ARM嵌入式系统在智能家居监控中的应用.doc

摘要：ARM是目前较热门的嵌入式处理平台，具有功耗低、体积小、低成本、高性能、集成度高等众多特点，由于系统的小型化，被广泛应用于数字消费电子、工业控制、医疗汽车电子以及网络通信等领域。该文在嵌入式系统及的概念的基础上，将基于ARM的嵌入式开发技术应用于智能家居介绍了基于ARM9的智能家居监控模块的实现，采用ARM9内核的S3C2440处理器为控制芯片，将Linux系统移植到硬件平台，通过相应的驱动和应用程序，将软件下载到硬件平台来对智能家居进行本地和远程控制。 中国论文网 关键词：嵌入式系统；智能家居；视频控制 中图分类号：TP18文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)13-3151-03 ARM Embedded System in the Intelligent Home Monitoring GAO Yuan, LI Ye (Shenyang Normal University, Shenyang 110034,China) Abstract: ARM is a popular embedded processing platform at present, with many features, such as low power consumption, small size, low-cost, high performance, high integration, and so on. The system is miniaturized, so its widely used in Digital consumer electronics, industrial control, Medical Electronics, and network communications. In this paper, on the basis of the concept of embedded systems，I used embedded development technology based on ARM in smart home。This paper introduces the ARM9-based smart home monitoring module, which using S3C2440 processor as the control chip. This module transplanted Linux system to the hardware platform. Through the corresponding driver and application program, the software is downloaded to the hardware platform for local and remote control of in? telligent home. Key words: embedded systems; smart home; video control 1智能家居概况 随着社会信息通信技术的飞速发展，人们的生活不断发展，信息化和数字化越来越成为社会各个领域的大势所趋。智能家居把科技产品合理融入家居生活中，使家庭生活与信息数字化结合起来。随着工作生活节奏越来越快，智能化家居可以提高效率、节约时间，让我们可以腾出更多的时间来做其他事情，也提高了生活质量。智能家居的解决方案有很多种。大部分以Internet为中心，在家庭网络的连接下，结合多种智能家居功能，来实现家居的各种智能化控制手段。 图1为一个智能家居系统的模似图，从图1中我们可以看出智能家居有以下几个特点：1）舒适：智能家居可以为人们带来更为轻松舒适的生活。当你早晨一觉醒来，使用机动卷帘，可以获得更多的光照。使用音响系统放大器开关收音机，在居室的任何一间房里，包括阳台、卫生间和厨房，均可安装背景音乐，通过多个音源，可以让每个房间都听到美妙的音乐和喜爱的节目；2）安全：使用防盗报警控制单元，以监测整个房子或一个特定的房间。使用天然气一站式探测器让电磁阀停止气体泄漏；3）节水：使用温度探头，以便确定不同温度下的每个房间都可以节约能源达30%；4）通讯：用微型摄像头作为一种友好的眼睛，以便让您在每个房间。使用内部单位免提通信的视频显示所有需要的对讲机，视频门禁系统，和电话功能。 2嵌入式系统 嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一般就具备以下几个特点： 1）内核相对较小：因为嵌入式系统主要应用于小型的电子装置，内核要小很多。 2）嵌入式系统的专用性强：软件系统和硬件系统的结合很紧密，一般要针对硬件系统进行移植。 3）嵌入式系统较精简：对其功能设计及实现上较精简，方面控制成本，利于实现系统安全。 4）嵌入式系统的实时性比较强。 5)嵌入式系统需要开发工具和环境。 图1智能家居系统的模图 2.1嵌入式系统组成 嵌入式系统是指嵌入到对象体系中的专用计算机系统或嵌入式计算机系统，由嵌入式处理器、嵌入式软件系统、嵌入式外围设备和嵌入式操作系统组成，它是集软硬件于一体的可以独立工作的“系统。嵌入式系统体系结构如图2所示： 图2嵌入式系统体系结构 2.2嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，是控制、辅助系统运行的硬件单元。范围极其广阔，从最初的4位处理器，目前仍在大规模应用的8位单片机，到最新的受到广泛青睐的32位，64位嵌入式CPU。 ARM是一类微处理器，同时也是一个公司的名字。ARM公司与1991年在英国剑桥成立，该公司设计了大量耗能低，高性价比的RISC处理器、相关技术及软件。目前被许多领域广泛使用，如嵌入控制、DSP以及移动式应用等等。 3系统总体结构及功能说明 嵌入式提出以嵌入式系统使底层监测设备与Internet的连接，做到了远程监测。建立的监测系统由于开销少、尺寸小、功能强，广泛被应用。采用TCP/IP网络协议标准,系统组网容易、传输数据多、速率快；客户端通过WEB浏览器就可以对设备进行监控。 在智能家居中，智能监控是大家最为关心的功能。该系统主要包括ARM9核心控制模块，系统的功能模块主要包括视频采集传输模块，家庭网关模块，家庭安全防范模块，设备控制模块等。系统总体结构模型图如图3所示。 图3系统总体模型图 视频采集传输模块：系统采用摄像头采集视频，对视频进行压缩编码，并通过网络传输，可以远程视频监控。 家庭网关模块：通过切合实际的组网技术把家庭内部网关与其他需要的设备组成可以进行信息交换的家庭内部网络，并与外部的Internet相连。家庭网关是连接外部网和家庭网的关口，既负责用户从外网上对家庭网络的访问和控制，又负责家庭内部对外网的访问和交互，同时还要负责家庭内部设备的互连、互控等操作。 家庭安全防范：在满足人们方便、舒适生活的同时，智能家居也要求能为家庭提供安全防范保障。主要包括防止入侵侵犯、破坏、盗窃、爆炸等。 设备控制模块：设备控制可以解决家庭设备的自动控制问题，将更多的设备通过一定的方式连接，达到统一、集中控制，为家庭生活带来方便。 图3中，ARM是整个系统的控制核心，S3C2440处理器是一款基于ARM920T内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，主频可以根据需要选择不同频率。由于S3C2440处理器主要面向嵌入式设备，功耗较低且具有非常高的性价比，非常适当开发要求。所以本文以此为主处理器。使用S3C2440处理器自带的多功能可编程I/O接口GPIO实现对各个监控点的控制。 4系统的实现 4.1视频模块的实现 视频监控模块主要分为三个部分，即视频采集程序、视频编码程序以及视频传输程序。 1）视频采集模块的实现：视频采集通过在内核中为USB摄像头写入驱动，然后编写上层应用程序获取视频数据。设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口。驱动程序主要以编译为模块，单独加载、运行、调试，它不需要重新启动内核，只需通过相关命令进行驱动模块加载和删减操作，驱动调试效率大大提高。 2）视频压缩模块的实现：因为采集的视频图像一般数据比较大，为使视频能有更好的分辨率，在网上能有更好的传输速率，需要对原视频图像进行压缩编码，可将采集的视频数据经MPEG（Moving Picture Experts Group）压缩。视频压缩技术是计算机处理视频的前提。视频信号数字化后数据带宽很高，通常在20MB/秒以上，而采用压缩技术以后通常数据带宽降到1-10MB/秒，这样就可以将视频信号保存在计算机中并作相应的处理。MPEG算法是适用于动态视频的压缩算法，它除了对单幅图像进行编码外还利用图像序列中的相关原则，将冗余去掉，这样可以大大提高视频的压缩比。 3）网络传输视频模块的实现：为了达到远程监控的目的，需要将生成的视频数据流并发布到Internet。MPEG小组提出了基于IP的MPEG-4视频传输。MPEG-4主要有几个优点：专门针对低带宽等条件设计算法，因而压缩比更高，使低码率的视频得以传输；节省存储空间，同等条件条件下，经过编码处理的图像文件越小，占用的存储空间越小；图像质量好，采用基于对象的识别编码模式，从而保证良好的清晰度。 流媒体的特点是可以采用边下载边播放的方式，它是视频会议、IP电话等应用场合的技术基础。目前实现流媒体传输主要通过两种方法：顺序流传输和实时流传输，它们分别适合于不同的应用场合。 4.2家庭网关模块 选用三星公司生产的S3C2440芯片作为嵌入式家庭网关，它的ARM内核是ARM920T。选择该芯片是基于以下几点考虑； 1)带有MMU，可以支持大部分的Linux操作系统； 2)主频可以满足大多数家庭网关数据的传输； 3)具有较多的GPIO口供用户选择使用，这样可以使多个智能电器接入网关，方便控制； 4)有以太网接口，可以使网关轻松接入网络。 4.3家庭安全防范模块 1)家庭内部可采用被动红外探测器、可燃气体探测器、温/湿度传感器； 2)家庭外部可选择窗磁、门磁开关、红外探测器、玻璃破碎探测器、双鉴探测器等； 3)家庭内外部的探测装置与报警控制器通过无线方式相连； 4)报警控制器与中心控制器通过有线方式相连。安防报警的原理图如图4所示。 图4安防报警的原理图 4.4设备控制模块 系统在收到用户手机对家电的控制命令后，在S3c2440对应的GPIO口产生控制信号，该控制信号经放大后驱动继电器动作，从而实现家电的启停控制。对不同的家庭设备，给出了不同的解决方案: 1)对于电灯、电饭煲一类的家庭设备，采用以继电器为核心的控制电路控制。首先将继电器、二极管、限流电阻等连接成一个控制电路，将继电器的一个电源脚接到开发板的S3C2440芯片的一个GPIO引脚上，继电器的另一个引脚接VCC，通过写在S3C2440中的程序，来控制GPH1输出高低电平，进而控制继电器的吸合、断开，然后由继电器来控制家用电器的开关。若有人进入家中时，电灯会自动打开，摄像机采集视频进行监控，可通过Internet进行远程的查看和控制。 2)对于电视机、空调一类的家庭设备，可以通过统一的红外控制器控制。红外模块可直接与S3C2440的UART口相连，由S3C2440中的程序来发送和接收红外数据。涉及到的程序主要有红外驱动程序、发送数据程序、接收数据程序等。 5结束语 系统控制中心采用ARM微处理器作为控制核心，软件采用Linux嵌入式操作系统使控制中心具有丰富的软硬件资源和可扩展接口，便于系统的开发、调试、维护和升级，同时也提高了系统的稳定性和可靠性。 随着社会全面的信息化、智能化和网络化，智能家居一定会成为将来家