怎樣設(shè)計(jì)一個(gè)基于嵌入式和ARM技術(shù)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)？

隨著信息技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)家居網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。具有用戶界面、能遠(yuǎn)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(shí)，傳統(tǒng)PC的Web服務(wù)完全可以通過嵌入式控制器實(shí)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(shù)的家居計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向。

基于PC架構(gòu)的智能家居由于實(shí)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(shù)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(shù)更加廣泛的應(yīng)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(diǎn)，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(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行視頻監(jiān)控模塊和遠(yuǎn)程電器控制模塊的設(shè)計(jì)。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(wù)器、視頻服務(wù)器和客戶端以及實(shí)現(xiàn)通信的通道組成。遠(yuǎn)程電器控制模塊在Web服務(wù)器上，通過CGI交互，實(shí)現(xiàn)對家電的控制。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由嵌入式系統(tǒng)模塊、視頻采集模塊、視頻服務(wù)器模塊、視頻客戶端模塊和遠(yuǎn)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(shè)計(jì)移動(dòng)手持設(shè)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 圖像采集模塊的實(shí)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(qū)動(dòng)，因此無須下載驅(qū)動(dòng)程序。該驅(qū)動(dòng)可以用模塊化的方式加載，也可以編譯進(jìn)內(nèi)核，本系統(tǒng)采用編譯進(jìn)內(nèi)核的方法。

在內(nèi)核加載了OV511攝像頭驅(qū)動(dòng)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(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通過Linux內(nèi)核中的Video4Linux實(shí)現(xiàn)。

Video4Linux是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供了一系列接口函數(shù)。在視頻采集中，應(yīng)用程序首先通過open（ ）函數(shù)打開視頻采集設(shè)備并返回一個(gè)文件描述符號，這個(gè)文件描述符就代表了捕獲的設(shè)備硬件。成功開啟設(shè)備檔后，調(diào)用ioctl（ ）取的設(shè)備文件的相關(guān)信息，并且將取得的信息放到video capability結(jié)構(gòu)中，同樣調(diào)用ioctl（ ）將視頻窗口信息放到video picture結(jié)構(gòu)中。視頻設(shè)備的關(guān)閉通過close（ ）函數(shù)實(shí)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(shí)現(xiàn)。此方法不必再調(diào)用read（ ）、write（ ）等操作，不僅進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，進(jìn)程通信效率高，而且不需要拷貝任何數(shù)據(jù)。

2.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)

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

2.2.1 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)

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

在嵌入式領(lǐng)域，常用的Web服務(wù)器有thttpd和boa，boa目前用的最多。boa是一個(gè)非常小巧的Web服務(wù)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(yīng)用程序，把生成的boa應(yīng)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(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行，這樣在開發(fā)板上就移植了boa服務(wù)器。

2.2.2 視頻服務(wù)器webcam的移植實(shí)現(xiàn)

視頻信息通過攝像頭采集到的圖像需要通過網(wǎng)絡(luò)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(wù)器實(shí)現(xiàn)。視頻服務(wù)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(diào)用相應(yīng)的函數(shù)處理客戶端的控制要求。視頻服務(wù)器工作流程如圖2所示。

webcam是一個(gè)比較常用的視頻服務(wù)器程序，對本系統(tǒng)采用的OV511攝像頭非常適用。通過網(wǎng)絡(luò)下載webcam＿server的Linux版本，它是基于GNU架構(gòu)之下的，完全免費(fèi)，源碼開放。本設(shè)計(jì)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(jìn)行編譯，把生成的webcam應(yīng)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(wù)器。

2.3 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

遠(yuǎn)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(shè)計(jì)好的智能家居管理界面，以此來實(shí)現(xiàn)對家里的實(shí)時(shí)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(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)注家里的情況，如有意外，主人就可以對此及時(shí)做出反應(yīng)。當(dāng)主人快要下班時(shí)可以事先通過界面管理實(shí)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(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)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(yuǎn)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(guān)鏈接，其中l(wèi)eft.html又包含著用戶信息、密碼修改、遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)查詢、安全布防、視頻監(jiān)控等相關(guān)鏈接。設(shè)計(jì)好相關(guān)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(yuǎn)程電器控制模塊的模擬實(shí)現(xiàn)

用無線通信方式進(jìn)行家電的控制靈活性較強(qiáng)、覆蓋范圍較廣，免去了綜合布線的費(fèi)用和精力，缺點(diǎn)是家庭內(nèi)部要有家庭網(wǎng)關(guān)和無線路由器，接收終端還要有相應(yīng)的接收裝置，成本較高。因此，基于實(shí)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(shè)計(jì)是利用嵌入式系統(tǒng)的I/O口對家用電器的用電進(jìn)行控制。系統(tǒng)通過S3C2410的I/O口輸出高低電平來進(jìn)行控制，同時(shí)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(qiáng)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(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路可以利用光電耦合的通、斷去控制繼電器的開與關(guān)。也可以利用三極管的飽和與截止去控制繼電器的開與關(guān)，這里采用三極管方式。當(dāng)I/O口引腳輸出低電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通，+5 V電源加到繼電器線圈兩端，繼電器吸合，同時(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也點(diǎn)亮，繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，相當(dāng)于開關(guān)閉合。當(dāng)I/O口引腳輸出高電平時(shí)，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(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也熄滅，繼電器的常開觸點(diǎn)釋放，相當(dāng)于開關(guān)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(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高電壓的感應(yīng)電動(dòng)勢，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢則可以通過二極管D1釋放，從而保護(hù)了三極管免被擊穿，也消除了感應(yīng)電動(dòng)勢對其他電路的干擾，這就是二極管D1的保護(hù)作用。這里主要是采用模擬的方式來實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，板子上的LED燈表示家電的開關(guān)狀態(tài)。控制開關(guān)狀態(tài)的CGI代碼用shell語言實(shí)現(xiàn)，下面就是其中一個(gè)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(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，客戶端接收從視頻服務(wù)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(gè)功能，而是通過在HTML文檔里嵌入Applet來實(shí)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(wù)器的交互，實(shí)現(xiàn)視頻播放。

視頻監(jiān)控網(wǎng)頁用HTML語言設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)中，攝像頭系統(tǒng)監(jiān)視界面直接采用改進(jìn)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(shí)際需要改變源代碼里面的高度和寬度，從而調(diào)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(jī)上安裝一個(gè)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(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)視頻在網(wǎng)頁上顯示的工作。

3 實(shí)驗(yàn)測試

首先，設(shè)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(shí)驗(yàn)室的另一臺電腦主機(jī)上運(yùn)行IE瀏覽器，輸入設(shè)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(diǎn)擊遠(yuǎn)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(guān)），就可以通過網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)電器的模擬開關(guān)。點(diǎn)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(jī)電腦網(wǎng)頁上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的是另一實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)視畫面）。

通過實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)家居控制效果好，圖像傳輸效果實(shí)時(shí)，畫面質(zhì)量清晰、流暢，很好地實(shí)現(xiàn)了家居的智能監(jiān)控。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的前提下，運(yùn)用當(dāng)前的嵌入式技術(shù)和ARM技術(shù)設(shè)計(jì)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(kuò)展性，可以通過適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展來滿足用戶更高的要求。此外，本系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，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。