基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鈴系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　在信息、通信、智能不斷發(fā)展的今天，人們對(duì)于門(mén)鈴的要求已經(jīng)不僅僅是簡(jiǎn)單的提醒功能，門(mén)鈴系統(tǒng)發(fā)展成為具提醒、防盜、安全等為一體的一個(gè)完整的智能系統(tǒng)。通過(guò)無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)的管理，可以使我們能夠更輕松方便的使用門(mén)鈴及其附屬功能。無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)是以無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為主干，利用計(jì)算機(jī)、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將門(mén)鈴系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)等終端設(shè)備有機(jī)的結(jié)合起來(lái)。與普通的門(mén)鈴系統(tǒng)相比，無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)不僅使門(mén)鈴系統(tǒng)保持了原來(lái)門(mén)鈴的一系列功能，還增添了遠(yuǎn)程控制等新功能， 并且無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)脫離了各種線(xiàn)纜的羈絆，有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，本文僅是以門(mén)鈴系統(tǒng)為例子說(shuō)明。在合適的條件下，還可以將其它的家電并入無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)，形成以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ?、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境，也就是人們常說(shuō)的智能家居（SmartHome）。無(wú)線(xiàn)智能系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以大致分為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)路兩大部分，本文針對(duì)它的控制網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，建立了一種基于 Wi-Fi技術(shù)的無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鈴。

　　一、Wi-Fi技術(shù)

　　1·Wi-Fi概述

　　Wi-Fi全稱(chēng)WirelessFidelity，又稱(chēng)802·11b標(biāo)準(zhǔn)，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11Mbps，另外它的有效距離可達(dá)100m，完全滿(mǎn)足了無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2·Wi-Fi技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

　　第一，Wi-Fi的覆蓋范圍廣。在已應(yīng)用的技術(shù)中，其有效半徑可達(dá)100m。而一些新型交換機(jī)的覆蓋范圍更是要加倍。

　　第二，Wi-Fi的速度快。根據(jù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡使用的標(biāo)準(zhǔn)不同，Wi-Fi的速度也有所不同。其中IEEE802·11b最高為11Mbps（部分廠商在設(shè)備配套的情況下可以達(dá)到22Mbps），IEEE802·11a為54Mbps、IEEE802·11g也是54Mbps。

　　第三，Wi-Fi的可兼容性好?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡均是以Wi-Fi為標(biāo)準(zhǔn)的連接設(shè)備，而新型的智能手機(jī)也大部分具有Wi-Fi終端。

　　第四，安全性與穩(wěn)定性。雖然Wi-Fi有某些安全性的缺陷，但在智能無(wú)線(xiàn)門(mén)鈴設(shè)計(jì)中，只要設(shè)定一系列的密鑰，還是可以接受的。而Wi-Fi的穩(wěn)定性是在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中比較有質(zhì)量保證的，完全可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的需要。

　　二、基于Wi-Fi的無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鈴系統(tǒng)

　　1·總體設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）

　　從圖1可以看出，無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鈴系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控服務(wù)終端（包括計(jì)算機(jī)終端和手機(jī)終端）以及監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)主要分為兩個(gè)部分，室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和室外網(wǎng)絡(luò)。

　　室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)由監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)和無(wú)線(xiàn)路由之間的IEEE802·11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)組成，家庭網(wǎng)關(guān)和計(jì)算機(jī)終端的有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)聯(lián)接。

　　室外部分由計(jì)算機(jī)終端和遠(yuǎn)程控制頁(yè)面（即Web頁(yè)面）之間的Internet網(wǎng)絡(luò)組成。

　　系統(tǒng)工作原理：首先由摁下門(mén)鈴按鈕，門(mén)鈴震動(dòng)或發(fā)出聲響，提醒戶(hù)主。戶(hù)主啟動(dòng)監(jiān)控服務(wù)終端，經(jīng)由IEEE802·11b無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送指令到確定的IP地址，即監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)電源開(kāi)關(guān)，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始工作。在監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)，打開(kāi)攝像機(jī)、麥克風(fēng)等輸入終端，采集現(xiàn)場(chǎng)模擬信號(hào)。采集后的信號(hào)送入視頻服務(wù)器中，視頻服務(wù)器對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行壓縮編碼，并且將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，等待家庭網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的聯(lián)接請(qǐng)求。當(dāng)家庭網(wǎng)關(guān)調(diào)用聯(lián)接請(qǐng)求程序時(shí)，視頻服務(wù)器讀出緩沖區(qū)的音視頻數(shù)據(jù)， 同時(shí)啟動(dòng)發(fā)送模塊，發(fā)送時(shí)，采用RTP協(xié)議①打包。模塊讀取緩沖區(qū)的視頻流最好是以一幀為最小單位，如果數(shù)據(jù)比較長(zhǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中傳輸不穩(wěn)定，可以在打包前將幀進(jìn)行分割，再進(jìn)行打包處理。數(shù)據(jù)按照RTP協(xié)議打包完成之后，通過(guò)UDP協(xié)議②傳送到家庭網(wǎng)關(guān)中進(jìn)行傳送。數(shù)據(jù)經(jīng)由家庭網(wǎng)關(guān)，繼續(xù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳送至監(jiān)控服務(wù)終端。監(jiān)控服務(wù)終端接收數(shù)據(jù)之后，按照數(shù)據(jù)傳送的順序和標(biāo)志，重新對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓、組裝，形成完整的幀結(jié)構(gòu)。通過(guò)監(jiān)控服務(wù)終端中的相對(duì)應(yīng)的視頻軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行MPEG-4③解碼，解碼后的數(shù)據(jù)就是視頻數(shù)據(jù);同時(shí)對(duì)音頻數(shù)據(jù)也進(jìn)行相應(yīng)的操作，得到相應(yīng)的音頻數(shù)據(jù)。通過(guò)監(jiān)控服務(wù)終端調(diào)用播放模塊的軟件，進(jìn)行實(shí)時(shí)播放，并且調(diào)用存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。

　　2·監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)思路：監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)是由一個(gè)普通門(mén)鈴、攝像機(jī)、麥克風(fēng)和視頻服務(wù)器組成的。普通門(mén)鈴的作用是提示戶(hù)主，進(jìn)行監(jiān)控。視頻服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的關(guān)鍵，它主要是負(fù)責(zé)講攝像機(jī)和麥克風(fēng)采集到的模擬信號(hào)進(jìn)行編碼壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸，并且負(fù)責(zé)客戶(hù)服務(wù)端對(duì)攝像機(jī)和麥克風(fēng)的控制。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

　　監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)接收裝置采用ARMLinux嵌入式系統(tǒng)。

　　采用這樣的芯片作為接收裝置是因?yàn)長(zhǎng)inux系統(tǒng)具備有完整UNIX所有的功能如多任務(wù)處理、虛擬內(nèi)存、程序資源豐富、按照應(yīng)用加載執(zhí)行文件、執(zhí)行程序共享，內(nèi)存管理和TCP/IP網(wǎng)絡(luò)，而ARMLinux正在被移植或已經(jīng)移植到超過(guò)100種以上的不同種類(lèi)機(jī)器，包括個(gè)人電腦、網(wǎng)絡(luò)電腦和發(fā)展工具，適合作為IEEE802·11b標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)處理器。

　　3·家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)置

　　家庭網(wǎng)關(guān)是無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的中繼傳輸裝置，可以由一個(gè)無(wú)線(xiàn)路由和一個(gè)配套的ARMLinux嵌入式系統(tǒng)組成。ARMLinux嵌入式系統(tǒng)的作用是設(shè)定監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線(xiàn)路由的IP地址，并且接收監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，并傳送給無(wú)線(xiàn)路由。無(wú)線(xiàn)路由是目前常用的一種無(wú)線(xiàn)傳輸裝置，通過(guò)它分配所有系統(tǒng)涉及的IP地址，并且將接收到的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控服務(wù)終端。

　　4·監(jiān)控服務(wù)終端的設(shè)置

　　監(jiān)控終端分為兩種：手機(jī)終端和計(jì)算機(jī)終端。

　　（1）手機(jī)終端設(shè)置：調(diào)整手機(jī)Wi-Fi網(wǎng)卡，設(shè)置IP，連接無(wú)線(xiàn)路由，調(diào)用相應(yīng)的播放軟件，對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。并且可以進(jìn)行互動(dòng)交流。

　　（2）計(jì)算機(jī)終端設(shè)置分為兩種情況：室內(nèi)進(jìn)行監(jiān)控和室外進(jìn)行監(jiān)控。

　　室內(nèi)監(jiān)控：調(diào)整計(jì)算機(jī)Wi-Fi網(wǎng)卡，對(duì)計(jì)算機(jī)設(shè)置無(wú)線(xiàn)IP，接收無(wú)線(xiàn)路由傳送數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)的播放軟件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。并且如果計(jì)算機(jī)終端附帶麥克風(fēng)和攝像機(jī)，還可以對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行雙向交流。

　　室外監(jiān)控：可以通過(guò)設(shè)定家庭網(wǎng)關(guān)，對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施監(jiān)控。家庭網(wǎng)關(guān)是一個(gè)人機(jī)交互的Web界面，使用戶(hù)可以通過(guò)Internet了解監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息，實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)控。

　　5·軟件設(shè)計(jì)思路

　?。?）網(wǎng)關(guān)設(shè)置，網(wǎng)關(guān)流程圖如圖3所示：

　　網(wǎng)關(guān)設(shè)置涉及的函數(shù)大約有如下幾個(gè)：

　　Main（）; 主函數(shù)， 網(wǎng)關(guān)的入口地址

　　CenterGateWay; 實(shí)例化的ClientManage和DeviceManage對(duì)象

　　getServerManage; 返回ServerManage對(duì)象，用于監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的控制指令

　　getDeviceManage;返 回DeviceManage對(duì)象，用于監(jiān)管設(shè)備信息

　?。?）監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)流程圖如圖4所示：

　　（3）監(jiān)控服務(wù)端設(shè)置

　　Configure類(lèi)的主要作用：根據(jù)配置文件的信息，解析并提取相應(yīng)的Socket連接參數(shù)。該類(lèi)所用的方法及其功能如下所示：

　　Configure（）;該方法是類(lèi)的構(gòu)造，調(diào)用了readConfigurePropertyFile（）

　　getConfigure（）;實(shí)例化的Configure類(lèi)的對(duì)象

　　readConfigurePropertyFile（）;從Configure，ProperTIes文件中讀取數(shù)據(jù)

　?。?）服務(wù)器端程序DeviceManager類(lèi)的設(shè)計(jì)

　　DeviceManager類(lèi)的主要作用：提取存儲(chǔ)在db4o數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備信息，并把它轉(zhuǎn)化為便于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膞ml文件，同時(shí)該類(lèi)還有實(shí)現(xiàn)添加和刪除設(shè)備信息的功能。該類(lèi)所用的方法及其功能如下所示：

　　DeviceManager（）;構(gòu)造函數(shù)，調(diào)用initDevice（）方法

　　initDevice（）;初始化設(shè)備信息;

　　getDevicesManager（）;實(shí)例化DeviceManager，用于網(wǎng)關(guān)類(lèi)調(diào)用

　　getAllDevices（）;從數(shù)據(jù)口中獲取設(shè)備

　　DeviceObjeceToXML（）;把設(shè)備對(duì)象信息轉(zhuǎn)化為XML文件，用于設(shè)備傳輸

　　AddDevice（）;添加設(shè)備到數(shù)據(jù)庫(kù)中

　　DelDevice（）;從數(shù)據(jù)庫(kù)中刪除指定的設(shè)備

　?。?）服務(wù)器端程序ServerManager類(lèi)的設(shè)計(jì)

　　ServerManager類(lèi)的主要作用：根據(jù)Configure類(lèi)返回Socket連接參數(shù)創(chuàng)建ServerSocket端口監(jiān)聽(tīng)，然后再根據(jù) CenterGateWay調(diào)用DeviceManager類(lèi)初始化設(shè)備信息返回的xml文件信息，向客戶(hù)端（手機(jī)）發(fā)送設(shè)備信息以便客戶(hù)端進(jìn)行UI初始化，同時(shí)監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端發(fā)送的操作指令進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)備操作，并返回反饋信息給客戶(hù)端。該類(lèi)所用的方法及其功能如下所示：

　　ServerManager（）;構(gòu)造函數(shù)，用于開(kāi)辟一個(gè)端口監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的連接請(qǐng)求

　　getServerManager（）;實(shí)例化類(lèi)ServerManager

　　startMonitorClinet（）;開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端的請(qǐng)求

　　Run（）;該線(xiàn)程用于實(shí)現(xiàn)連接請(qǐng)求

　　ClientThread用于向客戶(hù)端發(fā)送設(shè)備信息，同時(shí)調(diào)用analyzeAndExcuteCommand（）;

　　analyzeAndExcuteCommand（）;用于解析客戶(hù)端發(fā)送的控制指令

　　6·軟件的使用

　?。?）系統(tǒng)運(yùn)行的軟件環(huán)境

　　對(duì)于此類(lèi)嵌入式設(shè)備，需要JAVA虛擬機(jī)CVM。可以通過(guò)ARM-LINUX工具鏈來(lái)編譯此虛擬機(jī)，也可以用現(xiàn)成的虛擬機(jī)。jdk1·4·2（LINUX下的版本），CVM源代碼等。

　　此類(lèi)實(shí)現(xiàn)的CVM手冊(cè)上有詳細(xì)的介紹。同時(shí)嵌入式設(shè)備必須裝載外圍的驅(qū)動(dòng)程序。

　?。?）軟件運(yùn)行的硬件環(huán)境

　　客戶(hù)端：對(duì)于手機(jī)平臺(tái)，要求該手機(jī)能支持JAVA平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境，并且需要手機(jī)有Wi-Fi網(wǎng)卡及其相關(guān)設(shè)備。對(duì)于計(jì)算機(jī)平臺(tái)，要求其具有微軟WINDOWS2000或其以上版本的操作系統(tǒng)，并且安裝Wi-Fi網(wǎng)卡及其驅(qū)動(dòng)設(shè)備。

　　服務(wù)器：需要具有InterXscalePxa270芯片的處理器或其高版本設(shè)備。

　?。?）軟件安裝

　　客戶(hù)端程序是把手機(jī)模塊的可執(zhí)行程序裝入能支持JAVA平臺(tái)的手機(jī)中。計(jì)算機(jī)的需要確定操作系統(tǒng)支持JAVA系統(tǒng)，安裝JAVA虛擬機(jī)。

　　網(wǎng)關(guān)程序的安裝就是把嵌入式系統(tǒng)模塊的可運(yùn)行程序與CVM一起燒到嵌入式系統(tǒng)中的Flash中，同時(shí)也要把外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序燒到32M的Flash中。

　?。?）軟件程序的操作

　　根據(jù)我們制定此系統(tǒng)的目的，減輕客戶(hù)端操作時(shí)間和空間。操作的主要步驟是客戶(hù)終端中，而功能的實(shí)現(xiàn)全部在網(wǎng)關(guān)中實(shí)現(xiàn)。預(yù)期目標(biāo)是視頻數(shù)據(jù)的流暢傳輸和實(shí)時(shí)同步傳輸。操作步驟如下：

　?、賳?dòng)所有設(shè)備。②連接網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)路由器自動(dòng)分配給每個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立的網(wǎng)址。③操縱客戶(hù)端軟件，打開(kāi)門(mén)鈴系統(tǒng)的攝像機(jī)和麥克風(fēng)，并且進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。④如果操作正常，可以同步流暢的觀察監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)圖像。否則，返回相應(yīng)的出錯(cuò)提示。

　　三、結(jié)束語(yǔ)

　　本文通過(guò)將Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)和ARM芯片結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)以ARM芯片為載體，Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)為傳輸標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)家用無(wú)線(xiàn)智能門(mén)鈴系統(tǒng)，本系統(tǒng)集門(mén)鈴、監(jiān)控、報(bào)警等功能于一身，具有很強(qiáng)的實(shí)用性能，也為以后家庭建立局域網(wǎng)做一個(gè)示范。在以后的應(yīng)用中，不僅僅是家庭中的門(mén)鈴系統(tǒng)，其他一切智能家電產(chǎn)品都可以納入到這個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，因此具有良好的擴(kuò)充性能。另外，由于Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性和ARM系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文中論述的系統(tǒng)還可以應(yīng)用于商場(chǎng)、公共汽車(chē)等公共場(chǎng)合和交通工具中，成為以后公共局域網(wǎng)和移動(dòng)局域網(wǎng)的一個(gè)發(fā)展方向。