基于ARM的智能家居監控系統設計

摘要：隨著科學技術的快速發展以及人們經濟收入的提高，人們的物質文化生活的需求也在日益增長。安全舒適的家居能夠提高人們生活質量，智能家居的出現恰好滿足這一需求。智能家居監控系統更是智能家居不可或缺的一部分。文章利用ARM嵌入式技術設計了智能家居監控系統，打造更加便利的居住環境。

關鍵詞：智能家居；ARM；視頻監控；流程設計

中圖分類號：TP311.1文獻標志碼：A

0 引言

智能化家居提高了現代人的生活水平。傳統的監控系統價格昂貴、功能差，無法滿足現代化生活的需要。嵌入式網絡視頻監控系統具有體積小、功耗低、可靠性高等優勢，被廣泛應用于智能化家居的生活安防系統。家居的智能化主要通過設計家庭控制系統而實現，而家庭控制網絡則是實現家居智能化控制的關鍵。因此本文基于ARM嵌入式技術，設計了一套與智能家居相結合的嵌入式網絡視頻監控系統，實現了智能化家居控制系統的安全可靠運行。

1 支持智能家居的無線通信

無線寬帶（Wireless Fidelity，Wi-Fi）是一種采用無線通信方式連接無線局域網技術的通信設備，主要工作在2.4 GHz和5 GHz的頻段。在日常應用中，無線局域網（Wireless Local Area Network， WLAN）又常被稱作Wi-Fi，兩者有區別但又密切相關，Wi-Fi網絡使用無線通信方式，無需繁雜的網絡布線就能夠實現部分區域網絡的全覆蓋，實現整個區域網絡的數字化與無線化，使人們的生活變得更加方便與豐富［1］。目前，Wi-Fi網絡已被廣泛應用于家庭、企業以及公眾熱點區域，實現用戶終端設備的靈活接入。

無線局域網借助無線通信技術，不同于傳統有線局域網存在布線的問題，是計算機技術和無線通信技術相結合的成果。而Wi-Fi作為無線局域網中常用的通信標準，是短距離無線技術，通常被應用于家庭以及各種辦公場所，具有傳輸速度快、覆蓋范圍廣、便利性好、成本低、可靠性高等優點，具有十分廣闊的市場前景。隨著Wi-Fi技術的不斷發展和完善，其組網方便、成本低廉、覆蓋范圍廣和傳輸速率高等優勢有效彌補了用戶網絡終端接入技術的缺陷。綜合考慮系統的可靠性、傳輸能力、實時性、經濟成本以及系統的可行性等因素，本文研究的智能家居監控系統采用Wi-Fi無線通信技術，以滿足智能家居監控系統的應用要求。

2 嵌入式系統及其架構介紹

嵌入式系統是一種以應用為中心、軟硬件可裁剪、體積小、功耗低、具有很強專用性的計算機系統。嵌入式系統往往采用“軟硬件同時設計”的設計方法，即在相同的開發環境和開發工具下進行軟件和硬件的協同開發、設計以及綜合驗證等［2］。在目標應用系統的引導下，系統綜合研究系統軟件和硬件的功能，整合現有資源，同時設計出系統的軟、硬件體系結構，并且合理地分配軟、硬件功能，本文所提方案在最大程度上挖掘出系統的軟、硬件能力，得到了高性能、低成本的設計方案。

一個完整的嵌入式系統由中央處理單元（Central Process Unit，CPU）、外圍硬件設備、操作系統、應用程序等部分組成。其中CPU是整個嵌入式系統的核心部件，具有強大的處理能力和高集成度，CPU包含運算器和控制器模塊［3］。在CPU基礎上本文研究配置相應的外圍電路，即可形成嵌入式最小系統。目前人們將一些常用的外圍電路和應用器件集成在一塊電路板上，形成能夠滿足一般用戶需求的通用核心系統，便于人們進行學習和應用開發調試。待開發調試完成后，用戶可以根據實際需要進行軟硬件的剪裁，形成真正的嵌入式應用系統。

嵌入式系統主要是由功能層、軟件層、中間層、硬件層等組成，結構如圖1所示。硬件層包含所有硬件資源；中間層用于幫助支持應用開發和工作軟件，規范了軟件對硬件的使用；軟件層可以協調各個硬件模塊的工作，合理調度系統資源，維護系統的正常運行；功能層是針對特定的應用領域，通過應用程序來實現用戶的預期目標。

目前，嵌入式系統被應用于工農業生產、日常生活、工業控制、航空航天等諸多領域。隨著科學技術的快速發展，嵌入式系統不僅能夠在這些領域中被深入應用，還可以在其他領域中日益顯現其作用。

早期的智能家居監控系統終端大多是由單片機進行控制的，存在擴展性不足和處理能力不高等缺點。嵌入式系統具有超強的網絡功能處理能力，加上控制軟件程序應用可實現新功能的增加和性能的大幅提升，進而形成一個完整的智能家居監控系統。

3 監控系統主控模塊

智能家居視頻監控系統的硬件部分由基于ARM的嵌入式系統構成的視頻監控前端和監控主機服務器2個部分組成。

視頻監控系統的前端主控模塊由基于SAMSUNG的S3C2440的ARM9核心模塊和Micro2440軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）開發板及VGA顯示卡構成。Micro2440開發板由Micro2440核心板和Micro2440 SDK底板組成，Micro2440核心板是以ARM9架構處理器為核心的最小系統板，具有最基本的系統配置。CPU采用基于ARM的ARM920T處理器核的SAMSUNG S3C2440處理器［3］。控制器采用0.13 μm制造工藝的16/32 bit微控制器。所提方案在該處理器內部集成了豐富的資源。

處理器核心板通過排線接口與SDK底板連接，能夠使用底板上擴展的各種接口，也可以根據應用要求實現更多的接口擴展。Micro2440開發板可支持ARM-Linux、WindowsCE5.0/6.0、uCos2、2440test等程序，并為其提供完整的源代碼包，擁有相應的編譯開發工具，為用戶提供良好的開發環境。利用相應的開發工具，所提方案能夠實現智能家居監控系統各種功能控制軟件的開發和運行。

在實際應用中，如果需要設置本地視頻數據存儲，所提設計方案可以通過通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）接口連接外置大容量硬盤。此外，本系統在SDK開發板上還配置了VGA模塊，通過VGA接口可以直接連接顯示器，實現本地系統監控設備。

4 系統硬件的總體架構

智能家居視頻監控系統主要以視頻監控綜合平臺為核心。文章主要討論視頻監控系統中基于ARM嵌入式系統控制的前端部分。前端部分系統的硬件設計總體架構如圖2所示。監控前端部分包括以ARM9為核心處理器的控制模塊、視頻采集和編解碼單元以及本地存儲器、有線和無線網絡通信接口模塊。本地存儲器作為前端的視頻信息緩存，主要用于平滑網絡傳輸，避免網絡繁忙造成視頻監控系統數據丟失，其無需較大容量。監控數據可以根據設置和網絡實際連接情況，選擇采用有線或無線網絡傳輸。因此，前端模塊需要配置有線和無線網絡接口［4］。根據需要，設計方案還可以在前端系統中設置簡單的按鍵輸入設備和顯示設備。

智能家居視頻監控系統前端模塊對視頻信號的主要處理過程包括攝像頭視頻信號采集的數字化轉換、視頻數據流的接入存儲和初步處理、本地顯示以及監控視頻數據的上傳。

視頻監控前端模塊采集的監控視頻數據流在經過初步處理后，還必須上傳至系統視頻服務器，實現集中存儲和綜合分析。前端模塊配置有線網絡接口和無線通信模塊，以有線的以太網網絡優先作為視頻數據上傳通道，Wi-Fi無線通信方式作為備用上傳通道。

5 方案介紹

5.1 主控模塊

主控模塊是智能家居視頻監控系統前端部分的核心，控制視頻監控系統前端部分的運行，主控模塊如圖3所示。

5.2 工作流程

在視頻監控系統中，基于ARM嵌入式系統控制的前端部分工作流程如下：數據采集→編碼壓縮→存儲傳輸→遠程監控控制。

（1）攝像頭或攝像頭模組：作為前端數據采集設備，用于拍攝實時的視頻或圖像。所采用的攝像頭通常具有高分辨率、廣角、自動對焦等功能，以適應不同監控場景的需求。

（2）視頻編碼器：用于將攝像頭采集的視頻信號轉換為數字信號，并進行壓縮編碼，以減小數據量并節省存儲空間和帶寬。常用的視頻編碼標準包括H.264、H.265等。

（3）存儲和傳輸：ARM嵌入式系統可以將處理后的視頻數據存儲在本地存儲設備（例如SD卡）中，也可以通過網絡傳輸到遠程服務器或云端存儲，這樣用戶就可以隨時隨地訪問和管理視頻數據。

（4）遠程監控與控制：通過網絡連接，ARM嵌入式系統可以與遠程監控中心或者用戶設備進行通信，實現遠程監控和控制。用戶可以通過手機、電腦等終端設備實時觀看攝像頭視頻、回放錄像、調整系統設置等。

5.3 擬解決的問題

從系統設計部分來看，智能家居監控系統沒有應用其他的監控傳感器，關于聲、光、電等方面的告警無從得知。因條件有限，文章采用本地化部署監控服務器的方式進行視頻監控，可擴展性較差。因此，未來研究將對系統的易拓展性進行進一步提升。

6 結語

智能家居視頻監控系統利用現有的高科技技術，能夠隨時監控家居的生活情況。當發現家庭住宅或周圍環境異常時，監控系統能夠通過互聯網終端、手機客戶端等向用戶及時報告問題或直接報警。用戶還可利用智能家居的遠程監控系統，通過手機、電腦等對智能家居設備進行進一步處理，保證家庭財產和人身安全。用戶也可通過手機、電腦等查看家中各方位攝像頭，了解家中門窗的安全情況以及家中成員的活動情況。智能家居視頻監控系統能夠惠利民生，存在較高的發展空間。

如今，智能家居視頻監控系統的需求日益增長，許多研究機構都在積極地開發研究，展開市場調研，希望能早日研制出更符合市場需求的監控系統。智能家居監控系統的進一步完善將繼續推動相關軟件市場的發展，未來，智能家居視頻監控系統的使用勢必更加普及。總體而言，智能家居監控系統的功能旨在提供全面保護并確保人員和財產的安全，增強居民的防范意識，從而營造出安全、健康、舒心的家居環境。

參考文獻

［1］余勝賢.基于藍牙Mesh和Wi-Fi的智能家居控制系統設計與實現［D］.杭州：杭州電子科技大學，2023.

［2］尹虎，于娟，戚明珠.嵌入式系統在智能家居環境中的應用［J］.電子技術與軟件工程，2022（15）：29-32.

［3］呂洪波，徐欣，王新超.嵌入式網絡攝像機的研究與設計［J］.科技信息（學術研究），2007（27）：226-227.

［4］何鑫宇.基于ARM的智能家居監控系統的設計與實現［D］.南京：南京郵電大學，2022.

Design of smart home furnishing monitoring system based on ARM

Abstract： With the rapid development of science and technology and the increase of people’s economic income， people’s material and cultural life demand is also increasing. Safe and comfortable home furnishing can improve people’s quality of life， the emergence of smart home furnishing just can meet this demand. Smart home monitoring system is only an indispensable part of the smart home furnishing. This paper uses ARM embedded technology to design the smart home furnishing monitoring system， to create a more convenient living environment.

Key words： smart home furnishing; ARM; video surveillance; process design