嵌入式系統(tǒng)在智能家居監(jiān)控中的應(yīng)用研究

關(guān)海鵬

(運(yùn)城學(xué)院 應(yīng)用數(shù)學(xué)系，山西運(yùn)城044000)

隨著現(xiàn)代社會科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計取得了一定成績，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件產(chǎn)品。但是，從智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的整體發(fā)展來看，由于缺乏統(tǒng)一設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對系統(tǒng)的更新?lián)Q代造成了較大影響。隨著市場競爭的日益激烈，社會公眾生活水平的持續(xù)提高，對家居環(huán)境的要求也逐漸提高，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)得到了空前發(fā)展。由此可見，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)在人們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔迷絹碓街匾?/p>

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計滿足了人們個性化生活需求，使用戶可以隨時隨地控制家庭中的照明設(shè)備、電器設(shè)備等，減少由于人為原因造成不必要的能源消耗，為人們提供了一個安全、穩(wěn)定、環(huán)保的生活空間。［1］利用智能家居監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)人們的實(shí)際需求添加各種功能，包括自動報警、自動滅火、自動斷電等，還可以實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量分析、溫濕度控制等功能，在發(fā)生危急事件時還可以啟動急救控制功能，保證人們可以放心入住。

1.嵌入式系統(tǒng)的特征分析

1.1 具有較強(qiáng)的針對性

嵌入式系統(tǒng)中的軟硬件設(shè)備具有較強(qiáng)的聯(lián)系，在實(shí)際應(yīng)用過程中極有可能會對系統(tǒng)進(jìn)行移植，即使是同一品牌、相同系列的嵌入式產(chǎn)品，也要按照硬件的實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。［2］同時，如果需要完成不同的任務(wù)，系統(tǒng)的修改工作量較大，還要根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用重新編譯程序。

1.2 具有較強(qiáng)的實(shí)時性

嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于社會生產(chǎn)和人們生活中，包括生產(chǎn)控制、手機(jī)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、家電運(yùn)行等。嵌入式系統(tǒng)可以對其所在設(shè)備進(jìn)行有效控制，因此具有較強(qiáng)的實(shí)時性。［3］如果嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于運(yùn)載火箭發(fā)射、衛(wèi)星導(dǎo)彈等高科技領(lǐng)域，其實(shí)時性需求更高。由此，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用于存儲器設(shè)計中，可以利用閃存實(shí)現(xiàn)快速計算，同時配置相應(yīng)的軟件程序，使嵌入式系統(tǒng)可以對外部指令做出準(zhǔn)確的響應(yīng)。

1.3 應(yīng)用于多任務(wù)操作系統(tǒng)

雖然嵌入式系統(tǒng)在沒有任何操作系統(tǒng)支持的情況下也可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)行，但是為了可以對多種任務(wù)進(jìn)行高效的實(shí)時調(diào)配，真正提高系統(tǒng)的利用效率，必須選擇合適的操作系統(tǒng)開發(fā)平臺，使系統(tǒng)在運(yùn)行過程中能夠穩(wěn)定運(yùn)行、提高效率、加快處理速度。

1.4 需要配置專門的開發(fā)工具和環(huán)境

嵌入式系統(tǒng)具有二次開發(fā)功能，其開發(fā)工具和環(huán)境包括計算機(jī)硬件設(shè)備、軟件設(shè)備、邏輯分析器等。在二次開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時必須創(chuàng)建交叉的程序編譯環(huán)境，交叉編譯指的是在計算機(jī)平臺上利用交叉編譯器獲得的程序代碼可以成功在其他平臺上運(yùn)行。

2.嵌入式ARM處理器

嵌入式系統(tǒng)中配置的處理器屬于微處理器，微處理器共有1000多種類型，以及30多個不同的體系架構(gòu)方式，微處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件程序的運(yùn)行。

ARM處理器是AMR公司開發(fā)設(shè)計的芯片，AMR公司成立于1990年，公司總部設(shè)立在英國，主要生產(chǎn)性能高、成本低、處理速度快的嵌入式系統(tǒng)芯片，以及向世界各大科技公司提供技術(shù)支持和授權(quán)服務(wù)。經(jīng)過長期發(fā)展，AMR公司生產(chǎn)的嵌入式系統(tǒng)芯片已經(jīng)超過100億片，幾乎全世界每人都會擁有一塊ARM處理器。

目前，ARM處理器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)中，具有以下幾種特點(diǎn):

(1)功耗低:嵌入式處理器芯片的功耗越低，其供電工作時間越長，［5］例如手機(jī)、平板電腦，這些電子設(shè)備電池供電采用的都是ARM處理器。

(2)占地小:處理器占地面積越小，則給電路硬件預(yù)留的空間越大，有效減少了產(chǎn)品體積，降低了產(chǎn)品設(shè)計的制造成本和資金成本。

(3)ARM處理器可以兼容8/16位器件，可以支持 Thumb 雙指令集 16/32 位。［7］

(4)ARM處理器寄存器使用量大，執(zhí)行速度快。

(5)ARM芯片中的寄存器可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)處理和操作。

(6)ARM處理器執(zhí)行效率高、尋址方法簡單。

3.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)需求設(shè)計

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的最終目標(biāo)是為人們提供一個安全穩(wěn)定、節(jié)能高效的個性化生活空間，實(shí)現(xiàn)家居電器設(shè)備之間信息的交換和控制，使住戶可以隨時隨地掌握家庭信息，實(shí)現(xiàn)家庭中的設(shè)備從原來的靜態(tài)控制轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)控制，使住戶即使不在家中也可以進(jìn)行控制安排。同時，配備相應(yīng)的防火系統(tǒng)、放到系統(tǒng)、自動報警系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)等，以此對人們生活進(jìn)行安全保障。本文設(shè)計智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能包括:

(1)一旦住戶家庭中出現(xiàn)異常情況，包括外部人員入侵、家電起火、煤氣泄漏等，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)都可以立刻發(fā)出報警，并根據(jù)事先設(shè)定好的電話號碼自動撥打報警電話。

(2)如果住戶不在家中，可以通過發(fā)送短信的形式控制家庭中的電器設(shè)備，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)接到短信命令后可以自動采集相應(yīng)圖像，再將其通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信形式發(fā)送到住戶手機(jī)中，住戶可以隨時了解家庭環(huán)境情況，并做出相應(yīng)控制，以此實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控。［6］

(3)通過互聯(lián)網(wǎng)與智能家居監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連接，從而控制家庭中的電器設(shè)備，以及查看家居環(huán)境圖像。

4.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)功能設(shè)計

本文提出了基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案，采用三星公司研發(fā)的 S3C2440芯片，以Linux系統(tǒng)作為智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)一個安全可靠、運(yùn)行穩(wěn)定的遠(yuǎn)程智能家居監(jiān)控設(shè)備，如圖1所示，系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)以下功能:

圖1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.1 圖像采集模塊

系統(tǒng)圖像采集模塊主要是利用USB外接攝像頭實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的圖像采集，同時壓縮采集到的圖像信息，最后通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。

4.2 溫度采集模塊

系統(tǒng)溫度采集模塊主要利用DS18B20數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度信息采集，再將采集到的溫度信息顯示給用戶，如果家庭中發(fā)生火災(zāi)，一旦溫度超過預(yù)先設(shè)定的溫度范圍，系統(tǒng)就會立刻發(fā)出報警信號。

4.3 Web 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器［4］

系統(tǒng)中Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能是實(shí)現(xiàn)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時查看家庭中的環(huán)境情況。

4.4 GPRS 模塊

系統(tǒng)GPRS模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息、圖片信息和短消息信息的傳輸。

4.5 燃?xì)鈭缶b置

當(dāng)家庭中出現(xiàn)燃?xì)庑孤┣闆r時，系統(tǒng)可以即刻發(fā)出報警信息，按照事先設(shè)定好的電話號碼撥打報警電話，同時發(fā)出報警短信。

4.6 紅外線檢測裝置

當(dāng)有外部人員闖入到家庭時，系統(tǒng)可以通過紅外線檢測裝置立刻啟動系統(tǒng)將家庭現(xiàn)場環(huán)境進(jìn)行拍攝，同時通過GPRS模塊將短信發(fā)送到指定電話號碼。

5.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊電路設(shè)計

5.1 燃?xì)鈭缶K電路

燃?xì)鈭缶K電路中，煙霧傳感器采用的是MQ－2型傳感器，該型號的氣體傳感器探測范圍廣、靈敏度高，適合應(yīng)用于智能家居建設(shè)中，對煙霧、液化氣體、氫氣等氣體進(jìn)行探測。由于MQ－2型傳感器可以根據(jù)不同氣體的濃度范圍產(chǎn)生相應(yīng)的電阻值，應(yīng)用時只需要對其靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)即可。

5.2 溫度采集模塊電路

溫度采集模塊電路采用的是DS18B20型溫度傳感器，DS18B20型溫度傳感器是新型智能微處理器，通常用于軍事、工業(yè)和生活領(lǐng)域?qū)囟冗M(jìn)行探測和控制。該型號的溫度傳感器體積小、傳輸距離短、接口豐富。

DS18B20型溫度傳感器在完成讀寫之前要執(zhí)行復(fù)位初始化動作，首先，由初始化主機(jī)發(fā)出低電平脈沖，經(jīng)過釋放總線后轉(zhuǎn)變?yōu)楦唠娖剑瑫r對總線進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)低電平存在，證明總線器件已經(jīng)做出應(yīng)答動作，以此實(shí)現(xiàn)初始化成功。再將DS18B20型溫度傳感器與控制器連接。

5.3 防盜檢測模塊電路

防盜檢測模塊電路是紅外線與微波傳感器組合而成的雙鑒傳感器，雙鑒傳感器與單一傳感器相比，具有誤報率低的特點(diǎn)，其工作原理是:將紅外和微波信號進(jìn)行處理后傳輸?shù)娇刂破鱏3C2440中，當(dāng)雙鑒傳感器同時檢測到高電平信號時，再由系統(tǒng)發(fā)出報警信號。這種以分割方式組合成的傳感器，可以真正降低誤報率。

6.智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序和Boot Loader四個部分。操作系統(tǒng)采用的是Linux內(nèi)核，具有移植性好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，其內(nèi)存設(shè)備、進(jìn)程設(shè)備功能完善，可以支持多種文件系統(tǒng)，擁有標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，以及相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動等，可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用程序和多任務(wù)的有效管理。［8］文件系統(tǒng)采用的是EXT3系統(tǒng)，以樹形結(jié)構(gòu)對全部文件和目錄信息進(jìn)行存儲，方便后期的維護(hù)和管理。應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)完成一系列功能，由相應(yīng)函數(shù)構(gòu)成，包括報警應(yīng)用程序、圖像采集應(yīng)用程序、圖像壓縮應(yīng)用程序、GPRS通信程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和串口應(yīng)用程序等，因此，必須編寫與之對應(yīng)的用戶應(yīng)用程序，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種功能。Boot Loader采用的是VI視覺設(shè)計。智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示。

結(jié)論

圖2 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖

綜上所述，本文提出的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案是基于嵌入式技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)家居照明設(shè)備、電器設(shè)備、防火防盜系統(tǒng)的有效連接，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)，通過USB外接攝像頭實(shí)現(xiàn)住戶對家居情況的遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，以此保證住戶生活環(huán)境安全穩(wěn)定。

［1］龍勇.基于嵌入式Linux的家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測試，2013(13).

［2］韓星.無線嵌入式智能家居環(huán)境網(wǎng)關(guān)的幾點(diǎn)思考［J］.電源技術(shù)應(yīng)用，2013(5).

［3］付蔚，劉謀黎，蔡林沁.智能家居系統(tǒng)嵌入式家庭服務(wù)器設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.自動化與儀表，2013(4).

［4］李成國，宋偉偉，高中文.基于嵌入式Web服務(wù)器家居視頻監(jiān)控的研究［J］.自動化技術(shù)與應(yīng)用，2013(4).

［5］王蘇蘇.基于ARM嵌入式智能家居系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.無線互聯(lián)科技，2013(5).

［6］王麗麗，齊賽，朱琳琳.基于嵌入式Linux智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2012(3).

［7］高源，李冶.ARM嵌入式系統(tǒng)在智能家居監(jiān)控中的應(yīng)用［J］.電腦知識與技術(shù)，2012(13).

［8］陳德裕，張憲隸，顧曉濤，蘇嘯晨.物聯(lián)網(wǎng)下的嵌入式家居安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2012(9.)