920T核由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。其中，MMU可以管理虚拟内存。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache，每个都是由8字长的行构成。ARM920T有两个内部协处理器：CP14和CP15。CP14用于调试控制，CP15用于存储系统控制以及测试控制。3.4.3 摄像头传感器摄像头模块主要用于采集视频信息，上传到视频流服务器，用户通过访问WEB来实时监控现场的实际情况。图3-3 摄像头模块链接由上面的电路图可以看出，我们所采用的摄像头为标准

54、摄像头接口，其中所采用的GPIO口分别为：GPG2_5对应SCL，GPG2_6对应SDA。3.4.4 温湿度传感器DHT11（1）DHT11简介DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系

55、数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便。(2) DHT11工作原理通信方式：DATA 用于微处理器与DHT11之间的通讯,采用单总数据格式。 操作流程：一次完整的数据传输为40bit,高位先出。 数据格式: 8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。通信过程：用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据

56、,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据。从模式下, DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号, DHT11不会主动进行温湿度采集，采集数据后转换到低速模式。(3) DHT11温湿度传感器连接图图3-4 DHT11连接图3.4.5 光照传感器ISL29003ISL29003是一种集成光传感器，内置的整合型ADC和标准IIC接口，该设备能够采集周围光照强度lux转化为数字量通过IIC输出采集信息，传感器光照强度可从1lux调节到100,000lux的光照强度，ADC具有高达15-bit有效分解.该传感器被金属覆盖，以减少光电二极管在光照较弱的环境下输出读数的

57、效果，可显示低光度lux的功能。图3-5 ISL29003连接图3.5 系统设计方案总体框架3.5.1 系统设计方案系统以ARM9 处理器S3C2410 为MCU，作为控制器，负责和GPRS 通信模块、安防模块进行通讯以及控制系统的数据采集和处理。硬件设计主要有：红外探测，温度传感器，GPRS远程接发消息模块，摄像头模块，WEB服务器模块。GPRS 模块采用工业级的SIEMENS MC35i，实现短消息（SMS）收发，兼容AT 指令。火灾警报模块实现对家居仓储等温湿度的监测报警以及自动处理，由热敏半导体传感器、电源电路、传感器电路、温控振荡器电路及报警电路等组成。入侵警报模块通过红外探测及摄像头捕获实现监测家居是否有人入侵和对家居信息进行图像采集，由US