基于嵌入式的智能火災監測報警系統的設計

摘要：監測是預防火災發(fā)生的重要手段，其關(guān)鍵在于對火情判斷的實(shí)時(shí)性和準確性。因此基于嵌入式技術(shù)研究設計了一套智能火災監測系統。該系統借助嵌入式處理器和Linux操作系統，具有良好的實(shí)時(shí)性、強大的數據運算能力和豐富的控制接口。系統利用紅外探測技術(shù)實(shí)現對火情的監測，并采用了圖像處理技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現了主動(dòng)報警。實(shí)驗結果表明，系統可以有效的監測到火情發(fā)生，承擔主動(dòng)報警的任務(wù)。

隨著(zhù)我國城鎮化建設進(jìn)程的加快，城鎮的火災隱患越來(lái)越大，每年我國都因為火災而造成巨大的經(jīng)濟損失。盡管目前我國大多數樓宇都安裝了火災報警系統和消防系統，但隨著(zhù)火災隱患復雜性的增加在諸如：火情的智能判斷，智能報警等方面提出了要求。本課題基于A(yíng)RM11平臺研究了一種智能火災監測報警系統，可以為用戶(hù)提供實(shí)時(shí)火災現場(chǎng)情況以避免火情誤報，并為消防部門(mén)進(jìn)行滅火工作提供現場(chǎng)環(huán)境參考。

1 系統架構

系統的總體設計框架如圖1所示，系統以ARM11核心處理器，采用了GPIO擴展口控制紅外火災傳感器實(shí)時(shí)讀取現場(chǎng)信息，通過(guò)USB接口控制USB攝像頭獲取現場(chǎng)實(shí)時(shí)視頻和采集圖片，選用TTL串口控制GPRS模塊實(shí)現被采集圖片的發(fā)送。

1.1 基于S3C6410的系統主控部分

S3C6410處理器是由三星電子公司出產(chǎn)的ARM11系列16/32位RISC微處理器，工作頻率為533 MHz/667 MHz。具有成本低、性能高、功耗低等特點(diǎn)。它包括許多強大的硬件加速器，像視頻處理、音頻處理等;集成多格式編碼器，支持NTSC和PAL模式的電視信號輸出。它包含JPEG解碼器，支持YCbCr 4：2：2格式編碼，支持YCbCr 4：4：4/4：2：2，4：2：0/4：1：1或灰色格式解碼。在硬件外設方面，S3C6410提供了USB主控制器，480Mbps高速USB OTG接口，187個(gè)可擴展GPIO接口，4通道UART等。

系統采用了基于S3C6410的OK6410開(kāi)發(fā)平臺作為驗證平臺，OK6410平臺集成了多種接口，如：GPIO、UART、USB等，可以?huà)燧d多種不同接口的傳感器，符合本系統的設計要求。

對于嵌入式產(chǎn)品的設計，操作系統的選擇至關(guān)重要。目前，在嵌入式平臺上有多種嵌入式操作系統，如：VxWorks、WindowsCE、μC/OS-Ⅱ、Linux等。根據操作系統選擇的幾條原則，我們選擇嵌入式Linux操作系統，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)源代碼公開(kāi)，可以按開(kāi)發(fā)者意愿進(jìn)行修改。

2)遵從GPL，無(wú)須為每例應用交納許可證費。

3)有大量的開(kāi)發(fā)工具，方便設計者進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

4)具有很高的穩定性和執行效率。

5)支持多種處理器和開(kāi)發(fā)平臺。

我們將Linux3.0.1內核移植到驗證平臺上，利用搭建好的平臺進(jìn)行了如下工作：

1)提供GPIO接口，掛載火災傳感器。

2)通過(guò)USB接口連接攝像頭采集視頻幀。

3)移植libjpeg庫到Linux內核中，利用移植好的libjpeg庫將視頻幀轉成jpeg圖片。

4)提供TTL串口，控制GSM/GPRS模塊發(fā)送彩信。

1.2 火情信息的紅外采集

紅外火災傳感器模塊是通過(guò)GPIO口與開(kāi)發(fā)板進(jìn)行通信的。為此我們開(kāi)發(fā)了GPIO的驅動(dòng)程序。在Linux3.0.1核中，提供了gpio_get_val ue()、gpio_set_value()、gpio_request()等APl對GPIO設備的寄存器進(jìn)行讀取。我們利用這些API編寫(xiě)了file_operations結構體，提供了對GPIO設備文件進(jìn)行打開(kāi)、關(guān)閉和讀寫(xiě)操作的read()、write()、open()、release()函數。在進(jìn)入Linux系統后，使用insmod命令將驅動(dòng)加載到內核中，并使用mknod命令創(chuàng )建供讀寫(xiě)操作的設備節點(diǎn)。

系統采用紅外檢測探頭和LM393雙電壓比較器集成電路組成紅外火災檢測模塊，具有檢測范圍廣，響應速度快，靈敏度可調節，輸出量可以直接接入到I/O口中等特點(diǎn)。模塊的原理圖如圖2所示。常態(tài)時(shí)，傳感器輸出高電平，當傳感器感應到熱源時(shí)，模塊輸出引腳輸出低電平，通過(guò)GPIO口輸入到S3C6410中。

1.3 圖像信息的采集與壓縮

系統采用符合PAL制式的USB攝像頭。該攝像頭支持YUV422視頻格輸出，成本低廉。Linux在內核中提供了關(guān)于視頻設備的API接口Video 4Linux2(簡(jiǎn)稱(chēng)V4L2)，它是Linux下視頻驅動(dòng)的標準框架，從linux2.6版本后開(kāi)始加入Linux內核?？梢詫?shí)現對攝像頭的識別和支持，簡(jiǎn)化設計開(kāi)發(fā)的流程。

系統判斷火災發(fā)生后會(huì )啟動(dòng)攝像頭，攝像頭采集圖像流程如圖3所示。系統通過(guò)使用V4L2編程框架中提供的函數獲取攝像頭輸出視頻格式后，調用控制函數設置視頻設備的視頻數據格式，例如設置視頻圖像數據的長(cháng)、寬，圖像格式等。設置視頻圖像格式成功后，系統需要為獲取的視頻數據申請分配視頻緩沖區。當采集視頻幀數達到要求數目后，程序會(huì )將緩沖區的一幀數據移至內存中，并將YUV數據按照式(1)、式(2)和式(3)囀換成RGB格式。

R=(298×Y+409×(V-128)+128)/256 (1)

G=(298xY-100(U-128)-208x(V-128)+128)/256 (2)

B=(298xY+516x(U-128)+128)/256 (3)

轉換完成后，我們利用libjpeg庫和得到的現場(chǎng)圖像的數據信息生出我們需要的jpeg格式的圖片。

1.4 圖像信息的發(fā)送

GSM/GPRS模塊在系統中負責將采集到的現場(chǎng)圖像以彩信形式發(fā)送到監測者的手機上。本設計選用了晨訊科技公司的SIM900GSM/GPRS模塊。模塊內封裝了彩信協(xié)議，可以自動(dòng)將傳入的圖片封裝成彩信。

當攝像頭采集圖像完成后，系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)發(fā)送彩信的程序，通過(guò)簡(jiǎn)單的AT指令控制模塊進(jìn)行發(fā)送。主要AT指令如下：

1)a+cmmsinit初始化GSM/GPRS模塊的彩信功能。

2)at+sapbr=3，1，“contype”，“gprs”設置網(wǎng)絡(luò )方式。

3)at+sapbr=3，1，“apn”，“cmwap”設置接入點(diǎn)為cmwap。