基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)路徑

郭詩(shī)霖

（遼寧科技大學(xué)，遼寧鞍山，114051）

0 引言

伴隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展，人們的生活水平也越來(lái)越高，對(duì)生活質(zhì)量的要求也在不斷提高。，因此，推動(dòng)了科技在居家環(huán)境中的應(yīng)用，智能家居控制系統(tǒng)在慢慢實(shí)現(xiàn)。此前，智能家居控制系統(tǒng)大多將處理器作為核心，對(duì)于室內(nèi)環(huán)境、監(jiān)測(cè)等沒(méi)有做太多把控。隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的要求不斷提高，室內(nèi)環(huán)境、智能監(jiān)測(cè)等是被人們所需求的，而該系統(tǒng)具有低能耗、低成本和穩(wěn)定性高的特性，因此，嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)提高人們生活質(zhì)量具有重要的意義[1]。

1 智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)

該智能家居的主控芯片為S3c2440 processor，S3c2440 processor是 在RISC microprocessing of ARM920T core的基礎(chǔ)上形成了許多控制接口，方便使用，同時(shí)也便于與外部器件連接。傳感器在檢測(cè)居家環(huán)境中起到重要作用，同時(shí)還需要用到USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)。用戶(hù)想要查看各種信息，需要先將系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)，再登錄家居管理主頁(yè)進(jìn)行操作就可以[2]。智能家居控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)家里發(fā)生緊急情況時(shí)，會(huì)有蜂鳴器報(bào)警發(fā)出警報(bào)，會(huì)自動(dòng)通過(guò)GPRS通信系統(tǒng)向用戶(hù)發(fā)送緊急短信。

圖1 智能家居控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 嵌入式微處理器

嵌入式微處理器的設(shè)計(jì)是在Tx2440a development board的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。主控芯片為S3c2440 processor可以使主頻可以達(dá)到390兆赫以上，而且還具有多項(xiàng)功能如存儲(chǔ)器管理單元、控制器、支持外部存儲(chǔ)器等功能。系統(tǒng)內(nèi)存為64兆，快閃記憶體為256兆，顯示屏為3.5in薄膜晶體管真彩色液晶屏，Dm9000 for network chip，USB主機(jī)4個(gè)、從機(jī)1個(gè)。

■2.2 視頻采集模塊

該系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)提供視頻4 LinuxAPI函數(shù)的基礎(chǔ)上，采用ZC301型號(hào)攝像頭進(jìn)行視頻采集的。視頻流服務(wù)器通過(guò)內(nèi)部總線接收視頻數(shù)據(jù)，然后再被壓縮進(jìn)行傳輸，傳輸是通過(guò)TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行的，最后通過(guò)CGI函數(shù)進(jìn)行客戶(hù)端與服務(wù)器的聯(lián)系，客戶(hù)就可以通過(guò)手機(jī)或者瀏覽器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)畫(huà)面進(jìn)行監(jiān)控[3]。

■2.3 傳感器模塊

智能家居控制系統(tǒng)在傳感器模塊采用的是EE210溫度傳感器，采集室內(nèi)濕度采用的是HM1520濕度傳感器，檢測(cè)室內(nèi)粉塵采用的是TQ15-GC1000J粉塵傳感器，檢測(cè)電路一般采用LH1778，報(bào)警器采用的是蜂鳴器，在報(bào)警觸發(fā)之后，在通過(guò)GMS發(fā)出報(bào)警短信。這些信息到達(dá)控制中心是通過(guò)S3C2440，再將所有信息傳送至Web。

■2.4 GPRS通信模塊

該模塊主要選用的PCIE8914，該模塊的主要作用是提供語(yǔ)音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，?nèi)部安裝了外部應(yīng)用程序和多媒體短信服務(wù)[4]。該模塊采用串列埠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，接收處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是通過(guò)PCIE8914的雙向端口，向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)的也是該模塊上的雙向端口。通信模塊處于中心位置（GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)），并將二者連接起來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和監(jiān)測(cè)界面的實(shí)現(xiàn)。對(duì)室內(nèi)的各個(gè)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控（照片、粉塵、安全問(wèn)題等），各個(gè)模塊在檢測(cè)中起到不同的作用。該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將應(yīng)用程序嵌入到網(wǎng)頁(yè)中，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)生成影像。用戶(hù)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)生產(chǎn)影像的程序，通過(guò)反饋的方式傳達(dá)個(gè)客戶(hù)，客戶(hù)打開(kāi)頁(yè)面就可以進(jìn)行查看，進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控的目的。

■3.1 環(huán)境檢測(cè)模塊

該模塊主要是起到檢測(cè)的作用（溫度、濕度、粉塵等），整個(gè)過(guò)程以傳感器為基礎(chǔ)獲取信息，再進(jìn)行傳遞（互聯(lián)網(wǎng)-服務(wù)器平臺(tái)）。圖2為室內(nèi)環(huán)境溫度采集流程圖，用戶(hù)通過(guò)手機(jī)或者瀏覽器就可以看到室內(nèi)情況，蜂鳴器裝置在室內(nèi)環(huán)境達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)就會(huì)進(jìn)行報(bào)警，會(huì)自動(dòng)通過(guò)GSM系統(tǒng)向用戶(hù)發(fā)送緊急短信[5]。

圖2 室內(nèi)環(huán)境溫度采集流程圖

■3.2 照明模塊

該模塊的作用主要是室內(nèi)照明，而用于照明的燈主要是LED燈（LED1-LED3）。同時(shí)還創(chuàng)建一個(gè)文本用于保存燈的狀態(tài)信息，而且還會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)更新等操作。

■3.3 視頻監(jiān)控模塊

該模塊主要包含3部分：①視頻圖像采集部分；②視頻數(shù)據(jù)傳輸部分；③視頻圖像顯示部分。進(jìn)行圖像采集的是Linux系統(tǒng)內(nèi)部的V4L，原始圖像經(jīng)過(guò)JPEG壓縮輸將被送到客戶(hù)端供客戶(hù)播放查看，在中層采用實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議，目的是為了保證視頻的傳輸質(zhì)量不被破壞，在網(wǎng)絡(luò)層采用的是通訊傳輸協(xié)議[6]。通過(guò)外部應(yīng)用程序和Web端實(shí)現(xiàn)客戶(hù)與網(wǎng)絡(luò)的交互。

■3.4 監(jiān)測(cè)界面的實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)的控制界面在計(jì)算機(jī)生成影像的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成，主要包含兩部分：①靜態(tài)表單頁(yè)面設(shè)計(jì)，使用超文本標(biāo)記語(yǔ)言；②態(tài)Web頁(yè)面設(shè)計(jì)，使用計(jì)算機(jī)生成影像。當(dāng)用戶(hù)訪問(wèn)服務(wù)器時(shí)，彈出的第一個(gè)界面是輸入登錄信息，等信息驗(yàn)證通過(guò)后，用戶(hù)才能進(jìn)行主頁(yè)。主要的功能主要包含三個(gè)：①室內(nèi)電燈控制；②家居環(huán)境檢測(cè)；③網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。以上三個(gè)功能均有主網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，計(jì)算機(jī)生成影像進(jìn)行傳輸和操作，生成的視頻通過(guò)視頻服務(wù)器傳輸?shù)街黜?yè)，供客戶(hù)查看?？蛻?hù)在進(jìn)行遠(yuǎn)程觀看視頻時(shí)，還可以進(jìn)行拍照。

4 系統(tǒng)調(diào)控與測(cè)試

為了驗(yàn)證該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)能否支持Android或iOS客戶(hù)端能使用，進(jìn)行了一系列系統(tǒng)調(diào)控與測(cè)試。分別進(jìn)行軟件測(cè)試、硬件測(cè)試，再將兩種軟件進(jìn)行結(jié)合測(cè)試。其中硬件測(cè)試采用E2PROM芯片24C02的讀寫(xiě)程序，通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行程序加載，并設(shè)定電壓為220伏進(jìn)行測(cè)試，其他測(cè)試與此類(lèi)似。因此，嵌入式智能家居系統(tǒng)可以通過(guò)多線程序加載來(lái)輔助各模塊實(shí)現(xiàn)功能化處理，提高了系統(tǒng)的面向性。嵌入式智能家居控制性能分析圖如圖3所示，該圖詳細(xì)的分析了嵌入式智能家居控制的覆蓋率。由圖可以看出，不同的手機(jī)客戶(hù)端對(duì)嵌入式智能家居控制的覆蓋率結(jié)果不同，嵌入式智能家居控制系統(tǒng)，對(duì)手機(jī)端的移動(dòng)點(diǎn)數(shù)依賴(lài)較小，因此增加了該系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)還提高了智能家居的控制覆蓋率。

圖3 嵌入式智能家居控制性能分析

通過(guò)以上測(cè)試可以得出，該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)可以進(jìn)行查看，監(jiān)測(cè)室內(nèi)的各個(gè)部分的工作狀態(tài)，而且可以對(duì)傳感器的信息進(jìn)行收集整理。用戶(hù)可以打開(kāi)遠(yuǎn)程操作界面進(jìn)行登錄，在輸入完正確的用戶(hù)名和密碼之后進(jìn)入到操作頁(yè)面，此時(shí)就可以查看室內(nèi)的所有信息，還可以通過(guò)遠(yuǎn)程去操控各個(gè)部位。對(duì)視頻監(jiān)控界面進(jìn)行了測(cè)試，監(jiān)控畫(huà)面為廚房，在手機(jī)中看到視頻信息流暢，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)延遲，因此，該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的檢測(cè)效果較為理想。

5 結(jié)語(yǔ)

文章介紹了嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的整個(gè)框架結(jié)構(gòu)和操作過(guò)程。主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩大部分，系統(tǒng)中涵蓋了多個(gè)模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)居家環(huán)境中各個(gè)環(huán)節(jié)。而且該控制系統(tǒng)成本不高，操作簡(jiǎn)單，基本達(dá)到了用戶(hù)的基本需求，應(yīng)用價(jià)值很高。