嵌入式Web智能監控物聯網系統設計與分析

楊峰

摘要：研究借助嵌入式Web服務以及無線組網技術等，設計了智能家居監控系統。其在ARM平臺上通過移植嵌入式操作系統對系統軟件、硬件進行設計，在相應工具的作用下，建立生成了嵌入式web服務，配置無線網卡，由無線傳感對網絡進行控制，對終端節點程度、協調器節點進行設計，最后建立了數據通信協議，經過測試，該智能家居系統能夠實現對家居環境的遠程控制。

關鍵詞：嵌入式web;智能監控;物聯網;系統設計

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）02-0079-02

在云計算時代，似乎一切設備都可以連接到互聯網。從智能手表到家用電器，從無人駕駛汽車到監控攝像頭，物聯網這個龐大的傳感器網絡將產生海量的數據。物聯網和云計算通常都是獨立運行，但這兩種技術有著不可分割的聯系[1]。目前智能設備已經覆蓋工業、農業、家居等多個領域，在智能設備作用下，通信技術能夠與互聯網連接，有利于實現信息交換與共享，人工智能技術在塑造未來將發揮巨大作用。憑借其可以獨立于工作人員協助而學習的軟件的承諾，人工智能成為一款強大的工具，其巨大的潛力使所有其他工具相形見絀[2]。

作為我國新型戰略性產業，物聯網受到了社會各界的廣泛關注，在定位技術、傳感技術以及信息收集等多種技術的支持下，物聯網將物品與互聯網實現了連接，使人們的生活趨于智能化，同時也促進了各類新興產業的發展[3]。智能家居正是物聯網時代人們的可行性需求。將控制器、互聯網等與網絡相連接，結合自身需求對設備進行遠程控制，這也成為智能家居發展的主要方向。

1 系統總體設計

信息時代的到來，互聯網的便捷性，促進了物聯網、智能家居等產業的發展，以智能家居行業為例，智能家居的核心應用，無論是遠程遙控、還是全屋聯動，這都需要互聯網技術的支撐。從2015年起，智能家居的產業就在我國遍地開花，經過多年的大浪淘沙，智能家居技術、產品和解決方案已經越發成熟。目前，智能家居除對遠程控制的需求外，還提出了安防報警器等安全需求，力圖實現對家居環境、智能報警等信息的收集。首先需要組建一個完善的家庭內部網絡體系，各類家電設備能夠互聯互通，智能網關的傳輸以及家具系統網絡信息融合都需要在無線通信方式下實現[4]。除此之外，為了給用戶提供便利，還引入了移動終端，用戶在PC端、手機端也能夠隨時了解家電的工作情況，并根據需要做出相應的調整與修改。用戶的操作在瀏覽器中會遺留痕跡，保證用戶可遠程監護家居信息及家電設備。本研究在進行系統設計時首先考慮的是收集家電設備工作情況，用戶能夠遠程發出指令控制其工作狀態;其次，感知層收集數據能夠在無線通信網中到達智能網關，作進一步傳輸[5];第三應用層與感知層數據可在智能網關下完成信息共享、家電互聯等;最后家電設備及用戶家居環境相關信息要能夠保證實時瀏覽。結合以上需求，設計如下智能家居系統架構（圖1）。

2 系統軟硬件設計分析

2.1 系統硬件設計

2.1.1 主控芯片

研究采用的芯片為S3C2400主控芯片，該芯片具有耗能低、體系小等優勢，其作為一種高性能處理器，不僅擁有內存管理模塊，而且采用高級微控制器總線架構，可有效降低系統運行中產生的能耗。主控芯片所采用的總線及硬件接口均為日常常用類型，LCD控制器、中斷控制源實現有效集成。

2.1.2 串行通信接口設計

系統在串行通信接口設計方面實現了全雙工串口通信，主要包括計算機串口調試與智能主機兩個環節，為連接協調器與智能家居主機，采用了交叉串口，另外還采用協調器與USB轉串口實現相互連接。為確保順利通信，共設計了三個串口通道，因此需要在編寫程度時對串口所對應的寄存器進行合理配置。

2.1.3 USB接口電路設計

USB端口設計重點環節為下載程度以及其外部設備連接。此次研究所選用的主控芯片包括Host與Slave兩種接口，前者能夠對4個接口進行擴展，且其所擴展得到接口均是對應的，只要將設備驅動程度添加到相應的內核便能夠在接口中對設備進行正常使用。后者主要功能為軟件下載，其電路結構如圖2所示。

2.2 系統軟件設計

2.2.1 終端節段設計

智能家居遠程控制主要是通過終端節點實現的，而數據信息收集、網絡連接則是終端節點的關鍵環節。利用網絡發送收集信息，并能夠對網絡連接請求做出響應。一般情況下，信息搜集所用時間較長，因此，短時間內僅能夠實現一次數據上傳。在具體操作中，先對芯片進行初始化奧做，然而通過網絡監聽，待加入網絡后，將數據在預先設定時間發送到網絡。

2.2.2 客戶端軟件設計

目前，4G技術已經普及，5G技術正以飛快速度迅猛發展，再加上智能手機、移動互聯網的發展，手機客戶端給人們的生活帶來了極大的便利，因此與PC客戶端相比，手機端具有更大的優勢[6]?；谶@一發展實際，此次研究設計的是Android客戶端版本，其中室內環境觀察及電器控制是兩個重要模塊。用戶只需用手機連接網絡，便能夠隨時對室內環境進行觀察，通過向主機發送命令，實現對家居的控制。主機接收命令需要經過數據查詢、數據處理，才能發送到手機端供用戶選擇，視頻數據需要解碼才能夠顯示。此次研究在Android平臺上安裝了T254源代碼，需要注意的是要統計數據結構，以便代碼的順利移植。

2.2.3 協調器設計

協調器是確保ZigBee組網的重要工具，其能夠對終端節點發送的信息進行接收，并上傳信息到上位機進行發送[7]，除此之外還能夠保障服務器的正常運行，對客戶端請求做出響應。研究充分利用了抽象層管理系統資源，對主程序進行設計，然后加入ZigBee節點，確保組網相關操作及事件處理的順利實現。

2.2.4 無線組網通信模塊設計

首先需要將協調器啟動，初始化處理協議棧，設置射頻信號，將無限網絡啟動，在網絡中添加家用電器協議終端節點。然后掃描射頻信道，在協調器作用下完成接收、申請，準確評估節點數量，當存在>1個加入節點時，提示已經順利組網。這個過程需要節點恢復，并完成地址的分配等相關操作，按照上述步驟反復進行，所有家電終端節點便能夠都順利組網。

2.2.5 視頻監控模塊

智能家居遠程無線監控主要是依賴視頻監控模塊實現的，這就要求該模塊能夠對視頻數據做出相應的處理，該模主要架構為無線視頻節點與視頻信息集成中心，信息的交流需要通過編程接口實現。當無線監控獲得錄像后，首先要對視頻圖像進行壓縮，并做好編碼。視頻監控區域信息定位技術還能夠將視頻進行大小轉換，節省系統存儲空間。采用離散余弦算法能夠優化視頻圖像處理及計算，能夠在保障圖像質量的前提下，優化內存。

3 系統性能測試

客戶端需要提前在智能家居主機中安裝web服務，才能夠控制家居環境觀察及對家電設備的控制。本研究選擇能夠實現C++語言映射的SOAP工具開發包，其不僅能夠對數據結構進行分析，而且涵蓋對不同語言操作及語言環境。軟件開發者可借助C++編寫相應的應用程序，進而獲得所需的客戶端程序[8]。無線傳感控制網、智能家居主機是該系統的兩大元件。在具體實踐應用中，先配置好無線傳感網絡，然后在程序中添加所選的協調器節點，打開各個終端節點模塊，當入網指示燈亮，說明加入網絡成功。在USB串口芯片作用下，協調器與智能家居主機相連接，可實現數據通信。打開客戶端軟件，輸入端口號以及智能家居主機IP，便可成功連接該系統，進而與智能家居系統互通，此時用戶可根據需要控制家居。

4 結束語

互聯網技術的發展為人們的生活帶來了翻天覆地的變化，物聯網技術日趨成熟，家電設備、環境信息等均能夠實現信息化，智能家居系統的設計為人們更好的控制、使用家電設備、構建安全、舒適的家具環境提供了技術支持。通過性能測試，發現該系統成本低、運行流暢，可滿足用戶需求。

參考文獻：

[1] 鄧昀， 李朝慶， 程小輝. 基于物聯網的智能家居遠程無線監控系統設計[J]. 計算機應用， 2017， 14（1）：159-165.

[2] 劉雨青， 李佳佳， 曹守啟， 等. 基于物聯網的螃蟹養殖基地監控系統設計及應用[J]. 農業工程學報， 2018， 16（1）：205-213.

[3] 彭意兵， 王帥， 何頂新. 安全監督內核uVisor的智能家居端節點系統安全設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2019， 19（3）：21-26.

[4] 沈剛， 蔡強， 丁興亞，等. 基于物聯網的汽車智能防盜系統實驗教學平臺設計[J]. 實驗技術與管理， 2018， 35（10）：139-141.

[5] 巴音查汗， 安鵬. 基于嵌入式及RFID物聯網技術的智慧校園系統設計與實現[J]. 現代電子技術， 2017， 26（16）：71-73，76.

[6] 劉洋. RFID技術的多天線及其饋電網絡的監控系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用， 2019， 16（7）：36-40.

[7] 周秋霞， 楊春杰. 基于物聯網技術的智慧圖書館監控管理系統設計[J]. 自動化與儀器儀表， 2018， 14（11）：252-253.

【通聯編輯：光文玲】