文物監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(參考示范)

1、文物監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計引言文物作為一個國家、 一個民族文明程度的有效載體， 代表著這個國家 的歷史和底蘊， 顯示著這個民族的淵源和風(fēng)采。 文物古跡是祖先給我們留 下的寶貴遺產(chǎn)，也是人類生存環(huán)境的重要組成部分 , 具有歷史、藝術(shù)、科 學(xué)價值和不可再生性 , 保護文物關(guān)系到國家和民族利益，也關(guān)系到廣大公 眾的個人利益。隨著科學(xué)技術(shù)日新月異的發(fā)展， 一些利益熏心的不法分子開始向文物 伸出了黑手， 他們的作案設(shè)備越來越先進， 作案手段越來越高明。 面對文 物的損失和流失，文物安全防范系統(tǒng)應(yīng)該積極采取措施， 做到防患于未然。 不過目前國內(nèi)絕大部分館藏文物以及遺址、 陵墓類文物保存環(huán)境的監(jiān)測手 段還是通過半

2、人工測量監(jiān)測的方法實現(xiàn)的， 所以要提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能還 存在相當(dāng)大的困難。文物安全防范系統(tǒng)應(yīng)具備防入侵、 盜竊、搶劫、破壞及延遲犯罪行為 等功能。要為打擊刑事犯罪創(chuàng)造條件，起到提前預(yù)警、爭取處警時間；延 緩非法活動、縮小被破壞范圍；及事后追溯、查證的作用。盡可能將入侵 行為控制在防護目標之外或限制在最小范圍內(nèi)。本監(jiān)控系統(tǒng)采用低功耗、 小體積的傳感器節(jié)點， 以有線通訊方式和主 控系統(tǒng)組成一個網(wǎng)絡(luò)。 綜合了傳感器技術(shù)、 嵌入式技術(shù)、 分布式信息處理 技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。 這些分散的傳感器節(jié)點能夠協(xié)作地實施監(jiān)測、 感知 和采集各種環(huán)境對象的信息， 并將信息發(fā)送給用戶， 供用戶進行分析、 處 理或者通

3、過主控系統(tǒng)將信息發(fā)送給遠方的觀測者。 并通過對信號的頻譜分 析來區(qū)分是否為破壞文物的行為。 因此，將本系統(tǒng)應(yīng)用于文物保護， 既可 以解決目前半人工監(jiān)測帶來的諸多不便，同時在使用方面又有著低功耗、 易于安裝和配置、維護費用低、造價小、容量大等眾多優(yōu)點，將為使用者 提供極大的方便，并能很大程度上節(jié)省資源，降低成本，提高效率。背景技術(shù)隨著電子技術(shù)及通信技術(shù)的發(fā)展， 監(jiān)測設(shè)備在安全監(jiān)控、 社會生產(chǎn)及 生活領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛， 監(jiān)測儀器的種類越來越多、 接口類型越來越 復(fù)雜，現(xiàn)有檢測儀器設(shè)備落后，費用高，監(jiān)測復(fù)雜且耗時長。本項目通過 埋在監(jiān)測位置地下的基于電流環(huán)的微震動感知單元采集單元附近區(qū)域的 震動

4、信息，由專用微信號處理硬件和軟件分析后得到震動感知單元附近區(qū) 域的震動并輸出相應(yīng)電信號波形信息， 通過現(xiàn)場工業(yè)控制計算機進行波形 分析和解析， 并推理出信號波形的振動模式為人員移動模式、 車輛移動模 式、洛陽鏟模式、爆炸模式等，并通過傳輸通道上報文管所。其中涉及到 網(wǎng)絡(luò)串口數(shù)據(jù)通信、 數(shù)據(jù)參數(shù)采集及配置、 信號波形分析等知識點。 在監(jiān) 控系統(tǒng)終端提供了一種基于 Android 平臺的手持終端設(shè)備，以提高監(jiān)測、 評估的效率、可靠性、靈活性、智能性。該設(shè)備使用 Wi-Fi 無線通信技術(shù) 來獲取前端數(shù)據(jù)， 對數(shù)據(jù)信息進行控制和處理， 并在此基礎(chǔ)上進一步完善 智能監(jiān)測、 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)， 建立與智能技術(shù)相

5、結(jié)合的文物監(jiān)控。 此終端設(shè)備 高速、可靠、便于攜帶，最終實現(xiàn)文物監(jiān)控的現(xiàn)代化管。硬件設(shè)計1. 硬件設(shè)備：傳感器設(shè)備， PCI 數(shù)據(jù)采集卡，基于 Andriod 平臺手持終端設(shè)備2. 硬件原理圖 :手持終端設(shè)備 視頻采集設(shè)備傳CPU輸 線調(diào)理電路檢波器纜數(shù)據(jù)采集卡傳送到 控制中 心音頻采集設(shè)備圖 1 硬件原理圖控制中心控制中心硬件主要是由工業(yè)控制計算機和信號采集卡組成。 工業(yè)控制 計算機通過對數(shù)據(jù)采集卡 PCI-1713 的控制來實時的獲取現(xiàn)場信號，并對 所采集的信號進行二次處理， 來區(qū)分行人、 自行車、汽車等正常信號和文 物盜竊者所使用的洛陽鏟、 探鏟、撬鏟等作案工具信號的不同， 控制中心 進

6、行判斷并對異常信號進行報警。本方案的控制計算機采用 APOLLO150L寬T 溫加固式便攜機， CPU采用 IntelCeleron 、內(nèi)存/ 硬盤為 SDRAMDDR/EIDESC、S黑I 色 1.44MB黑色筆記 本光驅(qū)、具有 2 個 USB2.0接口、 2 個串行口、 1 個并口、可拆卸的 105 鍵鍵盤、配有鼠標、顯示器為 15.0 分辨率為 1024768 的高亮度、寬 視角 450 流明高亮度 LCD、電源為 AC220V15%1U200W或者 250WAT、X工 作溫度在 2560、工作相對濕度 20 90。全金屬外殼，高強度 鋁合金結(jié)構(gòu)， 機箱四角獨特的防震動橡膠墊， 機箱內(nèi)部

7、軟驅(qū)、 硬盤減震橡 膠圈更適合在不同惡劣環(huán)境條件下使用。 內(nèi)部 8個全長卡的空間， 能最大 限度地滿足對空間擴展的需求。 可以在任何惡劣環(huán)境下安全高效完成您所 需的移動測控任務(wù)。數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)是在硬件板卡 / 遠程采集模塊的基礎(chǔ)上借助軟件 來控制整個系統(tǒng)的工作，包括采集原始數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、給出結(jié)果等本方案的信號采集卡采用 PCI 數(shù)據(jù)采集卡 PCI-1713，其主要參數(shù)如 下： 32路單端或 16 路差分模擬量輸入，或組合輸入方式12位 A/D轉(zhuǎn)換分辨率 A/D 轉(zhuǎn)換器的采樣速率可達 100KS/s卡上 4096 采樣 FIFO緩沖器 2,500VDC隔離保護每個輸入通道的增益可編程 支持

8、軟件、內(nèi)部定時器觸發(fā)或外部觸發(fā)采樣模式監(jiān)測點監(jiān)測點主要由檢波器、 調(diào)理電路、 視頻采集設(shè)備和音頻采集設(shè)備等部 分組成。組成框圖如下： 檢波器把物理量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏浚?通過調(diào)理電路對電信號 進行放大、變換、濾波等處理，視頻和音頻采集設(shè)備對現(xiàn)場狀況進行監(jiān)控， 便于控制中心做出更好的判斷。本方案采用河北賽賽爾俊峰物探裝備有限公司的 SG-10 檢波器， 其主要參數(shù)如下：失真度 0.075%(0 15)假頻(Hz) 240自然頻率 (Hz)10 2.5%(0 15)開路阻尼 0.68 5%阻尼常數(shù) ( Hz)4925靈敏度 (V/m/sec)22.8 2.5%線圈電阻 ( )350懸體質(zhì)量 (g)8.4(

9、0.29oz)線圈最大位移 (mm)1.78(0.07in)p-p直徑 (mm)27.4(1.08in)長度 (mm)30.15(1.19in)質(zhì)量 (g)78(2.74oz)工作溫度 -40 90調(diào)理電路所采用精密儀用放大器 INA114 該系統(tǒng)調(diào)理電路中采用外接滑動變阻器的前置放大器INA114，將信號增益值在 110000 之間任意放大，益于信號波形的觀察及分析處理。INA114 是一種通用儀用放大器，尺寸小精度高價格低廉可用于電橋熱電偶數(shù)據(jù)采集 RTD傳感器和醫(yī)療器等。 INA114 只需一個外部電阻就可 以設(shè)置 1至 10000之間任意增益值，內(nèi)部輸入保護能夠長期受 40V，失 調(diào)電

10、壓低（ 50uA）, 漂移?。?.25uA/ ），共模抑制比高（G=1000是為 50dB）， 用激光進行調(diào)整，可以在 2.25V 的電壓下工作，使用電池或 5V 單電源 系統(tǒng)，靜態(tài)電流最大為 3mA。INA114采用 8 引腳塑料封裝或 SQL-16表面 封裝貼件，使用溫度為 -40 +80。INA114 的主要電氣參數(shù)：電源電壓： 18V輸入電壓范圍 : 40V工作溫度： 40 125存儲溫度： 40 125節(jié)點溫度： 150引腳溫度 （軟焊， 10s） ： 300INA114 精密儀用放大器精度高、增益范圍大、性能優(yōu)良、價格低廉 非常適合于精密儀器的使用。3）A1205S-1W電源模塊該

11、電源模塊用于將 12V電壓轉(zhuǎn)換成前置放大器所需要的 5V 電壓。雙 輸出 DC/DC電源模塊適應(yīng)于輸入電壓比較穩(wěn)定， 輸出電壓要求不高的小信 號隔離和直流電壓變換等電路，如單片機供電、初級運放電路、AD與 DA轉(zhuǎn)換器等數(shù)字電路或要求不高的模擬電路。 其工作溫度：40 85； 輸出額定功率：12W（可根據(jù)用戶需要調(diào)節(jié) ） ：定電壓輸入：（5V,12V,24V） ；非穩(wěn)壓輸出： ( 5V,12V,15V)此電源性能穩(wěn)定，可靠性高。Android 手持終端設(shè)備Android 要求系統(tǒng) CPU至少為 ARM9200MH才z能運行 DalvikJava 虛擬 機，該手持終端的設(shè)計選擇 Samsung公司

12、的 ARM11S3C641嵌0 入式處理器 為核心，其主頻為 533MHz/667MH，z 最高達 800MHz。S3C6410 是基于 16/32-bitRISC 內(nèi)核的低成本、低功耗、高性能微處理器解決方案，采用 64/32-bit 內(nèi)部總線架構(gòu)， 內(nèi)部集成多個功能強大的硬件加速器。 S3C6410 的外部存儲器接口能力極佳，能夠滿足 Andriod 應(yīng)用程序的開發(fā)需求。文物監(jiān)測系統(tǒng)中，終端要完成接收數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)等功能。其硬件設(shè)計以 S3C6410 嵌入式處理器為核心，結(jié)合 Wi-Fi操作日志短距離無線通信操模作日塊志，再輔數(shù)以據(jù)顯通示信應(yīng)程數(shù)據(jù)的 LCD顯示屏，以及

13、 USB接口用以實現(xiàn)其他功能需求。存儲單元為應(yīng)用程序框架系統(tǒng)界面1.2 軟件設(shè)計SDRAM和 FLASH。 歷史數(shù)據(jù)查詢軟件系統(tǒng)采用 WindowsAXPPI作為操作系統(tǒng)平臺，符合用戶的操作習(xí)慣應(yīng)用微軟公司的開發(fā)工具 VisualStudio2005 在串口通信和數(shù)據(jù)采集編程的基礎(chǔ)上進行設(shè)計開發(fā)。W系ind統(tǒng)ow手s系 X持統(tǒng)P平終臺端設(shè)備采用基于Android 操作平臺，串口通信模塊在 Eclipse 環(huán)境下利用 java 語言編程 鍵盤鼠標輸入設(shè)備 外部存儲設(shè)備1. 系統(tǒng)界面文物監(jiān)測系統(tǒng)控制中心的設(shè)計中， 為保證操作簡單且能夠方便直觀地讀取數(shù)據(jù)，良好的人機界面設(shè)計是必不可少的。 該終端的應(yīng)

14、用程序界面設(shè) 計中采用對功能菜單的分類來分別設(shè)計相應(yīng)的界面。 該監(jiān)測系統(tǒng)中， 終端 應(yīng)用程序要實現(xiàn)的主要界面有： 登陸主界面，主功能選擇菜單， 下屬子菜 單，數(shù)據(jù)顯示界面四大部分，實現(xiàn)該系統(tǒng)操作界面的具體步驟如下：打開 Android 項目里的 reslayout 目錄，用 xml 語言來編輯設(shè)計程序界面。首先確定界面的布 局，嵌套 ViewGroup 的 LinearLayout 和 RelativeLayou 進行布局，調(diào)整 android:layout_width 、android:layout_height 、android:background 、 android:padding 、

15、android:orientation 、 android:gravity 等參數(shù)值， 以達到滿意的整體布局效果。然后在 ViewGroup 布局中添加 View 控件： textview 、 button ， 根 據(jù) 實 際 需 要 調(diào) 整 各 控 件 的 android:id 、 android:layout_height 、 android:layout_width 、 android:text 、 android:textSize 等參數(shù)值。通過調(diào)整布局排列，控件位置，字體大小， 最終完成對 Android 應(yīng)用程序 UI 的布局。2數(shù)據(jù)采集卡編程模塊 對數(shù)據(jù)采集板卡的進行編程使用的方

16、式主要有以下三種： 軟件觸發(fā)方 式，中斷方式， DMA方式。軟件方式：實際上就是采用系統(tǒng)提供的時鐘在毫秒級的精確等級上， 通過對寄存器的查詢來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集， 由于其采集速度比較慢， 因此多用 于低速數(shù)據(jù)采集場合。中斷傳輸方式：使用中斷傳輸方式，你需要編寫中斷服務(wù)程序 （ISR）， 將板卡上的數(shù)據(jù)傳輸?shù)筋A(yù)先定義好的內(nèi)存變量中，每次 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束后，EOC信號都會產(chǎn)生一個硬件中斷，然后由中斷服務(wù)程序 (ISR) 完成數(shù)據(jù)傳 輸。在使用中斷傳輸方式時，必須制定中斷級別。DMA數(shù)據(jù)傳輸方式：盡管應(yīng)用比較復(fù)雜，但由于不需要CPU的參與DMA(DirectMemoryAccess)方式特別適合應(yīng)用于大

17、量數(shù)據(jù)的高速采集。同 中斷方式一樣， 在使用 DMA方式傳輸方式時必須指定 DMA級別，需要對板 卡上的 DMA控制寄存器操作，并且對 Intel8237DMA 控制其進行操作，因 此，強烈建議您使用驅(qū)動來實現(xiàn)這種方式。應(yīng)用 DMA數(shù)據(jù)傳輸方式實現(xiàn)采集卡編程的運行界面如下圖所說示：圖 4 運行界面3. 數(shù)據(jù)通信串口通信模塊串口通信編程思想串口通信協(xié)議串口通信程序中為什么要編制通信協(xié)議呢？為什么要進行數(shù)據(jù)處 理？回答： 為了按規(guī)定格式發(fā)送用戶所需要數(shù)據(jù)， 并且從接收到的數(shù)據(jù)中 提取出所需的信息。用戶層的通信協(xié)議的編制必須遵循的基本原則：數(shù)據(jù)包必須有包頭：包頭是供接收方判斷一個數(shù)據(jù)包開始傳輸?shù)闹?

18、要標志，接收方從接受到得數(shù)據(jù)中判斷接收到了包頭， 就認為接受的數(shù)據(jù) 已經(jīng)開始，真正的數(shù)據(jù)信息馬上就會到達。 包頭字符必須有別于數(shù)據(jù)信息， 這種特征是數(shù)據(jù)包中其他數(shù)據(jù)沒有的，否則就會引起混亂。非定長數(shù)據(jù)包必須有包尾。 所謂非定長，是指沒有指明數(shù)據(jù)報的長 度。對于非定長的數(shù)據(jù)包， 接受方只能根據(jù)包尾標志判斷數(shù)據(jù)包是否結(jié)束。 同包頭一樣， 包尾字符也應(yīng)該是有別于數(shù)據(jù)信息， 這種特征是數(shù)據(jù)包中其 它數(shù)據(jù)沒有的，否則也會引起混亂。定長數(shù)據(jù)包應(yīng)該指明長度。 對于長度不變的數(shù)據(jù)包， 數(shù)據(jù)長度可以 事先約定，也可以在數(shù)據(jù)包中的約定位置定義；對于長度可變的數(shù)據(jù)包， 則必須每次在數(shù)據(jù)包中的指定位置說明。一般應(yīng)該對

19、數(shù)據(jù)進行校驗。 串口通信底層協(xié)議已經(jīng)設(shè)置了奇偶校驗方式，在用戶層加入校驗， 可以對數(shù)據(jù)進行進一步的排錯， 更好的保證數(shù) 據(jù)的正確性，因為在重要的場合，數(shù)據(jù)出錯可能引發(fā)嚴重的后果。Wi-Fi 模塊Wi-Fi 全稱 WirelessFidelity ，又稱 802.11b 標準，它的最大優(yōu)點是 傳輸速度較高，可以達到 1Mbps；另外它的有效距離也很長，同時也與已 有的各種 802.11DSSS設(shè)備兼容。 Wi-Fi 是一個無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的品牌， 由 Wi-Fi 聯(lián)盟擁有。以下是 Wi-Fi 的類和接口，實現(xiàn)一些常見的操作：ScanResult主要用來描述已檢測出的接入點， 包括接入點的地址、

20、接入點的名稱、 身份認證、頻率、信號強度等信息。WifiConfigurationWiFi 網(wǎng)絡(luò)的配置，包括安全配置等。WiFiInfoWiFi 無線連接的描述，包括接入點、網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)、隱藏的接入點、IP 地址、連接速度、 MAC地址、網(wǎng)絡(luò) ID 、信號強度等信息。WiFiManager提供了管理 WiFi 連接的大部分 API，它主要包括以下內(nèi)容： 已經(jīng)配置好的網(wǎng)絡(luò)的清單。 這個清單可以查看和修改， 而且可以修 改個別記錄的屬性。當(dāng)活動中有活動的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)時，可以建立或者關(guān)閉這個鏈接， 而 且可以查詢有關(guān)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的動態(tài)信息。對接入點的掃描結(jié)果包含足夠的信息來解決需要與什么接入點建

21、立連接。還定義了許多常量來表示 Wi-Fi 狀態(tài)的改變。由于 Wi-Fi 的頻段在世界范圍內(nèi)是無需任何電信運營執(zhí)照的免費頻 段，因此 WLAN無限設(shè)備提供了一個世界范圍內(nèi)可用的、費用極其低廉且 數(shù)據(jù)帶寬極高的無線空中接口。 用戶可以在 Wi-Fi 覆蓋區(qū)域內(nèi)快速瀏覽網(wǎng) 頁，隨時隨地的接聽、 撥打電話。由于 Wi-Fi 在國內(nèi)覆蓋范圍越來越廣泛， 所以無論我們身處何地都可以盡情的使用我們的掌上設(shè)備， 方便快捷的網(wǎng) 上沖浪了。（3）Socket 編程模塊Socket 網(wǎng)絡(luò)編程有兩種主要的操作方式：面向連接的和無連接的。 面向連接的 Socket（TCP 協(xié)議） 操作就像一部電話，必須建立一個連接和

22、呼 叫。所有的命令到達時的順序與它們出發(fā)時的順序是一樣的 , 它的可靠性 比較強但是效率相對無連接的較低。 無連接的 Socket（UDP協(xié)議 ）操作就像 是一個郵件投遞， 沒有什么保證， 多個郵件到達時的順序可能與出發(fā)時的 順序不一樣，此操作是快速的高效的，但是數(shù)據(jù)安全性不佳。創(chuàng)建服務(wù)器（中繼器端）的步驟：1）指定端口實例化一個 Serversocket ；2）調(diào)用 Serversocket 的 accept（） 以在等待連接期間造成阻塞；3）獲取位于該底層 Socket 的流以進行讀寫操作；將數(shù)據(jù)封裝成流；對 Socket 進行讀寫；關(guān)閉打開的流。創(chuàng)建客戶端(手持終端)的步驟：1)通過 IP 地址和端口號實例化 Socket 請求連接服務(wù)器；2) 獲取 Socket 上的流以進行讀寫；把流包裝進 Buffe