嵌入式智能家居控制系统设计发展策略

嵌入式智能家居控制系统设计发展策略伴随着人们工作节奏的加快和工作环境的不确定性，人们越来越注重居住环境的安全，希望能在第一时间知道家中的安全情况，因此，设计一种智能家居远程控制系统具有良好的实际意义［1］。目前，大多数嵌入式系统都以处理器为核心，与一些检测、监控设备配合实现一定的功能，但是由于视频图像传输的影响以及监控界面的问题，客户端的远程监控效果并不理想［2］。如果嵌入式智能家居系统能够连接到Internet和GPRS模块，则用户可以通过远程登录界面来了解家居环境信息［3］。因此，本文提出了一款具有网络功能的智能家居控制系统的实现方案，使用火狐浏览器作为上位机，采用JPEG高效压缩算法对视频图像进行压缩［2］，用户不仅可以通过浏览器监测家居环境信息，还可以访问Web服务器中的视频，同时，GPRS通信模块还能将异常信息以短信方式通知用户，提高了智能家居控制的灵活性［4］。1系统架构系统采用S3C2440处理器作为主控芯片，该芯片是基于ARM920T内核的RISC微处理，S3C2440处理器内部集成了很多控制器接口，便于与外部器件连接。整个系统通过传感器检测家居环境，USB摄像头采集视频数据。当系统接入Internet，用户就可以登陆家居管理主页，查看各种传感器的数据信息，操作室内照明灯，还可以浏览家居画面。当室内有危险时还能触发本地蜂鸣器报警，并能通过GPRS通信系统向用户发送紧急短信。整个系统的结构如图1所示。图1系统结构框图1.1硬件设计（1）嵌入式微处理器本设计使用TX2440A开发板进行设计。采用S3C2440处理器作为主控芯片，主频可以达到400MHz，具有MMU管理单元、控制器、支持外部存储器，板载64MBSDRAM，256MBNANDFlash，LCD显示部分为3.5英寸TFT真彩色液晶屏，网络芯片为DM9000,1个10M以太网RJ-45接口，4个USBHost，1个USBSlaveB型接口。TX2440A开发板上还扩展了丰富的接口，如蓝牙接口、CAN接口、ZigBee接口等，方便进行软件调试以及系统测试。（2）视频采集模块采用了ZC301摄像头，利用Linux提供的Video4LinuxAPI函数对USB摄像头采集视频数据［4］，然后将视频数据通过内部总线发送到视频流服务器MJPG-streamer上［2］，视频流服务器将视频图像数据进行压缩后，采用TCP/IP协议进行远程传输，再通过CGI函数集实现客户端与服务器的之间的交互，远端客户机通过浏览器就可以查看现场监控画面［1］。（3）传感器模块本系统采用DS18B20温度传感器采集室内温度；采用HIH-4000湿度传感器采集室内的湿度；采用DSM501A粉尘传感器来检测室内粉尘浓度；采用PIP探头LH1778为核心的检测电路来检测是否有人员入侵，并利用蜂鸣器进行本地报警和GSM短信报警。这些传感器模块通过S3C2440的I/O口接到控制中心，并把采集到的信息发送到Web服务器上。（4）GPRS通信模块GPRS通信模块选用西门子电气公司生产的MC35i，该模块可以提供语音传输、彩信业务和数据传输业务等接口，内置了彩信MMS协议和TCP/IP协议［3］。该模块与处理器S3C2440采用串型端口进行数据通信，MC35i上的TXD0端口主要用于接收处理器发送的数据；GPRS模块上的RXD0端口用于向处理器发送数据。通信模块将GPRS网络和Internet网络链接起来，通过与监控中心建立通信链路来进行双向的数据通信。1.2软件设计软件设计主要完成应用程序的设计和监测界面的实现。应用程序通过调用驱动程序从而实现对硬件的控制，主要完成室内环境监测模块、照明控制模块和视频监控模块等软件设计，该应用程序使用CGI语言实现，将CGI嵌入式网页中，用户通过调用CGI程序，以表单的方式将返回信息呈现给用户，从而实现网络监控。（1）环境检测模块的软件设计该模块设计主要是检测室内的温度、湿度、和粉尘浓度，整个流程是先由传感器获取室内的状态信息，然后通过网络将信息传输到服务器平台上。用户通过操作平台就可以查看室内环境信息，当达到危险值时，蜂鸣器进行报警，同时微处理器通过串口向GSM短信模块发送命令，通知用户家中有危险［3］。以温度传感器为例的温度采集流程图如图2所示。（2）照明模块的软件设计该模块主要设计室内照明，系统采用开发板上的LED1〜LED3灯分别来模拟室内照明灯。在/www/Leddate目录下建立一个文本文件：led.txt,保存LED灯的状态信息，将每次对LED灯的操作进行数据实时更新。（3）视频监控模块的软件设计视频监控实现分为三个部分：视频图像采集、视频数据传输、视频图像显示。通过Linux系统内部的V4L对视频图像采集，将采集到的原始图像数据通过JPEG压缩输出给客户端进行实时播放，网络传输中应用层采用TRTP/RTCP协议配合来保证传输的质量，传输层与网络层采用TCP/IP协议。同时移植BoaWeb服务器，通过CGI监听客户端的请求，从而实现与客户端的网络交互［1］。视频监控的软件设计框图如图4所示。图2温度采集流程图图3视频监控的软件设计框图1.3监测界面的实现根据CGI程序的工作原理，监控页面主要分两部分组成：静态表单页面设计和动态Web页面设计，使用HTML来设计静态页面，使用CGI技术制作动态页面［4］。当用户通过浏览器访问Web服务器时⑸，访问的第一个文件是index.html,将弹出一个对话框要求用户输入登录信息，进行身份验证，由login.cgi对用户的登陆信息进行验证，通过认证之后，用户才能进入系统的主页面main.html，在main.html主页面里为用户提供三种功能：家居环境检测；室内电灯控制；网络视频监控。其中家居环境检测、报警信号、照明灯由main.cgi程序进行控制，每个模块利用CGI传输数据和操作指令，完成照明灯的操作和数据保存；网络视频由视频流服务器Mjpg-streamer通过网络传输到浏览器。当鼠标点击视频查看按钮时，该页面会链接到stream.html上，显示视频监控画面