基于ARM及ZigBee的智能家居遠程監控系統實現路徑

陳培英+王承林+胡紅林+尹世忠

摘 要： 以用戶對智能家居遠程監控系統的實際需求入手，根據用戶的需求及其未來發展趨勢，基于ZigBee技術和ARM處理器設計一款智能家居遠程監控系統，進一步闡述該系統報警聯動、視頻監控、紅外信號收發等模塊功能及實現方法，以期達到智能化、網絡化管理家居環境的目的，具有較好的推廣和應用價值。

關鍵詞： ARM； ZigBee協調器； 智能家居； 遠程監控系統

中圖分類號： TN948.64?34 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著科學技術、信息技術的發展，遠程監控系統在智能建筑、消防控制等領域得到了廣泛應用，遠程監控系統也成為各行業重點部門和場所安防監控的基礎，管理部門可借助該系統獲取視頻圖像信息，實現監控、處理異常事件的效果。國內外紛紛提出智能家居、智能小區等相關概念并開發出一系列產品。如今，市場上已開發大量智能家居類產品，例如，美國霍尼韋爾、海爾網絡家電、HAI公司生產的智能家庭產品等，這些產品廣泛應用于多個國家和地區。隨著居民日常生活水平的提升，多數居民對自身居住環境提出更高的要求，迫切想要見證現代智能家居的飛躍。為滿足大眾對居住環境的要求，越來越多的研究者、廠商專注于智能家居研究范疇中。基于ZigBee技術為家居環境設計遠程監控系統，能滿足人們向往高品質、智能化的生活體驗，便于用戶遠程管理、監控居住環境。本次研究在深入分析用戶對智能家居遠程監控系統需求的基礎上，詳細介紹該系統結構及各模塊實現流程，通過上述裝置控制家居環境，幫助用戶遠程管理、控制家居環境。

1 分析系統設計需求

智能家居最早出現在20世紀80年代，美國聯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施計應用案例，這成為各國爭相制造智能家居技術的開端。基于這種背景下，歐洲、日本等經濟技術發達的國家陸續推出一系列智能家居解決方案，并制造出相應的執行協議或標準。但智能家居在國內起步較晚，這不僅有市場普及方面的因素，也有產品技術方面的問題。從技術上分析，早期國內智能家居多使用總線集成、電力載波等方法，上述方法導致其在安裝、維護、調試等環節出現問題，增減部分家電設備也會遭受諸多不便，這種情況直接影響智能家居在國內的發展。近些年，隨著無線網絡、ZigBee技術的發展，使智能家居迎來新的發展機遇。因智能家居具有廣闊的應用前景和市場需求，智能家居系統受到國內外研究者的重視和關注，并獲取了較大的研究成果。為此，本文針對家居環境中的安全隱患提出設計遠程視頻監控系統，以期全面監控家居環境下的各項設備，達到報警探測、視頻監控雙重保障的效果。

用戶對遠程監控系統的設計需求如下：

（1） 能夠實時采集室內視頻監控畫面，便于用戶遠程監管自己的居住環境。為達到系統控制的精度及數據傳輸效率，要對原始采集數據實施去噪等處理。如果發現家居環境中設備參數大于預設值，依據預案啟動現場預處理等措施[1]。

（2） 若發現家中老人、小孩存在異常情況或不安全舉動，可借助前端對講功能與家人聊天，詢問相應的情況。

（3） 可依據用戶的要求打開或關閉室內的照明設備，甚至是調整光線強弱。

（4） 用戶可利用PC或其他移動終端登錄家用網關中的紅外家電控制界面，遠程控制家居環境下照明、安防等設備狀態[2]。

（5） 家居照明控制主要分為開啟、關閉和光照強度控制三個部分，主臥、客廳、書房、廚房具有燈光設備開關控制和強度調節功能，除設計用戶手動控制外，可結合人體紅外感應探頭、時間等信息，設定不同場景下的光照強度，為用戶提供節能、舒適的照明服務。此外，本次設計的遠程監控系統，用戶能夠在第一時間調動各方力量解決家中危機，把危害程度降至最低狀態。

2 智能家居遠程監控系統結構

智能家居系統網絡主要包括家庭網關、內部網、終端用戶三個部分，具體結構見圖1。其中，家庭網關是整個系統的核心，主要負責采集、處理由內網ZigBee節點傳感器獲取的數據，并向外網PC或終端設備發出監測環境的數據[3]。同時，用于實現各種協議之間的轉換和數據交互，并負責整個網絡的安全。在家庭網關中，依托ARM芯片與網卡實現網關功能，連接好內部外部網絡，并實現信息交互。內部網是指ZigBee自組網，依據家庭布局通過星狀或樹狀拓撲結構完成設計。ZigBee自組網中包含多個終端節點，上述節點配合家居環境中的電器開關、溫濕度傳感器等設備，達到遠程監控的目的。終端用戶是由PC或終端設備依托因特網對家居環境內部實施遠程監控，從而滿足用戶多方面的需求，大大提升用戶的體驗滿意度。此外，智能家居控制器是整個遠程監控系統的控制中心，其硬件是各種設備任務調度、通信協議轉換、數據管理等任務的中央處理器。本文由可擴展性、功耗、操作功能等方面，挑選功能強大的S3C610為主處理器，它作為一款高性能嵌入式處理器，支持運行Linux操作系統。人機接口方面設計觸摸屏，用來展現家居設備的狀態及用戶手機發出的各項信息，便于用戶輸入各項操作指令。該系統控制器設置2個通信模塊，ZigBee協調器、GPRS模塊，其中，ZigBee協調器主要負責建立ZigBee網絡，把各個監控模塊加入網絡中，并接收來自各監控模塊的信息及報警信號，借助RS 232接口與ARM處理器實現數據交互[4]。GPRS模塊主要由主機模塊、音頻、射頻及SIM卡接口四部分組成，使用SIM300芯片與ARM實現數據傳輸。

3 各功能模塊設計與實現

3.1 用戶登錄模塊

終端用戶采用Web瀏覽器借助3G/4G網絡訪問家庭網關中的智能家居監控系統網站，終端用戶向應用服務器發出用戶請求信息，家庭網關接收登錄請求并判定用戶請求賬號數據與數據庫存儲信息是否一致。如果登錄信息正確，自動跳轉至系統主界面，否則，拒絕用戶登錄。用戶登錄流程見圖2。

3.2 溫濕度傳感模塊

遠程監控系統中一個重要的內容是檢測室內環境信息，以此檢驗整個系統的遠程控制功能。本文選用DHT11溫濕度傳感器對室內環境實施檢測，這款傳感器具備同時檢查溫度與濕度的功能，并配備校準字數信號輸出功能，且具有較高的可靠性、低功耗，從而滿足系統運行需求。同時，DHT11使用先進的采集和傳感技術，通過數字化模塊構建產品，不僅能減小產品體積，也能有效降低功耗[5]。此外，該模塊以DAAT實現微處理器與DHT11之間的通信，接線非常簡單，易于系統集成，其引腳說明見表1，它每次通信時間約為4 ms，共發出五組數據，具體包含實時檢測的溫濕度整數、小數部分及校驗數據，其實現電路見圖3。

3.3 照明控制模塊

智能家居環境下，照明控制模塊采用計算機技術并輔助其他手段自動控制電力照明設施，提供最佳照明并降低照明引起的消耗及其他費用。設計該模塊旨在實現遠程控制居住環境，其能有效控制單個燈開關，也可一鍵控制整個家居環境所有燈開關[6]。本模塊設計中，主要通過繼電器、NPN型三級管負責居室內開燈或關燈。本系統的應用能避免長明燈的情況，有效節約管理成本，降低人為資源浪費，其實現流程見圖4。

3.4 報警聯動模塊

家居環境中已有監控系統并未設置自動消防的功能，但在監控范圍中，監控人員可由監控畫面及時發現火災隱患或可疑人員入侵，因此，報警聯動模塊的設計尤為重要。當突發火災或有可疑入侵時，監控人員可通過視頻發現，并啟動報警聯動模塊發出警報，開啟與之對應的消防或安防設施[7]。同時，該模塊支持不同的報警類型，包含硬盤出錯報警、視頻丟失報警、智能分析時間報警等，其聯動方法包含客戶端聯動、短信發送、通道抓圖等，模塊結構見圖5。

3.5 紅外信號收發模塊

紅外收發模塊是指運用AVR單片機學習或轉存紅外遙控器信號，因該模塊需要根據ENC協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，本模塊基本可實現多數紅外遙控編碼。本系統所用的紅外學習模塊以ATmega16為處理器，載波信號可從單片機內部的定時器產生，如果想要進一步精確載波頻率，需采用示波器等進行相應的調試。紅外收發模塊發射流程見圖6。

紅外信號收發模塊接收到上位機發出的指令后，與系統內存儲的指令進行比較，若發現指令已存在，表明也存在相應的紅外編碼，隨之，將對應的紅外編碼取出獲得調制信號則驅動紅外發光二極管。同時，通過發出紅外編碼引導碼，隨后發送數據和客戶碼，成功即可控制家用電器；若指令不存在，模塊會自動向上位機發出信息，證實發送的紅外編碼并未進行學習。

3.6 視頻監控模塊

視頻監控模塊主要由采集模塊、視頻錄像及視頻遠程傳輸等部分組成。視頻采集模塊通常采用芯片的視頻采集卡來工作，運用Windpws的接口，順利完成視頻的采集工作[8]，其實現流程見圖7。視頻編碼模塊則運用MPEG4的視頻壓縮功能來完成視頻編碼的制作。完成視頻編碼之后的數據會被保存至硬盤之中，首先檢查硬盤是否具有相應的存儲空間，最后把數據寫入硬盤之中。視頻遠程傳輸模塊經過編碼之后的數據由Internet網絡傳送到手機及客戶端的軟件。一般的流程步驟為：新建套接字，監聽、接收連接指令，連接完成，從緩沖區域讀取數據信息，實現數據傳輸并斷開連接命令。

4 結 論

綜上所述，依托ARM及ZigBee設計智能家居遠程監控系統是對以往安防技術的改革和更新，運用ZigBee技術建立內部無線網卡，通過接入GPRS模塊，打造出更加安全、可靠的遠程控制和報警系統，保證廣大人民群眾的生命財產安全。本文研究在分析過去智能家居系統維護成本高、移動性差等問題的基礎上，基于ARM芯片、ZigBee技術設計智能家居遠程監控系統，并詳細介紹各模塊的設計與實現方法，以期為類似研究提供一定指導。

參考文獻

[1] 陳強.嵌入式智能家居遠程監控系統的設計與實現[J].河南科技，2016，15（7）：43?44.

[2] 蘇開生.基于B/S架構的嵌入式智能家居遠程監控系統[J].通訊世界，2015，19（10）：71.

[3] 張玉，姚凱學，何勇，等.基于S3C6410的智能家居遠程監控系統的設計與實現[J].現代電子技術，2016，39（10）：159?161.

[4] 季建華.基于物聯網的智能家居遠程監控系統設計與實現[J].計算機應用與軟件，2015，32（11）：143?146.

[5] 任松.基于ZigBee和WIFI的智能家居遠程監控系統設計與實現[C]//第八屆全國信號和智能信息處理與應用學術會議會刊.北京：中國高科技產業化研究會，2014：312?317.

[6] 吳凱，張弛，王詩睿，等.智能家居無線遠程監控系統電路設計與實現[J].建筑電氣，2014，33（3）：61?64.

[7] 曾欣慧.面向Android客戶端的無線視頻監控系統設計[J].現代電子技術，2016，39（12）：6?9.

[8] 范燕，俞洋，李永義，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的遠程監控系統[J].實驗室研究與探索，2016，35（1）：80?84.