基于ARM及ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)路徑

陳培英+王承林+胡紅林+尹世忠

摘 要： 以用戶(hù)對(duì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)際需求入手，根據(jù)用戶(hù)的需求及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，基于ZigBee技術(shù)和ARM處理器設(shè)計(jì)一款智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)一步闡述該系統(tǒng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)、視頻監(jiān)控、紅外信號(hào)收發(fā)等模塊功能及實(shí)現(xiàn)方法，以期達(dá)到智能化、網(wǎng)絡(luò)化管理家居環(huán)境的目的，具有較好的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： ARM； ZigBee協(xié)調(diào)器； 智能家居； 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN948.64?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）19?0041?04

Realization path of intelligent home remote monitoring system based on ARM and ZigBee

CHEN Peiying， WANG Chenglin， HU Honglin， YIN Shizhong

（School of Physics and Electronic Engineering， Xingtai University， Xingtai 054001， China）

Abstract： Proceeding from the actual demand of users for smart home remote monitoring system， a smart home remote monitoring system based on ZigBee technology and ARM processor was designed on the basis of user′s demand and its future development trend. The module functions of alarming linkage， video surveillance and infrared signal transceiving and their implementation methods are elaborated further to realize the intelligent and networked home environment management. The system has high promotion and application value.

Keywords： ARM； ZigBee coordinator； smart home； remote monitoring system

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在智能建筑、消防控制等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)也成為各行業(yè)重點(diǎn)部門(mén)和場(chǎng)所安防監(jiān)控的基礎(chǔ)，管理部門(mén)可借助該系統(tǒng)獲取視頻圖像信息，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、處理異常事件的效果。國(guó)內(nèi)外紛紛提出智能家居、智能小區(qū)等相關(guān)概念并開(kāi)發(fā)出一系列產(chǎn)品。如今，市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)大量智能家居類(lèi)產(chǎn)品，例如，美國(guó)霍尼韋爾、海爾網(wǎng)絡(luò)家電、HAI公司生產(chǎn)的智能家庭產(chǎn)品等，這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。隨著居民日常生活水平的提升，多數(shù)居民對(duì)自身居住環(huán)境提出更高的要求，迫切想要見(jiàn)證現(xiàn)代智能家居的飛躍。為滿(mǎn)足大眾對(duì)居住環(huán)境的要求，越來(lái)越多的研究者、廠商專(zhuān)注于智能家居研究范疇中?；赯igBee技術(shù)為家居環(huán)境設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，能滿(mǎn)足人們向往高品質(zhì)、智能化的生活體驗(yàn)，便于用戶(hù)遠(yuǎn)程管理、監(jiān)控居住環(huán)境。本次研究在深入分析用戶(hù)對(duì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各模塊實(shí)現(xiàn)流程，通過(guò)上述裝置控制家居環(huán)境，幫助用戶(hù)遠(yuǎn)程管理、控制家居環(huán)境。

1 分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

智能家居最早出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代，美國(guó)聯(lián)合科技公司首次向全世界展示推廣智能家居概念的建筑設(shè)施計(jì)應(yīng)用案例，這成為各國(guó)爭(zhēng)相制造智能家居技術(shù)的開(kāi)端?；谶@種背景下，歐洲、日本等經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家陸續(xù)推出一系列智能家居解決方案，并制造出相應(yīng)的執(zhí)行協(xié)議或標(biāo)準(zhǔn)。但智能家居在國(guó)內(nèi)起步較晚，這不僅有市場(chǎng)普及方面的因素，也有產(chǎn)品技術(shù)方面的問(wèn)題。從技術(shù)上分析，早期國(guó)內(nèi)智能家居多使用總線集成、電力載波等方法，上述方法導(dǎo)致其在安裝、維護(hù)、調(diào)試等環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，增減部分家電設(shè)備也會(huì)遭受諸多不便，這種情況直接影響智能家居在國(guó)內(nèi)的發(fā)展。近些年，隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee技術(shù)的發(fā)展，使智能家居迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。因智能家居具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)需求，智能家居系統(tǒng)受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視和關(guān)注，并獲取了較大的研究成果。為此，本文針對(duì)家居環(huán)境中的安全隱患提出設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以期全面監(jiān)控家居環(huán)境下的各項(xiàng)設(shè)備，達(dá)到報(bào)警探測(cè)、視頻監(jiān)控雙重保障的效果。

用戶(hù)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求如下：

（1） 能夠?qū)崟r(shí)采集室內(nèi)視頻監(jiān)控畫(huà)面，便于用戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)管自己的居住環(huán)境。為達(dá)到系統(tǒng)控制的精度及數(shù)據(jù)傳輸效率，要對(duì)原始采集數(shù)據(jù)實(shí)施去噪等處理。如果發(fā)現(xiàn)家居環(huán)境中設(shè)備參數(shù)大于預(yù)設(shè)值，依據(jù)預(yù)案啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)處理等措施[1]。

（2） 若發(fā)現(xiàn)家中老人、小孩存在異常情況或不安全舉動(dòng)，可借助前端對(duì)講功能與家人聊天，詢(xún)問(wèn)相應(yīng)的情況。

（3） 可依據(jù)用戶(hù)的要求打開(kāi)或關(guān)閉室內(nèi)的照明設(shè)備，甚至是調(diào)整光線強(qiáng)弱。

（4） 用戶(hù)可利用PC或其他移動(dòng)終端登錄家用網(wǎng)關(guān)中的紅外家電控制界面，遠(yuǎn)程控制家居環(huán)境下照明、安防等設(shè)備狀態(tài)[2]。

（5） 家居照明控制主要分為開(kāi)啟、關(guān)閉和光照強(qiáng)度控制三個(gè)部分，主臥、客廳、書(shū)房、廚房具有燈光設(shè)備開(kāi)關(guān)控制和強(qiáng)度調(diào)節(jié)功能，除設(shè)計(jì)用戶(hù)手動(dòng)控制外，可結(jié)合人體紅外感應(yīng)探頭、時(shí)間等信息，設(shè)定不同場(chǎng)景下的光照強(qiáng)度，為用戶(hù)提供節(jié)能、舒適的照明服務(wù)。此外，本次設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶(hù)能夠在第一時(shí)間調(diào)動(dòng)各方力量解決家中危機(jī)，把危害程度降至最低狀態(tài)。

2 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要包括家庭網(wǎng)關(guān)、內(nèi)部網(wǎng)、終端用戶(hù)三個(gè)部分，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中，家庭網(wǎng)關(guān)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)采集、處理由內(nèi)網(wǎng)ZigBee節(jié)點(diǎn)傳感器獲取的數(shù)據(jù)，并向外網(wǎng)PC或終端設(shè)備發(fā)出監(jiān)測(cè)環(huán)境的數(shù)據(jù)[3]。同時(shí)，用于實(shí)現(xiàn)各種協(xié)議之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交互，并負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。在家庭網(wǎng)關(guān)中，依托ARM芯片與網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能，連接好內(nèi)部外部網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)信息交互。內(nèi)部網(wǎng)是指ZigBee自組網(wǎng)，依據(jù)家庭布局通過(guò)星狀或樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)。ZigBee自組網(wǎng)中包含多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，上述節(jié)點(diǎn)配合家居環(huán)境中的電器開(kāi)關(guān)、溫濕度傳感器等設(shè)備，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。終端用戶(hù)是由PC或終端設(shè)備依托因特網(wǎng)對(duì)家居環(huán)境內(nèi)部實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，從而滿(mǎn)足用戶(hù)多方面的需求，大大提升用戶(hù)的體驗(yàn)滿(mǎn)意度。此外，智能家居控制器是整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，其硬件是各種設(shè)備任務(wù)調(diào)度、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)管理等任務(wù)的中央處理器。本文由可擴(kuò)展性、功耗、操作功能等方面，挑選功能強(qiáng)大的S3C610為主處理器，它作為一款高性能嵌入式處理器，支持運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。人機(jī)接口方面設(shè)計(jì)觸摸屏，用來(lái)展現(xiàn)家居設(shè)備的狀態(tài)及用戶(hù)手機(jī)發(fā)出的各項(xiàng)信息，便于用戶(hù)輸入各項(xiàng)操作指令。該系統(tǒng)控制器設(shè)置2個(gè)通信模塊，ZigBee協(xié)調(diào)器、GPRS模塊，其中，ZigBee協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把各個(gè)監(jiān)控模塊加入網(wǎng)絡(luò)中，并接收來(lái)自各監(jiān)控模塊的信息及報(bào)警信號(hào)，借助RS 232接口與ARM處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互[4]。GPRS模塊主要由主機(jī)模塊、音頻、射頻及SIM卡接口四部分組成，使用SIM300芯片與ARM實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

3 各功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 用戶(hù)登錄模塊

終端用戶(hù)采用Web瀏覽器借助3G/4G網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)中的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)站，終端用戶(hù)向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出用戶(hù)請(qǐng)求信息，家庭網(wǎng)關(guān)接收登錄請(qǐng)求并判定用戶(hù)請(qǐng)求賬號(hào)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)信息是否一致。如果登錄信息正確，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至系統(tǒng)主界面，否則，拒絕用戶(hù)登錄。用戶(hù)登錄流程見(jiàn)圖2。

3.2 溫濕度傳感模塊

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中一個(gè)重要的內(nèi)容是檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境信息，以此檢驗(yàn)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能。本文選用DHT11溫濕度傳感器對(duì)室內(nèi)環(huán)境實(shí)施檢測(cè)，這款傳感器具備同時(shí)檢查溫度與濕度的功能，并配備校準(zhǔn)字?jǐn)?shù)信號(hào)輸出功能，且具有較高的可靠性、低功耗，從而滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)行需求。同時(shí)，DHT11使用先進(jìn)的采集和傳感技術(shù)，通過(guò)數(shù)字化模塊構(gòu)建產(chǎn)品，不僅能減小產(chǎn)品體積，也能有效降低功耗[5]。此外，該模塊以DAAT實(shí)現(xiàn)微處理器與DHT11之間的通信，接線非常簡(jiǎn)單，易于系統(tǒng)集成，其引腳說(shuō)明見(jiàn)表1，它每次通信時(shí)間約為4 ms，共發(fā)出五組數(shù)據(jù)，具體包含實(shí)時(shí)檢測(cè)的溫濕度整數(shù)、小數(shù)部分及校驗(yàn)數(shù)據(jù)，其實(shí)現(xiàn)電路見(jiàn)圖3。

3.3 照明控制模塊

智能家居環(huán)境下，照明控制模塊采用計(jì)算機(jī)技術(shù)并輔助其他手段自動(dòng)控制電力照明設(shè)施，提供最佳照明并降低照明引起的消耗及其他費(fèi)用。設(shè)計(jì)該模塊旨在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制居住環(huán)境，其能有效控制單個(gè)燈開(kāi)關(guān)，也可一鍵控制整個(gè)家居環(huán)境所有燈開(kāi)關(guān)[6]。本模塊設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)繼電器、NPN型三級(jí)管負(fù)責(zé)居室內(nèi)開(kāi)燈或關(guān)燈。本系統(tǒng)的應(yīng)用能避免長(zhǎng)明燈的情況，有效節(jié)約管理成本，降低人為資源浪費(fèi)，其實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖4。

3.4 報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊

家居環(huán)境中已有監(jiān)控系統(tǒng)并未設(shè)置自動(dòng)消防的功能，但在監(jiān)控范圍中，監(jiān)控人員可由監(jiān)控畫(huà)面及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患或可疑人員入侵，因此，報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)尤為重要。當(dāng)突發(fā)火災(zāi)或有可疑入侵時(shí)，監(jiān)控人員可通過(guò)視頻發(fā)現(xiàn)，并啟動(dòng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)模塊發(fā)出警報(bào)，開(kāi)啟與之對(duì)應(yīng)的消防或安防設(shè)施[7]。同時(shí)，該模塊支持不同的報(bào)警類(lèi)型，包含硬盤(pán)出錯(cuò)報(bào)警、視頻丟失報(bào)警、智能分析時(shí)間報(bào)警等，其聯(lián)動(dòng)方法包含客戶(hù)端聯(lián)動(dòng)、短信發(fā)送、通道抓圖等，模塊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

3.5 紅外信號(hào)收發(fā)模塊

紅外收發(fā)模塊是指運(yùn)用AVR單片機(jī)學(xué)習(xí)或轉(zhuǎn)存紅外遙控器信號(hào)，因該模塊需要根據(jù)ENC協(xié)議記錄紅外遙控高低電平情況，并未考慮具體的編碼流程，因此，本模塊基本可實(shí)現(xiàn)多數(shù)紅外遙控編碼。本系統(tǒng)所用的紅外學(xué)習(xí)模塊以ATmega16為處理器，載波信號(hào)可從單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生，如果想要進(jìn)一步精確載波頻率，需采用示波器等進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試。紅外收發(fā)模塊發(fā)射流程見(jiàn)圖6。

紅外信號(hào)收發(fā)模塊接收到上位機(jī)發(fā)出的指令后，與系統(tǒng)內(nèi)存儲(chǔ)的指令進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)指令已存在，表明也存在相應(yīng)的紅外編碼，隨之，將對(duì)應(yīng)的紅外編碼取出獲得調(diào)制信號(hào)則驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管。同時(shí)，通過(guò)發(fā)出紅外編碼引導(dǎo)碼，隨后發(fā)送數(shù)據(jù)和客戶(hù)碼，成功即可控制家用電器；若指令不存在，模塊會(huì)自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)出信息，證實(shí)發(fā)送的紅外編碼并未進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3.6 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊主要由采集模塊、視頻錄像及視頻遠(yuǎn)程傳輸?shù)炔糠纸M成。視頻采集模塊通常采用芯片的視頻采集卡來(lái)工作，運(yùn)用Windpws的接口，順利完成視頻的采集工作[8]，其實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖7。視頻編碼模塊則運(yùn)用MPEG4的視頻壓縮功能來(lái)完成視頻編碼的制作。完成視頻編碼之后的數(shù)據(jù)會(huì)被保存至硬盤(pán)之中，首先檢查硬盤(pán)是否具有相應(yīng)的存儲(chǔ)空間，最后把數(shù)據(jù)寫(xiě)入硬盤(pán)之中。視頻遠(yuǎn)程傳輸模塊經(jīng)過(guò)編碼之后的數(shù)據(jù)由Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到手機(jī)及客戶(hù)端的軟件。一般的流程步驟為：新建套接字，監(jiān)聽(tīng)、接收連接指令，連接完成，從緩沖區(qū)域讀取數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸并斷開(kāi)連接命令。

4 結(jié) 論

綜上所述，依托ARM及ZigBee設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)以往安防技術(shù)的改革和更新，運(yùn)用ZigBee技術(shù)建立內(nèi)部無(wú)線網(wǎng)卡，通過(guò)接入GPRS模塊，打造出更加安全、可靠的遠(yuǎn)程控制和報(bào)警系統(tǒng)，保證廣大人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。本文研究在分析過(guò)去智能家居系統(tǒng)維護(hù)成本高、移動(dòng)性差等問(wèn)題的基礎(chǔ)上，基于ARM芯片、ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，以期為類(lèi)似研究提供一定指導(dǎo)。

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