基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王龍興，張宇波，邢立釗（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州450001）

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王龍興，張宇波，邢立釗
（鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院，鄭州450001）

系統(tǒng)以ARM9芯片S3C2440為CPU，嵌入Linux操作系統(tǒng)，引入了3G網(wǎng)絡(luò)模塊、WiFi網(wǎng)絡(luò)模塊、以及多種傳感器模塊；客戶端軟件運(yùn)行于Android操作系統(tǒng)的智能手機(jī)平臺(tái)。本系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建通信信息、家庭娛樂、安全監(jiān)控、生活服務(wù)等方面的應(yīng)用，全方位滿足人們信息化、智能化的家居生活需求。

物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；Linux系統(tǒng)；3G網(wǎng)絡(luò)；WiFi；Android

0　引言

近年來(lái)，家庭安防報(bào)警、家居控制及無(wú)線視頻監(jiān)控服務(wù)的市場(chǎng)需求逐步增加，智能手機(jī)的普及、嵌入式技術(shù)的發(fā)展和3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋為隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程監(jiān)控家中的一切提供了可能[1-5]。

物聯(lián)網(wǎng)可以將物與物連接起來(lái)并且進(jìn)行更好的控制管理。本文結(jié)合最先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等構(gòu)建了價(jià)格低廉、功能齊全的數(shù)字化智能家居系統(tǒng)，并成功搭建了系統(tǒng)平臺(tái)，測(cè)試效果良好。

1　總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)包括監(jiān)控終端和客戶端軟件。監(jiān)控終端主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)家庭中分布的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息采集和來(lái)自主機(jī)的控制信號(hào)的接收，由嵌入Linux操作系統(tǒng)的ARM處理器對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，包括圖像數(shù)據(jù)的壓縮、控制命令的發(fā)送等，再通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)或者WiFi網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸；客戶端軟件則是基于Andriod操作系統(tǒng)的具有發(fā)送家居控制、家居環(huán)境查看命令和播放視頻等功能，界面友好，操作簡(jiǎn)單，模塊可擴(kuò)展。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

嵌入式智能家居硬件組成主要包含以TQ2440核心板、百兆網(wǎng)卡（DM9000）模塊、SD卡、串口、USB接口等組成的主板以及各種傳感器模塊、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。終端硬件實(shí)物如圖2所示。

主板CPU為S3C2440處理器芯片，它是三星公司開發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式處理器，主頻400MHZ，適合用于對(duì)功率和成本敏感的嵌入式系統(tǒng)場(chǎng)合。

S3C2440可以引出兩個(gè)USB接口，本系統(tǒng)要用到更多USB主口，故把主板USB接口設(shè)計(jì)為一個(gè)主口，另一個(gè)可以通過(guò)按鍵來(lái)進(jìn)行主從口的切換。并引出多個(gè)CPU資源接口，以連接系統(tǒng)的其他傳感器模塊和用于之后對(duì)功能的擴(kuò)展。

采用最常見的USB攝像頭來(lái)進(jìn)行視頻采集，在嵌入的Linux系統(tǒng)中包含了這種USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)，可以通過(guò)V4L2框架提供的API函數(shù)接口來(lái)對(duì)其進(jìn)行操作。在基于V4L2編程中，主要是通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用ioctl()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)與設(shè)備交互，工作流程如圖3所示。

目前，最高效的視頻編碼方式為H.264，H.264又有三種開源的編碼器，分別為官方H.264編碼器JM、X264和T264。在ARM9平臺(tái)的嵌入式系統(tǒng)中，T264的編碼效率是最高的，故系統(tǒng)移植T264來(lái)進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)的編碼。大多USB攝像頭輸出數(shù)據(jù)格式為YUV422，所以要求CPU先把采集到的視頻數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化為T264要求的YUV420P之后才能利用T264進(jìn)行編碼。

2　終端硬件實(shí)物圖

系統(tǒng)可以進(jìn)行3G網(wǎng)絡(luò)和WiFi網(wǎng)絡(luò)的選擇。3G網(wǎng)絡(luò)模塊采用華為的EM770W網(wǎng)絡(luò)模塊，將3G模塊插入U(xiǎn)SB HOST口并加載驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)多了三個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)，分別是/dev/ttyUSB0、/dev/ttyUSB1、/dev/ ttyUSB2，此時(shí)驅(qū)動(dòng)僅實(shí)現(xiàn)了USB轉(zhuǎn)串口，并不能作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接使用，還需要PPP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持，它將ttyUSB*等設(shè)備模擬成網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，也即/dev/ ttyUSB0àPPP0。本系統(tǒng)移植PPP-2.4.4版本，將PPP-2.4.4/pppd/pppd和PPP-2.4.4/Chat/chat這兩個(gè)可執(zhí)行程序拷至主板/usr/sbin/目錄下，并配置wcd?ma、wcdma-chat-connect、wcdma-chat-disconnect三個(gè)腳本文件，就可以聯(lián)上互聯(lián)網(wǎng)了。

WiFi網(wǎng)絡(luò)采用的是RT3070芯片為核心的網(wǎng)絡(luò)模塊，同樣需要移植相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。

主板引出了很多的傳感器模塊接口，可以根據(jù)需求增加很多的傳感器，比如，溫濕度傳感器、煙霧報(bào)警傳感器、粉塵濃度傳感器等等。這些傳感器在以往的智能家居控制系統(tǒng)中也多有出現(xiàn)，這里不作重點(diǎn)介紹。

2　客戶端軟件設(shè)計(jì)

由于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的快速發(fā)展，相對(duì)于PC客戶端，手機(jī)客戶端顯現(xiàn)出了更大的便捷性。故設(shè)計(jì)了基于Android2.3及其以上版本的客戶端軟件，軟件包括室內(nèi)環(huán)境查看模塊、各電器控制模塊以及視頻監(jiān)控模塊。主界面與登錄界面如圖4和圖5所示。

手機(jī)連上網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)擊查看室內(nèi)環(huán)境菜單，就可向放在家中的主機(jī)發(fā)送查看命令，主機(jī)收到命令后，查詢各傳感器數(shù)據(jù)并把處理后的數(shù)據(jù)發(fā)往手機(jī)客戶端。

手機(jī)端接收到終端主機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻數(shù)據(jù)后，首先要進(jìn)行解碼，然后再顯示出來(lái)。T264源碼自帶有解碼程序，所以需要把T264源碼移植到An?droid平臺(tái)。T264和Android操作系統(tǒng)源碼的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義不同，需先統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，才能成功移植。在Android系統(tǒng)源碼文件sty/_types.h中定義如下：typedef unsigned short__uint16_t;typedef un?signed int__uint32_t;而T264源碼文件inttypes.h中定義如下：typedef unsigned int__uint16_t;typedef unsigned long__uint32_t;更改T264文件inttypes.h中int→short,long→int即可移植成功。

手機(jī)視頻的播放則是利用SDL框架來(lái)實(shí)現(xiàn)，解碼后的數(shù)據(jù)格式為YUV420P，SDL框架中的YVOverlay函數(shù)可以高效的顯示視頻，SDL1.3以后版本已經(jīng)支持Android平臺(tái)的移植。整個(gè)視頻播放的應(yīng)用采用的是JNI工程結(jié)構(gòu)，程序的主體由JAVA代碼構(gòu)成，視頻數(shù)據(jù)的解碼則由本地層利用C代碼實(shí)現(xiàn)，畢竟C代碼解碼效率相比JAVA要高得多。JAVA層利用System.loadLibrary("SDL"); System.loadLibrary("main");這兩條代碼來(lái)加載兩個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，并執(zhí)行本地C代碼中的main函數(shù)來(lái)最終實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的解碼播放。

3　效果演示

在WiFi網(wǎng)絡(luò)條件下，測(cè)試手機(jī)客戶端發(fā)送的控制電器命令和查看環(huán)境狀態(tài)命令能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地發(fā)送到監(jiān)控終端主機(jī)，監(jiān)控終端也能夠?qū)鞲衅鞯臄?shù)據(jù)處理之后實(shí)時(shí)地傳往手機(jī)端，遠(yuǎn)程監(jiān)控也能實(shí)現(xiàn)320*240分辨率的視頻實(shí)時(shí)播放，播放速率可達(dá)到15幀/s左右，在測(cè)試中，設(shè)定當(dāng)主機(jī)接收到控制電器的命令時(shí)，主機(jī)通過(guò)串口在PC上顯示LAMPCONTROL ONE等語(yǔ)句，接收到查詢環(huán)境狀態(tài)的命令時(shí)，先在PC上顯示出采集到的傳感器數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送至手機(jī)，示意圖如圖6所示。手機(jī)端也可對(duì)監(jiān)控房間進(jìn)行視頻播放。

4　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式智能家居系統(tǒng)，主要內(nèi)容包含硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)、客戶端軟件、視頻數(shù)據(jù)的編解碼方法以及個(gè)別驅(qū)動(dòng)、算法的移植等。嵌入式智能家居系統(tǒng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、成本低、布線集中、功能可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，客戶端界面友好、便于操作，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和市場(chǎng)前景。

[1]侯立功.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能家居系統(tǒng)構(gòu)想[J].數(shù)字通信，2011，38（6）：33-35,38．

[2]陳立偉，楊建華，曹曉歡，等.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的室內(nèi)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（2）：265-268．

[3]郭穩(wěn)濤，何怡剛.智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（9）：2109-2112．

[4]GILL K,YANG Shuang-hua,YAO Fang,et al.A ZigBee-Based home automation system[J].IEEE Transactions on Con?sumer Electronics,2009,55(2):422-430.

[5]HAN M,MIAO C-y.The design of intelligent household sys?tem based on wireless communications[C]//2011 International Symposium on Computer Science and Society：Proceedings: 16-17 July 2011,Kota Kinabalu,Malaysia，2011:206-209.

(責(zé)任編輯：趙建周）

The Design of Smart Home Monitoring System Based on Internet of Things

WANG Long-xing,ZHANG Yu-bo,XING Li-zhao
(School of Electrical Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou 450001，China)

System based on ARM9 S3C2440 chip CPU and embedded linux operating system,the 3G network module and WiFi network module,as well as a variety of sensor module are introducted.Client software is run on android smartphone platform.Based on the internet of things,it can provide communication information,home en?tertainment,security monitoring,application of living services,etc.The home demand for informatization and in?telligent is met in this system.

the internet of things；smart home;linux system;3G network;WiFi;android

TP273.5

A

1673-2928（2015）02-0005-03

2014-09-25

鄭州大學(xué)研究生教育科研專項(xiàng)支持基金重點(diǎn)項(xiàng)目。

王龍興（1988－），男，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院在讀研究生，研究方向：自動(dòng)化。張宇波（1965－），女，鄭州大學(xué)電氣工程學(xué)院副教授，研究方向：自動(dòng)化、控制工程與控制理論等。