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基于嵌入式的智能家居系统设计与实现

作者：孙德礼

来源：《中国住宅设施》2017年第09期

摘 要：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。本文浅析基于嵌入式的智能家居系统设计与实现。 关键词：嵌入式；智能家居；远程控制] 引言

电子技术、智能控制技术以及物联网技术的融合，使得传统住宅家居体系已经无法满足居住要求，对于智能化以及安全性的要求逐渐提升。虽然当前视频监控已经逐渐被重视，但在具体操作中相对复杂。这种状况的产生，使得对嵌人式智能家居系统的研究热度逐渐上升，成为引领远程控制的重要方式。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。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。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，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。 1嵌入式智能家居系统总体设计

基于智能家居制品监控的角度分析，主要需要借助当前计算机技术，设计并构成智能家居子系统，将各个技术融合之后实现统一管理。站在智能家居系统的角度，主要包括视频服务、客户端、服务端等部分。硬件设计。此次设计采用TX2440A开发板进行设计，将S3C2440处理器作为主控制芯片，主频已经能够达到400MHz，具有单独的管理单元、控制器以及存储器等。LCD显示部分包括3.5英寸真彩色液晶屏，具备USB接口。在开发板方面具备多种结构，便于对系统的调试与测试需求；视频采集模块运用ZC301摄像头，可实现Linux提供摄像头视频数据的采集；包括DS18B20室内温度的传感器；GPRS通信模块。至此，用户端通过移动终端，向监控中心发送请求，监控中心在接受请求之后进行处理并进行解析，将现场监控终端发送操作指令，现场终端提交反馈，得出操作结果。 2系统架构 2.1硬件设计 2.1.1嵌入式微处理器

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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。 2.1.2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，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，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。 2.1.3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。 2.1.4GPRS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。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。 2.2软件设计

2.2.1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。 2.2.2照明模块的软件设计

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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。 2.2.3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。 2.3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。当用户通过浏览器访问Web服务器时，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，在此界面上，点击左侧的菜单可以进行远程画面拍照，点击控制菜单将进入视频参数调整界面。 3嵌入式智能家居系统实现 3.1现场监控实现

现场监控终端在完成监控中心的监控命令的同时，还需要具备识别与应答功能，更主要的是需要完成具体硬件操作。主要包括设备配置、开关设备、查询设备参数、调节家居等。 3.2服务器端实现

服务端的实现，需要借助SQLServer数据库，在服务端，主要具备用户登录与注销、用户管理、家庭管理、设备管理以及系统配置等不同的操作，用户在通过登录服务器端，发送指令，满足远程监控的需求。用户登录界面需要用户输人验证码与密码，验证完成之后执行操作；用户管理功能实现，具备注册、增加、删除以及修改等功能；家庭管理包括财务管理与物品管理，用户提供特殊权限才能够访问；设备管理，能够实现设备参数配置，修改设备信息；系统配置是协调控制端与客户端的关系，随时监控系统的各个状态。