（模式识别与智能系统专业论文）嵌入式智能家居无线图像监控系统的研究.pdf

q i y at h e s i sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ri np a t t e r nr e c o g n i t i o na n di n t e l l i g e n t s y s t e m r e s e a r c ho fe m b e d d e dw i r e l e s si m a g e m o n i t o r i n gs y s t e mf o rs m a r th o m e s b yq i nz h a o b i n g s u p e r v i s o r ： w u c h e n g d o n g ，z h a n gy u n z h o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y m a y 2 0 0 8 独创性：声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者躲荡、狗、 签字日期：仍嗜，切 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 半年口一年叫一年半口两年口 黧，矧魈黧：麴季矽 膏 l t 东北大学硕士学位论文摘要 嵌入式智能家居无线图像监控系统的研究 摘要 随着人们对居住环境要求的不断提高，家居智能化已经成为住宅发展的必然趋势。 本文研究了一种成本较低、操作简单灵活的嵌入式系统，利用现已普遍使用的手机、p d a 等便携式终端，通过g s m g p r s 网络实现远程通讯，采用z i g b e e 短距无线通信方式组 建家庭监控网络。本文主要完成了智能家居远程控制方案的整体设计、异常状态监测算 法的研究、硬件平台的搭建和功能模块的软件实现等任务。本文创新点及主要研究成果 如下： 研究了利用g c o s i i 操作系统和3 2 位s 3 c 4 4 b o x 处理器搭建嵌入式系统。基于 i t c o s i i 操作系统的实时性、移植方便和可扩展的优点，以及a r m 处理器高性能、低 成本、资源丰富的优势，将嵌入式系统作为智能家居的开发平台，有效地缩短了系统开 发周期，降低了系统成本。 研究了基于串口摄像机的异常目标室内跟踪检测方法，提出了背景差和帧间差法相 结合的自适应状态检测、小目标跟踪检测、自适应背景更换方法，研究了j p e g 图像的 解码、图像灰度值转换和二值化处理方法，并利用腐蚀和膨胀技术对图像进行了形态学 去噪处理。 首次提出了基于多媒体彩信( m m s ) 和短信息( s m s ) 技术的无线远程监控方案， 设计了t r 8 0 0 彩信模块开发板，完成x m o d e m 协议的嵌入式软件编程，实现了m m s 和s m s 信息的收发。提出了基于z i g b e e 无线通信技术组建家庭控制网络方案，设计了 基于c c 2 4 3 0 芯片的无线收发模块，研究了模块收发模式设定方法。研究了在系统中加 入烟雾传感器等环境监控传感器，提升家居安全性的策略。 实验测试结果表明，文中提出的方案是先进有效的，可以满足家居远程监控系统技 术要求。 关键词：多媒体彩信服务；z i g b e e ；图像监控：无线；嵌入式；智能家居 r e s e a r c ho fe m b e d d e dw i r e l e s si m a g e m o n i t o r i n gs y s t e m f o rs m a r th o m e s a b s t r a c t w i t ht h er i s i n gd e m a n d so ni n h a b i t a n c ye n v i r o n m e n t ，t h e a p p l i c a t i o n so fs m a r th o m e s n a v eb e c o m et h ei n e v i t a b l et r e n do f d e v e l o p m e n t si nd w e l l i n gh o u s e st h e s i si sf o c u s e do n m er e s e 砌o fo n el o w e r - c o s t ，s i m p l ea n df l e x i b l ee m b e d d e ds y s t e m ，州c h u s e sp o 础1 e t e 珊m m s ，s u c ha sm o b i l ep h o n e ，p d a ，a n ds oo n ，t oa c h i e v el o n g d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o n t h r o u g ht h eg s m g p r sn e t w o r k s f u r t h e r m o r e ，t h ez i g b e es h o r t r a n g e - 谢r e l e s st e c h n 0 1 0 9 y l sa d o p t e dt os e tu pt h ef a m i l yc o m m u n i c a t i o n m o n i t o r i n gn e 觚d r k t h et h e s i sc o n c e n t r a t e s o nt h ed e s l g no fw h o l es y s t e m ，t h es t u d yo f a b n o r m a lc o n d i t i o nm o n i t o r i n ga l g o r i t l u n ，t h e e s t a b j i s h m e mo fh a r d w a r ep l a t f o r m s ，a n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n g m o r e o v e r ，t h em a i nw o r k s a n da c h i e v e m e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o i l o w ： y h ee m b e d d e ds y s t e mi se s t a b l i s h e dw i t ht t c o s - i i o p e r a t i n gs y s t e ma n ds 3 c 4 4 b o x p r o c e s s o r b a s e do nt h e t c o s - i i s h i g hr e a l t i m ea b i l i t y , c o n v e n i e n tt r a n s p l a n t a t i o na n d e x t e n s i o n , a i l d 删，- h i g h - p e r f o r m a n c e ，l o w - c o s t ，a b u n d a n tr e s o u r c e s ，e m b e d d e dt e c h n 0 1 0 9 y i sa d o p t e da st h ep l a t f o r mf o rs m a r th o m e c o n t r o l l e ri nt h et h e s i s 1n ea b n o r l t l a lt a r g e td e t e c t i o n a l g o r i t h mf o ri n d o o rs u r v e i l l a n c eu s i n gt h es e r i a lp o r t c 锄e r a1 sa l s or e s e a r c h e d m e t h o d so f a d a p t i v es t a t ed e t e c t i o n , s m a l lt a 曜e t sd e t e c t i o na n d a d a p t l v eb a c k g r o u n dr e p l a c e m e n tm e t h o da r ep r o p o s e d m e t h o d so fd e c o d i n go f j - p e g 蛐a g e s ，g r a y - s e a l ec o n v e r s i o na n d b i n a r yp r o c e s s i n ga r e i n v e s t i g a t e d c o 盯o s i o n 趾i d e x p a n s l o nt e c h n o l o g yi sa p p l i e di nn o i s ee l i m i n a t i o np r o c e s so f m o r p h 0 1 0 9 y b a 3 e d0 nm m sa n ds m s ，w i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs c h e m e i sp r o p o s e df o rt h ef i r s t t i m e am m sd e v e l o p m e n tb o a r d f o rt r 8 0 0i s d e v e l o p e d ，p r o g r a m m i n go fx m o d e m a g r e e m e n t0 ne m b e d d e de n v i r o n m e n ti s a c c o m p l i s h e d ，a n dt h es e n d i n g r e c e i v i n go fm m s a n ds m sm e s 阻g ei s a c h i e v e d i na d d i t i o n ，s c h e m eo fs e t t i n gu p i l yc o 姗u n i c a t i o n m o n l t o n n gn e 铆o r kw i t hz i g b e es h o r t r a n g ew i r e l e s st e c h n o l o g yi s p r o p o s e d aw i r e l e s s t r a n s c e l v e rm o d u l eb a s e do nt h ec c 2 4 3 0i s d e s i g n e da n dt h em o d e l sm o d u i e sa r es e t 1 1 1 e i n t r o d u c t l o no fs o m ee n v i r o n m e n t s e n s o r s ，s u c ha ss m o k es e n s o ra n d g 嬲s e n s o r c a n e f f e c t i v e l ye n h a n c et h es e c u r i t yo fh o m e s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t s c h e m ep r o p o s e di nt h et i l e s i s i sa d v a n c e da 1 1 d i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e f f e c t i v e ，w h i c hi s a b l et om e e tt h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h el o n g - d i s t a n c eh o m e m o n i t o r i n gs y s t e m k e y w o r d s ：m m s ；z i g b e e ；i m a g em o n i t o r i n g ；w i r e l e s s ；e m b e d d e d ；s m a r th o m e 一 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究的背景及意义1 1 1 1 课题研究的背景1 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 智能家居国内外研究现状2 1 2 1 国外发展现状2 1 2 2 国内研究现状。3 1 3 智能家居主要发展方向4 1 4 智能家居远程通信技术。5 1 5 本文研究内容及论文结构6 第2 章智能家居平台总体设计7 2 1 智能家居系统整体设计7 2 2 嵌入式系统一8 2 2 1 嵌入式硬件选择。8 2 2 2 操作系统的选择9 2 3 多媒体m m s 技术10 2 3 1m m s 原理10 2 3 2m m s 的基本特征1 l 2 4 家庭无线网络布线技术1 2 2 4 1 无线通信技术的选择1 2 2 4 2z i g b e e 技术特点13 2 5c m o s 摄像机介绍1 4 2 5 1z m 4 6 0 型摄像机1 4 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 2 5 2 摄像机工作方式一15 2 5 3j p e g 压缩技术16 2 6 本章小结1 6 第3 章智能家居系统硬件设计1 7 3 1 智能家居控制器1 7 3 1 1s 3 c 4 4 8 0 x 处理器17 3 1 2a r m 开发板资源18 3 1 - 3 开发板串口分配及扩展2 0 3 2 远程通信模块设计2 1 3 2 1t r 8 0 0 模块简介2 1 3 2 2 电源模块设计2 1 3 2 3s i m 卡接口设计2 2 3 2 4 复位与启动电路设计2 2 3 2 5 串行通信接口设计2 3 3 2 6 抗干扰设计2 3 3 3 家庭网络硬件设计2 4 3 3 1 z i g b e e 模块设计。2 4 3 3 2c c 2 4 3 0 芯片2 5 3 4 监控系统外围器件设计2 6 3 4 1 烟雾传感器2 6 3 4 2 继电器选择2 7 3 5 本章小结。2 8 第4 章异常目标跟踪检测技术研究与实现2 9 4 1 传统检测方法2 9 4 2 室内信息采集3 1 4 3 异常目标特征提取3 2 4 3 1j p e g 解码。3 2 4 3 2 灰度信息提取与二值化处理一3 4 4 3 3 形态学处理及结果分析3 6 一一 东北大学硕士学位论文目录 4 4 异常状态分析判定技术3 9 4 4 1 量化函数的设置与异常状态界定3 9 4 4 2 小目标跟踪检测技术3 9 4 4 3 背景图像更换方法41 4 5 本章小结4 2 第5 章系统软件设计及功能模块实现4 3 5 1 嵌入式uc o s i i 操作系统4 3 5 1 1i - t c o s i i 操作系统概述4 3 5 1 2 基于i 上c o s i i 的软件结构设计4 5 5 1 3 操作系统的移植。4 6 5 2 基于i t c o s i i 操作系统的程序设计4 8 5 3m m s 信息软件实现5 0 5 3 1t r 8 0 0 模块配置5 0 5 3 2m m s 信息编辑5 1 5 3 3x m o d e m 协议软件开发5l 5 3 4 基于查表的c r c 校验实现5 3 5 4 手机终端s m s 控制实现一5 5 5 5 家庭监控网络组建5 6 5 5 1 组网方式5 6 5 5 2z i g b e e 模块模式选择5 7 5 6 系统性能测试与评估5 7 5 6 1 异常目标检测算法测试5 7 5 6 2 串口摄像机测试5 8 5 6 3m m s 及s m s 信息时延测试5 9 5 6 4 家庭网络测试5 9 5 7 本章小结6 0 第6 章结论与展望6 l 6 1 结 念6 1 6 2 展望。6 2 一v i i 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献6 3 致谢6 7 攻读硕士期间发表的论文6 8 作者简介6 9 v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 “智能家居”( s m a r th o m e ) ，又称智能住宅，是近几年产生并迅速崛起的一种新型 家居住宅，而家居的智能化是其最重要最基本的内容，它是建筑艺术、生活理念与信息 技术、电子技术等现代技术的完善综合。它利用先进的计算机技术、嵌入式系统技术、 网络通讯技术和传感器技术等，将家中的各种设备( 照明系统、环境控制系统、安防系 统、智能家电等) 有机的连接到一起。智能家居让用户采用更方便的手段来管理家庭设 备，比如，通过无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，根据场景设定 设备动作，使多个设备形成联动【l , 2 1 。 智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动 运行，从而在最大程度上给用户提供高效、便利、舒适与安全的居住环境和工作环境。 它不仅已经成为一个国家经济实力和科学技术的综合标志之一，而且也是人类社会住宅 发展的必然趋势【3 4 j 。但是，当前的智能家居产品大都基于有线通信技术，系统成本高， 设计周期长，维护不方便，较难适应当前的发展形式，同时智能家居技术在我国还是刚 刚起步，许多技术标准都还不统一，还有很多工作需要做【5 6 】。 二十一世纪，i t 产业尤其是通讯产业，进入到一个全新的无线通讯时代，嵌入式高 性能芯片的出现、各种操作系统应用于嵌入式系统以及网络技术的发展为解决这些问题 提供了技术保障，智能家居开始向数字方向发展。数字家庭开始侧重于产品功能上重新 组合，将电话、数码相机、计算机及各种家用电器、安防报警、家庭监控设备互联，实 现设备之间的信息交换和远程控制。同时，随着科技和经济的发展，人类移动范围越来 越大，在家庭中停留的时间呈下降趋势。对所关心的家庭安全状况如外人入侵、火灾、 煤气泄漏等的掌握也显得日益迫切【7 ，引。 随着信息化程度的不断提高，如何利用现已普遍使用的手机、p d a 等便携式终端， 通过g s m 、g p r s 、c d m a 等无线网络与智能家居系统进行通讯，成为智能家居监控中 的研究热点，将把数字监控推向移动监控的新高度，具有广阔的发展空剐9 1 。同时，目 前逐渐成熟的z i g b e e 无线短距通信技术为智能家居家庭网络的实现带来了巨大的便利， 为智能家居的研究注入了新活力。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 课题研究的意义 本课题研究基于嵌入式系统的智能家居安防技术，采用无线局域网和无线远程手机 控制方案，能够提供无处不在的家庭安全监控，避免了综合布线的繁琐，降低了使用成 本和门槛，能使人们在繁忙工作的同时，方便地了解自己家庭的安全状况，及时做出分 析与判断，从而消除后顾之忧，提高工作效率。系统设计思想新颖，应用前景良好，研 究成果可以应用于汽车、公司、办公室、仓库等场合的远程监控，具有良好的应用前景。 1 2 智能家居国内外研究现状 1 2 1 国外发展现状 国外在智能家居方面起步较早，再加上其微电子技术、计算机技术、嵌入式技术等 较国内都领先很多，所以在智能家居系统的理论上，以及与之配套的产品，尤其是智能 家电、信息家电产品的生产和标准制定上都具有很多优势，普及程度和人们的认同度也 比较高。 智能家居无线报警技术的研究最先从美国开始( 1 9 8 4 年) ，自从世界上第一幢智能 建筑出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出 了各种智能家居的方案。在美国、德国、新加坡、日本等都有广泛应用，但普及较好的 是韩国和日本。韩国政府规定在汉城等大城市的新建小区必须具有智能家居子系统，带 动了韩国三星、l g 等知名家居无线监控产品的飞速发展。日本在智能家居无线技术领 域也取得了较大进展，推出了一批具有国际先进水平的产品，构建了完善的家居安全防 范报警系统【1 0 1 。 在智能家居发展过程中，美国一直处于领先水平。近来，以美国微软公司及摩托罗 拉公司等为首的一批国际知名企业，先后挤身于智能家居的研究与开发中，例如：微软 开发的“梦幻之家”、i b m 公司开发的“家庭主任 、摩托罗拉公司开发的“居所之门” 等。3 c o m 公司也一直在通过因特网向用户宣传智能家居这一概念，并正在研发家用无 线网关等网络产品。此外i n t e l 公司、日本松下电器公司、新加坡科技电子公司、韩国 三星公司等知名企业也正致力于智能家居系统的研发工作。目前占据市场主流 的产品技术包括x 1 0 ，l o n w o r k s ，c e b u s ( c o n s u m e re l e c t r o n i cb u s ，消费电子总 线) 等。其中x 1 0 主要针对单体住房或别墅，多应用于旧房改造，用户群比较庞大，但 此产品技术限制较多。l o n w o r k s 技术核心是将诸如开关、温控器、电梯、洗衣机和电 表等智能设备组成低成本的网络，设备间彼此能相互通信，并提供分布式监视和控制， 一2 一一，一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 应用较为普遍。 新加坡也提出了自己的家庭智能化系统“未来之家 ，其系统功能包括三表抄送、 安防报警、可视对讲、监控中心、家电控制、有线电视接入、电话接入、住户信息留言、 家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等。智能家居的市场已经 启动，其诱人的前景和巨大的市场潜力吸引了大批厂商争先恐后地涉足这一市场。在新 加坡有仅3 0 个社区近5 0 0 0 户的家庭采用了家庭智能化系统，美国已有近4 0 0 0 0 户家庭 安装了家庭智能化系统，三星公司从2 0 0 3 年春节后，开始在中、韩两国同时推出其智 能家居系统，通过机顶盒和网络，将家居自动控制、信息家电、安防设备以及娱乐和信 息中心这四部分集成一个全面的、面向宽带互联网的家居控制系统【l l l 。 1 2 2 国内研究现状 二十世纪9 0 年代中后期，国内的智能小区逐步兴起，我国的智能化住宅和智能化 小区建设，最初始于广州、深圳和上海等沿海开放城市，逐步向内地扩展。近年来，人 们对智能小区的热情空前高涨，一时间全国上下许多大中城市的房地产商都将自己开发 兴建的住宅小区标以“智能小区 ，智能住宅成了房地产商开发销售的热点和卖点。但 由于智能化家居缺乏统一的技术标准，智能化相关产品不成熟，房地产开发商贪大求全， 盲目追求智能化以及专业知识欠缺导致的鉴别能力不足等原因，造成部分建成的小区智 能化系统运行不正常，系统性价比低下，所使用的系统与设备不符合标准化及开放性的 要求。 从设计思想和技术角度分析，国内厂家主要有二个方向：一是基于p c 平台的家庭 安防系统，以联想集团的家居安防系统为代表；二是基于嵌入式平台的家居安防系统， 嵌入式系统以其成熟的技术优势、低廉的价格成为近年研究的热点。嵌入式技术在信息 家电中的应用，已成为最大的研究领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的 生活步入一个崭新的空间。 在国内从事生产智能化家居的企业中，由近几年从安防产品转移过来的中小企业占 多数，国内一些传统家电业的巨头如海尔、创维、t c l 、科龙、海信等也开始进入智能 化家居产业市场，并将嵌入式技术在智能家居技术中广泛应用。 智能家居主要应用在高端用户，包括高档小区及别墅，而对普通用户来说，智能家 居还远未普及。前期的智能家居技术与产品主要集中在一些分散的智能家庭控制子系统 的研究上，如三表抄送系统、可视对讲系统等。市场上消费者接受程度最高的是家庭安 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 防和家电控制，对一些超前的功能并没有广泛的采纳。 目前防盗报警产品在我国的普及率只有2 0 ，与欧美等发达国家高达7 0 的普及率 相比，我国家居智能化安防系统的建设的水平仍然很低，处在初级阶段，比发达国家落 后很多，但随着时代的发展，人们意识观念的改变使得智能家居安保这个全新的概念逐 渐为越来越多的人所认识和接受，在我国智能家居发展蕴含着极为广阔的市场空间。 总的来说，由于国内智能化家居产品的研发从9 0 年代后期起步，在整体水平上显 得参差不齐，大部分产品软件功能较差，系统不易维护，并且很多厂商对产品的核心技 术不拥有自主知识产权，因此开发有自己技术特色的嵌入式智能家居系统，显得尤为重 要。随着我国城市社区建设和智能化家居建设的不断推进，智能家居系统定会有一个广 阔的发展前景【1 2 , 1 3 】。 1 3 智能家居主要发展方向 智能家居系统主要包括家居核心控制器和外围通信网络。随着嵌入式技术逐步走向 成熟，嵌入式技术的低成本、低功耗、使用方便的技术特色逐步取代了传统p c 机系统 的技术优势，嵌入式在智能家居控制器中的应用已经越来越广泛。而智能家居的网络通 信技术现在有很多种，比如有线的x 1 0 、c a n b u s 、e t h e m e t 等技术，无线的b l u e t o o t h 、 z i g b e e 、w i f i 、u w b t l 4 j 。传统的智能家居控制系统一般是有线的方式来组建的。一些 技术发展己经相对比较成熟，而且在行业中已经具有一定的标准性和通用性，但普遍还 存在以下缺点： ( a ) 基于有线的方案具有明显的缺点布线麻烦，增减设备需要重新布线，而且影响 美观；另一方面系统可扩展性差，系统安装和维护成本高，移动性能差。 ( b ) 通信标准不统一。 针对以上提出的目前智能家居控制领域存在的不足，我们从技术发展的角度来考察 设计中要考虑的要素，智能家居的发展离不开相关技术的进步，相关技术的飞跃也必然 改变智能家居的面貌，不难看出智能家居的主要发展趋势： 信息化：信息技术，尤其是网络技术的发展，不仅是一场技术革命，也极大地改变 了人们的思维模式和行为模式。建筑智能化的重要特征就是网络化、智能化、人性化、 个性化。 网络化：基于网络环境的综合应用，包括物业管理、安防、商务等。在简化管理流 程的同时，方便人们的日常生活。 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 标准化：改变目前“各自为政 的情况，使不同厂家的产品可以互操作，方便在解 决方案中采取适合质量等级的产品，组建个性化的系统。 模块化：基于标准的接口规范，设计独立的功能模块，增强系统的可维护性、可扩 展性，简化系统集成的过程，而这正式嵌入式系统优势所在。 绿色：智能化建筑的绿色生态发展，主要包括节能、无污染( 空气污染、噪声污染、 电磁污染等) ，资源的循环、回收利用。安全、舒适的休闲、工作环境是主要的目的。 整合：独立的智能家居早晚会被取代，未来的智能住宅最大的特色即为“整合， 将由一套完整的网络服务将房屋内的灯光、保安、音频、视频等一系列自动化程序整合 在一起。 嵌入式：嵌入式技术是指设备通过嵌入式模块，而非p c 系统，直接接入i n t e m e t 实现信息交互的过程，或者通过移动通信模块，直接接入移动网络实现远程交互的过程。 这样避免系统对传统p c 机的依赖造成的耗电和故障问题【1 5 , 1 6 】。 1 4 智能家居远程通信技术 从控制的方式考虑，可以把智能家居分为两个子系统，一个是家庭内部的控制网络， 以便进行家居的本地控制；另一个就是在用户离开家后，能对家中设备的状态进行控制 的智能家居远程控制系统。对家用电器和仪表进行远程控制，已经成为未来家居发展的 必然趋势，所以远程控制技术在智能家居系统中的作用也越来越重要。它是建立在现代 计算机技术、通信技术、控制技术以及图像技术上的一个新的应用。远程数据或命令的 传输一般有以下几种方法： ( 1 ) 使用无线电收发设备； ( 2 ) 利用有线电话网络，以双音多频( d t m f ) 信号为载体传送命令或数据； ( 3 ) 利用计算机和i n t e m e t 网络传送数据及命令； ( 4 ) 利用g s m 网络的s m s 短信服务或g p r s 数据业务传送数据或命令。 对于用户来说无论哪种方法，最重要的就是方便、快捷、安全和可靠。有线传输方 式安全、可靠，但是经常受到了架线环境、传输距离等条件的限制。无线方式方便、快 捷，却容易受到地形地貌的影响以及频率资源的限制，在应用场合中也受到一定限制。 目前，固定电话网络、g s m g p r s 移动通信网络已经遍及城市，每家都有固定电话， 每个人都有移动电话，而且i n t e m e t 网络也逐步进入每个家庭，如果能充分利用这些便 利的资源，使人们可以通过手机、固定电话或者互联网在任何时间或地点对家中的电器 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 进行远程控制，一定能给人们营造一个安全、舒适和方便的生活环境。 因此，本课题基于嵌入式系统，引入刚兴起的多媒体彩信技术( m m s ) 和成熟的 s m s 技术，利用手机接收多媒体信息，并通过短信的方式对控制系统进行远程控制，大 大的方便了用户的可操作性。 1 5 本文研究内容及论文结构 本文主要面向家庭安防，研究基于图像和嵌入式技术的远程家庭安防系统。系统采 用高性能a r m 微处理器，集成c m o s 串口摄像机、短距z i g b e e 无线控制模块和t r 8 0 0 彩信模块。本文主要完成控制器、t r 8 0 0 模块、z i g b e e 模块和c m o s 串口摄像机硬件 平台的设计与搭建、各功能模块的软件实现，提出并研究适合于本系统的异常目标处理、 跟踪、报警算法。整篇论文结构分配如下： 第1 章，介绍了课题的研究背景意义、国内外研究现状、智能家居的远程无线通信 技术和未来智能家居发展趋势； 第2 章，讨论了智能家居监控系统平台的整体设计，包括嵌入式系统的软硬件选择、 m m s 及z i g b e e 技术的基本原理和c m o s 摄像机的工作方式； 第3 章，描述了整个控制系统的硬件设计，对系统进行模块化设计，并将设计方案 和电路图作了详细阐述； 第4 章，阐述了监控系统中最关键的核心异常目标跟踪检测技术。包括信息采 集方式、异常目标特征提取、异常状态的界定、小目标跟踪算法、背景图片更换方式等； 第5 章，按模块进行了整个系统的软件设计。包括嵌入式系统的移植、m m s 信息 的发送实现、远程s m s 控制实现、z i g b e e 家庭网络组建等； 第6 章，全文总结，对本文的研究工作进行总结，提出系统应进一步完善的方向。 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章智能家居平台总体设计 第2 章智能家居平台总体设计 2 1 智能家居系统整体设计 本系统以g c o s i i 实时操作系统为内核，以a r m 开发板为控制器，组建嵌入式系 统。通过c m o s 串口摄像机，对室内关键目标进行安全监控；通过g s m g p r s 网络， 利用t r 8 0 0 彩信模块发送异常目标m m s 信息，并接收手机终端的s m s 信息指令，对 系统进行远程复位或设置；利用z i g b e e 无线短距通信技术实现嵌入式主板、家用电器、 光电烟雾传感器、煤气传感器等设备的无线联网。系统组成如图2 1 所示。 图2 1 系统实物图 f i g 2 1a c t u a lm o d u l e so ft h es y s t e m 系统采用c m o s 摄像机对重点区域进行监控，摄像头内部集成数据采集和压缩功 能，将j p e g 格式图像数据通过标准串口发送至a r m 处理器。处理器将j p e g 数据进 行解码和图像处理后，通过异常目标跟踪检测技术对监控对象进行处理和分析，如发现 异常，即刻向用户发送m m s 信息，并根据用户设定，通过z i g b e e 家庭网络发送控制指 令，例如，向小区保安发送报警信号、存储图像、系统复位等。同时，系统中烟雾传感 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章智能家居平台总体设计 器等安防设备发出报警信息，通过嵌入式控制器分析判断后确定是否控制家用电器执行 联动。用户可以通过s m s ，随时设置系统工作模式，并可主动获取监控图像。 2 2 嵌入式系统 嵌入式系统是继计算机网络技术之后，i t 领域又一个新的技术热点和发展方向。嵌 入式系统目前己经广泛地应用于网络通信、消费电子、工业控制、国防等各个领域。随 着计算机技术与通信技术的发展，嵌入式系统的研究与开发也有着越来越重要的实际意 义【”1 。 家居远程控制器可以是家中的p c 机，也可以是嵌入式系统。近年来，以a r m 为 核心的嵌入式系统应用越来越广泛，技术也日趋成熟，被越来越多的应用于工业、服务 业等领域。低功耗、体积小、价格低等特点，使得a r m 系列处理器比p c 机更适合做 智能家居的远程控制器，嵌入式技术已经逐步在该领域显示出它的优势。本文选用了基 于a r m 7 内核的处理器和i t c o s i i 操作系统作为本课题的嵌入式开发平台。 2 2 1 嵌入式硬件选择 选择处理器的标准主要的依据就是系统的需求，本课题的主要研究目的是实现以 m m s 信息、s m s 信息和局域网接入三种方式相结合，来实现家居的远程监控。在最大 限度的满足智能家居远程监控系统实时性、安全性、可靠性要求的同时，低成本也是本 课题研究的主要目的之一。 为了保证系统的实用性和可扩展性，此控制系统需要选用高性能的微控制器，考虑 到系统升级以及高档微控制器的价格不断下降，设计中采用了3 2 位微控制器作为整个 系统的核心。对于微控制器的选择，系统遵守了以下原则： ( 1 ) 微控制器的结构 这里主要是指芯片内部是否有m m u 单元( 内存管理单元) 。p c o s i i ，g c l i n u x 操作 系统可以运行在没有m m u 单元的处理器上，因而选用微控制器和操作系统要有机的结 合起来。 ( 2 ) 系统时钟的速度 系统时钟决定了芯片的运行速度，在对芯片的速度进行考察的时候，考虑到总线速 度的影响，一般要选用实际所需c p u 速度的3 倍的时钟。 ( 3 ) i o 口的数量 在某些芯片产品说明书中标识出的是最多的i o 口的数量，其中有些往往是地址、 一8 一 东北大学硕士学位论文第2 章智能家居平台总体设计 数据、i o 复用的接口。因此在选择芯片时应该考虑其实际可用的i o 口数量。 ( 4 ) 中断控制器 外部中断控制器是选择芯片时必须考虑的因素，合理的外部中断设计可以在很大程 度上减轻任务调度的工作量，同时还要考虑中断的触发方式。 ( 5 ) 外部扩展总线 大部分的3 2 位芯片支持外部扩展s d r a m ，但是提供的片选信号的数量不同，即 支持的外部扩展芯片的数量不同。同时，数据总线的宽度有8 位、1 6 位、3 2 位三类， 方便选择总线宽度类型。 ( 6 ) u a r t 数量 几乎所有的3 2 位芯片都支持1 个或2 个串口，用于同p c 机通信调试。 ( 7 ) d m a 控制器 芯片通过d m a 可以实现与外部设备高速交换数据，同时减少数据交换时对c p u 的占用，例如l c d 液晶显示和视频信息。 ( 8 ) 特殊功能 有3 2 位芯片针对不同领域的应用需求，有独特设计，这个根据需要而定。 根据以上原则，本系统选用s 3 c 4 4 b o x 微控制器，它集成了多级流水线，处理速度 快，功耗很低，低电压，微电流供电，同时处理器属于低端的控制设备价格较便宜，这 些特点使该处理器既能满足系统要求，又能节约成本。 2 2 2 操作系统的选择 在大型嵌入式开发应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要相应地管理存储 器分配、中断处理、任务间通信和定时器响应，并提供多任务处理等功能的稳定、安全 的软件模块集合，即嵌入式操作系统。 嵌入式操作系统就是支持嵌入式系统工作的操作系统，相对于一般操作系统而言 的，它除具备了一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件 功能等外，还有以下特点： ( a ) 可装卸性、开放性、可伸缩性的体系结构； ( b ) 强实时性； ( c ) 统一的接口并提供各种设备驱动接口； ( d ) 操作方便、简单，提供友好的图形g u i ，图形界而，追求易学易用； 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章智能家居平台总体设计