基于嵌入式Linux智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)家居監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜的問題，提出了一種嵌入式智能家居無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以S3C2440為硬件平臺(tái)，以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)移植Web 服務(wù)器，并采用了GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信傳輸技術(shù)，用戶可通過測覽器查詢家居信息。實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控、狀態(tài)查詢等功能，可滿足人們對(duì)家居高品質(zhì)生活的追求。
關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng)；Linux；Web；GPRS

    隨著嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展以及人民生活水平的提高，人們開始更加注重家居環(huán)境的安全，伴髓人們需求的提高，基于嵌入式的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)面生。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控、數(shù)字監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控3個(gè)階段。雖然視頻監(jiān)控系統(tǒng)在20世紀(jì)90年代末就在中國市場興起，有很多公司推出了自己的智能家居系統(tǒng)，但是現(xiàn)在仍來得到普及，而且目前智能家居的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未成熱，因此智能家居監(jiān)控系統(tǒng)存在廣闊的發(fā)展空間。
    筆者提出的智能監(jiān)控系統(tǒng)有煤氣傳感器、紅外探頭傳感器、攝像頭等數(shù)據(jù)采集模塊。當(dāng)監(jiān)控終端探測到室內(nèi)發(fā)生異常時(shí)，攝像頭拍照并將到的圖片信息經(jīng)過壓縮，通過內(nèi)部總線發(fā)送到Web服務(wù)器，并將相關(guān)數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊發(fā)送到用戶手機(jī)上。用戶可以通過瀏覽器進(jìn)行訪問，以查看Web服務(wù)器上的監(jiān)控圖片，并做出相應(yīng)處理。

1 總體設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)由室內(nèi)監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心兩部分組成。監(jiān)控終端采用嵌入式系統(tǒng)，分為硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分，其中硬件平臺(tái)由處理器和外圍設(shè)備組成，而軟件平臺(tái)由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件組成。當(dāng)檢測模塊檢測到異常時(shí)，攝像頭采集監(jiān)控畫面，并進(jìn)行壓縮編碼處理，GPRS通過撥號(hào)的方式連入互聯(lián)網(wǎng)，將壓縮的碼流經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，整個(gè)系統(tǒng)是基于B／S架構(gòu)設(shè)計(jì)的，用戶不需要安裝任何專用的軟件就可以查看室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的畫面，總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 主控模塊
    采用S3C2440處理器芯片作為智能家居控制系統(tǒng)的控制核心，CPU工作頻率最高可達(dá)533MHz，擁有可進(jìn)行乘累加單元(MAC)、指令和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器管理單元(MMU)、16 kB的指令和數(shù)據(jù)緩存、16字深的寫緩沖，為程序的高速運(yùn)行提供了有力保證。S3C2440提供了外設(shè)有存儲(chǔ)控制器、NANDFlash控制器、攝像頭接口、USB控制器等。
2．2 GPRS無線傳輸模塊
    GPBS無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、網(wǎng)絡(luò)能力強(qiáng)、系統(tǒng)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、易于安裝使用。它基于IP的網(wǎng)絡(luò)，傳輸速率理論上可達(dá)171．2 kb／s，且傳輸時(shí)延小。本文采用GF-5000 WGPRS模塊，它是一個(gè)單面高集成度精巧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擁有GPRSClass10多時(shí)隙功能，支持GSM900／DCS1800雙頻，支持電路交換語音和短消息業(yè)務(wù)，擁有GSM07．07和增強(qiáng)型AT命令集。
2．3 圖片采集模塊
    圖像采集的設(shè)備有很多種，OV9650傳感器具有130萬像素，分辨率可達(dá)1 280x1024，具有標(biāo)準(zhǔn)的SSCB接口和10bit數(shù)據(jù)接口。由于S3C24 40片內(nèi)有攝像頭接口外設(shè)，所以將OV9650攝像頭芯片直接與處理器攝像頭接口引腳相連，圖像并行傳輸，圖像數(shù)據(jù)速度明顯提高。[!--empirenews.page--]
2．4 傳感器模塊
    本文選用MC-112催化式傳感器，來檢測可燃?xì)怏w濃度。具有半導(dǎo)體技術(shù)、高靈敏度、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。選用紅外熱釋電傳感器LHi778作為人體檢測模塊。采用紅外熱釋電傳感器專用信號(hào)處理芯片BISS0001來完成信號(hào)的處理放大。
    網(wǎng)絡(luò)芯片轉(zhuǎn)換成一個(gè)以太網(wǎng)接口，DM9000芯片配備有標(biāo)準(zhǔn)10M／100M自適應(yīng)功能，支持以太網(wǎng)接口協(xié)議，擁有一個(gè)通用的處理器接口、一個(gè)EEPROM接口和4kDWORDSRAM緩存數(shù)據(jù)區(qū)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 嵌入式開發(fā)平臺(tái)
    Linux開放源代鶴、資源豐富、內(nèi)核可裁剪等優(yōu)點(diǎn)，因此我們采用Linux作為操作系統(tǒng)。構(gòu)建嵌入式操作系統(tǒng)平臺(tái)主要包括構(gòu)建交叉編譯環(huán)境、Boot Loader移植、內(nèi)核的裁剪與編譯、根文件系統(tǒng)的制作等。其中內(nèi)核的裁剪的主要操作有：1)編輯Makefile文件。將CROSS_COMPI LE=opt／host／armv41／bin／armv41-un-know-linux改為CROSS_COMPILE=arm-linux。2)編譯內(nèi)核make menuconfig配置Linux內(nèi)核。3)執(zhí)行命令makedep創(chuàng)建內(nèi)核的依賴關(guān)系。4)創(chuàng)建內(nèi)核鏡像make zImage。4)Linux內(nèi)核壓縮映像zImage建立根文件系統(tǒng)。
3．2 圖像采集
    在Linux下的視頻采集是通過Video4Linux實(shí)現(xiàn)的，它是連接視頻設(shè)備的內(nèi)核程序，提供了一系列的接口函數(shù)API，專門服務(wù)于視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程。在編譯內(nèi)核時(shí)要將Video4Linux項(xiàng)選中，對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件目錄是／dev／video。設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了open、read、write、close等函數(shù)調(diào)用，采用內(nèi)存映射mmap方式把設(shè)備內(nèi)存映射到應(yīng)用程序的內(nèi)存空間中，用戶空間和內(nèi)核空間不需要交換數(shù)據(jù)，視頻采集流程圖如圖2所示。

3．3 GPRS無線通信
    利用TCP／IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，再通過GPRS模塊傳到GPRS同絡(luò)，GPBS網(wǎng)絡(luò)通過路由器與Internet相連，將數(shù)據(jù)包送到固定IP地址的監(jiān)控服務(wù)器端口，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無線傳輸。
    在嵌入式linux操作系統(tǒng)下實(shí)現(xiàn)GPRS按號(hào)上網(wǎng)，需要PPP協(xié)議支持、撥號(hào)應(yīng)用程序移植和撥號(hào)腳本程序編寫。PPP即點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包。系統(tǒng)是通過撥號(hào)方式來建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，按照順序發(fā)送數(shù)據(jù)包。撥號(hào)應(yīng)用程序移植為：
   
    然后對(duì)撥號(hào)端口進(jìn)行配置，最后調(diào)用ppp_on_dialer腳本文件實(shí)現(xiàn)同服務(wù)器會(huì)話。進(jìn)而在會(huì)話程序中進(jìn)行登錄，實(shí)現(xiàn)無線接入。
3．4 嵌入式Web服務(wù)器
    Boa是一種高性能單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，能夠支持實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的CGI(公用網(wǎng)關(guān)接口)技術(shù)，源代碼開放，而且能夠非常方便地在操作系統(tǒng)上進(jìn)行移植。當(dāng)有連接請(qǐng)求時(shí)，Boa不為每個(gè)連接單獨(dú)創(chuàng)建進(jìn)程，而是通過建立HTTP請(qǐng)求列表來處理多路連接請(qǐng)求，同時(shí)為CGI程序創(chuàng)建新的進(jìn)程，這樣在最大程度上節(jié)省了系統(tǒng)資源，所以十分適用于嵌入式系統(tǒng)。我們利用Boa在嵌入式linux操作系統(tǒng)上建立Web服務(wù)器，利用CGI最終實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備的控制。
    Linux下實(shí)現(xiàn)Boa，需要對(duì)Boa做一些配置和修改。主要通過對(duì)boa.conf和mime.type文件進(jìn)行修改，需要將cgi文件擴(kuò)展名和applicatio n／x-httpd-cgi類型關(guān)聯(lián)；配置CGI腳本存放路徑，在boa．conf中用ScriptAlias來指明，然后創(chuàng)建HTML文檔目錄、CGI腳本目錄，最后將boa．conf放到／etc／boa目錄下。Web服務(wù)器接收到請(qǐng)求，將瀏覽器發(fā)過來的參數(shù)傳遞給CGI程序，CGI程序完成處理，生成HTML頁面代碼寫到重定向的標(biāo)準(zhǔn)輸出。

4 結(jié)論
    本系統(tǒng)采用嵌入式Linux作為軟件開發(fā)平臺(tái)，便于系統(tǒng)的開發(fā)、測試、升級(jí)及擴(kuò)展，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。通過GPRS無線傳輸，并應(yīng)用Web服務(wù)器瀏覽網(wǎng)頁，實(shí)現(xiàn)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足家用的需求。