引言

伴隨著人們工作節(jié)奏的加快和工作環(huán)境的不確定性，人 們越來越注重居住環(huán)境的安全，希望能在第一時間知道家中 的安全情況，因此，設計一種智能家居遠程控制系統(tǒng)具有良 好的實際意義［%目前，大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)都以處理器為核心, 與一些檢測、監(jiān)控設備配合實現(xiàn)一定的功能，但是由于視頻圖 像傳輸?shù)挠绊懸约氨O(jiān)控界面的問題，客戶端的遠程監(jiān)控效果并不理想。如果嵌入式智能家居系統(tǒng)能夠連接到Internet和 GPRS模塊，則用戶可以通過遠程登錄界面來了解家居環(huán)境信息。因此，本文提出了一款具有網(wǎng)絡功能的智能家居控制系 統(tǒng)的實現(xiàn)方案，使用火狐瀏覽器作為上位機，采用JPEG高效 壓縮算法對視頻圖像進行壓縮，用戶不僅可以通過瀏覽器 監(jiān)測家居環(huán)境信息，還可以訪問Web服務器中的視頻，同時, GPRS通信模塊還能將異常信息以短信方式通知用戶，提高了 智能家居控制的靈活性叫

1系統(tǒng)架構

系統(tǒng)采用S3C2440處理器作為主控芯片，該芯片是基于 ARM920T內核的RISC微處理，S3C2440處理器內部集成 了很多控制器接口，便于與外部器件連接。整個系統(tǒng)通過傳 感器檢測家居環(huán)境，USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)接入 Internet，用戶就可以登陸家居管理主頁，查看各種傳感器的 數(shù)據(jù)信息，操作室內照明燈，還可以瀏覽家居畫面。當室內有 危險時還能觸發(fā)本地蜂鳴器報警，并能通過GPRS通信系統(tǒng) 向用戶發(fā)送緊急短信。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。

圖1系統(tǒng)結構框圖

1.1硬件設計

(1)嵌入式微處理器

本設計使用TX2440A開發(fā)板進行設計。采用S3C2440 處理器作為主控芯片，主頻可以達到400 MHz,具有MMU 管理單元、控制器、支持外部存儲器，板載64 MB SDRAM， 256 MB NAND Flash，LCD顯示部分為3.5英寸TFT真彩色 液晶屏，網(wǎng)絡芯片為DM9000，1個10M以太網(wǎng)RJ-45接口， 4 個 USB Host，1 個 USB Slave B 型接口。TX2440A 開發(fā)板 上還擴展了豐富的接口，如藍牙接口、CAN接口、ZigBee接 口等，方便進行軟件調試以及系統(tǒng)測試。

( 2) 視頻采集模塊

采用了 ZC301攝像頭，利用Linux提供的Video4 Linux API函數(shù)對USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，然后將視頻數(shù)據(jù)通 過內部總線發(fā)送到視頻流服務器MJPG-streamer上，視頻 流服務器將視頻圖像數(shù)據(jù)進行壓縮后，采用TCP/IP協(xié)議進行 遠程傳輸，再通過CGI函數(shù)集實現(xiàn)客戶端與服務器的之間的 交互，遠端客戶機通過瀏覽器就可以查看現(xiàn)場監(jiān)控畫面。

( 3) 傳感器模塊

本系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器采集室內溫度；采用 HIH-4000濕度傳感器采集室內的濕度；采用DSM501A粉塵 傳感器來檢測室內粉塵濃度；采用PIP探頭LH1778為核心的 檢測電路來檢測是否有人員入侵，并利用蜂鳴器進行本地報 警和GSM短信報警。這些傳感器模塊通過S3C2440的I/O 口接到控制中心，并把采集到的信息發(fā)送到Web服務器上。

(4) GPRS通信模塊

GPRS通信模塊選用西門子電氣公司生產的MC351,該 模塊可以提供語音傳輸、彩信業(yè)務和數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務等接口， 內置了彩信MMS協(xié)議和TCP/IP協(xié)議。該模塊與處理器 S3C2440采用串型端口進行數(shù)據(jù)通信，MC35i上的TXD0端口 主要用于接收處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)；GPRS模塊上的RXD0端 口用于向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)。通信模塊將GPRS網(wǎng)絡和Internet 網(wǎng)絡鏈接起來，通過與監(jiān)控中心建立通信鏈路來進行雙向的 數(shù)據(jù)通信。

1.2軟件設計

軟件設計主要完成應用程序的設計和監(jiān)測界面的實現(xiàn)。 應用程序通過調用驅動程序從而實現(xiàn)對硬件的控制，主要完 成室內環(huán)境監(jiān)測模塊、照明控制模塊和視頻監(jiān)控模塊等軟件 設計，該應用程序使用CGI語言實現(xiàn)，將CGI嵌入式網(wǎng)頁中, 用戶通過調用CGI程序，以表單的方式將返回信息呈現(xiàn)給用戶, 從而實現(xiàn)網(wǎng)絡監(jiān)控。

(1)環(huán)境檢測模塊的軟件設計

該模塊設計主要是檢測室內的溫度、濕度、和粉塵濃度， 整個流程是先由傳感器獲取室內的狀態(tài)信息，然后通過網(wǎng)絡 將信息傳輸?shù)椒掌髌脚_上。用戶通過操作平臺就可以查看室 內環(huán)境信息，當達到危險值時，蜂鳴器進行報警，同時微處 理器通過串口向GSM短信模塊發(fā)送命令，通知用戶家中有危 險。以溫度傳感器為例的溫度采集流程圖如圖2所示。

( 2)照明模塊的軟件設計

該模塊主要設計室內照明，系統(tǒng)采用開發(fā)板上的 LED1~LED3燈分別來模擬室內照明燈。在/www/Leddate目 錄下建立一個文本文件：led.txt,保存LED燈的狀態(tài)信息， 將每次對LED燈的操作進行數(shù)據(jù)實時更新。

( 3)視頻監(jiān)控模塊的軟件設計

視頻監(jiān)控實現(xiàn)分為三個部分：視頻圖像采集、視頻數(shù)據(jù) 傳輸、視頻圖像顯示。通過Linux系統(tǒng)內部的V4L對視頻圖 像采集，將采集到的原始圖像數(shù)據(jù)通過JPEG壓縮輸出給客 戶端進行實時播放，網(wǎng)絡傳輸中應用層采用TRTP /RTCP協(xié) 議配合來保證傳輸?shù)馁|量,傳輸層與網(wǎng)絡層采用TCP/IP協(xié)議。 同時移植BoaWeb服務器，通過CGI監(jiān)聽客戶端的請求，從 而實現(xiàn)與客戶端的網(wǎng)絡交互。視頻監(jiān)控的軟件設計框圖如 圖4所示。

1.3監(jiān)測界面的實現(xiàn)

根據(jù)CGI程序的工作原理，監(jiān)控頁面主要分兩部分組 成：靜態(tài)表單頁面設計和動態(tài)Web頁面設計，使用HTML 來設計靜態(tài)頁面，使用CGI技術制作動態(tài)頁面。當用戶通 過瀏覽器訪問Web服務器時,訪問的第一個文件是index. html,將彈出一個對話框要求用戶輸入登錄信息，進行身份驗 證，由login.cgi對用戶的登陸信息進行驗證，通過認證之后, 用戶才能進入系統(tǒng)的主頁面main.html,在main.html主頁面 里為用戶提供三種功能：家居環(huán)境檢測；室內電燈控制；網(wǎng)絡 視頻監(jiān)控。其中家居環(huán)境檢測、報警信號、照明燈由main.cgi 程序進行控制，每個模塊利用CGI傳輸數(shù)據(jù)和操作指令，完 成照明燈的操作和數(shù)據(jù)保存；網(wǎng)絡視頻由視頻流服務器Mjpg- streamer通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綖g覽器。當鼠標點擊視頻查看按鈕時, 該頁面會鏈接到stream.html上，顯示視頻監(jiān)控畫面，在此界 面上，點擊左側的菜單可以進行遠程畫面拍照，點擊控制菜單 將進入視頻參數(shù)調整界面。

鏈接部分的HTML語句如下：

<a href="http : //202.117.66.20/ main.cgi">

<a href="http : //202.117.66.20 : 8080/stream.html"><img

src="/?action=stream" width="512px" height="384px"/>

其中202.117.66.20為Boa服務器及硬件電路板的IP地址, href的內容為鏈接的地址,img里的src為該鏈接的顯示圖標。

表1系統(tǒng)主要頁面功能說明表

2系統(tǒng)測試

本測試方案是將開發(fā)板和PC主機通過路由器接入局域 網(wǎng)，查看主機的IP地址為“202.117.66.100”，將ARM9開發(fā) 板的IP地址設置為“202.117.66.20”，使其與主機的IP地址 在同一網(wǎng)段。將主機與開發(fā)板在超級終端中Pmg通網(wǎng)絡；然 后進入開發(fā)板的MjPg-streamer目錄，并啟動視頻監(jiān)控系統(tǒng) 的服務端[2];最后在客戶端火狐瀏覽器的地址欄輸入http : //202.117.66.20,就可以進入用戶登錄界面。用戶登陸界面截 圖如圖4所示。

圖4用戶登錄界面

當用戶輸入正確的用戶名和密碼后，登陸到遠程控制主 界面，在主頁面就可以查看室內的狀態(tài)信息，用戶可以通過 按鈕控制室內的照明燈，遠程控制界面截圖如圖5所示。

圖5遠程控制界面

當用戶點擊視頻查看鏈接后，將進入視頻監(jiān)控界面，在 此界面可以觀看從攝像頭采集到的實時畫面，還能拍照、調 整視頻參數(shù)，監(jiān)控畫面為實驗室一角，在實驗室的測試過程中, 監(jiān)控視頻畫面清晰流暢，網(wǎng)絡延遲較小。監(jiān)控畫面截圖如圖6 所示。

圖6視頻監(jiān)控畫面

3結語

本文提出了一種嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方案。 介紹了系統(tǒng)的硬件組成、主要模塊的軟件設計過程、監(jiān)控界 面的實現(xiàn)過程、Web服務器的構建與實現(xiàn)視頻網(wǎng)絡傳輸?shù)取?系統(tǒng)實現(xiàn)了家居環(huán)境中各參數(shù)的實時采集、安防檢測、照明燈 控制，視頻信息的智能化處理，以及家中有危險時的報警功能。 主要特點是易搭建、操作簡單、成本低廉，基本達到設計的要 求，有良好的應用價值。下一步可以研究采用手機對智能家居 的遠程控制，使用更加方便。

20211223_61c40d06a4c01__嵌入式智能家居控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)