嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 晉，楊一晨，郭 健

（遼寧師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116081）

智能家居系統(tǒng)利用多項(xiàng)高新技術(shù)把家電設(shè)備、家庭安全防護(hù)、家居智能化以及互聯(lián)網(wǎng)有機(jī)的結(jié)合在一起。本文闡述了基于GPRS技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及視頻采集與傳輸技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用FS2410開發(fā)板、GPRS模塊以及 USB攝像頭完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控功能，硬件來(lái)源于FS2410開發(fā)板自帶的資源以及相應(yīng)的傳感器模塊，如溫度傳感器、紅外傳感器等。當(dāng)溫度傳感器所測(cè)量的溫度值高于系統(tǒng)設(shè)置溫度的上限值或者紅外傳感器探測(cè)到有不法分子闖入時(shí)，則開啟相應(yīng)的報(bào)警功能、防盜功能和滅火功能，并通過(guò)GPRS模塊以短消息的形式通知用戶，及時(shí)反饋現(xiàn)場(chǎng)情況，等待用戶操作。同時(shí)用戶可以通過(guò)Internet異地遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看現(xiàn)場(chǎng)情況，并根據(jù)系統(tǒng)中定時(shí)捕獲的圖片數(shù)據(jù)以及具體情況采取不同的措施，以達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

家居監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分如圖2所示，主要包括S3C2410主控制器、USB攝像頭、GPRS模塊、溫度傳感器、紅外傳感器、報(bào)警器和SD卡等。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)硬件示意圖

系統(tǒng)選用FS2410開發(fā)板作為開發(fā)平臺(tái)。由于該開發(fā)板資源豐富，考慮到系統(tǒng)的實(shí)際需求，以ARM2410內(nèi)核為重點(diǎn)，裁剪了必要的功能模塊，設(shè)計(jì)了家居監(jiān)控的硬件模塊。它包含S3C2410 MCU、2片 32 MB NAND Flash、1片2 MB NOR Flash以及1片以太網(wǎng)控制芯片，同時(shí)還包括2路串口通信模塊、2個(gè)USB接口、1個(gè)HOST接口、1個(gè)SD卡接口和1個(gè)液晶接口等。

攝像頭模塊采用中星微ZC301攝像頭，它最高分辨率可達(dá)640×480，圖像清晰、視頻流暢且亮度和對(duì)比度可調(diào)。通過(guò)它可以抓取實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，直接通過(guò)壓縮編碼技術(shù)存儲(chǔ)在SD卡中，也可以把數(shù)據(jù)發(fā)送到BOA服務(wù)器中，這樣可以通過(guò)Internet查看實(shí)時(shí)情況。

GPRS是在現(xiàn)有的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS通信模塊主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器和天線接口6部分組成，支持?jǐn)?shù)據(jù)、短信、語(yǔ)音和傳真業(yè)務(wù)。該模塊在本設(shè)計(jì)中與S3C2410的UART接口1相連接。

溫度報(bào)警器模塊是由單片機(jī) （89C52）作為主控芯片，通過(guò)RS485總線與主控制器（ARM處理器）進(jìn)行通信。溫度傳感器選用Dallas公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20。該芯片與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，它可以直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理，不需要再設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。此外，它還具有微型化、低功耗、高性能及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。用戶可以自動(dòng)設(shè)定報(bào)警的上限溫度。溫度報(bào)警器模塊如圖3所示。

紅外監(jiān)控模塊是一種能檢測(cè)人或動(dòng)物身體的紅外線而輸出電信號(hào)的傳感器。這里把它作為機(jī)器的一種傳感器來(lái)應(yīng)用。例如，在房間無(wú)人的時(shí)候，開啟自動(dòng)監(jiān)控，結(jié)合攝像機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物和人的活動(dòng)等。

SD卡是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，它被廣泛地應(yīng)用于便攜式裝置，這里將其應(yīng)用于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的快速備份。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的目標(biāo)代碼運(yùn)行在S3C2410上，選用的開發(fā)平臺(tái)是 ubuntu 8.10，uboot選用的版本是 0.3.2，Linux內(nèi)核選用的版本是Linux-2.6.8.1，交叉編譯器選用的是gcc-4.1.1，以Linux為嵌入式操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行開發(fā)。圖4為開機(jī)啟動(dòng)的主進(jìn)程；當(dāng)發(fā)現(xiàn)盜賊時(shí)，則進(jìn)入圖5所示的防盜進(jìn)程；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，則進(jìn)入圖6所示的防火進(jìn)程。

圖4 主模塊設(shè)計(jì)流程圖

圖5 防盜模塊設(shè)計(jì)流程圖

圖6 防火模塊設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)中，消息的傳遞采用共享內(nèi)存的通信方式，共享內(nèi)存相比其他幾種方式有著更方便的數(shù)據(jù)控制能力，數(shù)據(jù)在讀寫過(guò)程中會(huì)更透明。當(dāng)成功導(dǎo)入一塊共享內(nèi)存后，它只是相當(dāng)于一個(gè)字符串指針來(lái)指向一塊內(nèi)存，在當(dāng)前進(jìn)程下，用戶可以隨意的訪問(wèn)，決定使用共享內(nèi)存的通信方式。在共享內(nèi)存中定義的協(xié)議如下：

攝像頭模塊的程序設(shè)計(jì)主要是在Linux內(nèi)核中加入對(duì) ZC301的支持。Video4Linux（簡(jiǎn)稱 V4L）是 Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場(chǎng)上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。

GPRS模塊的通信、調(diào)試都是主機(jī)通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AT指令集是調(diào)制解調(diào)器通信接口的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，AT指令是調(diào)制解調(diào)器可以識(shí)別并執(zhí)行的命令。使用它可以配置調(diào)制解調(diào)器，配合通信軟件與遠(yuǎn)端系統(tǒng)通信。圖7是利用GPRS模塊來(lái)發(fā)送系統(tǒng)的狀態(tài)，并且等待用戶指令的流程。

圖7 短消息的接收與發(fā)送

溫度報(bào)警器模塊主要利用DS18B20來(lái)獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的溫度值，同時(shí)和系統(tǒng)中設(shè)置的上限值（這里設(shè)置為40℃）進(jìn)行比較，如果大于上限值，則執(zhí)行防火監(jiān)控進(jìn)程。內(nèi)核空間通過(guò)中斷方式獲取當(dāng)前的溫度值，應(yīng)用程序通過(guò)內(nèi)核提供的copy_to_user函數(shù)來(lái)獲取溫度數(shù)據(jù)。

紅外監(jiān)控模塊主要利用了熱釋電紅外傳感器來(lái)感受外界的變化，產(chǎn)生跳變沿，從而產(chǎn)生中斷的方式，以異步的方式上報(bào)事件，進(jìn)行防盜監(jiān)控。

內(nèi)核空間的設(shè)計(jì)為：

用戶空間的設(shè)計(jì)為：

//修改相應(yīng)的描述符，在設(shè)備中設(shè)置FASYNC異步標(biāo)志

SD卡模塊主要是利用Linux內(nèi)核提供的udev機(jī)制處理可熱插拔/動(dòng)態(tài)設(shè)備，結(jié)合 Linux下的linuxrc腳本文件，快速實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。

為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web戰(zhàn)術(shù)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選用了支持 CGI（Common Gateway Interface）技術(shù)的 BOA服務(wù)器。CGI在物理上是一段程序，運(yùn)行在服務(wù)器上，提供同客戶端 Html頁(yè)面的接口。

本系統(tǒng)選用SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)具有功能強(qiáng)大、接口簡(jiǎn)單、速度快、占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，使其比較適用于嵌入式系統(tǒng)中。SQLite主要用于BOA服務(wù)器登錄的驗(yàn)證。

4 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

本文結(jié)合GPRS、Internet以及視頻采集技術(shù)實(shí)現(xiàn)了具有豐富軟硬件資源、低成本、低功耗、便于擴(kuò)展、升級(jí)及維護(hù)等特點(diǎn)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)了遠(yuǎn)程登錄界面，便于增加系統(tǒng)的安全級(jí)別。圖8是用戶登錄到系統(tǒng)之后，通過(guò)相應(yīng)的管理標(biāo)簽來(lái)管理系統(tǒng)中的設(shè)備開啟、關(guān)閉以及其他控制，同時(shí)，在標(biāo)簽下面實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前的溫度值。圖9是系統(tǒng)定時(shí)抓取到的圖片數(shù)據(jù)，并保存在BOA服務(wù)器中，用戶可以通過(guò)頁(yè)面動(dòng)態(tài)地查看。圖10上半部分是GPRS模塊的控制部分，用戶可以通過(guò)頁(yè)面來(lái)發(fā)送相應(yīng)的消息，其中的MSG指的是消息的內(nèi)容，NO.是指發(fā)送的號(hào)碼，通過(guò)發(fā)送按鈕就可以發(fā)送消息。圖10下半部分是基于Web應(yīng)用的AJAX技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)頁(yè)面的動(dòng)態(tài)刷新。頁(yè)面中顯示的是系統(tǒng)收到的號(hào)碼，以及相應(yīng)的指令。

圖8 管理頁(yè)，顯示監(jiān)控，狀態(tài)控制功能

圖9 捕捉圖片顯示頁(yè)

圖10 短信息的發(fā)送和接收

本文基于Linux操作系統(tǒng)，利用S3C2410為主處理器，結(jié)合GPRS以及Internet實(shí)現(xiàn)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，控制過(guò)程可靠，使其可以廣泛的應(yīng)用于實(shí)際生活中。

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