嵌入式智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

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?lái)越注重居住環(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［%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(wèn)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(guò)遠(yuǎn)程登錄界面來(lái)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(guò)瀏覽器 監(jiān)測(cè)家居環(huán)境信息，還可以訪問(wèn)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叫

1系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用S3C2440處理器作為主控芯片，該芯片是基于 ARM920T內(nèi)核的RISC微處理，S3C2440處理器內(nèi)部集成 了很多控制器接口，便于與外部器件連接。整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)傳 感器檢測(cè)家居環(huán)境，USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)接入 Internet，用戶就可以登陸家居管理主頁(yè)，查看各種傳感器的 數(shù)據(jù)信息，操作室內(nèi)照明燈，還可以瀏覽家居畫(huà)面。當(dāng)室內(nèi)有 危險(xiǎn)時(shí)還能觸發(fā)本地蜂鳴器報(bào)警，并能通過(guò)GPRS通信系統(tǒng) 向用戶發(fā)送緊急短信。整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1硬件設(shè)計(jì)

(1)嵌入式微處理器

本設(shè)計(jì)使用TX2440A開(kāi)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400 MHz,具有MMU 管理單元、控制器、支持外部存儲(chǔ)器，板載64 MB SDRAM， 256 MB NAND Flash，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) USB Host，1 個(gè) USB Slave B 型接口。TX2440A 開(kāi)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) 視頻采集模塊

采用了 ZC301攝像頭，利用Linux提供的Video4 Linux API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(guò)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(guò)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(guò)瀏覽器就可以查看現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控畫(huà)面。

( 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(lái)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(lái)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(guò)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。

(4) GPRS通信模塊

GPRS通信模塊選用西門(mén)子電氣公司生產(chǎn)的MC351,該 模塊可以提供語(yǔ)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(lái)，通過(guò)與監(jiān)控中心建立通信鏈路來(lái)進(jìn)行雙向的 數(shù)據(jù)通信。

1.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)界面的實(shí)現(xiàn)。 應(yīng)用程序通過(guò)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序從而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制，主要完 成室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊、照明控制模塊和視頻監(jiān)控模塊等軟件 設(shè)計(jì)，該應(yīng)用程序使用CGI語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，將CGI嵌入式網(wǎng)頁(yè)中, 用戶通過(guò)調(diào)用CGI程序，以表單的方式將返回信息呈現(xiàn)給用戶, 從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。

(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(guò)網(wǎng)絡(luò) 將信息傳輸?shù)椒?wù)器平臺(tái)上。用戶通過(guò)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(guò)串口向GSM短信模塊發(fā)送命令，通知用戶家中有危 險(xiǎn)。以溫度傳感器為例的溫度采集流程圖如圖2所示。

( 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(kāi)發(fā)板上的 LED1~LED3燈分別來(lái)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。

( 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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)CGI監(jiān)聽(tīng)客戶端的請(qǐng)求，從 而實(shí)現(xiàn)與客戶端的網(wǎng)絡(luò)交互。視頻監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)框圖如 圖4所示。

1.3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(yè)面主要分兩部分組 成：靜態(tài)表單頁(yè)面設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)Web頁(yè)面設(shè)計(jì)，使用HTML 來(lái)設(shè)計(jì)靜態(tài)頁(yè)面，使用CGI技術(shù)制作動(dòng)態(tài)頁(yè)面。當(dāng)用戶通 過(guò)瀏覽器訪問(wèn)Web服務(wù)器時(shí),訪問(wèn)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(guò)認(rèn)證之后, 用戶才能進(jìn)入系統(tǒng)的主頁(yè)面main.html,在main.html主頁(yè)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(guò)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(yè)面會(huì)鏈接到stream.html上，顯示視頻監(jiān)控畫(huà)面，在此界 面上，點(diǎn)擊左側(cè)的菜單可以進(jìn)行遠(yuǎn)程畫(huà)面拍照，點(diǎn)擊控制菜單 將進(jìn)入視頻參數(shù)調(diào)整界面。

鏈接部分的HTML語(yǔ)句如下：

<a href="http : //202.117.66.20/ main.cgi">

<a href="http : //202.117.66.20 : 8080/stream.html"><img

src="/?action=stream" width="512px" height="384px"/>

其中202.117.66.20為Boa服務(wù)器及硬件電路板的IP地址, href的內(nèi)容為鏈接的地址,img里的src為該鏈接的顯示圖標(biāo)。

表1系統(tǒng)主要頁(yè)面功能說(shuō)明表

2系統(tǒng)測(cè)試

本測(cè)試方案是將開(kāi)發(fā)板和PC主機(jī)通過(guò)路由器接入局域 網(wǎng)，查看主機(jī)的IP地址為“202.117.66.100”，將ARM9開(kāi)發(fā) 板的IP地址設(shè)置為“202.117.66.20”，使其與主機(jī)的IP地址 在同一網(wǎng)段。將主機(jī)與開(kāi)發(fā)板在超級(jí)終端中Pmg通網(wǎng)絡(luò)；然 后進(jìn)入開(kāi)發(fā)板的MjPg-streamer目錄，并啟動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng) 的服務(wù)端[2];最后在客戶端火狐瀏覽器的地址欄輸入http : //202.117.66.20,就可以進(jìn)入用戶登錄界面。用戶登陸界面截 圖如圖4所示。

圖4用戶登錄界面

當(dāng)用戶輸入正確的用戶名和密碼后，登陸到遠(yuǎn)程控制主 界面，在主頁(yè)面就可以查看室內(nèi)的狀態(tài)信息，用戶可以通過(guò) 按鈕控制室內(nèi)的照明燈，遠(yuǎn)程控制界面截圖如圖5所示。

圖5遠(yuǎn)程控制界面

當(dāng)用戶點(diǎn)擊視頻查看鏈接后，將進(jìn)入視頻監(jiān)控界面，在 此界面可以觀看從攝像頭采集到的實(shí)時(shí)畫(huà)面，還能拍照、調(diào) 整視頻參數(shù)，監(jiān)控畫(huà)面為實(shí)驗(yàn)室一角，在實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試過(guò)程中, 監(jiān)控視頻畫(huà)面清晰流暢，網(wǎng)絡(luò)延遲較小。監(jiān)控畫(huà)面截圖如圖6 所示。

圖6視頻監(jiān)控畫(huà)面

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。 介紹了系統(tǒng)的硬件組成、主要模塊的軟件設(shè)計(jì)過(guò)程、監(jiān)控界 面的實(shí)現(xiàn)過(guò)程、Web服務(wù)器的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)取?系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了家居環(huán)境中各參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、安防檢測(cè)、照明燈 控制，視頻信息的智能化處理，以及家中有危險(xiǎn)時(shí)的報(bào)警功能。 主要特點(diǎn)是易搭建、操作簡(jiǎn)單、成本低廉，基本達(dá)到設(shè)計(jì)的要 求，有良好的應(yīng)用價(jià)值。下一步可以研究采用手機(jī)對(duì)智能家居 的遠(yuǎn)程控制，使用更加方便。

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