基于TD-SCDMA的實(shí)時(shí)智能家居安防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

蔣天發(fā)，李珊珊

(中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，武漢430074)

隨著世界經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們對家庭現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化提出了更高的要求，智能家居也正是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生.智能家居是在家庭產(chǎn)品自動(dòng)化、智能化的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)按擬人化的要求而實(shí)現(xiàn)的.它可以定義為一個(gè)過程或者一個(gè)系統(tǒng)，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)，將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起.與普通家居相比，由原來的被動(dòng)靜止結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂心軇?dòng)智能的工具，提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持訊息交流暢通［1］.與此同時(shí)，人們也越來越多的關(guān)注個(gè)人安全及財(cái)產(chǎn)安全問題.在傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)中，大都是由煙霧報(bào)警系統(tǒng)、紅外報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等組成，通過GSM模塊以短消息的收發(fā)來進(jìn)行報(bào)警，視頻監(jiān)控一般是通過USB攝像頭負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)的采集，通過USB接口與PC客戶端連接［2］.但是這種傳統(tǒng)的系統(tǒng)誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)等情況較多，而且受PC客戶端的限制.本文的系統(tǒng)利用3G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，通過手機(jī)等PDA設(shè)備訪問服務(wù)器可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控家里發(fā)生的情況，當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，可以訪問服務(wù)器來驗(yàn)證是否為誤報(bào)，以滿足人們對智能家居的需求，因此，本文研究和設(shè)計(jì)了基于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)還可以和傳統(tǒng)的煙霧紅外報(bào)警系統(tǒng)無縫結(jié)合，非常靈活［3］.

1 TD-SCDMA的特點(diǎn)

第三代移動(dòng)通信技術(shù)(3G)是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動(dòng)通訊技術(shù).3G服務(wù)能夠同時(shí)傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，速率一般在幾百kbit/s以上.它可以處理圖像、音樂、視頻流和其他形式的媒體，也可以提供多種信息如網(wǎng)頁瀏覽、電話會(huì)議和電子商務(wù)服務(wù).為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，這意味著它必須分別支持在室內(nèi)傳輸速度為2Mbit/s，在室外傳輸速度為144kbit/s以及在行車的環(huán)境中傳輸速度為384kbit/s，這為我們的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了帶寬的可能性［4］.TDSCDMA作為我國提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，自1998年正式向ITU提交以來，完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、ITU認(rèn)可并發(fā)布、與3GPP體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，從而使TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)成為第一個(gè)由我國提出的、以我國知識(shí)產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn).而且，我國正在不斷完善發(fā)展這種技術(shù)，現(xiàn)在的TD-LTE就是該技術(shù)的演化，也叫做“準(zhǔn)4G”，故采用我國自主研發(fā)的3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)具有非常重要的意義.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

該系統(tǒng)主要由傳感器模塊，系統(tǒng)擴(kuò)展板，USB攝像頭，服務(wù)器PC機(jī)等設(shè)備組成，工作原理如圖1所示.當(dāng)煙霧傳感器檢測到火災(zāi)或煤氣泄漏等情況，或者紅外傳感器檢測到有非法人員闖入時(shí)，傳感器就會(huì)將報(bào)警信號發(fā)送給ARM擴(kuò)展板，并啟動(dòng)攝像頭開始捕獲視頻圖像，然后把收集到的視頻圖像數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，然后將緩沖區(qū)視頻圖像送入ARM擴(kuò)展板進(jìn)行處理，處理之后的視頻圖像保存到服務(wù)器上.這樣，遠(yuǎn)程用戶就可以通過TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器來獲取實(shí)時(shí)視頻，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能.此外，當(dāng)沒有報(bào)警信號時(shí)，用戶也可以手動(dòng)通過GSM短信來控制USB攝像頭的開啟，來觀察家庭情況［5，6］.

圖1 系統(tǒng)工作原理圖Fig.1 System working schematic diagram

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由ARM擴(kuò)展板、視頻處理模塊、報(bào)警設(shè)備、服務(wù)器PC等組成，硬件結(jié)構(gòu)如圖2.

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 System hardware structure diagram

3.1.1 ARM 擴(kuò)展板

ARM擴(kuò)展板由 ARM控制器、FLASH、SDRAM和3G模塊等相關(guān)的外圍電路組成，主要功能是在同一時(shí)間操作報(bào)警輸入和輸出I/O端口，實(shí)現(xiàn)接收和視頻數(shù)據(jù)傳輸、TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)通信等功能.該系統(tǒng)需要選擇更多具有通用I/O端口和外部資源豐富的芯片，這樣易建立芯片外圍電路.選擇三星S3C44BOX系統(tǒng)的處理器，它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用，具有多種外部存儲(chǔ)器訪問和多種接口，包括 IIC 和 IIS 總線［5，6］.

3.1.2 視頻處理模塊

視頻處理是通過廣泛使用總線標(biāo)準(zhǔn)，并提供了廣泛接口功能，如廣受歡迎的電視卡、視頻USB攝像頭捕捉卡和USB攝像頭等的Video4Linux視頻應(yīng)用設(shè)備.對于USB攝像頭本身，驅(qū)動(dòng)程序需要提供基本的I/O接口功能，包括打開、讀、寫、關(guān)閉、中斷處理、內(nèi)存映射功能，以及控制接口ioctl函數(shù)來實(shí)現(xiàn)I/O通道等.Linux視頻收集示意圖如圖3所示［7，8］:

圖3 視頻采集示意圖Fig.3 Video capture diagram

3.1.3 3G 模塊

3G模塊采用大唐的DTM6211，它具有內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，是一個(gè)雙模式的產(chǎn)品，能夠支持自動(dòng)跨TD-SCDMA和GSM網(wǎng)絡(luò).在TD-SCDMA上行和下行不對稱的數(shù)據(jù)模式下，傳輸速度分別可達(dá)128kb/s和384kb/s，并且支持UART和USB兩種通信接口，使用方便靈活，可以滿足不同需求的控制器設(shè)備.微處理器S3C44BOX與3G模塊DTM6211的連接必須確保它們的UART接口正確連接.UART接口是異步串行通信接口，只要設(shè)置相同的波特率就可以溝通.微處理器S3C44BOX的TXDO針(發(fā)送引腳)連接DTM6211 RXD引腳(接收針)，RXDO針(接收引腳)連接DTM6211 TXD引腳(發(fā)送針).如果收到從遠(yuǎn)程手機(jī)或電腦發(fā)來的控制信息，也是通過這個(gè)引腳傳送到S3C44BOX微處理器.DTM6211的RTS引腳發(fā)送請求功能信號，CTS引腳功能是允許發(fā)送請求信號，用于發(fā)送微處理器S3C44BOX的握手信號.

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和用戶應(yīng)用程序.Bootloader使用VIVI，主要用來初始化處理器和硬件設(shè)備、下載系統(tǒng)映像.操作系統(tǒng)使用Linux2.4內(nèi)核，用來管理應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)和多任務(wù)系統(tǒng).為了方便地管理文件系統(tǒng)設(shè)備，Linux使用ext3文件系統(tǒng)，該系統(tǒng)的所有文件和目錄樹結(jié)構(gòu)形成整體的目錄層次結(jié)構(gòu)，用戶應(yīng)用程序可完成一系列相應(yīng)的功能組件的功能，包括報(bào)警監(jiān)控程序、圖像采集壓縮程序、3G通信程序等［9］，所以在 Linux系統(tǒng)上編寫所有設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和相應(yīng)的用戶應(yīng)用程序，以便實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)所需的系統(tǒng)功能.主程序見圖4所示的流程.

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

3.2.2 3G 通信程序

3G通信程序AT命令的準(zhǔn)備，包括3G模塊的初始化、3G網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置、報(bào)警信息發(fā)送、消息接收和做出應(yīng)答.GPRS的模塊用來初始化 ATV0，ATH和ATE0V0Q0這樣的指令，中斷和返回結(jié)果狀態(tài)形式.3G網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)配置，使用AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，分別設(shè)置 3G 網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符PDP移動(dòng)環(huán)境IP，APN接入點(diǎn)為CMNET(中國移動(dòng)網(wǎng))，使用 ATDT#:作為撥號設(shè)置［10，11］.3G 流程圖如下:

3G 通信模塊初始化AT指令［3，12］如下:

AT //確認(rèn)串口是否正常

AT^DGPIOSM=1 //設(shè)置模塊休眠模式

圖5 3G通信程序流程圖Fig.5 Flow chart of 3G communication program

AT^DSLP=0，0 //取消休眠功能

AT+CREG=1 //當(dāng)模塊與GSM網(wǎng)絡(luò)斷開，主動(dòng)報(bào)告

AT^DSQ=l //當(dāng)信號強(qiáng)度變化，主動(dòng)報(bào)告

AT+CFUN=5 //激活SIM/USIM卡

AT+CFUN=l //激活協(xié)議棧

AT+COPS=0 //注冊網(wǎng)絡(luò)

AT^DCTA=1 //設(shè)置開機(jī)自動(dòng)連接GPRS

AT+CNMT=2，1，0，0，0 //設(shè)置接收短信報(bào)告方式

AT+CGDCONT=l，"IP"，"CMNET"，，0，0

//設(shè)定 APN

AT+CGEQREQ=I，2，64，64，0，0，0，0，"0E0"，"0E0"，，0，0//設(shè)置上傳和下載帶寬

AT^DSTT=l //激活 TCP/IP應(yīng)用程序任務(wù)

AT^DIICR=cmnet //撥號

AT^DIFSR? //查詢本地IP地址

AT^DIPSTART=l，*，3000 //連接服務(wù)器端口3000

AT^DIPSEND=5 //發(fā)送數(shù)據(jù)

AT^DIPCLOSE=1 //關(guān)閉 SOCKET

AT^DSHUT=l //斷開連接數(shù)據(jù)服務(wù)

4 測試結(jié)果

為了驗(yàn)證這種設(shè)計(jì)的可行性，將此系統(tǒng)應(yīng)用到實(shí)際的家居安防系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，我們把一臺(tái)PC作為服務(wù)器端，將處理壓縮后的視頻保存到服務(wù)器端，并且設(shè)置一個(gè)容量保存上限，當(dāng)視頻容量達(dá)到上限時(shí)就會(huì)刪除最早保存的視頻，而且具有保存視頻的功能，以便作為公安機(jī)關(guān)調(diào)查的證據(jù).當(dāng)收到報(bào)警信號時(shí)，我們可以登錄服務(wù)器PC，通過觀察實(shí)施的監(jiān)控視頻來確定報(bào)警信號是否是真的，以便采取相應(yīng)的措施.當(dāng)我們需要觀察家庭狀況時(shí)，也可以通過發(fā)送短信來開啟USB攝像頭，觀察屋內(nèi)孩子的狀況等信息.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過這種視頻監(jiān)控的方式，誤報(bào)幾率可以控制在5%以內(nèi)，誤報(bào)率大大減少，從傳感器發(fā)出信號到通過3G接收到報(bào)警信號，響應(yīng)時(shí)間都在5s之內(nèi)，響應(yīng)速度比傳統(tǒng)的2G網(wǎng)絡(luò)要快很多，證明此系統(tǒng)安全可靠，此系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行在實(shí)際家庭生活中，相比以往監(jiān)控系統(tǒng)此系統(tǒng)是高彈性的，只需要改變傳感器控制終端，并修改相應(yīng)的程序便可以實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)通信.另外，由于本系統(tǒng)采用ARM和Linux作為開發(fā)平臺(tái)，基于Linux開源的特性以及豐富的協(xié)議，可以降低開發(fā)難度，可以使系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)以及升級相對比較容易.

5 結(jié)語

多元化智能家居物聯(lián)網(wǎng)是未來智能家居發(fā)展的趨勢，本文提出的嵌入式無線智能家居安防系統(tǒng)，以3G技術(shù)為依托，結(jié)合傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了有效的遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，提供了更有效和更智能的生活方式;而且系統(tǒng)兼容性較高，可以和傳統(tǒng)的家居安防系統(tǒng)相結(jié)合，也可以拓展到未來更高層次的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，具有廣闊的應(yīng)用前景.

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