智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)

1、智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)2011年3月7日 10:27山西電子技術(shù)作 者：張成法 楊風(fēng)摘要：介紹了一種基于ARM平臺、以太網(wǎng)和GPRS無線通信技術(shù)的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的組成及工作原理，著重闡述了系統(tǒng)主要硬件和軟件的設(shè)計。智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心是嵌入式Web服務(wù)器。通過該嵌入式Web服務(wù)器。在用戶端只需要通過Web瀏覽器就可以對家用電器設(shè)備進行遠程控制。該智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)還實現(xiàn)了對家庭環(huán)境的實時監(jiān)視和自動報警的功能。0 引言隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，人們對居住房子的舒適性及安全性要求也提升到了更高的檔次，同時計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)也在不斷發(fā)

2、展，這使得家庭智能系統(tǒng)的遠程監(jiān)控成為一種現(xiàn)實。本文設(shè)計的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了家用電器等的智能化管理，對家庭環(huán)境的實時監(jiān)視和自動報警功能。1 智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分是一個嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線和無線Web服務(wù)器于一體，用戶可以利用辦公室的PC登錄家中的Web服務(wù)器，在通過用戶名和密碼驗證后，便可以查看并控制家用電器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計本系統(tǒng)硬件電路框圖如圖2所示，主要由ARM9控制器S3C2440，F(xiàn)LASH，SDRAM，電源及復(fù)位模塊，觸摸屏顯示模塊，USB攝像頭，以太網(wǎng)接口模塊，GPRS模塊，家電控制，安防控制等組成。21 A

3、RM9控制器S3C2440ARM9控制器S3C2440是基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC處理器，具有功能強大、性價比高、功耗低的優(yōu)點。22 家電控制本系統(tǒng)針對家電設(shè)備的智能化程度不同，提出了不同的解決方案。對于電燈開關(guān)等需要手工控制的傳統(tǒng)家庭設(shè)備。系統(tǒng)添加了輔助控制器(繼電器等)，用戶可通過以太網(wǎng)或手機短信的方式控制處理器GPIOn的狀態(tài)，間接控制家庭設(shè)備；對于電視、空調(diào)等可通過紅外線控制的電器設(shè)備，系統(tǒng)采用帶有以太網(wǎng)接口的通用控制器統(tǒng)一遙控；對于自身具備網(wǎng)絡(luò)接入功能，支持遠程平臺控制的智能電器設(shè)備，直接接入家庭以太網(wǎng)即可。23 安防控制系統(tǒng)使用的所有探測器(煙感傳感器、煤氣傳感器

4、、門磁傳感器等)和報警設(shè)備，都是通過GPIO與控制器相連來完成報警輸入輸出的功能。然而這些輸入輸出信號都有很強的電流，對系統(tǒng)的干擾較大，因此采用TLP521光電隔離芯片和繼電器對報警輸入輸出信號分別進行隔離，從而把外部信號對系統(tǒng)的影響降到最低。24 GPRS模塊GPRS模塊采用西門子公司的MC35i GPRS MODEM。當(dāng)S3C2440控制器收到報警信號時，它通過UART控制MC35i，將預(yù)存的相應(yīng)報警信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以短信的形式發(fā)送到用戶的手機上，同時向小區(qū)物業(yè)中心發(fā)出報警，使用戶和物業(yè)部門及時發(fā)現(xiàn)險情，并采取有效的處理措施減少經(jīng)濟損失。25 以太網(wǎng)接口模塊由于S3C2440本身沒有集

5、成以太網(wǎng)控制模塊，所以需要一個與之相匹配的DM9000控制芯片來實現(xiàn)以太網(wǎng)擴展接口。在DM9000和RJ45接口之間通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR601627來連接，連接圖如圖3所示，網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器起信號傳輸、高電壓隔離等作用，以保護系統(tǒng)的安全。26 USB攝像頭本系統(tǒng)所用的USB攝像頭是中星微公司的ZC2301P。攝像頭ZC301P采集的視頻信號經(jīng)壓縮后形成的視頻數(shù)據(jù)流會通過內(nèi)部總線傳送到嵌入式Web服務(wù)器上，用戶可通過登陸網(wǎng)絡(luò)直接觀看Web服務(wù)器上的視頻圖像，實時監(jiān)控家中的情況。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計本系統(tǒng)控制中心是ARM9控制器，其軟件設(shè)計包括系統(tǒng)軟件(嵌入式操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備驅(qū)動程序、嵌入式Web服

6、務(wù)器)設(shè)計和應(yīng)用軟件(網(wǎng)頁設(shè)計及CGI應(yīng)用程序)設(shè)計。31 嵌入式操作系統(tǒng)在S3C2440上移植過程(1)從網(wǎng)站上下載Linux的內(nèi)核源碼linux-2631tarbz2和交叉編譯器arm920t-eabitgz，這個交叉編譯器是412版本的，支持EABI，可以提高編譯的效率。(2)在宿主機上將內(nèi)核源碼解壓得到linux-2631，將交叉編譯器解壓到指定目錄。(3)修改Makefile文件及相關(guān)硬件文件。由于內(nèi)核的編譯是根據(jù)Makefile文件的指示進行的，Makefile文件來組織內(nèi)核的各模塊之間的關(guān)系，記錄了各個模塊之間的相互聯(lián)系和依賴關(guān)系。所以，修改Linux2631根目錄下的Maldi

7、le文件來指定平臺和交叉編譯器。(4)通過命令# make menuconfig來配置內(nèi)核。配置內(nèi)核時，讓它支持EABI編譯。(5)在linux-2631根目錄下執(zhí)行命令# make zImage來編譯內(nèi)核，將生成的內(nèi)核鏡像文件zImage通過相應(yīng)的固化軟件固化到系統(tǒng)相應(yīng)的存儲器中，完成linux-2631內(nèi)核在ARM微處理器上的移植。32 驅(qū)動程序的設(shè)計控制器需要多個設(shè)備驅(qū)動程序。嵌入式Linux系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動程序有一個標(biāo)準(zhǔn)的框架，可以根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來填寫框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括open()，read()，write()，ioctl()，release()，module_init()和mo

8、dule_exit()等。為了減小內(nèi)核的大小，把編寫好的驅(qū)動程序編譯成模塊。編寫Makefile、Kconfig文件，分別執(zhí)行make menuconfig命令選擇驅(qū)動程序的加載方式，利用makemodules命令生成目標(biāo)文件，最后利用insmod命令調(diào)用initial_module函數(shù)將編譯好的模塊調(diào)入內(nèi)存即可。33 Web服務(wù)器Boa移植Boa是一個嵌入式Web服務(wù)器，能夠生成動態(tài)的頁面，支持CGI，比較適合嵌入式系統(tǒng)。在硬件電路板上存放一個網(wǎng)頁，在用戶端可以通過瀏覽器來訪問硬件電路板上這個網(wǎng)頁，然后通過網(wǎng)頁中的內(nèi)容就可以和硬件電路板上的硬件設(shè)備進行交互。具體移植過程如下：(1)從網(wǎng)上下載

9、Boa服務(wù)器源碼壓縮包boa-09413tar.gz，將其解壓得到boa-09413，在boa-09413/src下編譯生成boa可執(zhí)行程序。(2)把宿主機Linux操作系統(tǒng)下的/etc/mimetypes復(fù)制到根文件系統(tǒng)的/etc目錄中，在根文件系統(tǒng)的/etc中建立boa文件夾，根文件系統(tǒng)的/etc/boa目錄下建立www、cgi-bin目錄，www中存放HTML文件，cgi-bin中存放CGI腳本，把網(wǎng)頁文件indexfiles和indexhtml復(fù)制到根文件系統(tǒng)的/etc/boa/www目錄下，在根文件系統(tǒng)的/var目錄下建立日志目錄log/boa。(3)對Boa作配置和修改。主要通過對

10、definesh，boaconf和mimetypes文件進行修改來實現(xiàn)。修改definesh指定Web服務(wù)器的根目錄路徑(SERVER_ROOT)。boaconf文件由一些規(guī)則組成，用于配置Boa服務(wù)器，指定相應(yīng)端口，服務(wù)器名稱，一些相關(guān)文件的路徑等。Boa服務(wù)器要想正確運行，必須保證該文件是正確配置的，而且該文件和某些靜態(tài)網(wǎng)頁，CGI可執(zhí)行程序等都放于某特定目錄下。(4)把boa-09413/sre下編譯出的boa可執(zhí)行程序復(fù)制到根文件系統(tǒng)的/usr/bin目錄下，把修改過的配置文件boaconf復(fù)制到開發(fā)板的/etc/boa目錄下，并將一些靜態(tài)頁面放在由boaconf指定的目錄下。(5)重

11、新編譯根文件系統(tǒng)。把根文件系統(tǒng)下載到硬件電路板上。在硬件電路板上運行嵌入式Web服務(wù)器Boa，通過瀏覽器就能訪問系統(tǒng)所設(shè)計的網(wǎng)頁。34 應(yīng)用軟件設(shè)計本系統(tǒng)的核心是一個嵌入式Web服務(wù)器，其應(yīng)用軟件的設(shè)計包括網(wǎng)頁設(shè)計和CGI應(yīng)用程序設(shè)計兩部分。(1)網(wǎng)頁設(shè)計：網(wǎng)頁設(shè)計采用設(shè)計工具Dreamweaver，F(xiàn)rongtPage等來實現(xiàn)。(2)CGI應(yīng)用程序設(shè)計：采用C語言來編寫CGI應(yīng)用程序，實現(xiàn)外部實時數(shù)據(jù)采樣、與家電設(shè)備的通信與控制等。CGI技術(shù)可以實現(xiàn)瀏覽器與嵌入式Web服務(wù)器的動態(tài)數(shù)據(jù)交互。CGI程序保存在嵌入式Web服務(wù)器端。在用戶端打開HTML頁面，點擊HTML頁面上設(shè)備的控制按鈕，就會通過Internet把用戶請求送到嵌入式Web服務(wù)器中，服務(wù)器接收用戶請求并交給CGI程序處理，實現(xiàn)用戶的功能需求，這就做到了通過對HTML頁面上相應(yīng)設(shè)備的點擊實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的遠程控制。4 結(jié)