怎樣設計一個基于嵌入式和ARM技術的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)？

隨著信息技術和Internet技術的發(fā)展，實現(xiàn)家居網(wǎng)絡化和智能化已經(jīng)成為當前研究的熱點。具有用戶界面、能遠程控制、智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢。在此形勢下，基于ARM、PowerPC等32位微處理器的出現(xiàn)，使嵌入式Internet成為現(xiàn)實，傳統(tǒng)PC的Web服務完全可以通過嵌入式控制器實現(xiàn)。正如早已為人們熟知的“把互聯(lián)網(wǎng)帶入生活中”，使用嵌入式Web技術的家居計算機網(wǎng)絡成為目前網(wǎng)絡發(fā)展的一個重要方向。

基于PC架構的智能家居由于實用性較差已經(jīng)逐步退出了市場，目前只有一些國外廠商和極少數(shù)國內(nèi)廠商選擇了基于嵌入式的技術方案。而基于嵌入式系統(tǒng)的家庭智能系統(tǒng)在國內(nèi)才剛剛出現(xiàn)，隨著嵌入式技術更加廣泛的應用，成本的逐步降低，智能家居最終將走向嵌入式［1］。

經(jīng)過比較，嵌入式智能家居具有明顯的優(yōu)勢，因此本文選擇嵌入式系統(tǒng)作為智能家居的核心。由于ARM處理器具有體積小、功耗低、成本低、性能高以及Linux開源等優(yōu)點，本系統(tǒng)選擇三星公司的ARM9處理器S3C2410作為嵌入式處理器，操作系統(tǒng)為Linux。

1 系統(tǒng)整體模塊設計

本系統(tǒng)主要在嵌入式系統(tǒng)上進行視頻監(jiān)控模塊和遠程電器控制模塊的設計。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式處理器S3C2410和Linux系統(tǒng)組成。視頻監(jiān)控模塊由Web服務器、視頻服務器和客戶端以及實現(xiàn)通信的通道組成。遠程電器控制模塊在Web服務器上，通過CGI交互，實現(xiàn)對家電的控制。本系統(tǒng)采用模塊化設計，由嵌入式系統(tǒng)模塊、視頻采集模塊、視頻服務器模塊、視頻客戶端模塊和遠程電器控制模塊組成。系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示。嵌入式處理器S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC微處理器。內(nèi)部帶有全性能的MMU（內(nèi)存管理單元），它適用于設計移動手持設備類產(chǎn)品，具有性能高、功耗低、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性［2］。

2 系統(tǒng)的軟件設計實現(xiàn)

2.1 圖像采集模塊的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用USB接口的PC350攝像頭，該攝像頭的后端采用OV511+視頻芯片， 圖像傳感器采用新一代CMOS感光芯片，攝像頭硬件壓縮率超過5：1，非常適合視頻監(jiān)控的圖像采集［3］。目前Linux內(nèi)核中已經(jīng)有支持OV511芯片的驅動，因此無須下載驅動程序。該驅動可以用模塊化的方式加載，也可以編譯進內(nèi)核，本系統(tǒng)采用編譯進內(nèi)核的方法。

在內(nèi)核加載了OV511攝像頭驅動之后，系統(tǒng)就能識別并支持該攝像頭，再只需編寫視頻采集程序就可工作。視頻采集應用程序的設計通過Linux內(nèi)核中的Video4Linux實現(xiàn)。

Video4Linux是Linux中關于視頻設備的內(nèi)核驅動，它為針對視頻設備的應用程序編程提供了一系列接口函數(shù)。在視頻采集中，應用程序首先通過open（ ）函數(shù)打開視頻采集設備并返回一個文件描述符號，這個文件描述符就代表了捕獲的設備硬件。成功開啟設備檔后，調用ioctl（ ）取的設備文件的相關信息，并且將取得的信息放到video capability結構中，同樣調用ioctl（ ）將視頻窗口信息放到video picture結構中。視頻設備的關閉通過close（ ）函數(shù)實現(xiàn)。在本系統(tǒng)中，視頻圖像的獲取采用mmap（ ）的方式共享內(nèi)存來實現(xiàn)。此方法不必再調用read（ ）、write（ ）等操作，不僅進程可以直接讀寫內(nèi)存，進程通信效率高，而且不需要拷貝任何數(shù)據(jù)。

2.2 遠程視頻監(jiān)控模塊的實現(xiàn)

視頻監(jiān)控模塊采用“瀏覽器—服務器”模式，即在采集端構建嵌入式Web服務器，并在Web服務器的基礎上移植視頻服務器webcam，在客戶端利用Java Applet 來接受視頻服務器發(fā)送過來的視頻信息。本模塊包括嵌入式Web服務器設計和視頻服務器webcam的移植實現(xiàn)。

2.2.1 嵌入式Web服務器設計

嵌入式Web服務器器是指將Web服務器引入到嵌入式系統(tǒng)中，在相應的硬件平臺和軟件系統(tǒng)的支持下，根據(jù)應用的需要實現(xiàn)通用的Web服務器的全部或者部分功能。嵌入式Web服務器仍然以TCP/IP協(xié)議為底層，在該Web中使用的應用層的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，通過HTTP協(xié)議實現(xiàn)客戶端（一般為瀏覽器）和嵌入式Web服務器的信息交換［4］。

在嵌入式領域，常用的Web服務器有thttpd和boa，boa目前用的最多。boa是一個非常小巧的Web服務器，可執(zhí)行代碼只有約60 KB，占用系統(tǒng)資源少，而且速度快、安全性好［5］。目前使用的Linux2.6內(nèi)核還沒有包含boa代碼，因此需要移植到本系統(tǒng)中。首先從下載boa源代碼（目前最新版本boa-0.94.13），解壓到Linux系統(tǒng)目錄下，用交叉編譯器編譯。這樣在boa-0.94.13/src目錄下生成boa應用程序，把生成的boa應用程序下載到開發(fā)板上Linux系統(tǒng)中的/bin目錄下，讓boa在系統(tǒng)啟動時自動運行，這樣在開發(fā)板上就移植了boa服務器。

2.2.2 視頻服務器webcam的移植實現(xiàn)

視頻信息通過攝像頭采集到的圖像需要通過網(wǎng)絡傳送到另一端，并通過瀏覽器顯示出來，這一過程通過視頻服務器實現(xiàn)。視頻服務器的工作主要是與客戶端建立鏈接，并根據(jù)客戶端用戶的指令，調用相應的函數(shù)處理客戶端的控制要求。視頻服務器工作流程如圖2所示。

webcam是一個比較常用的視頻服務器程序，對本系統(tǒng)采用的OV511攝像頭非常適用。通過網(wǎng)絡下載webcam＿server的Linux版本，它是基于GNU架構之下的，完全免費，源碼開放。本設計采用webcam server―0.50.tar.gz。從http：//www.neilbriscoe.co.uk/scratch/網(wǎng)站下載，解壓到Linux目錄下，修改Makefile為交叉編譯環(huán)境，然后用Make命令進行編譯，把生成的webcam應用程序下載到開發(fā)板上Linux系統(tǒng)中的/bin目錄下，這樣就移植了視頻服務器。

2.3 智能家居遠程監(jiān)控的實現(xiàn)

遠程監(jiān)控是智能家居監(jiān)控中的重要組成部分，只要有Internet的地方，主人就可以通過上網(wǎng)登錄設計好的智能家居管理界面，以此來實現(xiàn)對家里的實時監(jiān)控。例如，主人在公司上班，家里有小孩或者生病的老人，主人可以通過公司電腦遠程監(jiān)視關注家里的情況，如有意外，主人就可以對此及時做出反應。當主人快要下班時可以事先通過界面管理實現(xiàn)對家電的控制（如打開客廳電燈、讓電飯鍋開始煮飯等）。

2.3.1 智能家居界面的實現(xiàn)

本設計采用html語言來編寫智能家居的管理界面，以下是智能家居管理主界面的源代碼，文件名為my.html。

＜html＞

＜head＞

＜title＞遠程監(jiān)控＜/title＞

＜/head＞

＜frameset rows＝“20%，80%”＞

＜frame img src＝“images/ltby006.jpg” marginwidth＝“0”

scrolling＝“no”

frameborder＝“0” norsize＝“norsize”＞

＜frameset cols＝“20%，80%”＞

＜frame src＝“l(fā)eft.html”scrolling＝“no” name＝“l(fā)eft＿frame”

frameborder＝“0”＞

＜frame src＝“right.html” name＝“right＿frame”＞

＜/frameset＞

＜/frameset＞

＜/html＞

該代碼包含left.html和right.html的相關鏈接，其中l(wèi)eft.html又包含著用戶信息、密碼修改、遠程控制、狀態(tài)查詢、安全布防、視頻監(jiān)控等相關鏈接。設計好相關的.html文件和CGI程序，通過U盤把.html文件和CGI程序拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)下的/www目錄下。

2.3.2 遠程電器控制模塊的模擬實現(xiàn)

用無線通信方式進行家電的控制靈活性較強、覆蓋范圍較廣，免去了綜合布線的費用和精力，缺點是家庭內(nèi)部要有家庭網(wǎng)關和無線路由器，接收終端還要有相應的接收裝置，成本較高。因此，基于實用性和大眾化方面的考慮，本文所研究的家電控制器的控制采用I/O控制。

家電的本地集中控制硬件設計是利用嵌入式系統(tǒng)的I/O口對家用電器的用電進行控制。系統(tǒng)通過S3C2410的I/O口輸出高低電平來進行控制，同時用發(fā)光二極管指示家用電器工作狀況。

發(fā)光二極管亮，表示家用電器通電，發(fā)光二極管滅，表示家用電器斷電。GPB7控制電器1，GPB8控制電器2，GPB9控制電器3。由于被控模塊家用電器大多使用220 V交流電，屬于強電電路，所以使用繼電器控制家電。在芯片與繼電器中間加驅動電路。驅動電路可以利用光電耦合的通、斷去控制繼電器的開與關。也可以利用三極管的飽和與截止去控制繼電器的開與關，這里采用三極管方式。當I/O口引腳輸出低電平時，三極管飽和導通，+5 V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，同時狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也點亮，繼電器的常開觸點閉合，相當于開關閉合。當I/O口引腳輸出高電平時，三極管截止，繼電器線圈兩端沒有電位差，繼電器銜鐵釋放，同時狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也熄滅，繼電器的常開觸點釋放，相當于開關斷開。注：在三極管截止的瞬間，由于線圈中的電流不能突變?yōu)榱?，繼電器線圈兩端會產(chǎn)生一個較高電壓的感應電動勢，線圈產(chǎn)生的感應電動勢則可以通過二極管D1釋放，從而保護了三極管免被擊穿，也消除了感應電動勢對其他電路的干擾，這就是二極管D1的保護作用。這里主要是采用模擬的方式來實現(xiàn)家電的遠程控制，板子上的LED燈表示家電的開關狀態(tài)?？刂崎_關狀態(tài)的CGI代碼用shell語言實現(xiàn)，下面就是其中一個電器的代碼：

#/bin/sh

case $QUERY＿STRING in

*kai1*）

type1＝1

；；

*guan1*）

type1＝0

；；

esac

2.3.3 視頻客戶端Java Applet的實現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，客戶端接收從視頻服務器發(fā)送過來的視頻信息，并通過Web瀏覽器顯示監(jiān)控圖像，瀏覽器自身不能完成這個功能，而是通過在HTML文檔里嵌入Applet來實現(xiàn)的［6］。Applet是一種特殊的Java程序，它能夠嵌入到HTML文檔并被支持Java的網(wǎng)頁瀏覽器下載執(zhí)行。本系統(tǒng)客戶端就是利用Java Applet完成用戶與視頻服務器的交互，實現(xiàn)視頻播放。

視頻監(jiān)控網(wǎng)頁用HTML語言設計。在本系統(tǒng)中，攝像頭系統(tǒng)監(jiān)視界面直接采用改進的webcam＿server―0.50nsrcnclient。以下是經(jīng)過修改后的webcam.html源代碼，其中http：//202.193.74.230指的是開發(fā)板的IP地址，可以根據(jù)實際需要改變源代碼里面的高度和寬度，從而調整視頻畫面的大小。

＜html＞

＜head＞

＜title＞W(wǎng)ebCam＜/title＞

＜/head＞

＜br＞＜br＞＜br＞

＜p align＝“center”＞＜APPLET CODE ＝“WebCamApplet.clas”

archive＝“applet.jar”WIDTH ＝“320”HEIGHT ＝“240”＞

＜param name＝URL value＝“http：//202.193.74.230：8888”＞

＜param name＝FPS value＝“1”＞

＜param name＝width value＝“320”＞

＜param name＝height value=“240”＞

＜/APPLET＞

＜p align＝“right”＞＜img src＝“images/sxt.jpg”/＞

＜/body＞

＜/html＞

還要把/src/client下的Applet.jar文件拷貝到開發(fā)板根文件系統(tǒng)下的/www目錄下。最后在電腦主機上安裝一個jre1.6.0 03，目的是使瀏覽器支持Java，這樣就完成了客戶端的設計，從而實現(xiàn)視頻在網(wǎng)頁上顯示的工作。

3 實驗測試

首先，設置開發(fā)板的IP，即在超級終端下輸入命令ifconfig eth0 202.193.74.230。在實驗室的另一臺電腦主機上運行IE瀏覽器，輸入設置好的IP，訪問板子的主監(jiān)控界面。智能家居管理主界面如圖3所示。

點擊遠程控制，出現(xiàn)如圖4所示的家電控制界面，選擇電器的狀態(tài)（開或關），就可以通過網(wǎng)頁實現(xiàn)電器的模擬開關。點擊視頻監(jiān)控，將出現(xiàn)視頻監(jiān)控的界面，如圖5所示（本機電腦網(wǎng)頁上實時實現(xiàn)的是另一實驗室的監(jiān)視畫面）。

通過實驗測試，發(fā)現(xiàn)家居控制效果好，圖像傳輸效果實時，畫面質量清晰、流暢，很好地實現(xiàn)了家居的智能監(jiān)控。

本系統(tǒng)的設計是在數(shù)字信息技術和網(wǎng)絡技術發(fā)展的前提下，運用當前的嵌入式技術和ARM技術設計的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，具有一定的創(chuàng)新性。該系統(tǒng)由于采用了高性能的ARM9處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有一定的可擴展性，可以通過適當?shù)墓δ軘U展來滿足用戶更高的要求。此外，本系統(tǒng)具有功能強、穩(wěn)定性好的特點，而且成本低，對嵌入式智能家具監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)有一定的借鑒意義。