文物监控系统方案设计(参考示范)

文物监控系统方案设计
1.1 引言
文物作为一个国家、一个民族文明程度的有效载体，代表着这个国家的历史和底蕴，显示着这个民族的渊源和风采。

文物古迹是祖先给我们留下的宝贵遗产，也是人类生存环境的重要组成部分, 具有历史、艺术、科学价值和不可再生性, 保护文物关系到国家和民族利益，也关系到广大公众的个人利益。

随着科学技术日新月异的发展，一些利益熏心的不法分子开始向文物伸出了黑手，他们的作案设备越来越先进，作案手段越来越高明。

面对文物的损失和流失，文物安全防范系统应该积极采取措施，做到防患于未然。

不过目前国内绝大部分馆藏文物以及遗址、陵墓类文物保存环境的监测手段还是通过半人工测量监测的方法实现的，所以要提高监控系统的性能还存在相当大的困难。

文物安全防范系统应具备防入侵、盗窃、抢劫、破坏及延迟犯罪行为等功能。

要为打击刑事犯罪创造条件，起到提前预警、争取处警时间；延缓非法活动、缩小被破坏范围；及事后追溯、查证的作用。

尽可能将入侵行为控制在防护目标之外或限制在最小范围内。

本监控系统采用低功耗、小体积的传感器节点，以有线通讯方式和主控系统组成一个网络。

综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和网络通信技术。

这些分散的传感器节点能够协作地实施监测、感知和采集各种环境对象的信息，并将信息发送给用户，供用户进行分析、处理或者通过主控系统将信息发送给远方的观测者。

并通过对信号的频谱分析来区分是否为破坏文物
的行为。

因此，将本系统应用于文物保护，既可以解决目前半人工监测带来的
诸多不便，同时在使用方面又有着低功耗、易于安装和配置、维护费用低、造价小、容量大等众多优点，将为使用者提供极大的方便，并能很大程度上节省资源，降低成本，提高效率。

1.2 背景技术
随着电子技术及通信技术的发展，监测设备在安全监控、社会生产及生活领域的应用越来越广泛，监测仪器的种类越来越多、接口类型越来越复杂，现有检测仪器设备落后，费用高，监测复杂且耗时长。

本项目通过埋在监测位置地下的基于电流环的微震动感知单元采集单元附近区域的震动信息，由专用微信号处理硬件和软件分析后得到震动感知单元附近区域的震动并输出相应电信号波形信息，通过现场工业控制计算机进行波形分析和解析，并推理出信号波形的振动模式为人员移动模式、车辆移动模式、洛阳铲模式、爆炸模式等，并通过传输通道上报文管所。

其中涉及到网络串口数据通信、数据参数采集及配置、信号波形分析等知识点。

在监控系统终端提供了一种基于Android 平台的手持终端设备，以提高监测、评估的效率、可靠性、灵活性、智能性。

该设备使用Wi-Fi 无线通信技术来获取前端数据，对数据信息进行控制和处理，并在此基础上进一步完善智能监测、数据库系统，建立与智能技术相结合的文物监控。

此终端设
备高速、可靠、便于携带，最终实现文物监控的现代化管。

1.3 硬件设计
1. 硬件设备：
传感器设备，PCI 数据采集卡，基于Andriod 平台手持终端设备
2. 硬件原理图:
手持终端设备视频采集设备
传
图1 硬件原理图
(1) 控制中心
控制中心硬件主要是由工业控制计算机和信号采集卡组成。

工业控制计算机通过对数据采集卡PCI-1713 的控制来实时的获取现场信号，并对所采集的信号进行二次处理，来区分行人、自行车、汽车等正常信号和文物盗窃者所使用的洛阳铲、探铲、撬铲等作案工具信号的不同，控制中心进行判断并对异常信号进行报警。

本方案的控制计算机采用APOLLO150L宽T 温加固式便携机，CPU采用IntelCeleron 、内存/ 硬盘为SDRAMDDR/EIDESC、S黑I 色1.44MB黑色笔记本光驱、具有2 个USB2.0接口、2 个串行口、1 个并口、可拆卸的105 键键盘、配有鼠标、显示器为15.0 ″分辨率为1024×768 的高亮度、宽视角450 流明高亮度LCD、电源为AC220V±15%1U200W或者250WAT、X工作温度在﹣25℃～60℃、工作相对湿度20～90％。

全金属外壳，高强度铝合金结构，机箱四角独特的防震动橡胶垫，机箱内部软驱、硬盘减震橡胶圈更适合在不同恶劣环境条件下使用。

内部8个全长卡的空间，能最大限度地满足对空间扩展
的需求。

可以在任何恶劣环境下安全高效完成您所需的移动测控任务。

数据采集与控制系统是在硬件板卡/ 远程采集模块的基础上借助软件来控制整个系统的工作，包括采集原始数据、分析数据、给出结果等
本方案的信号采集卡采用PCI 数据采集卡PCI-1713，其主要参数如下：· 32路单端或16 路差分模拟量输入，或组合输入方式
·12位A/D转换分辨率
· A/D 转换器的采样速率可达100KS/s
·卡上4096 采样FIFO缓冲器
· 2,500VDC隔离保护
·每个输入通道的增益可编程·支持软件、内部定时器触发或外部触发采样模式
(2) 监测点
监测点主要由检波器、调理电路、视频采集设备和音频采集设备等部分组成。

组成框图如下：检波器把物理量转变为电量，通过调理电路对电信号进行放大、变换、滤波等处理，视频和音频采集设备对现场状况进行监控，便于控制中心做出更好的判断。

1) 本方案采用河北赛赛尔俊峰物探装备有限公司的SG-10 检波器，其主要参数如下：
·失真度≤0.075%(0°～15°)
·假频(Hz) ≥240
·自然频率(Hz)10 ± 2.5%(0°～15°)
·开路阻尼0.68 ±5%
·阻尼常数( ΩHz)4925
·灵敏度(V/m/sec)22.8 ± 2.5%
·线圈电阻( Ω)350
·悬体质量(g)8.4(0.29oz)
·线圈最大位移(mm)1.78(0.07in)p-p
·直径(mm)27.4(1.08in)
·长度(mm)30.15(1.19in)
·质量(g)78(2.74oz)
·工作温度-40℃～90℃
2) 调理电路所采用
精密仪用放大器INA114 该系统调理电路中采用外接滑动变阻器的前置放大器INA114，将信号增益值在1～10000 之间任意放大，益于信号波形的观察及分析处理。

INA114 是一种通用仪用放大器，尺寸小精度高价格低廉可用于电桥
热电偶数据采集RTD传感器和医疗器等。

INA114 只需一个外部电阻就可以设置1至10000之间任意增益值，内部输入保护能够长期受± 40V，失调电压低（50uA）, 漂移小（0.25uA/ ℃），共模抑制比高（G=1000是为50dB），用激光进行调整，可以在± 2.25V 的电压下工作，使用电池或5V 单电源系统，静态电流最大为3mA。

INA114采用8 引脚塑料封装或SQL-16表面封装贴件，
使用温度为-40 ℃～+80℃。

INA114 的主要电气参数：
电源电压：± 18V
输入电压范围: ± 40V
工作温度：－40℃～＋125℃
存储温度：－40℃～＋125℃
节点温度：＋150℃
引脚温度（软焊，10s）：＋300℃
INA114 精密仪用放大器精度高、增益范围大、性能优良、价格低廉非常适合于精密仪器的使用。

3）A1205S-1W电源模块
该电源模块用于将12V电压转换成前置放大器所需要的5V 电压。

双输出DC/DC电源模块适应于输入电压比较稳定，输出电压要求不高的小信号隔离和直流电压变换等电路，如单片机供电、初级运放电路、AD与DA 转换器等数字电路或要求不高的模拟电路。

其工作温度：－40℃～＋85℃；输出额定功率：1～2W（可根据用户需要调节）：定电压输入：
（5V,12V,24V）；
非稳压输出： ( ±5V,±12V,±15V)此电源性能稳定，可靠性高。

(3) Android 手持终端设备
Android 要求系统 CPU 至少为 ARM9200MH 才z 能运行 DalvikJava 虚拟 机，该手持终端的设计选择 Samsung 公司的 ARM11S3C641嵌0 入式处理器 为核心，其主频为 533MHz/667MH ，z 最高达 800MHz 。

S3C6410 是基于 16/32-bitRISC 内核的低成本、低功耗、高性能微处理器解决方案，采用 64/32-bit 内部总线架构， 内部集成多个功能强大的硬件加速器。

S3C6410 的外部存储器接口能力极佳，能够满足 Andriod 应用程序的开发需求。

文物监测系统中，终端要完成接收数据、处理数据、保存数据、显示
数据等功能。

其硬件设计以 S3C6410 嵌入式处理器为核心，结合 Wi-Fi
在 Eclipse 环境下利用 java 语言编程 键盘鼠标输入设备 外部存储设备
1. 系统界面
文物监测系统控制中心的设计中， 为保证操作简单且能够方便直观地
读取数据，良好的人机界面设计是必不可少的。

该终端的应用程序界面设 计中采用对功能菜单的分类来分别设计相应的界面。

该监测系统中， 终端 应用程序要实现的主要界面有： 登陆主界面，主功能选择菜单， 下属子菜 单，数据显示界面四大部分，
实现该系统操作界面的具体步骤如下：打开 Android 项目里的 res\layout 目
操作日志 短距离无线通信操模作日块志，再辅数以据显通示信
应 程数据
的 LCD 显示屏，以及 USB
接口用以实现其他功能需求。

存储单元为 应用程序框架 系统界面
1.2 软件设计
SDRAM 和
FLASH 。

历史数软件系统采用 Windows A X P P I 作为操作系统平台，符合用户的操作习惯 应用微软公司的开发工具 VisualStudio2005 在串口通信和数据采集编程
的基础上进行设计开发。

W 系ind 统ow 手s 系 X 持统P 平终台
端设备采用基于 Android 操作平台， 串口通信模块
录，用xml 语言来编辑设计程序界面。

首先确定界面的布局，嵌套ViewGroup 的LinearLayout 和RelativeLayou 进行布局，调整android:layout_width 、android:layout_height 、android:background 、android:padding 、android:orientation 、android:gravity 等参数值，以达到满意的整体布局效果。

然后在ViewGroup 布局中添加View 控件：textview 、button ，根据实际需要调整各控件的android:id 、android:layout_height 、
android:layout_width 、android:text 、android:textSize 等参数值。

通过调整布局排列，控件位置，字体大小，最终完成对Android 应用程序UI 的布局。

2．数据采集卡编程模块对数据采集板卡的进行编程使用的方式主要有以下三种：软件触发方式，中断方式，DMA方式。

软件方式：实际上就是采用系统提供的时钟在毫秒级的精确等级上，通过对寄存器的查询来实现数据采集，由于其采集速度比较慢，因此多用于低速数据采集场合。

中断传输方式：使用中断传输方式，你需要编写中断服务程序（ISR），将板卡上的数据传输到预先定义好的内存变量中，每次A/D 转换结束后，
EOC信号都会产生一个硬件中断，然后由中断服务程序(ISR) 完成数据传输。

在使用中断传输方式时，必须制定中断级别。

DMA数据传输方式：尽管应用比较复杂，但由于不需要CPU的参与DMA(DirectMemoryAccess)方式特别适合应用于大量数据的高速采集。

同中断方式一样，在使用DMA方式传输方式时必须指定DMA级别，需要对板卡上的DMA控制寄存器操作，并且对Intel8237DMA 控制其进行操作，因此，强烈建
议您使用驱动来实现这种方式。

应用DMA数据传输方式实现采集卡编程的运行界面如下图所说示：
图4 运行界面
3. 数据通信
(1) 串口通信模块
1) 串口通信编程思想
2) 串口通信协议
串口通信程序中为什么要编制通信协议呢？为什么要进行数据处理？回答：为了按规定格式发送用户所需要数据，并且从接收到的数据中提取出所需的信息。

用户层的通信协议的编制必须遵循的基本原则：
1) 数据包必须有包头：包头是供接收方判断一个数据包开始传输的重要标志，接收方从接受到得数据中判断接收到了包头，就认为接受的数据已经开始，真正的数据信息马上就会到达。

包头字符必须有别于数据信息，这种特征是数据包中其他数据没有的，否则就会引起混乱。

2) 非定长数据包必须有包尾。

所谓非定长，是指没有指明数据报的长度。

对于非定长的数据包，接受方只能根据包尾标志判断数据包是否结束。

同包头一样，包尾字符也应该是有别于数据信息，这种特征是数据包中其它数据没有的，否则也会引起混乱。

3) 定长数据包应该指明长度。

对于长度不变的数据包，数据长度可以事先约定，也可以在数据包中的约定位置定义；对于长度可变的数据包，则必须每次在数据包中的指定位置说明。

4) 一般应该对数据进行校验。

串口通信底层协议已经设置了奇偶校验
方式，在用户层加入校验，可以对数据进行进一步的排错，更好的保证数据的正确性，因为在重要的场合，数据出错可能引发严重的后果。

(2) Wi-Fi 模块
Wi-Fi 全称WirelessFidelity ，又称802.11b 标准，它的最大优点是传输速度较高，可以达到1Mbps；另外它的有效距离也很长，同时也与已有的各种802.11DSSS设备兼容。

Wi-Fi 是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi 联盟拥有。

以下是Wi-Fi 的类和接口，实现一些常见的操作：
1) ScanResult
主要用来描述已检测出的接入点，包括接入点的地址、接入点的名称、身份认证、频率、信号强度等信息。

2) WifiConfiguration
WiFi 网络的配置，包括安全配置等。

3) WiFiInfo
WiFi 无线连接的描述，包括接入点、网络连接状态、隐藏的接入点、
IP 地址、连接速度、MAC地址、网络ID 、信号强度等信息。

4) WiFiManager
提供了管理WiFi 连接的大部分API，它主要包括以下内容：•已经配置好
的网络的清单。

这个清单可以查看和修改，而且可以修改个别记录的属性。

•当活动中有活动的Wi-Fi 网络时，可以建立或者关闭这个链接，而且可以查询有关网络状态的动态信息。

•对接入点的扫描结果包含足够的信息来解决需要与什么接入点建立连接。

•还定义了许多常量来表示Wi-Fi 状态的改变。

由于Wi-Fi 的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段，因此
WLAN无限设备提供了一个世界范围内可用的、费用极其低廉且数据带宽极高的无线空中接口。

用户可以在Wi-Fi 覆盖区域内快速浏览网页，随时随地的接听、拨打电话。

由于Wi-Fi 在国内覆盖范围越来越广泛，所以无论我们身处何地都可以尽情的使用我们的掌上设备，方便快捷的网上冲浪了。

（3）Socket 编程模块
Socket 网络编程有两种主要的操作方式：面向连接的和无连接的。

面向连接的Socket（TCP 协议）操作就像一部电话，必须建立一个连接和呼叫。

所有的命令到达时的顺序与它们出发时的顺序是一样的, 它的可靠性比较强但是效率相对无连接的较低。

无连接的Socket（UDP协议）操作就像是一个邮件投递，没有什么保证，多个邮件到达时的顺序可能与出发时的顺序不一样，此操作是快速的高效的，但是数据安全性不佳。

★创建服务器（中继器端）的步骤：
1）指定端口实例化一个Serversocket ；
2）调用Serversocket 的accept（）以在等待连接期间造成阻塞；
3）获取位于该底层Socket 的流以进行读写操作；
4) 将数据封装成流；
5) 对Socket 进行读写；
6) 关闭打开的流。

★创建客户端(手持终端)的步骤：
1)通过IP 地址和端口号实例化Socket 请求连接服务器；
2) 获取Socket 上的流以进行读写；
3) 把流包装进BufferredRead/PrintWriter 的实例；
4) 对Socket 进行读写；
5) 关闭打开的流。

4．数据库模块
SQLite ，是一款轻型的数据库，遵守ACID的关联式数据库管理系统，它
的设计目标是嵌入式的，它占用资源非常的低，在嵌入式设备中，可能只需要几百K 的内存就够了。

它能够支持Windows/Linux/Unix 等主流的操作系统，同时能够跟很多程序语言相结合，比如Tcl 、C#、PHP、Java 等，还有ODBC接口，同样比起Mysql、PostgreSQL 这两款开源世界著名的数据库管理系统来讲，它的处理速度比他们都快。

手持终端接收到文物监控系统发送数据后需要在本地对数据进行分析归类并保存在SQLite 数据库中，以便后期的调用查询。

在该终端的应用程序设计中采用Android 系统内置的SQLite 数据库，该数据库提供了添加(insert) 、删除(delete) 、查询(query) 、修改(update) 等基本操作。

应用程序通过SQLite 创
建私有的数据库以存储复杂的结构化数据，在
Android 设备中数据库位于/data/data/databases 文件夹。

该应用程序设计中，通过调用辅助类SQLiteOpenHelper 来创建、打开、更新和升级数据库。

SQLiteOpenHelper 类的实现由调用其子类：
onCreate(SQLiteDatabase),onUpgrade(SQLiteDatabase,int,int) 来完成，其中SQLiteDatabase 提供create,delete,executeSQLcommands 等方法来管理和操作SQLite 数据库。