基于ARM的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鄭 娟，王建華

（江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

伴隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)程，智能化的浪潮席卷了世界的每一個(gè)角落，成為一種勢(shì)不可擋的歷史化大趨勢(shì)。面對(duì)當(dāng)前犯罪分子作案手段日趨技能化、智能化、團(tuán)伙化和暴力化的勢(shì)態(tài)，單靠傳統(tǒng)的“人防”一種途徑已遠(yuǎn)不能適應(yīng)新形式下斗爭的需要。

新型的安防監(jiān)控系統(tǒng)利用安置在家中的不同功能的傳感器采集各類環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，利用信息管理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示、分析處理等操作，對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，并根據(jù)預(yù)置控制策略自動(dòng)處理，及時(shí)消除安全隱患。

隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及圖像壓縮處理技術(shù)[1]以及傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，使得家庭能夠采用最新的通訊和圖像處理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字圖像，可為實(shí)現(xiàn)家庭監(jiān)控系統(tǒng)提供高效可行而且價(jià)格低廉的解決方案。

因此，開發(fā)和推廣遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)，使得人們?cè)诳梢苑泵ぷ鞯耐瑫r(shí)，在遠(yuǎn)程就了解自己家庭概況，及時(shí)做出分析與判斷，具有非常重要的實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)主要是針對(duì)家庭用戶而設(shè)計(jì)的，對(duì)家居的安全狀況進(jìn)行監(jiān)控。用戶可以根據(jù)自己需要進(jìn)行用戶基本信息及監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)等的設(shè)置。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

1)用戶設(shè)置：可以在監(jiān)控主頁面點(diǎn)擊用戶設(shè)置按鈕，設(shè)置登錄界面的用戶名、密碼；修改或新增接收告警信息的手機(jī)號(hào)碼、變更短信中心號(hào)碼、設(shè)置火災(zāi)溫度上限。

2)家居安全狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與查詢：主人外出，可通過手機(jī)或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過瀏覽網(wǎng)頁來查看家中的安全狀況。同時(shí)主人可以點(diǎn)擊網(wǎng)頁上的相關(guān)按鈕，遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令。

3)家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或有火災(zāi)等違紀(jì)事件發(fā)生時(shí)，監(jiān)控終端能實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)到險(xiǎn)情，并自動(dòng)采取相應(yīng)處理措施，同時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

4)現(xiàn)場(chǎng)圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時(shí)，攝像頭將自動(dòng)抓拍圖像，通過在ARM開發(fā)板上搭建的MGPJ-Streamer服務(wù)器處理圖像，并以流的方式將圖像保存到SQLite數(shù)據(jù)庫中。

5)歷史照片的打包下載和定時(shí)刪除：為方便查看和快速傳輸歷史照片，所以將歷史照片以.tar.gz格式進(jìn)行打包壓縮，同時(shí)為保證存儲(chǔ)空間的充裕，所以提供定時(shí)刪除過去一段時(shí)間的照片。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)以FS_S5PC100開發(fā)板和Linux操作系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，主要立足互聯(lián)網(wǎng)，采用攝像機(jī)采集圖像，經(jīng)壓縮處理后傳到互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽網(wǎng)頁或手機(jī)上網(wǎng)直接查看家中情況。利用市場(chǎng)上比較通用的GPRS模塊收發(fā)信息，利用Linux內(nèi)核中的PPP撥號(hào)上網(wǎng)的方式；使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過交叉編譯模式，使用C語言編寫移植驅(qū)動(dòng)和控制程序，并在Linux系統(tǒng)中搭建視頻服務(wù)器、WEB服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為以下3個(gè)模塊：

1)輸入模塊：包括兩類，一是監(jiān)測(cè)參數(shù)的采集模塊，即火災(zāi)的溫度采集模塊、防盜的攝像頭監(jiān)測(cè)模塊，采集并無線發(fā)送監(jiān)測(cè)參數(shù)；二是實(shí)現(xiàn)控制的模塊，即Internet或手機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的用戶信息及監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置、監(jiān)測(cè)參數(shù)的查詢、顯示及設(shè)防、撤防等控制指令下發(fā)；

2)處理模塊：以ARM開發(fā)板為核心的主控板，接收由輸入模塊采集的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行邏輯判斷，如果有異常發(fā)生，通知輸出模塊做出相應(yīng)的處理；同時(shí)也能根據(jù)網(wǎng)頁上發(fā)送過來的各種設(shè)置和控制指令，然后調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)；

3)輸出模塊：解析處理模塊發(fā)出的信號(hào)，實(shí)施相應(yīng)的異常處理措施；如果溫度傳感器測(cè)得的溫度高于預(yù)先設(shè)定的溫度或者紅外傳感器探測(cè)到有不法分子闖入，那么開啟相應(yīng)的聲光報(bào)警和對(duì)應(yīng)的異常處理，通過控制攝像頭來捕捉圖片，然后進(jìn)行圖像處理并將數(shù)據(jù)保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中。并通過GPRS模塊發(fā)送告警短信通知用戶家居現(xiàn)場(chǎng)情況，用戶根據(jù)具體情況點(diǎn)擊網(wǎng)頁上對(duì)應(yīng)按鈕發(fā)送命令給系統(tǒng)，完成一個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控的任務(wù)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Structure diagram of monitoring system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)功能上的需求，得知相應(yīng)的硬件需求如表1所示。

處理模塊處在系統(tǒng)中間層，既要處理輸入模塊采集的數(shù)據(jù)，又要控制輸出模塊的相應(yīng)處理，同時(shí)還得與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力?；诖丝紤]，本系統(tǒng)選用了基于SamSung公司的Cotex_A8內(nèi)核[2]的FS_S5PC100作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?？紤]到市場(chǎng)的普及度與可靠性的要求，GPRS模塊選用SIEMENS 公司的TC35i/MC35[3-4]，該模塊內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，低功耗，增強(qiáng)的AT控制指令。由于具體的硬件設(shè)計(jì)電路圖比較繁雜，在此給出系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖，如圖2所示。

表1 硬件需求列表Tab.1 Hardware requirements list

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 Structure diagram of the hardware system

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)主要包括：S5PC100軟件編程，監(jiān)控頁面的編程兩大部分，在此只介紹S5PC100微控制器的軟件編程部分。

3.1 系統(tǒng)移植與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)思想

考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在S5PC100上采用Linux嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[5-6]，與傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）相比，采用嵌入式 Linux 這樣的開放源碼的操作系統(tǒng)的另外一個(gè)好處是 Linux 開發(fā)團(tuán)體看來會(huì)比 RTOS 的供應(yīng)商更快地支持新的 IP 協(xié)議和其它協(xié)議。例如，用于Linux 的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序多，如網(wǎng)絡(luò)接口卡（NIC）驅(qū)動(dòng)程序以及并口和串口驅(qū)動(dòng)程序。

各種設(shè)備由于功能不同，驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)接口也不相同，但Linux為能夠統(tǒng)一管理，規(guī)定了Linux下設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須使用統(tǒng)一的接口函數(shù)file_operations。根據(jù)功能填充對(duì)應(yīng)的file_operations中的接口函數(shù)。為便于開機(jī)啟動(dòng)，統(tǒng)一地將驅(qū)動(dòng)程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核。

另外，涉及設(shè)備節(jié)點(diǎn)的創(chuàng)建，選擇了udev機(jī)制來自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)，具體步驟如下：

1)在一開始定義一個(gè)類 class，再在類下面定義一個(gè)設(shè) 備 class_dev；2)xx_init( )函 數(shù) 中， 使 用 class_creat( )和device_creat( )創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)；3)xx_exit( )函數(shù)中，使用class_destory( )卸載設(shè)備節(jié)點(diǎn)。其中，設(shè)備號(hào)的選擇，通過查詢內(nèi)核中Documents/device.txt 選用空閑的設(shè)備號(hào)，當(dāng)然也可以用major=register_chrdev（0,"name",&file_operation）自動(dòng)生成。

3.2 串口通信程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的采集、上傳和監(jiān)控頁面控制命令的下發(fā)，所以數(shù)據(jù)傳輸是整個(gè)應(yīng)用程序的關(guān)鍵部分，即S5PC100與GPRS模塊[7]的串口通信程序的設(shè)計(jì)。

在定義與串口相關(guān)寄存器地址的基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)體構(gòu)造新的串口數(shù)據(jù)類型，結(jié)構(gòu)體成員為函數(shù)指針，它們指向編寫的具體實(shí)現(xiàn)函數(shù)，而函數(shù)體中的數(shù)據(jù)直接操作串口寄存器，實(shí)現(xiàn)了串口驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)際上就是上面驅(qū)動(dòng)程序思想，填充對(duì)應(yīng)的file_operations中的接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)我們自己的驅(qū)動(dòng)程序。以下是實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)類型的主要源代碼：

typedef struct{

serial_init_func_t init; //串口初始化

serial_open_func_t open; //設(shè)置串口中斷

serial_read_func_t read; //串口讀取數(shù)據(jù)

serial_write_func_t write; //串口發(fā)送數(shù)據(jù)

serial_poll_func_t poll; //串口接收數(shù)據(jù)查詢

serial_flush_input_func_t flush_input ; //清空串口接

收FIFO

serial_flush_output_func_t flush_output ; //清空串口發(fā)送FIFO

}serial_driver_t;

串口采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，提高了串口數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和整個(gè)CPU的工作效率。具體來說，S5PC100的串口1收到輸入模塊發(fā)送的家居環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行邏輯判斷，結(jié)合輸出模塊處理后，傳輸?shù)奖O(jiān)控頁面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳；S5PC100的串口1收到監(jiān)控頁面發(fā)送的指令后，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，把指令同步到各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下發(fā)。

3.3 Web服務(wù)器的搭建

為方便用戶通過internet或GPRS網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控家里情況，提供遠(yuǎn)程Web服務(wù)。本模塊主要包括2個(gè)部分：

1) BOA服務(wù)器模塊設(shè)計(jì)：在嵌入式系統(tǒng)中移植BOA服務(wù)器，提供Web服務(wù)；

2) cgi模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)：根據(jù)監(jiān)控頁面上的不同按鈕，發(fā)送不同信息給S5PC100，S5PC100調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，執(zhí)行網(wǎng)頁按鈕相應(yīng)功能。

3.4 應(yīng)用程序整體設(shè)計(jì)

在搭建好系統(tǒng)環(huán)境，成功移植硬件驅(qū)動(dòng)后，在Ubuntu12.04上Linux2.6內(nèi)核環(huán)境下進(jìn)行程序的開發(fā)調(diào)試。系統(tǒng)中主要的進(jìn)程，包括3個(gè)線程等待控制命令，在代碼中采用輪詢的形式來對(duì)線程狀況進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)生問題的時(shí)候進(jìn)行相應(yīng)得處理，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問本系統(tǒng)并遠(yuǎn)程進(jìn)行控制操作。調(diào)用了兩個(gè)線程分別操作thief處理線程和fire處理線程。thief線程和fire線程分別調(diào)用GPRS模塊和攝像頭模塊進(jìn)行短消息的發(fā)送和圖像的采集及保存。同時(shí)調(diào)用FS_S5PC100開發(fā)板自帶的，蜂鳴器模塊和LED模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警，另外利用流水燈模擬滅火的操作。具體框架如圖3所示。

圖3 應(yīng)用程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Schematic diagram of application program

輸入模塊和輸出模塊也是分別創(chuàng)建線程處理不同的任務(wù)，模塊之間通信選用了消息隊(duì)列，對(duì)于共享資源采用了互斥鎖和條件變量，保證資源的共享和原子操作。

4 測(cè)試結(jié)果

整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測(cè)試，利用S5PC100開發(fā)板上自帶的按鍵key1模擬外人闖入，按鍵key2模擬主人進(jìn)入，溫度的采集使用了LM75溫度傳感器采集，同時(shí)為便于調(diào)試我們同時(shí)也利用ADC來模擬溫度變化。整個(gè)監(jiān)控界面效果圖如圖4所示。

圖4 監(jiān)控測(cè)試主界面Fig. 4 Main interface of monitoring test

通過點(diǎn)擊頁面上的用戶設(shè)置按鈕，可以設(shè)置用戶名、密碼的修改及新用戶的增加；手機(jī)短信號(hào)碼的修改及新手機(jī)號(hào)碼的增加；短信中心號(hào)碼更改；報(bào)警溫度設(shè)置，這些參數(shù)設(shè)置好后都保存在數(shù)據(jù)庫中。點(diǎn)擊用戶基本信息按鈕，可以查看用戶信息，及報(bào)警功能的開關(guān)狀態(tài)等。點(diǎn)擊歷史照片查看，會(huì)跳轉(zhuǎn)到，頁面首先顯示第一張照片，可以在查看照片的頁面上點(diǎn)擊上一張、下一張、返回主頁面按鈕。點(diǎn)擊歷史照片下載按鈕，歷史照片會(huì)以.tar.gz格式打包。點(diǎn)擊連拍按鈕，攝像頭會(huì)自動(dòng)連續(xù)拍照5張并存儲(chǔ)。另外，在開發(fā)板上配置并開啟crontab定時(shí)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)歷史照片的定時(shí)刪除功能。

在測(cè)試報(bào)警功能時(shí)，先要點(diǎn)擊主頁面開報(bào)警功能按鈕，當(dāng)按下S5PC100開發(fā)板上的key1鍵，蜂鳴器響，指定手機(jī)收到報(bào)警短信，抓拍的照片可以通過點(diǎn)擊頁面歷史照片查看按鈕查看。通過點(diǎn)擊主頁面關(guān)閉當(dāng)前報(bào)警按鈕，關(guān)閉蜂鳴器。當(dāng)調(diào)節(jié)電壓協(xié)調(diào)器使模擬的溫度過高時(shí)，蜂鳴器響，指定手機(jī)收到報(bào)警短信，流水燈不斷閃爍模擬滅火。點(diǎn)擊報(bào)警日志查看報(bào)警記錄，效果如圖5所示。

圖5 報(bào)警日記效果圖Fig. 5 Demonstration of alarm log

5 結(jié) 論

以上提出的基于ARM的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，有機(jī)結(jié)合了ARM高效的處理技術(shù)、GPRS可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)等技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了安防方面的迅速報(bào)警、記錄證據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，而且誤報(bào)率低、成本低。實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。另外，本系統(tǒng)還需繼續(xù)改進(jìn)，比如，將開發(fā)板上時(shí)間調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；增加利用tftp實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新應(yīng)用程序等功能。

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