[發明專利]基于ARM的Linux操作系統嵌入式智能安防系統

在審

• 申請號: 201410515943.8
• 申請日: 2014-09-29
• 公開（公告）號: CN104318708A
• 公開（公告）日: 2015-01-28
• 發明（設計）人: 劉素娟;薛明策
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G08B19/00
• 分類號: G08B19/00;G08B25/10;G06F3/048
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.基于ARM的Linux的操作系統嵌入式智能安防系統，其特征在于：該系統包括硬件電路、基于ARM的Linux操作系統；

所述硬件電路包括MCU模塊、監控模塊、攝像頭模塊、GPRS通信模塊、顯示模塊，其中，監控模塊包括MQ-2煙霧傳感器、DS18B20溫度傳感器、HC-SR501人體感應模塊；

所述MCU模塊是ARM9系列的S3C2440芯片，是系統的控制中心，MCU接收傳感器的輸入信號之后做出相應的處理，MCU控制相對應的電路實現聲光報警和GPRS模塊實行短信的發送；所述MQ-2煙霧傳感器用于檢測環境中的煙霧濃度；DS18B20溫度傳感器用于檢測環境中的溫度；HC-SR501人體感應模塊，用于檢測環境中的非法闖入；所述攝像頭模塊是OV9650攝像頭監控模塊，用于系統中的拍照；所述GPRS通信模塊是SIM900通信模塊，用于短信發送；所述顯示模塊是LCD顯示模塊用以顯示當前的溫度、日期、時間和當前的畫面；

所述的Linux操作系統Ubuntu是整個系統的軟件控制中心；起始代碼Boot，所述起始代碼Boot是在操作系統起始的時候運行的一段程序；內核Kernel，所述內核Kernel是操作系統的核心部分，內核運行進程，并提供進程間的通信；圖形用戶界面Qt，所述圖形用戶界面Qt是系統應用程序的開發框架；文件管理Roofs，所述文件管理Roofs是系統根文件管理文件；

Linux操作系統，所述的Linux操作系統Ubuntu中包括部分驅動程序，可以直接在其基礎之上開發應用程序；

起始代碼Boot，所述的起始代碼Boot中為u-boot，相應的研究方法是在虛擬機上編譯源碼，修改Makefile配置文件生成對應開發板的u-boot文件，再執行Linux指令，生成u-boot.bin，并將二進制文件下載到開發板中；

內核Kernel，所述的內核Kernel中，包括事件的調度和同步、進程間的通信、存儲器管理；本發明開發的步驟是在虛擬機上解壓內核壓縮包，然后使用Linux指令清理內核文件，再對Makefile文件進行一定的修改，并對配置文件進行相應的配置，最后再用Linux指令得到內核文件uImage，將其通過USB下載到開發板中；

圖形用戶界面Qt，所述的圖形用戶界面Qt中，搭建Qt環境的方法如下,首先是在宿主機上配置編譯Qt的對應環境，完成觸摸屏控制程序的編譯；其次配置編譯對應嵌入式設備環境，編譯相應控制程序；最后，動態庫和觸摸屏程序編譯好之后再移植到MCU的相應文件目錄下，至此Qt環境的搭建完成；

文件管理Roofs，所述的文件管理Roofs中，在虛擬機中解壓縮roofs源碼，接下來在交叉編譯環境里編譯生成鏡像文件，將鏡像文件下載到開發板；

基于ARM的Linux操作系統控制硬件電路的流程，系統上電之后操作系統控制硬件驅動程序，進而控制硬件模塊完成相應的操作；過程為操作系統控制傳感器模塊監測環境中的煙霧濃度、溫度、非法闖入，當有異常發生時，操作系統對輸入信息進行判斷，同時操作系統控制相應的電路聲光報警、控制攝像頭模塊完成圖像的采集、控制GPRS模塊完成短信的發送。

2.根據權利要求1所述的基于ARM的Linux的操作系統嵌入式智能安防系統，其特征在于：

基于ARM的Linux系列ubuntu操作系統以及GPRS網絡通信技術的嵌入式智能安防系統設計方案，應用到家庭和小型倉儲場所，

系統硬件電路包括ARM9控制模塊、電源及復位模塊、GPRS模塊、傳感器模塊、CMOS攝像頭模塊、LCD觸摸屏顯示模塊、報警模塊、相關外圍電路；

MCU核心芯片采用三星公司的S3C2440；采用MQ_2煙霧傳感器，監測環境中的煙霧濃度；直流5V是工作電壓，具有輸出指示的信號，輸出低電平為有效信號，模擬量輸出0～5V電壓，濃度越高相應電壓越高；煙感對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度，使用壽命較長和可靠的穩定性，快速地響應恢復特性，通過A/D接口與ARM開發板相連接；采用DS18B20溫度傳感器監測環境的溫度；DS18B20提供9位溫度讀數指示，器件的溫度信息經過單一數字接口送入DS18B20或從DS18B20送出，所以從主機CPU到DS18B20只需要一條線，DS18B20的電源可以由數據線本身提供而不需要外部電源，DS18B20的測量范圍從-55到+125，增量值為0.5，可在ls內把溫度變換成數字；HC_SR501人體感應模塊監測環境中的人，HC-SR501是基于紅外線技術的自動控制模塊，采用德國原裝進口LHI778探頭設計，靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式；GPRS代表的是通用分組無線服務，其是在GSM基礎上發展起來的一種分組交換的數據承載和傳輸方式，在嵌入式系統中應用非常普遍；本系統選用SIM900GPRS模塊實現ARM9控制器和用戶之間的通信，SIM900模塊正常工作時，需要安裝一張SIM卡，確保天線連接正確，工作時還需要網絡支持，SIM900模塊采用AT指令集通過串口UATR與S3C2440進行通信；SIM900A模塊是一款尺寸緊湊的GSM/GPRS模塊，采用SMT封裝，基于STE的單芯片案，采用ARM926EJ-S架構,性能強大，功耗低，支持數據、短信、語音的通信；OV9650CMOS攝像頭監測和記錄環境中的人員情況，130萬像素,成像清晰，適用攝像監控方面；攝像頭通過20pin的管腳與ARM開發板相連接，便于操作和維護；LCD顯示屏模塊，顯示當前的溫度、日期和時間、以及攝像頭記錄的實時畫面；顯示屏模塊通過FPC45pin與ARM開發板相連接；聲光報警模塊，BUZZER完成聲音報警，通過GPIO與開發板連接，LED完成光報警，通過GPIO與開發板連接；

系統軟件包括Linux操作系統ubuntu的裁剪和移植、系統應用程序設計、系統相應硬件模塊驅動程序的編寫；系統被劃分為幾個相應的任務，既傳感器檢測程序、攝像頭監測程序、LCD顯示程序，以及出現異常之后的處理，GPRS控制發送短信模塊和系統聲光報警模塊的程序；

Linux操作系統的移植和編譯，包括起始代碼Boot、內核Kernel、圖形界面Qt、文件管理Roofs等源碼的修改和移植，以及編譯后的二進制文件下載到對應目標開發板；在ARM9開發板上運行相應的Linux操作系統，這就意味著需要將Linux系統移植到開發板上；首先需要搭建交叉編譯環境，本方案宿主機采用的操作系統是Ubuntu，交叉編譯器選用的是arm-linux-gcc，目標機為ARM9開發板，交叉編譯環境的建立過程就是利用Linux指令對交叉編譯器壓縮包解包的過程；Boot就是在操作系統起始的時候運行的一段程序，其中包括硬件設備的初試化、內存空間的映射圖建立，為調用內核準備好正確的環境；本系統中采用的Boot為u-boot；相應的研究方法是在虛擬機上編譯源碼，修改Makefile配置文件生成對應開發板的u-boot文件，再執行linux命令,生成u-boot.bin，并將二進制文件下載到開發板中；操作系統內核是Kernel，從名字便知是操作系統的核心部分；本系統采用的liunx內核版本為2.6.28，開發的步驟是在虛擬機上解壓內核壓縮包，然后使用linux命令清理內核文件，再對makefile文件進行一定的修改，并對配置文件進行相應的配置，最后再用linux命令得到內核文件uImage，將其通過USB下載到開發板中；圖形用戶界面Qt是一個應用程序開發框架；本研究中搭建Qt環境的方法如下,首先是在宿主機上配置編譯Qt的對應環境，完成觸摸屏控制程序的編譯；其次配置編譯對應嵌入式設備環境，編譯相應控制程序；最后，動態庫和觸摸屏程序編譯好之后再移植到MCU的相應文件目錄下；根文件系統Roofs，本研究中在虛擬機中解壓縮roofs源碼，接下來在交叉編譯環境里編譯生成鏡像文件，將鏡像文件下載到開發板，至此操作系統ubuntu移植完成；

系統模塊驅動程序的設計，傳感器監控模塊包括檢測溫度的溫度傳感器，檢測煙霧和氣體的煙霧傳感器，檢測人員的紅外傳感器；其中溫度傳感器檢測環境的溫度，通過GPIO與MCU連接，所以驅動程序就是定義相應的管腳，輸入和輸出為數字信號；煙霧傳感器檢測環境的煙霧濃度，通過A/D接口與MCU連接，驅動程序包括模擬量轉換成數字量，再轉換成管腳的對應高低電平；紅外傳感器監測環境中是否發生盜竊，通過GPIO與MCU連接，驅動程序就是定義相應的管腳，定義為輸入量，轉換成對應高低電平；LCD顯示屏主要顯示日期和時間、當前溫度、當前實時畫面；所以驅動程序包括LCD模塊的初始化、管腳的初始化；通過操作LCD驅動控制寄存器對LCD進行控制和操作，可以設置LCD的工作模式，通過讀寫LCDRAM來完成LCD上顯示的內容，LCDRAM的結構和其它RAM有所不同，它是一個雙口結構，一個接口是CPU的讀寫接口，另一個作為與driver的讀接口；攝像頭模塊選用的是CMOS類OV9650,其對應的驅動程序包括用于從接口獲取圖像的數據和將獲得的數據傳輸到進程空間；還包括讀取和配置OV9650的寄存器，再通過IIC接口傳輸數據的函數，還有進行模塊初始化的函數；同時還定義了讀取OV9650寄存器的具體方法，調用對應的讀寫的函數去讀寫OV9650寄存器的函數；

系統應用程序開發和設計，系統主程序的開發和設計包括傳感器模塊信息的采集、攝像頭模塊信息的采集、LCD顯示屏實時信息的顯示、GPRS模塊短信息的發送、聲光報警電路的控制；系統上電之后各個模塊初始化，首先要判斷傳感器模塊檢測是否有其中任意一個發生異常，如果其中有一個或多個發生異常情況，則MCU控制攝像頭模塊進行拍照，于此同時電路完成聲光報警，同時把報警信息和圖片通過GPRS模塊發送給預先設定好的手機用戶；如果沒有異常發生，則一直判斷傳感器是否有異常產生；前文已經將CMOS攝像頭驅動程序寫好，現在的操作就是攝像頭應用程序的開發；首先是打開攝像頭，完成攝像頭初始化，把攝像頭文件映射到相應內存中，文件中的位置對應的就是內存地址，讀寫操作方便和簡單；當主程序中有異常發生時，MCU控制攝像頭進行拍照采集圖像，同時調用相應的函數進行讀取數據，再通過對應函數進行圖像處理，再將圖片保存到對應的目錄下，之后關閉攝像頭，完成圖像的采集；采集到的圖片MCU通過串口傳送到GPRS模塊，通過相應AT指令控制GPRS模塊將圖片發送出去；系統的MCU通過控制GPRS模塊采用對應的AT指令實現發送短信或彩信的功能,當系統需要發送GPRS信息時,首先是發送對應的AT指令，待設備初始化完成后，隨后是發送CMGF指令用來選擇文本模式或彩信模式，最后是發送AMGS等于：手機號碼+信息內容命令發送短信或發送CMMSSEND等于：電話號碼+彩信命令發送彩信；

本發明針對傳統PC安防系統不適合家庭或小的場所應用，而提出具有便于操作、低成本、低功耗和實時性高等特點的嵌入式智能安防系統；在實際應用場所進行了測試整個嵌入式系統的操作性、穩定性、實時性等性能；

整個系統實物包括S3C2440主控制板、傳感器模塊、CMOS攝像頭模塊、LCD顯示屏、聲光報警模塊、GPRS通信模塊。