基于GPRS实现远距离家庭监控系统设计
摘要
随着社会经济高速发展和人们生活水平的不断提高，人们的物质生活与精神生活需求也变得多样化，人们更希望在一种安全、舒适的环境下生活，于是家庭的安防需求应运而生，使得智能监控报警系统与居民日常生活越来越紧密，以保障家庭住宅安全为目的的防范系统，也因此得到了一定程度的发展。经查阅相关领域的资料文献，发现目前的家庭安防系统大多数存在着功能简单，易遭破坏，报警准确度太低等问题。随着家庭安防的发展需求，能满足用户需求，性能可靠，经济实用的监控报警系统具有广阔的发展前景。
本文以GPRS通信理论为依托，采用彩信图像传输技术，设计了基于ARM7内核和GPRS实现彩信家庭监控报警的系统。它将采集的入侵图像以彩信的形式发送到用户手机终端，达到了及时准确的传送。系统监视终端采用最新的ARM7内核的低功耗微处理器LPC2210作为核心处理器，用热释电红外传感器和BISS0001信号处理电路设计了入侵检测模块，采用内部集成JPEG图像压缩功能的GXT-M201摄像头模块完成入侵照片的采集功能，用NAND FLASH芯片设计了图像储存模块，采用具有彩信功能且内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块TR800作为数据发送模块，整个监视终端主要实现了入侵人员的检测、现场图像数据的采集和存储以及无线网络传输等功能。接收终端只需要用户具备一部支持彩信功能的手机即可。整个系统除了保证正常的工作外，还可以接收来自用户的短消息命令，系统识别并响应指令，从而完成用户的主动请求，达到远程控制的目的。
与以往的监控报警系统相比，该系统将彩信图像传输技术，红外光电传感器技术，无线信号传输技术相结合，利用GPRS网络技术，提高了报警的准确度，增强了用户的主动性，降低了成本，在家庭安防领域具有很强的竞争优势，能够产生良好的社会效益和经济效益。
关键字家庭监控；ARM7；GPRS；短信；彩信
Design of Remote Home Monitoring System
based on GPRS
Abstract
With the development of social economic and the improvement of living environment,people?s demand on the security of their own home is increasing,which makes home security and the lives of people connect closely.In strong support of the rapid development of modern communication technology,the filed of home security has been the rapid development.By the investigation of information,we found today?s security sys tems are not suitable for home use because they are complex for operating,not convenient for installation,complicated for wiring that affect the indoor appearance.People have pressing requirements for relatively low price and power consumption and monitoring and alarm system of reliable technical performance.The design of practical security product that is used in the home and small office have the realistic meaning and practical value.
This article has designed take the GPRS correspondence theory as a backing,uses the MMS technology and based on my schoolmate of hardware designs of infrared wireless alarm system based on MMS.Monitoring terminal of system use the latest low power microprocessor LPC2210 based on ARM7 core as core processor,pyroelectric infrared sensor and BISS0001 signal processing circuit to design intrusion detection module,GXT-M201 camera module that integrate JPEG image compression to complete the function of invasion photo collection,NAND FLASH chip to design image storage module and GPRS module TR800 by the function of MMS to design wireless network transmission module.The monitor terminal achieve the function of intrusion
detection,collection and storage image data and wireless network transmission.Receiving terminal requires that users only have a mobile phone with the function of MMS.Not only ensure the whole system works normally,but also receive SMS commands from user.The system recognize and respond commands to complete user?s active request and reach the purpose of remote control.
Compared with the former security alarm system,this system unified the MMS image transmission technology,the sensor of infrared light electric technology,the wireless signal transmission technology,use GPRS internet.It has enhanced the accuracy of reporting to the police,strengthened user's initiative,reduced the cost.So this system has the very big demand market in the dormin of family safe guard and can produce good social efficiency and economic efficiency.
KEY WORDS safe guard;ARM7;GPRS;short message;MMS
目录
摘要.......................................................................................................................I Abstract..............................................................................................................II
目录.................................................................................................................... I V 第1章绪论.. (1)
1.1 课题背景 (1)
1.2 国内外在该方向的研究现状 (2)
1.3 论文的主要研究内容 (3)
第2章系统总体设计任务及技术实现分析 (5)
2.1 系统的功能需求分析 (5)
2.2 GPRS网络技术 (6)
2.3彩信的基本原理及实现 (7)
2.4本章小结 (9)
第3章系统硬件设计 (10)
3.1 ARM微控制器 (10)
3.1.1 ARM体系结构简介 (10)
3.1.2 ARM7TDMI概述 (11)
3.1.3 LPC2210概述 (14)
3.2 入侵检测模块 (15)
3.2.1 被动式热释电红外探头工作原理 (15)
3.2.2 被动式热释电红外探头特性及性能参数 (16)
3.2.3 红外热释电传感器及传感信号处理器 (17)
3.3 图像采集压缩模块的设计 (19)
3.4 图像数据存储模块及其电路设计 (20)
3.4.1 FLASH芯片接口电路 (20)
3.5 无线网络传输模块的设计 (23)
3.5.1 TR800模块性能 (23)
3.5.2 TR800模块的接口电路 (25)
3.6 电源电路设计 (26)
3.7 复位与时钟电路 (26)
3.8 本章小结 (27)
第4章入侵监控报警系统的软件设计 (28)
4.1 系统软件结构 (28)
4.2 FLASH存储模块软件分析 (30)
4.3 GPRS模块软件分析 (31)
4.4 本章小结 (32)
结论 (33)
致谢 (34)
参考文献 (35)
附录一 (37)
附录二 (42)
第1章绪论
1.1课题背景
随着社会经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高，人们对其住宅的要求也越来越高，表现在不仅希望拥有舒适、温馨的住所，而且对安全性、智能化等方面也提出了更高的要求。于是，有关家庭、办公室和仓库等安全防范和自动报警系统的开发研制日益被科研单位和生产厂家所重视，目前市面上也出现了品牌繁多的监控报警主机，但安防市场鱼龙混杂，众多的监控报警主机均不同程度的存在各式各样的缺陷或弊端，如可靠性差，误报率高；功能单一，操作复杂等。另一方面，随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。目前，国内传统的电子监控报警系统方案往往是在用户端通过电子设备检测到盗窃等报警信息，然后通过通讯器经电话线将信号自动传到报警中心来完成报警过程，这种报警中心往往存在很多局限，例如报警中心地点和人员需固定、报警通信速度慢、反向查询控制等操作困难而且专业，电话线断线问题难以解决，通信费用尤其是远程通信费用较高不利于组建远程网络，通信带宽太小、加载信息量少、音视频信号的技术手段应用困难，很难应用于家庭安防市场等等。而彩信业务自中国移动从2002年9月，正式推出以来随着彩信网络工程的建立和不断地优化彩信逐渐进入了高速发展和稳定应用阶段，所以人们越来越关注于依托中国移动网络，基于彩信业务来发展现代的电子监控报警系统，从而能在此系统上发挥其随时随地监控，网络涵盖范围大查询控制等操作简便费用低报警，通信速度快音视频应用简易等众多优势，使其能广泛应用于家庭办公工厂商铺等等各种场所功能与意义[1]。
本课题就是为了迎合监控报警系统的发展趋势而研制的，要解决的技术关键是提供一种能实时检测入侵、随时随地监视现场图像、随时随地无线传输图像的多场景远程无线彩信监控报警系统。此系统不但拥有一般监控系统的全部基础功能，而且还具有通常监控系统不具备的入侵检测、图像记录和存储、彩信传输等功能，将无线传输、红外技术和彩信技术结合起来，适用于家庭中、办公地点政府单位使用的新型、小型监控报警系统。
该系统的研究，是一种将单片机技术和无线通信网络技术充分结合的应用，具有非常显著的现实意义和实用价值。
1.2国内外在该方向的研究现状
目前市场上的监控安防系统可分为两类：一种是集中监控系统，其监控模式是所有监控图像、报警信号汇总到集中监控机房，由专门职守人员24小时监控。并且在大部分情况下仍然是一种事后告警系统，并不能在突发情况下实时有效处理。经常是窃案发生后才去翻看现场的录像资料，并不能起到当场制止犯罪的作用。另外一种是无人自动报警系统，其监控模式采用无人职守、通过电话自动拨号或者发短信的方式远程自动报警。很多企事业单位及住宅小区都安装集中监控系统，并配以保安巡逻。而无人自动报警系统主要安装在需要无人职守且需要自成一体的环境中，例如家庭，小型店铺仓库等等。但是在很多情况下由于目前安防系统固有的缺陷，以及物业保安人员的责任心、偶然疏忽等缘故，仍然给犯罪分子很多可乘之机。
家庭监控报警系统可以分为联网型和单户型两大类[2]。联网型报警系统由多个小型报警系统组成，常用报警系统经过联网组成报警中心，而报警中心一般使用报警接收机、计算机系统和打印机设备等。当报警事件发生时，报警点的数据显示在电子地图的相应位置，同时计算机系统可以调出报警点的配置和现场各种数据资料等有关技术材料，供警情处理人员快速判断和决策处理出现的警情事件。联网型家庭监控报警系统的监控报警中心一般以小区为中心组成，所以主要应用于新建小区，而且需要用户普遍接受该系统。单户型报警系统是当整个住宅小区对安装监控报警系统没有达成一致意见时，有的用户愿意安装，有的用户不愿意安装，那么对于希望安装监控报警系统的用户，就可以采用单户型结构；另一方面，老的小区改造存在很多的问题，联网型系统需要重新布线、重新安装，也需要单户型来过渡。总之监控报警系统在向多功能、大容量、智能化发展，越来越成为一套完整的集安全防范、自动化控制等为一体的综合管理系统体系[3]。无论是联网型还是单户型，目前的红外监控产品大多是监测到可疑情况立刻接通报警中心电话，进行报警。有时会因为宠物或者窗帘的飘动触发报警程序给报警中心增加负担。住宅小区的保安系统因为布线繁杂，造价昂贵，用户可选择性差，不易维护而无法在普通用户阶层内推广。单用户监控系统或装置大多数存在着功能简单，易遭破坏，报警准确度低等问题。现有的无人自动报警系统一般采用红外、门磁、烟感等作为监控/安全探测传感器，用电话、手机模块作为告警信息的传输手段。目前市面上也出现了品牌繁多的监控报警主机，但安防市场鱼龙混杂，众多的监控报警主机均不同程度的存在各式各样的缺陷或弊端，如可靠性差，误报率高；功能单一，操作复杂等。另一方面，随着电子技术的飞速发展，报警系统已从原来的简单化、局部化向智能化、集成化发展。目前市场上常见
的监控报警系统的通信方式有固定电话拨号、以太网、GSM短信等。但它们有各自的缺点：(1)固定电话拨号容易被盗贼在入室抢劫前切断电话线或恶意占线，使其在关键时刻失灵。同时采用有线的连接方式，安装、配置比较困难：(2)以太网同样面临着线路被切断的隐患与安装问题，且不易普及：(3)GSM短信报警系统没有信息的过滤，从而产生误报、错报，给用户带来极大的不便[4]。针对以上通信方式的缺点，设计了基于GPRS彩信模块的多功能家庭安防系统，该系统解决了这些隐患，让家庭监控更及时、使用更方便。它不再依赖有线电话执行报警，而是借助最可靠、最成熟的GPRS移动网络，以最直观的彩信图片和电话形式，直接把报警现场的情况反映到您的手机屏幕上。它采用主动式红外线传感器进行检测，变有形的传统监控网监控窗为无形，给火灾时的逃生提供方便，并配置烟雾传感器和燃气泄漏传感器，实现防火、防燃气泄漏的作用[6]。
1.3论文的主要研究内容
本课题为基于GPRS的远距离现场监控系统设计。系统功能为当报警发生时，系统能够确定报警位置并向用户手机发送报警信息。收到短信时，能根据短信息内容及系统状态采取适当的操作。对所监控范围内进行彩信报警。如：①当监控范围内出现异常状况时，中断触发，系统发短信给用户手机端并启动摄像头拍照将图片以彩信形式发送给用户的手机端。
②当有人闯入监测区域时，该设备将自动采集图像并以彩信形式发送到用户的手机端。系统应具有较强的多任务能力，如在发送多媒体信息或短信息时仍能够接收报警信息，捕获视频图片，各个任务要相互协调，保证系统的高效、稳定运行。系统应具备良好的适应性和可扩展性。嵌入式无线报警系统应用领域广泛，为了灵活地适应不同的工作环境，系统具备良好的兼容性，系统应能根据用户需求灵活地对报警传感器进行选择。在远程无线方式下实现以彩信的方式将反映家庭信息的图像传输给在任何地点的用户。实现用户在任何时间，任何地点通过远程无线的方式对其监控范围内信息的监控。
本课题涉及的关键技术文包括MMS彩信技术、无线网络通信技术、图像存储以及红外入侵检测技术。系统将采集的入侵图像以彩信的形式发送到用户手机终端，达到了及时准确的传送。系统监视终端采用最新的ARM7内核的低功耗微处理器LPC2210作为核心处理器，用热释电红外传感器和BISS0001信号处理电路设计了入侵检测模块，采用内部集成JPEG图像压缩功能的GXT-M201摄像头模块完成入侵照片的采集功能，用NAND FLASH 芯片设计了图像储存模块，采用具有彩信和TCP/IP协议功能的GPRS模块TR800设计了无线网络传输模块，整个监视终端主要实现了入侵人员的检测、现场图像数据的采集和存储以及无线网络传输等功能。接收终端只需
要用户具备一部支持彩信功能的手机即可。整个系统除了保证正常的工作外，还可以接收来自用户的短消息命令，系统识别并响应指令，从而完成用户的主动请求，达到远程控制的目的。本系统严格遵照各项技术性能指标达到了设计的需求，实现了实时监控和传输的目的，其对图像数据的无线传输方式足以替代现有的有线传输方式。这是一种安装方便、功能齐全、可靠性高的新型家用监控报警系统。该系统改进以往监控报警产品的不足主要从以下几个方面进行研究和开发：
1．彩信协议短信协议的学习研究，为实现该系统提供前提。
2．防范措施的多样化：该系统首先以彩信的方式给用户发送现场图片，然后通过播放语音警告盗贼已为其拍摄照片并将其照片发往用户手机，阻止盗贼的进一步行动。
3．通过摄像头监控房内和房门的情况，当有人闯入监控区域时，产生报警信号。
4．用户可以通过发送手机短消息的形式察看家中情况，该系统按照用户的指令返回相应部位的采集图片，供用户查看，提高主人和系统的交互性以及主人的主动性。
5．分析系统各部分功能，为了保证主控制器与各模块之间的正常通信而进行软件部分的设计。
第2章系统总体设计任务及技术实现分析
本课题主要针对家庭用户所设计，系统主要由摄像头、红外感应器、中央处理器和GPRS模块四部分组成。在监控状态下，当红外感应器感应到有人移动时，红外感应器将信号传递到CPU，CPU立刻打开摄像头采集图像，摄像头再将采集到的图像数据传送给CPU进行图像数据处理，CPU将处理后的图像数据通过GPRS模块以彩信的形式发送到主人手机中。当没有异常情况时，主人也可以通过手机向安防系统发送查看现场情况的命令，以达到对现场实时监控的目的。系统通过GPRS模块以彩信或直接呼叫的方式向用户发送监控信息，用户则通过手机短信的方式对系统发送命令和进行相关设置。相对于较大场合的视频监控系统，此安防监控系统的设备简单，无需与PC机连接，所有设备完全基于一块电路板上，体积小，便于安装与使用。
本章将介绍监控系统的工作原理，整体设计方案，并对系统总体构成、关键技术做详细的阐述。
2.1系统的功能需求分析
本课题主要设计一个基于GPRS彩信发送和短信收发的监控报警系统，该系统结合了无线通信技术与图像处理技术，开发出一种新模式的图像报警系统。实现了将视频监控采集的现场图片借助GPRS网络发到用户手机上的功能，可使用户对现场进行实时掌控。因此，该图像报警系统是一种先进的、防范能力强的综合系统。该系统主要包括如下几项功能：1．视频采集：通过摄像头采集视频图像，通过OV528压缩卡将图片进行压缩，以便将图片传送到用户手机。
2．MMS彩信发送：通过GPRS彩信猫发送，以便用户随时查看自己房中情况。
3．SMS短信收发：用户通过发送SMS短消息发送察看房屋情况的指令。当系统检测到异常情况时也可通过发送SMS短消息来通知用户。
4．系统管理和设置：该模块完成用户初始信息的设置，如用户手机号码。
5．系统应具有一定的实时性。特别是在接收报警信息、捕获报警现场图片时，系统应具备较高的实时性。
6．系统应具备良好的适应性和可扩展性。无线报警系统应用领域广泛，为了灵活地适应不同的工作环境，系统必须具备良好适用性，系统应能根据用户需求灵活地对报警传感器进行选择。
启动设备
红外探测器检测入侵
没有
入侵信号
检测到入
侵信号
继续检测
摄像头
拍照并压缩
GPRS模块向
用户发送彩信
GPRS模块是否收到短信没有收到
短信命令
收到
短信命令
继续等待
控制摄像头
拍照并压缩
GPRS模块向
用户发送彩信图2-1系统总体工作过程图
2.2GPRS网络技术
GPRS(General Packet Radio Service)通用分组无线业务，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网络，提供一种端到端分组交换业务。作为向3G网络过渡的2.5代技术，GPRS可最大限度重用已有的GSM网络基础设施，GPRS采用先进的无线分组技术，将无线通信与因特网紧密结合，终端更适应互联网业务需求，可提供更好的数据业务[7]。作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，将全面提升无线数据通信服务。GPRS的引入，无需更换手机号码，不会影响原有手机、原有业务的使用，与原有的GSM相比，具有时尚前卫，令人耳目一新的优势[8]：1．GPRS提供了更高的数据传输速率：GPRS最高理论传输速度为171.2kbps，目前可以支持40kbps左右的传输速率。
2．时隙捆绑：一个用户可以同时占用几个信道，提高传输速率。
3．GPRS提供高效的无线资源利用率，多个用户可共享一个无线信道，提高了网络利用率。
4．永远在线：只要激活GPRS应用后，可以始终保持在线状态，而无需一直占用无线信道。
5．按数据流量收费，经费方式更加科学合理。
6．快速拨号建立连接进行登录，话音和数据业务切换方便。
7．利于向第三代核心网的过渡。
图2-2所示的是整个GPRS网络的复杂结构图。
图2-2 GPRS网络结构图
从网络侧来看，GPRS是在GSM网络的基础上增加服务GPRS支持节点(SGSN)和网关GPRS支持节点(GGSN)这两种网络实体以及多种接口来实现的。SGSN和GGSN是实现GPRS业务的核心实体，通称为GPRS 支持节点(GGSN)[9]。其中SGSN是为移动台(MS)提供移动性管理、路由选择、加密及身份认证等服务的节点；GGSN是用于接入外部数据网络和业务的节点。有的网络也可将SGSN和GGSN合设在一起组成CGSN节点。边界网关(BG)用于PLMN间GPRS骨干网之间的互联，此外它还可以根据运营商之间的漫游协议增加相关的功能。
本系统选用具有MMS功能的TR800无线GPRS模块，它具有方便的接口，工作电压为3.4~5.5V，可以分别在GSM850、EGSM900、DCS1800和PCS1900四个频段下工作，通信传输速率足够本系统使用，传输数据延时小、性能稳定。
2.3彩信的基本原理及实现
多媒体消息是Multimedia Message service的简称，中文名为多媒体消息业务，可以像使用短消息一样收发更加个性化的多媒体消息，如文本、图形、图像、音频、视频、动画、音乐等信息内容，且不影响手机的正常通话。移动多媒体信息业务系统涵盖了多种类型的网络，并可以集成这些网络中现有的信息业务系统。移动终端在多媒体信息业务环境(MMSE)中进行操作。此环境既包括 2.5G和3G网络，也有网络间的相互漫游等情况。MMSE提供了所有相关的业务成份，如：信息的发送、存储、通知。它们既可位于同一网络中或分布于不同的网络中。在MMS服务投放市场
以前，很多关于网络的实际准备工作必须预先完成。在软、硬件的准备上除了可以接收MMS的终端外，还需要MMS中心、WAP网关、数据库服务器、增值服务(V AS)等。体系结构如图2-3所示。
多媒体信息中心(MMSC)：在整个在多媒体信息业务环境(MMSE)中，多媒体信息中心(MMSC)是系统的核心。MMSC是MMS网络结构的核心，它提供存储和操作支持，允许端到终端和终端到电子邮件的即时多媒体信息传送，同时支持灵活的寻址能力。
WAP网关：在协议层，MMS使用WAP无线会话协议(WAP)作为传输协议。为了在MMS信息传输中使用WAP协议，需要一个网关连接MMSC和无线网络。为了使运营商能够应付逐渐上升的MMS流量，MMS传输可使用专门的WAP网关。
数据库服务器：数据库使用户和运营商能够有效提供、控制和管理增值服务。数据库服务器应具备较高的运行速度，并且有经过优化的快速网络设备来读取数据请求，保证MMS各个网络元素能够平等的共享用户的数据库信息。
增值服务(V AS)：包括多媒体终端网关、多媒体电子邮件网关、信息传递网关和多媒体语音网关等。
MMS彩信业务是封装在WAP协议之上的高层应用程序。在使用WAP协议，MMS体系结构图如下[10]。
图2-3 MMS体系结构图
MMS彩信的业务流程是：首先，发起客户端向其最近的多媒体消息中心发送彩信请求，并接收到MMSC的回复：然后该MMSC将此MMS 信息转发到目标客户所在的MMSC；目标MMSC向目标用户发送有彩信
的通知，目标客户回复接收到信息：在这之后可能有个时间延迟，然后目标客户就向其所在的MMSC发送请求下载彩信：目标MMSC向该用户发送彩信：当接收完毕后，目标客户发送接收到信息给其所在的MMSC；该MMSC将此信息转发到源客户所在的MMSC，然后源客户的MMSC通知用户其发送的彩信己经被阅读。至此，整个彩信发送过程结束[11]。
2.4本章小结
本章给出了系统的总体设计方案和开发环境，详细介绍了系统设计的总体任务及方案，给出了本设计所要实现的功能，系统执行的步骤，及该设计的特点。结合设计方案，介绍了本设计用到的技术知识。主要包括：GPRS和MMS。在介绍背景技术时，针对其在本设计中的应用进行相关讨论，分析了选用此项技术的原因、优点，同时为下文实现该项技术做了技术铺垫和准备。
第3章系统硬件设计
数据图象传输系统包括硬件和软件两部分，硬件主要是ARM微控制器LPC2210外围电路的设计，包括图像采集模块、存储器、GPRS模块、电源、时钟、复位等。基于GPRS的远程监控系统的总体结构框架如图
3-1所示。
图像采集模块电源模
块MMS处
理模块
LPC2210
发送端
模块
电源电源
接收端
手机
模块
用户
无线
网络
电源
图3-1 系统硬件结构框图
图像模块的主要功能是实现图像采集、图像压缩；ARM处理模块进行彩信封装和控制任务；发送端手机模块用来发送彩信；接收端手机模块用来接收彩信；当系统监控下的环境出现异常情况时，图像经过压缩处理，通过标准串口UART，把图像传给ARM处理器模块，进行MMS封装，封装格式完全符合MMS CLIENT端协议，并调用彩信的AT指令发送函数通过标准串口UART发送到GPRS手机模块，最后利用无线网络发送给目标终端手机模块。
3.1ARM微控制器
3.1.1ARM体系结构简介
在掌上型电子产品的硬件平台中，最重要的部件主要是微处理器（MPU：Micro Process Unit）。微处理器是一个小型的CPU，其上集成了相应的寄存器和程序指令集，用户可以通过MPU来完成嵌入式系统中的程序执行和运算功能。目前，在移动终端领域，获得广泛应用的主要是ARM公司所推出的ARM7系列微处理器。
ARM是一种通用的32位精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)高性能处理器，集成了非常典型的RISC结构特性，具有结构简单、内核小、功耗低和性能高的特点。RISC是与复杂指令集计算机(Complex Instruction Set Computer，CISC)相对应的一种指令集。随着信息技术的发展，CISC引入了很多复杂指令，导致处理器的结构越来越复杂。1979年美国加州大学伯克利分校David Patterson教授研究发现，一个典型的运算过程大概有20%的指令被反复使用并完成80%的功能，而另外80%的指令却很少使用，他据此研究结果提出RISC的概念并研制了RISC I型机和RISC II型机[12]。RISC与CISC的主要特征对比如表3-1所示。
表3-1 RISC与CISC特征对比
比较内容CISC RISC
指令系统复杂简单
指令数目大于200 小于100
指令格式大于4 小于4
寻址方式大于4 小于4
指令字长不固定等长
程序长度较短较长
软件开发时间较短较长
指令使用频率相差比较大相差不大
可访存指令不加限制仅LOAD/STORE指
令
指令执行时间相差很大绝大多数在一个周期
内完成由表知，与CISC相比，RISC的软件开发难度大，但由于指令数目少，指令的平均执行周期缩短，提高了计算机的工作主频；大量使用通用寄存器，大大提高了程序执行的速度。业界普遍认为，RISC是计算机体系结构发展的一个重要里程碑。
3.1.2ARM7TDMI概述
ARM7TDMI处理器是ARM通用32位微处理器家族的成员之一，使用逻辑门的数量少，因此内核小，功耗低，最适用于对价位和功耗敏感的消费类应用。TDMI的含义如下：
T：16位压缩指令集Thumb，它代码尺寸小，执行效率高。
D：Debug，支持JTAG形式的片上Debug。M：Multiplier，乘法器。
I：Embedded ICE，支持支持片上断点和调试点。
ARM7TDMI使用3级流水线技术，指令的执行分为取指、译码和执行3个阶段[13]。这三个阶段同时进行，并使处理器和存储器系统连续操作，能提供0.9MIPS/MHz的指令执行速度，操作过程如图3-2所示。
取指译码执行
取指译码执行
取指译码执行指令时间
图3-2 ARMTDMI 3级流水线操作图
ARM7微处理器系列是英国ARM公司所推出的16/32位嵌入式RISC （精简指令集）微处理器解决方案。这是一套具有高性能、低费用、高效率的RISC处理器，并且经过特殊优化以适应于嵌入式系统的开发环境。由于ARM 7系列处理器的优良性能，国外大多数移动终端芯片生产商的硬件平台解决方案都是基于ARM7微处理器系列的体系结构所设计的[14]。本文的硬件平台中所用的就是ARM7微处理器系列中的ARM7TDMI-S开放平台处理内核。
ARM7TDMI-S是通用的32位微处理器，它具有高性能和低功耗的特性。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。
由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。
ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。
在THUMB后面一个关键的概念是“超精简指令集”。基本上ARM7TDMI-S处理器具有两个指令集：标准32位ARM指令集和16位THUMB指令集。
THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是使用16位寄
存器的16位处理器所不具备的。因为THUMB代码和ARM代码一样，在相同的32位寄存器上进行操作。THUMB代码仅为ARM代码规模的65%，但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160%[15]。
同时，ARM 7微处理器采用的是独立的内存装载/存储指令体系，即指令体系中只有相应的装载/存储指令可以访问系统中的内存，而数据处理指令只能访问寄存器。
以下从处理器模式定义、寄存器定义和指令集定义等三方面来具体介绍ARM 7微处理器：
a．ARM7微处理器模式定义
ARM 7微处理器中，共支持以下七种处理器模式：
●用户模式(User)
●快速中断请求模式(FIQ：Fast Interrupt Request)
●中断请求模式(IRQ：Interrupt Request)
●超级用户模式(Supervisor)
●丢弃模式(Abort)
●未定义模式(Undefined)
●系统模式(System)
在一般情况下，应用程序都将运行在用户模式下。其他几种模式将用于一些处理器异常(Exception)状况下，或用于测试以及其他的一些目的。
b．ARM7寄存器定义
ARM 7微处理器中共定义了37个寄存器，每个寄存器的长度均为32位。根据不同的用途，可将其划分为以下几类：
（1）30个通用寄存器
在任意一种处理器模式下，只有15个通用寄存器可以使用，编号分别为r0，…，r14。其中，r13作为堆栈指针寄存器(SP：Stack Pointer)。该寄存器将由ARM编译器自动使用。r14作为链接寄存器(LR：Link Register)。当系统中发生一个子程序调用时，ARM将用r14来记录返回地址。如果返回地址已经保存在堆栈中，则该寄存器也可以用于其它方面。
（2）程序指针（PC：Program Counter）
PC即为r15，用于记录程序当前的运行地址。ARM处理器每执行一条指令，都会把PC增加4字节。此外，相应的分支指令（如BL等）也会改变PC的值。
（3）当前处理器状态寄存器（SPSR：Saved Program Status Resister）SPSR寄存器主要是在处理器异常发生时，用来保存CPSR（Current Program Status Resister）。每一种处理器模式下将使用一个SPSR来保存CPSR，而用户模式和系统模式下不需要SPSR，因为该模式下不会发生异常[19]。
c．ARM7指令集定义
所有ARM指令集长度均为32位，并且将按照字边界进行存储。ARM指令集可以分为以下几类：
（1）分支指令集
分支指令集用于改变程序的执行位置，可用于程序的跳转或循环中。
（2）数据处理指令集
数据处理指令集将用于一般的数据处理中。该指令只能访问寄存器，而不能访问系统中的内存。
（3）状态寄存器访问指令集
此指令集用于访问CPSR或SPSR寄存器。
（4）装载/存储指令集
此指令集用于把内存中的某个字（2字节）或多个装入到一个或多个寄存器中，或者反之，将这些寄存器的值存储到内存某个位置中。
（5）处理器指令集
用于对ARM体系的扩展中[16]。
3.1.3LPC2210概述
LPC2210是一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI-STM CPU。在对代码规模有严格控制的应用场合可使用16位Thumb模式，该模式可将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。LPC2210为144脚LQFP封装，功耗极低，具有多个可配置的32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个外部中断，特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机(POS)等场合。通过总线配置，LPC2210最多可提供76个GPIO。LPC2210内置2个串行通信接口，也适合于数据传输、通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。LPC2210的主要特性如下：
●16/32位ARM7TDMI-S核。
●16 KB片内静态RAM。
●通过UART0来实现在系统下载和编程的串行boot装载程序。
●可通过Embedded ICE-RT和嵌入式跟踪接口，使用片内的Real
Monitor软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。
●8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44μs。
●2个32位定时器、6路PWM输出、实时时钟(Real-Time Clock，RTC)
和看门狗。
●多个串口，包括2个符合16C550工业标准的通用异步收发传输器
（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART）、高速I2C接口(400Kbps)和2个串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，SPI)接
口。
●向量中断控制器(Vector Interrupt Controller，VIC)。通过VIC可配置
各功能部件的优先级和向量地址。
●通过外部存储器接口(External Memory Interface，EMC)可将存储器配
置成4组，每组的容量高达16Mb，数据宽度可为8/16/32位。
●多达76个GPIO(可承受5V电压)，9个边沿或电平触发的外部中断
引脚。
●通过片内锁相环(PLL)可实现最大为60MHz的CPU操作频率。
●片内晶振频率范围：1～30 MHz。
●2个低功耗模式：空闲和掉电。
●双电源
－CPU操作电压范围：1.65～1.95 V(1.8 V±0.15 V)
－I/O操作电压范围：3.0～3.6 V(3.3 V±10%)，可承受5V电压。
3.2入侵检测模块
探测器主要由光学系统、热释电红外传感器、信号处理和报警电路等几部分组成。其结构框图如图3-3所示。图中，菲涅尔透镜可以将人体辐射的红外线聚焦到热释电红外探测元上，同时也产生交替变化的红外辐射高灵敏区和盲区，以适应热释电探测元要求信号不断变化的特性；热释电红外传感器是报警器设计中的核心器件，它可以把人体的红外信号转换为电信号以供信号处理部分使用；信号处理主要是把传感器输出的微弱电信号进行放大、滤波、延迟、比较，为报警功能的实现打下基础。本系统采用被动式红外探测器，所谓“被动”是指探测器本身不发出任何形式的能量，只是靠接收自然界能量或能量变化来完成探测目的。被动红外报警器的特点是能够响应入侵者在所防范区域内移动时所引起的红外辐射变化，并能使监控报警器产生报警信号，从而完成报警功能。
待定目标
光学系统
（菲涅尔透镜）
热释电红外
传感器
信号处理报警电路
图3-3 探测器工作流程
3.2.1被动式热释电红外探头工作原理
热释电传感器利用的是热释电效应，是一种温度敏感传感器。它由陶瓷氧化物或压电晶体做成电极，当传感器监测范围内温度有ΔT的变化时，热释电效应会在两个电极上产生电荷ΔQ，即在两电极之间产生一微