基于嵌入式的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫德禮

摘 要：伴隨著人們工作節(jié)奏的加快和工作環(huán)境的不確定性，人們?cè)絹碓阶⒅鼐幼…h(huán)境的安全，希望能在第一時(shí)間知道家中的安全情況，因此，設(shè)計(jì)一種智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有良好的實(shí)際意義。本文淺析基于嵌入式的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：嵌入式；智能家居；遠(yuǎn)程控制]

引言

電子技術(shù)、智能控制技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合，使得傳統(tǒng)住宅家居體系已經(jīng)無法滿足居住要求，對(duì)于智能化以及安全性的要求逐漸提升。雖然當(dāng)前視頻監(jiān)控已經(jīng)逐漸被重視，但在具體操作中相對(duì)復(fù)雜。這種狀況的產(chǎn)生，使得對(duì)嵌人式智能家居系統(tǒng)的研究熱度逐漸上升，成為引領(lǐng)遠(yuǎn)程控制的重要方式。目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都以處理器為核心，與一些檢測(cè)、監(jiān)控設(shè)備配合實(shí)現(xiàn)一定的功能，但是由于視頻圖像傳輸?shù)挠绊懸约氨O(jiān)控界面的問題，客戶端的遠(yuǎn)程監(jiān)控效果并不理想。如果嵌入式智能家居系統(tǒng)能夠連接到Internet和GPRS模塊，則用戶可以通過遠(yuǎn)程登錄界面來了解家居環(huán)境信息。因此，本文提出了一款具有網(wǎng)絡(luò)功能的智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，使用火狐瀏覽器作為上位機(jī)，采用JPEG高效壓縮算法對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮，用戶不僅可以通過瀏覽器監(jiān)測(cè)家居環(huán)境信息，還可以訪問Web服務(wù)器中的視頻，同時(shí)，GPRS通信模塊還能將異常信息以短信方式通知用戶，提高了智能家居控制的靈活性。

1嵌入式智能家居系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于智能家居制品監(jiān)控的角度分析，主要需要借助當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)成智能家居子系統(tǒng)，將各個(gè)技術(shù)融合之后實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。站在智能家居系統(tǒng)的角度，主要包括視頻服務(wù)、客戶端、服務(wù)端等部分。硬件設(shè)計(jì)。此次設(shè)計(jì)采用TX2440A開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)，將S3C2440處理器作為主控制芯片，主頻已經(jīng)能夠達(dá)到400MHz，具有單獨(dú)的管理單元、控制器以及存儲(chǔ)器等。LCD顯示部分包括3.5英寸真彩色液晶屏，具備USB接口。在開發(fā)板方面具備多種結(jié)構(gòu)，便于對(duì)系統(tǒng)的調(diào)試與測(cè)試需求；視頻采集模塊運(yùn)用ZC301攝像頭，可實(shí)現(xiàn)Linux提供攝像頭視頻數(shù)據(jù)的采集；包括DS18B20室內(nèi)溫度的傳感器；GPRS通信模塊。至此，用戶端通過移動(dòng)終端，向監(jiān)控中心發(fā)送請(qǐng)求，監(jiān)控中心在接受請(qǐng)求之后進(jìn)行處理并進(jìn)行解析，將現(xiàn)場監(jiān)控終端發(fā)送操作指令，現(xiàn)場終端提交反饋，得出操作結(jié)果。

2系統(tǒng)架構(gòu)

2.1硬件設(shè)計(jì)

2.1.1嵌入式微處理器

本設(shè)計(jì)使用TX2440A開發(fā)板進(jìn)行設(shè)計(jì)。采用S3C2440處理器作為主控芯片，主頻可以達(dá)到400MHz，具有MMU管理單元、控制器、支持外部存儲(chǔ)器，板載64MBSDRAM，256MBNANDFlash，LCD顯示部分為3.5英寸TFT真彩色液晶屏，網(wǎng)絡(luò)芯片為DM9000，1個(gè)10M以太網(wǎng)RJ-45接口，4個(gè)USBHost，1個(gè)USBSlaveB型接口。TX2440A開發(fā)板上還擴(kuò)展了豐富的接口，如藍(lán)牙接口、CAN接口、ZigBee接口等，方便進(jìn)行軟件調(diào)試以及系統(tǒng)測(cè)試。

2.1.2視頻采集模塊

采用了ZC301攝像頭，利用Linux提供的Video4LinuxAPI函數(shù)對(duì)USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)部總線發(fā)送到視頻流服務(wù)器MJPG-streamer上，視頻流服務(wù)器將視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，再通過CGI函數(shù)集實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的之間的交互，遠(yuǎn)端客戶機(jī)通過瀏覽器就可以查看現(xiàn)場監(jiān)控畫面。

2.1.3傳感器模塊

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器采集室內(nèi)溫度；采用HIH-4000濕度傳感器采集室內(nèi)的濕度；采用DSM501A粉塵傳感器來檢測(cè)室內(nèi)粉塵濃度；采用PIP探頭LH1778為核心的檢測(cè)電路來檢測(cè)是否有人員入侵，并利用蜂鳴器進(jìn)行本地報(bào)警和GSM短信報(bào)警。這些傳感器模塊通過S3C2440的I/O口接到控制中心，并把采集到的信息發(fā)送到Web服務(wù)器上。

2.1.4GPRS通信模塊

GPRS通信模塊選用西門子電氣公司生產(chǎn)的MC35i，該模塊可以提供語音傳輸、彩信業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)等接口，內(nèi)置了彩信MMS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。該模塊與處理器S3C2440采用串型端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，MC35i上的TXD0端口主要用于接收處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)；GPRS模塊上的RXD0端口用于向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。通信模塊將GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)鏈接起來，通過與監(jiān)控中心建立通信鏈路來進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)通信。

2.2軟件設(shè)計(jì)

2.2.1環(huán)境檢測(cè)模塊的軟件設(shè)計(jì)

該模塊設(shè)計(jì)主要是檢測(cè)室內(nèi)的溫度、濕度、和粉塵濃度，整個(gè)流程是先由傳感器獲取室內(nèi)的狀態(tài)信息，然后通過網(wǎng)絡(luò)將信息傳輸?shù)椒?wù)器平臺(tái)上。用戶通過操作平臺(tái)就可以查看室內(nèi)環(huán)境信息，當(dāng)達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)微處理器通過串口向GSM短信模塊發(fā)送命令，通知用戶家中有危險(xiǎn)。

2.2.2照明模塊的軟件設(shè)計(jì)

該模塊主要設(shè)計(jì)室內(nèi)照明，系統(tǒng)采用開發(fā)板上的LED1～LED3燈分別來模擬室內(nèi)照明燈。在/www/Leddate目錄下建立一個(gè)文本文件：led.txt，保存LED燈的狀態(tài)信息，將每次對(duì)LED燈的操作進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

2.2.3視頻監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計(jì)

視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)部分：視頻圖像采集、視頻數(shù)據(jù)傳輸、視頻圖像顯示。通過Linux系統(tǒng)內(nèi)部的V4L對(duì)視頻圖像采集，將采集到的原始圖像數(shù)據(jù)通過JPEG壓縮輸出給客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，網(wǎng)絡(luò)傳輸中應(yīng)用層采用TRTP/RTCP協(xié)議配合來保證傳輸?shù)馁|(zhì)量，傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層采用TCP/IP協(xié)議。同時(shí)移植BoaWeb服務(wù)器，通過CGI監(jiān)聽客戶端的請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)與客戶端的網(wǎng)絡(luò)交互。

2.3監(jiān)測(cè)界面的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)CGI程序的工作原理，監(jiān)控頁面主要分兩部分組成：靜態(tài)表單頁面設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)Web頁面設(shè)計(jì)，使用HTML來設(shè)計(jì)靜態(tài)頁面，使用CGI技術(shù)制作動(dòng)態(tài)頁面。當(dāng)用戶通過瀏覽器訪問Web服務(wù)器時(shí)，訪問的第一個(gè)文件是index.html，將彈出一個(gè)對(duì)話框要求用戶輸入登錄信息，進(jìn)行身份驗(yàn)證，由login.cgi對(duì)用戶的登陸信息進(jìn)行驗(yàn)證，通過認(rèn)證之后，用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)的主頁面main.html，在main.html主頁面里為用戶提供三種功能：家居環(huán)境檢測(cè)；室內(nèi)電燈控制；網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。其中家居環(huán)境檢測(cè)、報(bào)警信號(hào)、照明燈由main.cgi程序進(jìn)行控制，每個(gè)模塊利用CGI傳輸數(shù)據(jù)和操作指令，完成照明燈的操作和數(shù)據(jù)保存；網(wǎng)絡(luò)視頻由視頻流服務(wù)器Mjpg-streamer通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器。當(dāng)鼠標(biāo)點(diǎn)擊視頻查看按鈕時(shí)，該頁面會(huì)鏈接到stream.html上，顯示視頻監(jiān)控畫面，在此界面上，點(diǎn)擊左側(cè)的菜單可以進(jìn)行遠(yuǎn)程畫面拍照，點(diǎn)擊控制菜單將進(jìn)入視頻參數(shù)調(diào)整界面。

3嵌入式智能家居系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1現(xiàn)場監(jiān)控實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場監(jiān)控終端在完成監(jiān)控中心的監(jiān)控命令的同時(shí)，還需要具備識(shí)別與應(yīng)答功能，更主要的是需要完成具體硬件操作。主要包括設(shè)備配置、開關(guān)設(shè)備、查詢?cè)O(shè)備參數(shù)、調(diào)節(jié)家居等。

3.2服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)

服務(wù)端的實(shí)現(xiàn)，需要借助SQLServer數(shù)據(jù)庫，在服務(wù)端，主要具備用戶登錄與注銷、用戶管理、家庭管理、設(shè)備管理以及系統(tǒng)配置等不同的操作，用戶在通過登錄服務(wù)器端，發(fā)送指令，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求。用戶登錄界面需要用戶輸人驗(yàn)證碼與密碼，驗(yàn)證完成之后執(zhí)行操作；用戶管理功能實(shí)現(xiàn)，具備注冊(cè)、增加、刪除以及修改等功能；家庭管理包括財(cái)務(wù)管理與物品管理，用戶提供特殊權(quán)限才能夠訪問；設(shè)備管理，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備參數(shù)配置，修改設(shè)備信息；系統(tǒng)配置是協(xié)調(diào)控制端與客戶端的關(guān)系，隨時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)。

結(jié)語

在此次研究與設(shè)計(jì)的過程中，針對(duì)嵌人式智能家居系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)方案，在分析整體組織框架之后，確保對(duì)硬件與軟件方面的設(shè)計(jì)，完成監(jiān)控界面與系統(tǒng)終端的交互過程，確保對(duì)室內(nèi)環(huán)境信息的采集，滿足安防檢驗(yàn)、照明控制以及對(duì)視頻信息的處理。研究結(jié)果表明，嵌人式智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用效果良好。

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