[发明专利]基于ARM的Linux操作系统嵌入式智能安防系统

权利要求书

1.基于ARM的Linux的操作系统嵌入式智能安防系统，其特征在于：该系统包括硬件电路、基于ARM的Linux操作系统；

所述硬件电路包括MCU模块、监控模块、摄像头模块、GPRS通信模块、显示模块，其中，监控模块包括MQ-2烟雾传感器、DS18B20温度传感器、HC-SR501人体感应模块；

所述MCU模块是ARM9系列的S3C2440芯片，是系统的控制中心，MCU接收传感器的输入信号之后做出相应的处理，MCU控制相对应的电路实现声光报警和GPRS模块实行短信的发送；所述MQ-2烟雾传感器用于检测环境中的烟雾浓度；DS18B20温度传感器用于检测环境中的温度；HC-SR501人体感应模块，用于检测环境中的非法闯入；所述摄像头模块是OV9650摄像头监控模块，用于系统中的拍照；所述GPRS通信模块是SIM900通信模块，用于短信发送；所述显示模块是LCD显示模块用以显示当前的温度、日期、时间和当前的画面；

所述的Linux操作系统Ubuntu是整个系统的软件控制中心；起始代码Boot，所述起始代码Boot是在操作系统起始的时候运行的一段程序；内核Kernel，所述内核Kernel是操作系统的核心部分，内核运行进程，并提供进程间的通信；图形用户界面Qt，所述图形用户界面Qt是系统应用程序的开发框架；文件管理Roofs，所述文件管理Roofs是系统根文件管理文件；

Linux操作系统，所述的Linux操作系统Ubuntu中包括部分驱动程序，可以直接在其基础之上开发应用程序；

起始代码Boot，所述的起始代码Boot中为u-boot，相应的研究方法是在虚拟机上编译源码，修改Makefile配置文件生成对应开发板的u-boot文件，再执行Linux指令，生成u-boot.bin，并将二进制文件下载到开发板中；

内核Kernel，所述的内核Kernel中，包括事件的调度和同步、进程间的通信、存储器管理；本发明开发的步骤是在虚拟机上解压内核压缩包，然后使用Linux指令清理内核文件，再对Makefile文件进行一定的修改，并对配置文件进行相应的配置，最后再用Linux指令得到内核文件uImage，将其通过USB下载到开发板中；

图形用户界面Qt，所述的图形用户界面Qt中，搭建Qt环境的方法如下,首先是在宿主机上配置编译Qt的对应环境，完成触摸屏控制程序的编译；其次配置编译对应嵌入式设备环境，编译相应控制程序；最后，动态库和触摸屏程序编译好之后再移植到MCU的相应文件目录下，至此Qt环境的搭建完成；

文件管理Roofs，所述的文件管理Roofs中，在虚拟机中解压缩roofs源码，接下来在交叉编译环境里编译生成镜像文件，将镜像文件下载到开发板；

基于ARM的Linux操作系统控制硬件电路的流程，系统上电之后操作系统控制硬件驱动程序，进而控制硬件模块完成相应的操作；过程为操作系统控制传感器模块监测环境中的烟雾浓度、温度、非法闯入，当有异常发生时，操作系统对输入信息进行判断，同时操作系统控制相应的电路声光报警、控制摄像头模块完成图像的采集、控制GPRS模块完成短信的发送。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的Linux的操作系统嵌入式智能安防系统，其特征在于：

基于ARM的Linux系列ubuntu操作系统以及GPRS网络通信技术的嵌入式智能安防系统设计方案，应用到家庭和小型仓储场所，

系统硬件电路包括ARM9控制模块、电源及复位模块、GPRS模块、传感器模块、CMOS摄像头模块、LCD触摸屏显示模块、报警模块、相关外围电路；

MCU核心芯片采用三星公司的S3C2440；采用MQ_2烟雾传感器，监测环境中的烟雾浓度；直流5V是工作电压，具有输出指示的信号，输出低电平为有效信号，模拟量输出0～5V电压，浓度越高相应电压越高；烟感对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度，使用寿命较长和可靠的稳定性，快速地响应恢复特性，通过A/D接口与ARM开发板相连接；采用DS18B20温度传感器监测环境的温度；DS18B20提供9位温度读数指示，器件的温度信息经过单一数字接口送入DS18B20或从DS18B20送出，所以从主机CPU到DS18B20只需要一条线，DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源，DS18B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在ls内把温度变换成数字；HC_SR501人体感应模块监测环境中的人，HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式；GPRS代表的是通用分组无线服务，其是在GSM基础上发展起来的一种分组交换的数据承载和传输方式，在嵌入式系统中应用非常普遍；本系统选用SIM900GPRS模块实现ARM9控制器和用户之间的通信，SIM900模块正常工作时，需要安装一张SIM卡，确保天线连接正确，工作时还需要网络支持，SIM900模块采用AT指令集通过串口UATR与S3C2440进行通信；SIM900A模块是一款尺寸紧凑的GSM/GPRS模块，采用SMT封装，基于STE的单芯片案，采用ARM926EJ-S架构,性能强大，功耗低，支持数据、短信、语音的通信；OV9650CMOS摄像头监测和记录环境中的人员情况，130万像素,成像清晰，适用摄像监控方面；摄像头通过20pin的管脚与ARM开发板相连接，便于操作和维护；LCD显示屏模块，显示当前的温度、日期和时间、以及摄像头记录的实时画面；显示屏模块通过FPC45pin与ARM开发板相连接；声光报警模块，BUZZER完成声音报警，通过GPIO与开发板连接，LED完成光报警，通过GPIO与开发板连接；

系统软件包括Linux操作系统ubuntu的裁剪和移植、系统应用程序设计、系统相应硬件模块驱动程序的编写；系统被划分为几个相应的任务，既传感器检测程序、摄像头监测程序、LCD显示程序，以及出现异常之后的处理，GPRS控制发送短信模块和系统声光报警模块的程序；

Linux操作系统的移植和编译，包括起始代码Boot、内核Kernel、图形界面Qt、文件管理Roofs等源码的修改和移植，以及编译后的二进制文件下载到对应目标开发板；在ARM9开发板上运行相应的Linux操作系统，这就意味着需要将Linux系统移植到开发板上；首先需要搭建交叉编译环境，本方案宿主机采用的操作系统是Ubuntu，交叉编译器选用的是arm-linux-gcc，目标机为ARM9开发板，交叉编译环境的建立过程就是利用Linux指令对交叉编译器压缩包解包的过程；Boot就是在操作系统起始的时候运行的一段程序，其中包括硬件设备的初试化、内存空间的映射图建立，为调用内核准备好正确的环境；本系统中采用的Boot为u-boot；相应的研究方法是在虚拟机上编译源码，修改Makefile配置文件生成对应开发板的u-boot文件，再执行linux命令,生成u-boot.bin，并将二进制文件下载到开发板中；操作系统内核是Kernel，从名字便知是操作系统的核心部分；本系统采用的liunx内核版本为2.6.28，开发的步骤是在虚拟机上解压内核压缩包，然后使用linux命令清理内核文件，再对makefile文件进行一定的修改，并对配置文件进行相应的配置，最后再用linux命令得到内核文件uImage，将其通过USB下载到开发板中；图形用户界面Qt是一个应用程序开发框架；本研究中搭建Qt环境的方法如下,首先是在宿主机上配置编译Qt的对应环境，完成触摸屏控制程序的编译；其次配置编译对应嵌入式设备环境，编译相应控制程序；最后，动态库和触摸屏程序编译好之后再移植到MCU的相应文件目录下；根文件系统Roofs，本研究中在虚拟机中解压缩roofs源码，接下来在交叉编译环境里编译生成镜像文件，将镜像文件下载到开发板，至此操作系统ubuntu移植完成；

系统模块驱动程序的设计，传感器监控模块包括检测温度的温度传感器，检测烟雾和气体的烟雾传感器，检测人员的红外传感器；其中温度传感器检测环境的温度，通过GPIO与MCU连接，所以驱动程序就是定义相应的管脚，输入和输出为数字信号；烟雾传感器检测环境的烟雾浓度，通过A/D接口与MCU连接，驱动程序包括模拟量转换成数字量，再转换成管脚的对应高低电平；红外传感器监测环境中是否发生盗窃，通过GPIO与MCU连接，驱动程序就是定义相应的管脚，定义为输入量，转换成对应高低电平；LCD显示屏主要显示日期和时间、当前温度、当前实时画面；所以驱动程序包括LCD模块的初始化、管脚的初始化；通过操作LCD驱动控制寄存器对LCD进行控制和操作，可以设置LCD的工作模式，通过读写LCDRAM来完成LCD上显示的内容，LCDRAM的结构和其它RAM有所不同，它是一个双口结构，一个接口是CPU的读写接口，另一个作为与driver的读接口；摄像头模块选用的是CMOS类OV9650,其对应的驱动程序包括用于从接口获取图像的数据和将获得的数据传输到进程空间；还包括读取和配置OV9650的寄存器，再通过IIC接口传输数据的函数，还有进行模块初始化的函数；同时还定义了读取OV9650寄存器的具体方法，调用对应的读写的函数去读写OV9650寄存器的函数；

系统应用程序开发和设计，系统主程序的开发和设计包括传感器模块信息的采集、摄像头模块信息的采集、LCD显示屏实时信息的显示、GPRS模块短信息的发送、声光报警电路的控制；系统上电之后各个模块初始化，首先要判断传感器模块检测是否有其中任意一个发生异常，如果其中有一个或多个发生异常情况，则MCU控制摄像头模块进行拍照，于此同时电路完成声光报警，同时把报警信息和图片通过GPRS模块发送给预先设定好的手机用户；如果没有异常发生，则一直判断传感器是否有异常产生；前文已经将CMOS摄像头驱动程序写好，现在的操作就是摄像头应用程序的开发；首先是打开摄像头，完成摄像头初始化，把摄像头文件映射到相应内存中，文件中的位置对应的就是内存地址，读写操作方便和简单；当主程序中有异常发生时，MCU控制摄像头进行拍照采集图像，同时调用相应的函数进行读取数据，再通过对应函数进行图像处理，再将图片保存到对应的目录下，之后关闭摄像头，完成图像的采集；采集到的图片MCU通过串口传送到GPRS模块，通过相应AT指令控制GPRS模块将图片发送出去；系统的MCU通过控制GPRS模块采用对应的AT指令实现发送短信或彩信的功能,当系统需要发送GPRS信息时,首先是发送对应的AT指令，待设备初始化完成后，随后是发送CMGF指令用来选择文本模式或彩信模式，最后是发送AMGS等于：手机号码+信息内容命令发送短信或发送CMMSSEND等于：电话号码+彩信命令发送彩信；

本发明针对传统PC安防系统不适合家庭或小的场所应用，而提出具有便于操作、低成本、低功耗和实时性高等特点的嵌入式智能安防系统；在实际应用场所进行了测试整个嵌入式系统的操作性、稳定性、实时性等性能；

整个系统实物包括S3C2440主控制板、传感器模块、CMOS摄像头模块、LCD显示屏、声光报警模块、GPRS通信模块。