基于ARM9与PLC技术的家庭安防系统设计

欧阳哲，张新左，陈 翔，许晓平（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明　650051）



基于ARM9与PLC技术的家庭安防系统设计

欧阳哲，张新左，陈 翔，许晓平
（昆明理工大学信息工程与自动化学院，昆明650051）

摘 要：为提高家庭安防的智能化、简约化与成本最小化，以遍布每个家庭的电力线为主要通信介质，设计并实现了一种基于ARM与电力线载波通信技术的微型嵌入式家庭安防系统。阐述了该系统的具体安防功能与整体结构组成，包括系统工作原理、系统硬件设计、电力线载波通信原理、网络接口电路、系统软件实施方案等，各从节点控制模块相互独立分散，功能上进行互补，除基本的火灾、可燃性气体检测报警等外，特殊地方的从节点增加门窗防盗与图像抓拍等功能。最后对各个节点模块与系统整体功能进行测试，表明系统稳定可靠，数据收发准确，且即插即用，能方便且稳定的应用于家庭安防系统中。

关键词：电力线载波通信；嵌入式系统；家庭安防；门窗防盗；图像抓拍；报警

1 引 言

随着城镇化的发展，各地流动人口不断增加，高大密集的居民楼林立，家庭对内对外的安防已成为人们越来越关注的问题。传统的基于无线通信方式的家庭安防系统存在距离短、相对成本较高、频率有限、阴影衰落、多径干扰及其它电磁干扰等问题，且高频电磁波的影响是否存在着有害的生物学效应，国内外的大量研究尚无定论［1］，从而系统的可靠性和安全性受到限制。本课题以遍布每个家庭的输电线作为主要通信介质，设计并实现了一种基于ARM与电力线载波通信（Power Line Carrier Communication，PLC）技术的家庭安防系统，该系统除了具有传统安防系统所具有的可燃性气体检测报警、烟雾火灾报警、门窗防盗报警、现场图像抓拍等功能外，还具有供用户可以选择的主动安防功能，即用户有数天或数月不在家时，模拟用户的正常生活习惯，到了一定时间或者随机时间打开关闭家中的电视、洗手间电灯、客厅灯、卧室灯等操作，以制造家里有人居住的场景，从而取得很好的防盗效果。

❋

2 系统结构及工作原理

系统总体设计结构如图1所示，主要由前端（信号处理）和后端（中央处理器）两部分组成。前端由传感器检测模块、信号处理模块、电力线载波数据发送模块与控制模块组成；后端由ARM中央处理器、外围电路、电力线载波接收模块、网络接口模块组成，通过电力线载波技术进行数据传输。

图1 系统结构

通过电力线传输数据做到系统不需要额外布线，普通家庭不需要为繁琐的布线安装忧虑。系统总体设计遵循的原则有：①中央处理器和信号采集控制终端分离式设计，满足用户的个性化需求分散节点、集中控制的智能化控制系统设计，并以用户认可的需求和目标作为工作开展的方向；②采用电力线载波技术做为传输数据、控制指令的方式，保证家庭智能安防系统的实时性、可靠性；③利用遍布千家万户的网络通讯作为介入控制，用户可以远程、实时的监控家中情况。

每一个检测点即从模块由相应的传感器检测到对应的物理量，经A/D转换后由STC89 C52作为微处理器结合HLPLCS520F作为电力线通讯单元通过家用电力线将信号传给ARM主控单元，主机根据地址判断信号来自哪个节点，然后通过软件判断是有非法人员进入还是有火灾隐患或是有煤气泄漏，无论哪种突发状况发生，主机都会启动USB摄像头对现场图像抓拍，并驱动报警装置进行报警。当屋主长时间外出时，可在ARM主控单元上增加设置主动安防功能，按照一定的作息时间打开关闭家中的电视、洗手间电灯、客厅灯、卧室灯等操作，以制造家中有人居住的假象，从而起到主动安防功能。

3 系统硬件设计

系统硬件电路框图如图2所示，主控制模块主要包括电力线通信模块HLPLCS52F及其外围电路、S3C2440的ARM处理器、存储器、网络通信模块DM9000、液晶显示模块等。各从模块主要由电力线通信HLPLS520F模块、STC89C52单片机、FLASH存储器、A/D模拟量采集电路、输入输出模块、传感器采集模块和继电器执行模块组成。

图2 系统硬件框图

3.1从智能模块和智能家电模块

从智能模块包含三部分功能：防盗、火灾检测和煤气检测。防盗主要是门窗防盗，将震动传感器与热释电红外传感器安装在相应的门窗位置上，其中，热释电传感器能感受人体的移动［2］，如果震动传感器连续震动超过三分钟且热释电红外传感器一直能感应到人的红外线，那么两传感器相结合作用判断是否有人动门或窗。火灾检测由烟雾传感器与温度传感器组成，当两个传感器都检测到信号时才发生火灾报警，这样以免误报。煤气泄漏检测采用MQ-6传感器，它对液化气、天然气及城市煤气有较好的灵敏度，而对乙醇、烟雾几乎不响应。

智能家电模块是能实现家庭主动安防功能的模块。该模块功能可以在ARM主控板上选择设置是否工作，当屋主外出数天或数月时，设置启动该模块功能，它不影响正常安防模式下的全部功能，还可以模拟用户的正常生活习惯。到了一定时间或者随机时间打开关闭家中的电视、洗手间电灯、客厅灯、卧室灯等操作，到了休息时间关闭这些电气设备。完全可以将家用电器连接起来进行网络化的整体管理。

3.2电力线载波通信模块

电力线通信技术（Power Line Communication）是利用220V电力线作为载体进行数据传送的一种通信方式。该技术将载有信息的高频信号加载到电力线上，由电力线进行数据传输，通过专用的电力线调制/解调器将高频信号从电力线上分离出来，传送到终端设备并接收其他设备发来的数据［3］。由于使用坚固可靠的电力线作为载波信号的传输媒介，因此具有信息传输稳定可靠、路由合理、可同时复用信号等特点。

现在流行的三种调制解调方法有：调频方式（FSK）、调幅键控（ASK）、相移键控（PSK）。其中FSK是利用基带数据信号离散取值特点去键控载波频率以传递信息的一种数字调制技术，最常用的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统［4］，由于它具有技术成熟、工程实施难度较小等优点，已经有了大批量生产并得到了广泛应用。因此，此系统选用调频方式作为调制解调器的HLPLCS520F芯片。该模块框图如图3所示。

图3 电力线载波模块框图

其中内部集成高速数字信号处理器（DSP）和FSK调制解调器，调制信号为110KHz方波，带宽20KHz，可在正常发送模式和过零发送模式之间自由切换。正常发送模式下载波有效数据速率为800Byte/s，过零发送模式下载波有效数据速率为100Byte/s。解调器具有较高的灵敏度和强的抗干扰性能，可适应各种复杂的电力线信道环境［5］。广泛应用于各类交流、直流载波模块和通讯线直连的通讯模块中。

3.3网络接口电路

系统的ARM主控板所采用的微处理芯片是S3C2440A，它的内部并没有集成网络模块，需要使用外置网络芯片，在本系统中设计使用DM9000通用网络芯片，如图4为DM9000芯片的接口电路图。

3.4主控制微处理器

系统主控制微处理器是基于ARM9核心的嵌入式智能芯片S3C2440A，它是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，该内核是由Advanced RISC Machine（ARM）公司设计的16/32位处理器，具有强大的指令集，实现了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速缓冲体系结构［6］。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB的数据Cache，每个都由具有8个字长的行组成。S3C2440A集成了SDRAM控制器、3个UART、4个DMA、4个具有PWM功能的计时器和1个内部时钟、8通道的10位ADC。S3C2440A有很多丰富的外部接口，包括I2C总线接口、IIS总线接口、2个USB主机接口、1个USB设备接口、MMC卡等。S3C2440A在时钟方面也具有突出的优势，具有片上MPLL和UPLL，其中采用MPLL产生操作USB主机/设备的时钟，MPLL产生最大400MHz的MCU所需要的时钟，该工作频率可使处理器轻松运行winCE、Linux等操作系统以及进行较为复杂的信息处理［7］。此外，S3C2440A拥有多达60个中断源，支持电平/边沿触发模式的外部中断源和可编程的边沿/电平触发极性，能为紧急中断请求提供快速中断服务，完全能满足本系统的设计要求。

图4 DM9000芯片接口电路图

4 系统软件设计

通过系统硬件电路设计可以看出，系统软件设计整体上可以分为ARM主控板S3C2440A的软件设计和从机STC89C52的软件设计两部分，对于其中若干从机，只是地址不同主程序是一样的。ARM主控板的软件设计主要包括Linux平台搭建与移植、LCD液晶显示模块程序设计、WEB服务器的移植程序设计、QT4.5图形界面程序设计、电力线载波通信程序设计等部分；从机STC89C52的软件设计主要包括灯光控制程序设计、火焰传感器程序设计、可燃气体传感器程序设计、电力线载波通信程序设计等。系统软件整体结构框架如图5所示。

图5 系统软件整体结构框架

系统在软件上移植了嵌入式实时操作系统Linux，该系统具有易移植、稳定性高、裁剪方便、网络功能丰富和源码公开等优点［8］。ARM主机系统流程图如图6所示，主要完成的功能有：设置并完成主动安防功能，网络功能，普通的火灾、防盗、煤气泄漏等功能。

5 系统功能测试与实现

系统测试分为五步进行，分别为：驱动模块功能测试，电力线载波模块的数据传输测试，各传感器传感功能测试，网络功能测试，最后进行整体功能测试。其中，电力线载波模块的数据传输测试是通过串口调试小助手来验证主从机发送与接收的数据是否正常。网络功能测试时将主控板与电脑连接，打开IE浏览器在网页中输入http：//192.168.1.8登入访问安防控制界面，看是否具有界面显示。最后系统整体功能测试，将ARM主控板安放在本实验室，将STC89C52从机安放在隔壁实验室，在用打火机靠近火焰传感器时，ARM主机界面上有火灾信号，同时蜂鸣器响起。在ARM板上设置主动安防功能参数，以白炽灯的亮暗来反映各家电的工作情况，与预期值相符。在与AEM板连接的电脑IE浏览器中输入http：//192.168.1.8，可查看安防情况，如图7所示。

图6 ARM主机系统流程图

图7 整体功能测试图

6 结束语

设计的基于ARM9与电力线载波通信技术的家庭安防系统，运用电力线载波通信技术将走进千家万户的电力线作为通信载体，无需重新布线，节约成本，不会影响家庭美观，同时又具有即插即用的优点。经实验测试，能完全满足所设计的功能需求，是一种相对较好的家庭安防系统解决方案，具有一定的应用前景。

参考文献：

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Design of Home Security System Based on ARM and Power Line Communication

Ouyang Zhe，Zhang Xinzuo，Chen Xiang，Xu Xiaoping
（School of Information Engineering and Automation，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650051，China）

Abstract：The power line，available in each family，is used as the main communication medium to design and implement of home security system based on ARM and Power Line Communication.The specific security functions of the system and overall structure，including the system operation principle，the system hardware design，power line carrier communication theory，network interface circuits，systems software implementation programs，etc.，are described in this paper.The control modules from the node are decentralized independently and complemented in functions，in addition to the basic fire，combustible gas detection alarm，the functions of security doors and windows and image capture in a special place from the node are added.Finally，the functional test conducted for each node module and system shows that it is reliable，has accurate data transceiver in plug and play，and easy to use stably in home security systems.

Key words：Power Line Communication；Embedded Systems；Home Security；Anti-theft doors and windows；Image capture；Alarm

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.023

中图分类号：TP271

文献标识码：B

文章编号：1002-2279（2016）02-0090-04

基金项目：❋昆明理工大学教育技术基金项目（2013115）

作者简介：欧阳哲（1990-），男，湖北省天门市人，硕士研究生，主研方向：嵌入式系统设计。

通讯作者：许晓平（1965-），男，云南省昆明市人，副教授，主研方向：嵌入式系统设计，传感器，检测及自动化系统集成应用研究。

收稿日期：2015-06-05