基于C8051F15處理器與GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程紅外監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)辦公場(chǎng)所的安全提出了更高的要求。特別對(duì)于企業(yè)而言，防火防盜更是必不可少的安全防范事件。針對(duì)傳統(tǒng)的安防成本比較高、且實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、集中管理控制困難、難以對(duì)安全隱患問題進(jìn)行排查預(yù)警等情況； 現(xiàn)基于單片機(jī)技術(shù)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)開發(fā)出一種實(shí)時(shí)、無線、便于管理、成本低廉的主動(dòng)防護(hù)遠(yuǎn)程紅外監(jiān)控管理系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能

1.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端、移動(dòng)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分組成?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端包括監(jiān)控主機(jī)、傳感器（包括紅外傳感器、煙霧傳感器和門磁傳感器）、攝像頭和GPRS 通信模塊。傳輸網(wǎng)絡(luò)借由移動(dòng)通信的GSM\GPRS 網(wǎng)絡(luò)，完成遠(yuǎn)程通信。監(jiān)控中心由可靠的DCN/DDN 專線、監(jiān)控計(jì)算機(jī)以及手機(jī)、無線瀏覽器等組成，網(wǎng)上運(yùn)行TCP/IP 協(xié)議。

1.2 系統(tǒng)功能

以單片機(jī)為核心處理芯片的監(jiān)控主機(jī)將采集到的傳感器的輸出數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、檢測(cè)和識(shí)別后，將告警信息本地存儲(chǔ)并通過移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)時(shí)傳送到監(jiān)控中心；經(jīng)過監(jiān)控中心的應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器上的程序處理和分析后，將告警短信和彩信發(fā)送到使用者的手機(jī)上，使用者可以通過Internet 或者手機(jī)WAP上網(wǎng)就可直接瀏覽、查詢監(jiān)控對(duì)象的參數(shù)和狀態(tài)。

手機(jī)、計(jì)算機(jī)發(fā)出的有權(quán)限的控制命令通過ZSM\GPRS 和Internet 傳輸?shù)奖O(jiān)控中心轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控主機(jī)執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端

2.1 硬件組成

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端為獨(dú)立監(jiān)控子系統(tǒng)，主要硬件組成是監(jiān)控主機(jī)（主控芯片為F8051C015）、GPRS 通訊模塊（西門子MC35i）和無線傳感器。它可以采集紅外、門磁、煙感、視頻抓拍等設(shè)備的狀態(tài)及環(huán)境參數(shù)；采用USSD、SMS、GPRS 結(jié)合Internet 的傳輸方式將數(shù)據(jù)定期上傳集中監(jiān)控中心，實(shí)時(shí)上傳告警信息；接收并實(shí)時(shí)處理網(wǎng)絡(luò)用戶或者手機(jī)用戶通過集中監(jiān)控中心下發(fā)的控制命令。

2.1.1 監(jiān)控主機(jī)

監(jiān)控主機(jī)通過16 路DI 口控制數(shù)字量采集單元，15 路AD 口控制模擬量采集單元，UART0 口連接GPRS 通訊模塊， UART1 口連接掉電復(fù)位模塊AT89C2051;通過RS232\RS485 連接1-4 路的視頻抓拍監(jiān)控板，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試或者連接其他的接口單元；SMBUS 總線連接遠(yuǎn)程升級(jí)單元，1-4 路的開關(guān)電源接口板，連接UPS 電源接口板，連接電機(jī)接口板，1-4路的視頻抓拍監(jiān)控接口板。

圖2 硬件組成架構(gòu)圖

監(jiān)控主機(jī)的核心部分是C8051F015 單片機(jī)，它的P34 與MC35i 的15 腳（IGT）相連接，用于開啟MC35i 模塊；C8051F015 的TXD\RXD 腳和MC35i的TX0/RX0 相連， 進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出； MC35i模塊通過RS-232 接口各引腳輸出的信號(hào)有RXD、CTS、DSR、DCD、RING,輸入的信號(hào)為TXD、RTS、DTR.MC35i 的數(shù)據(jù)接口采用串行異步收發(fā)，符合ITU2T RS-232 接口電路標(biāo)準(zhǔn)，工作在CMOS 電平（2.65 V） .數(shù)據(jù)接口配置為8 位數(shù)據(jù)位、1 位停止位、無校驗(yàn)位。C8051F015 片內(nèi)集成了2304 字節(jié)的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和32K 字節(jié)的閃存，10 位的ADC 模塊和兩個(gè)12 位的DAC 和兩個(gè)模擬比較器，外部有豐富的I/O 資源，內(nèi)部有一個(gè)全雙工UART、SPI 總線和I2C/SMBus,可實(shí)現(xiàn)和外部的通訊。它帶有交叉開關(guān)模塊，通過設(shè)置可以控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、ADC 轉(zhuǎn)換啟動(dòng)輸入、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I/O 引腳。這就允許用戶根據(jù)自己的需求選擇通用端口I/O 組合，簡(jiǎn)化硬件電路上的設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性，降低生產(chǎn)成本。

2.1.2 無線傳感器和攝像頭

無線傳感器與監(jiān)控主機(jī)的通信， 采用的是PT2262 芯片發(fā)射，PT2272 接收，數(shù)據(jù)通過74LS245芯片與C8051F015 的I/O 口進(jìn)行連接。當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，相應(yīng)的傳感器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，由無線發(fā)射模塊通過無線方式將觸發(fā)信號(hào)送到監(jiān)控主機(jī)的無線接收模塊，核對(duì)信息無誤后，通過RS232 串口將報(bào)警信息發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。

無線傳感器類型包括：門磁傳感器、紅外探測(cè)傳感器和煙霧傳感器。

無線門磁采用海曼的MC-31,該傳感器監(jiān)測(cè)門的開關(guān)狀態(tài)，發(fā)射特定的315MHz 無線電波，將信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)后，經(jīng)過放大、調(diào)制后為開關(guān)信號(hào)，單片機(jī)進(jìn)行判斷后決定要不要報(bào)警。該傳感器動(dòng)作距離≥ 16mm, 室內(nèi)傳輸距離20 米， 開關(guān)耐壓為100VDC,負(fù)載電流≥0.5A.無線紅外探測(cè)傳感器采用GH-608,它報(bào)警輸出NC/NO 可選，LED ON/OFF可選擇；阻燃ABS 外殼，全方位自動(dòng)溫度補(bǔ)償；采用動(dòng)態(tài)閥值調(diào)節(jié)技術(shù)和SMT 工藝制造，抗RFI、EMI 干擾；三級(jí)脈沖計(jì)數(shù)可調(diào)節(jié)，方便不同的環(huán)境安裝。 無線煙感采用的是HM-602PC,它是可自動(dòng)復(fù)位/斷電復(fù)位可選的紅外光電傳感器，采用微處理器控制，聯(lián)網(wǎng)輸出NC / NO 可選且LED 指示報(bào)警；采用SMT 工藝和金屬屏蔽罩，可抗電磁和射頻干擾，穩(wěn)定性強(qiáng)。

攝像頭：（VG-P501）采用的是RS232 接口串行通訊，與單片機(jī)的SUART1 相連，直接觸發(fā)攝像頭的抓拍。抓拍有兩種方式：一當(dāng)門磁、紅外和煙感任何一個(gè)傳感器報(bào)警之后，將報(bào)警信息和攝像頭相連，觸發(fā)攝像頭自動(dòng)抓拍，并將圖片發(fā)送到集中監(jiān)控中心，用戶可以通過網(wǎng)頁或者手機(jī)WAP 上網(wǎng)來查詢圖片；二集中監(jiān)控中心直接下發(fā)抓拍的控制命令后，攝像頭拍抓后將圖片上傳。

2.1.3 GPRS 模塊

該系統(tǒng)的GPRS 通訊模塊采用了西門子公司的MC35i 模塊，并將其嵌入TCP\IP 協(xié)議，使模塊和集中監(jiān)控中心連接。MC35i 啟動(dòng)電路由開漏三極管和上電復(fù)位電路組成，與單片機(jī)34 腳相連。模塊上電10ms 后（電池電壓須大于3V），為使之正常工作，必須在15 腳加時(shí)長(zhǎng)至少為100ms 的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1ms.啟動(dòng)后，15 腳的信號(hào)應(yīng)保持高電平。

MC35i 為EGSM900 和GSM1800 雙頻GPRS模塊，支持?jǐn)?shù)據(jù)、語音、短消息和傳真業(yè)務(wù)；電源采用3. 3 ~4. 8 V 的單一電源， 可采用單片機(jī)的3. 3V 電源，通過RS-232 雙向總線直接與單片機(jī)的UART0 相連， 利用AT 命令進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令的傳輸。GPRS 數(shù)據(jù)接收速率最高可達(dá)85.6kbps, 發(fā)送速率可達(dá)21.4 kbps[5].

2.2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)監(jiān)控主機(jī)上電以后，主機(jī)進(jìn)行初始化，同時(shí)通過AT 指令對(duì)MC35i 進(jìn)行初始化。初始化完成后，主機(jī)采用循環(huán)的方式采集傳感器的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。

GPRS 模塊初始化：?jiǎn)纹瑱C(jī)發(fā)送AT 指令設(shè)置和控制GPRS 的主要設(shè)置有以下：設(shè)置波特率為4800b/s,指令：AT+IPR=4800,默認(rèn)的通信速度為9600b/s;設(shè)置網(wǎng)關(guān)為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)，指令：AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET";設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B 類，指令：AT+CGCLASS="B",同時(shí)監(jiān)控多種業(yè)務(wù)，但只能運(yùn)行一種業(yè)務(wù)，即在同一時(shí)間只能使用GPRS 上網(wǎng)，或者使用GSM 的語音通信；激活GPRS 功能，指令：AT+CGACT=1,1.

短信的收發(fā)：利用主機(jī)中斷服務(wù)程序判斷是收取還是發(fā)送消息，短消息采用PDU 編碼，實(shí)現(xiàn)方式也采用AT 指令。收取步驟：分析短消息內(nèi)容，得出指令后，執(zhí)行控制操作，再封裝返回的短消息。發(fā)送步驟：

調(diào)用預(yù)存的短信指令，控制GPRS 模塊給指定號(hào)碼發(fā)送短消息，發(fā)送失敗則重復(fù)操作，直至成功。

彩信的發(fā)送：攝像頭采集GPRS 模塊建立WAP 連接GPRS,用標(biāo)準(zhǔn)WAP 無線會(huì)話協(xié)議進(jìn)行編碼后的消息作為一個(gè)WSP POST 內(nèi)容發(fā)送出去。WAP 網(wǎng)關(guān)用HTTP 協(xié)議將內(nèi)容傳送給MMSC 的中繼器，中繼器再傳至MMSC 的服務(wù)器。服務(wù)器將信息的內(nèi)容將轉(zhuǎn)換成MIME 的格式后數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)分析、路由尋址，得到用戶終端信息，同時(shí)通過同一個(gè)WAP 連接對(duì)發(fā)起方做出響應(yīng)。

終端的軟件流程如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖。

3 集中監(jiān)控中心

3.1 功能介紹和組成

集中監(jiān)控中心通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控主機(jī)進(jìn)行連接，對(duì)監(jiān)控主機(jī)實(shí)時(shí)上傳的各種信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析檢測(cè)處理，把過濾后的有效信息傳送給監(jiān)控中心的服務(wù)器。服務(wù)器將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過文字、圖形、聲音等各種人機(jī)接口方式顯示監(jiān)控對(duì)象的狀態(tài)和告警信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)生成報(bào)表和對(duì)告警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。使用者通過計(jì)算機(jī)Internet 或者手機(jī)WAP 上網(wǎng)登陸客戶端，根據(jù)權(quán)限進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的查詢和管理；并且可發(fā)送控制命令，由監(jiān)控中心通過GSM\GPRS 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān)控主機(jī)執(zhí)行。

集中監(jiān)控中心有兩臺(tái)服務(wù)器：監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。監(jiān)控應(yīng)用服務(wù)器裝有監(jiān)控中心的軟件，并采用ASP. Net 的開發(fā)出Web 頁面，通過安裝微軟的IIS 來搭建Web 信息發(fā)布系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器安裝Windows 2000 Server 操作系統(tǒng)，并安裝SQL Server2000 數(shù)據(jù)庫管理軟件和數(shù)據(jù)分析處理軟件。兩臺(tái)服務(wù)器采用網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（NAT）技術(shù)，是對(duì)外網(wǎng)的IP只有一個(gè)。

監(jiān)控中心軟件采用Socket 連接方式完成監(jiān)控終端和監(jiān)控中心的通信，根據(jù)預(yù)設(shè)好的通信協(xié)議接收和發(fā)送數(shù)據(jù)?；谠撓到y(tǒng)時(shí)效性強(qiáng)，監(jiān)控地點(diǎn)分散，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采取的是B/S 結(jié)構(gòu)，在Web 瀏覽器上直接瀏覽Web 服務(wù)器進(jìn)行工作。

3.2 軟件實(shí)現(xiàn)

集中監(jiān)控中心的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，是采用Visual C++語言和SQL Server 進(jìn)行開發(fā)，軟件系統(tǒng)主要分為以下三個(gè)部分：系統(tǒng)管理，終端管理，查詢統(tǒng)計(jì)。

（1） 系統(tǒng)管理包括：用戶管理、權(quán)限管理、個(gè)人資料管理、修改登陸密碼四個(gè)模塊。

用戶管理：提供給用戶一個(gè)可登陸、監(jiān)視、管理的軟件應(yīng)用平臺(tái)；權(quán)限管理：設(shè)定權(quán)限給不同級(jí)別的用戶；個(gè)人資料管理：修改管理者的姓名，手機(jī)號(hào)碼等個(gè)人資料；修改登陸密碼：修改網(wǎng)頁登陸密碼和修改手機(jī)WAP 登陸密碼。

（2） 終端管理包括：終端信息管理、布\撤防配置管理、告警手機(jī)管理三個(gè)模塊。

終端信息管理：記錄終端的信息、狀態(tài)、配置，可查詢終端和監(jiān)控中心的連接情況，可實(shí)時(shí)根據(jù)要求查詢監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況，可顯示終端各單元的工作情況；布\撤防配置管理：通過控制指令可實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的遠(yuǎn)程控制（布防撤防）。告警手機(jī)管理：可添加或刪除告警手機(jī)，且可設(shè)置告警級(jí)別。

（3） 查詢統(tǒng)計(jì)包括：日志查詢、控制記錄查詢、告警記錄查詢、監(jiān)控圖片查看四個(gè)模塊。

日志查詢：記錄了登陸網(wǎng)頁的時(shí)間和用戶；控制記錄查詢：可查詢控制終端的名稱、時(shí)間、類型等。

告警記錄查詢：查詢到告警時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間、終端當(dāng)前狀態(tài)等。監(jiān)控圖片查詢：可對(duì)一段時(shí)間的拍抓圖像進(jìn)行查詢。

圖4 監(jiān)控中心軟件結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

該系統(tǒng)基于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，支持SMS\GPRS 兩種傳輸方式，提供可靠通信保障，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。傳感器采取無線方式，無需布線，易于安裝。監(jiān)控軟件能實(shí)現(xiàn)各種歷史告警的信息進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)和打??；各種告警信息都將自動(dòng)保存且不能隨意修改、刪除。系統(tǒng)能進(jìn)行自診斷（如系統(tǒng)掉電等），能直觀的顯示故障內(nèi)容，實(shí)用性強(qiáng)。該系統(tǒng)已在重慶移動(dòng)各營(yíng)業(yè)廳試商用。