王麗麗，齊 賽，朱琳琳

（1.哈爾濱理工大學(xué) 哈爾濱 150080；2.黑龍江電力職工大學(xué) 哈爾濱 150030）

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

王麗麗1，齊 賽2，朱琳琳1

（1.哈爾濱理工大學(xué) 哈爾濱 150080；2.黑龍江電力職工大學(xué) 哈爾濱 150030）

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)，用戶可通過瀏覽器查詢家居信息。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。

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[1]，人們開始更加注重家居環(huán)境的安全，伴隨人們需求的提高，基于嵌入式的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。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)在仍未得到普及，而且目前智能家居的國際標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，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[2]。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。

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

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)533 MHz，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、NAND Flash控制器、攝像頭接口、USB控制器等[3]。

2.2 GPRS無線傳輸模塊

GPRS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 W GPRS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)1 280×1 024，具有標(biāo)準(zhǔn)的SSCB接口和10 bit數(shù)據(jù)接口[4]。由于S3C2440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。

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4 k DWORD SRAM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開放源代碼、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、BootLoader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_COMPILE＝opt/host/armv4l/bin/armv4l-un-know-linux改為 CROSS_COMPILE＝arm-linux。2）編譯內(nèi)核makemenuconfig配置Linux內(nèi)核。3）執(zhí)行命令make dep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

圖2 視頻采集流程圖Fig.2 Flow chart of the video capture

利用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，再通過GPRS模塊傳到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS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撥號(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[5]。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application/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[6]。

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。

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Design of smart home supervision system based on Linux

WANG Li-li1， QI Sai2， ZHU Lin-lin1
（1.Harbin University of Science and Technology，Harbin150080，China；2.Heilongjiang Electric Power Staff University，Harbin150030，China）

Aiming at the wiring complex problem of the tranditional household supervision system，a kind of the embedded smart home wireless supervision system is proposed.The system adopts the S3C2440 as the hardware development platform，the embedded Linux operating system as the software development platform，transplants Web sever in the system，and uses GPRS wireless network technology.Users can check the household information by browser.The system can realize remote control， actual situation inquiry of the house，and can meet the pursuit of high quality life to home.

supervision system；Linux；Web；GPRS

TP311

A

1674－6236（2012）03-0092-02

2011-12-07 稿件編號(hào)：201112029

王麗麗（1986—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。研究方向：通信與信息系統(tǒng)。