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广东省电子设计竞赛设 计 报 告 参赛题目：基于Internet和GPRS的智能家居远程监控系统参赛单位：广东工业大学信息工程学院 参赛队员: 吴松江 卓永洪 陈大贺 指导老师：王日明 目 录摘 要3第1章 绪论4第2章 系统功能与方案设计42.1系统功能简介42.1.1系统功能介绍42.1.2系统功能特色创新点42.1.3实现原理52.1.4 功能指标52.2系统硬件设计52.2.1系统硬件框图52.2.2GPRS无线通信模块72.2.3液晶显示12864模块82.2.4摄像头模块92.2.5步进电机模块112.2.6蜂鸣器报警模块112.2.7网卡模块(此模块用于ARM服务器)112.2.8摄像头模块(此模块用于ARM服务器)112.3系统软件设计112.3.1系统软件流程图112.3.2视频采集模块软件实现122.3.3视频数据压缩模块软件实现132.3.4视频数据传输模块软件实现(包括发送与接收模块)132.3.5上位机模块软件实现.132.3.6门磁模块142.3.7摄像头模块142.3.8 GPRS模块142.3.9步进电机152.3.10 LCD12864液晶显示152.3.11软件部分总结16第 3 章 系统功能测试163.1门窗报警模块测试方法及测试现象163.1.1测试方法173.1.2测试现象183.2门窗报警模块测试方法及测试现象3 2.1 测试方法193.2.2测试现象203.3彩信模式测试方法及测试现象213.3.1测试方法223.3.2测试现象233.4网络视频测试方法及测试现象243.4.1测试方法253.4.2测试现象253.5系统相关实物图参考文献31附录：源代码摘要随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。本系统采用32位的ARM处理器作为主控制器，以8位双串口的STC12C5A60S2单片机控制摄像头做为前端采集数据的处理器。通过单片机对门磁传感器进行控制，接受门磁信号，实现实时报警，显示于LCD屏幕上,同时连接网络信号，从而实现发送彩信、email给主人的功能；还可以通过网络进行电话呼入处理、短信处理；同时，还可以使用电脑通过浏览器浏览摄像头采集的视频，使报警系统变得更加使用，新颖。关键词：防盗 ARM STC12C5A60S2单片机 门磁 报警 视频监控 摄像头 云台 彩信 邮件 短信 打电话 As the network technology and communication technology unceasing development and people to improve the life of the family, intelligent remote control has become an inevitable trend.This system USES a 32-bit ARM processor as the main controller, with eight 51 single-chip microcomputer control in front of the cameras as data processor. Through the gate chip control, accept magnetic sensor realizes real-time signal, the magnetic door, displayed in the LCD screen alarm, and connection network signals, thus realize send MMS, email to master function, Through the network to carry on the processing, the text processing, At the same time, still can use computer through the browser video cameras to the acquisition, use, alarm systems become more novelty.Keywords：burglar ARM MCU Magnetic door alarm video monitor Cameras yuntai MMS mail SMS call 第1章 绪论 智能家居或称智能住宅，在英文中常用Smart Home。与智能家居的含义近似的还有家庭自动化(HomeAutomation)、电子家庭(ElectronicHome、Ehome)、数字家园(Digital family)、家庭网络(Home netNetworks for Home)、网络家居(Network Home)，智能家庭建筑(Intelligent homebuilding)。与普通的家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，能够提供舒适安全、高品位且宜人的生活空间，还把原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，甚至为各种能源支出节约资金。如果说建筑是凝固的音乐，那么建筑智能化则是这首乐曲上绝妙的音符。建筑智能化的重要特征就是：网络化、智能化、人性化、个性化。人们接受智能化产品融入自己的工作和生活，不再是为了好奇，而是需求。智能化系统、宽带综合布线系统带给人们的不仅是产品，更重要的是体现了一种服务模式和服务理念。其基本目标是将家庭中各种与信息相关的通信设备，家用电器和家庭安保装置，通过有线或无线的方式，连接到一个家庭智能化系统上进行集中的或者异地的监视、控制和家庭事物性管理，保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调。基于这些突出优势，住宅的信息化、智能化将是一个不可避免的趋势。从技术角度看，智能家居是融合了计算机、网络、自动控制、传感等多种技术，并涉及生态、环境、能源等多个领域的综合性系统性工程，其实现归根到底是基于策略的自动控制和信息交换，所以，智能家居系统也就是一个综合了信息流和控制流的网络系统。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有以下几点：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。利用现代信息技术，住户可以做到足不出户，享受到更多精彩丰富的信息化生活，诸如网上购物、家庭医疗监护等。网络化：家居网络是在家庭范围内基于网络环境的综合应用，包括物业管理、安防等。网络化在简化管理流程的同时，也方便了人们的日常生活。当前在家居网络所采用的连接技术可以分为“有线和“无线两大类。有线方案主要包括一总线制、电力载波等；无线方案主要包括红外线连接、无线电连接、基于RF技术的连接和基于PC的无线连接等。标准化：关于智能家居的通信协议标准问题，到目前为止在国际上还没有统一的规范，现有的只是一些局部的或在某一领域内的规范。模块化：所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成不同功能的组件，可以根据用户的实际需求任意搭配。这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块，增强系统的可维护性、可扩展性，简化系统集成的过程。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)。低功耗多功能的无线传感网络正好顺应了这一发展要求。由于智能家居是一个多行业交叉覆盖的系统工程，各个设备厂商按照不同的接口标准与协议生产设备，其结果是：不同设备之间的互连、互通变得非常困难。这种问题实际上就是由家居设备的通信协议标准没有统一造成的。在整个智能家居控制系统中，家庭网络是智能家居实现通信的基础，是住宅内部的神经系统，而通信协议又是其精髓所在，因此在智能居家系统的设计中，采用具有良好发展前景的通信协议具有重要的意义。本文研究的主要内容是智能家居监控系统以及报警系统。在未来，智能家居监控系统将作为住宅的一部分，直接关系到住宅用户的满意度和舒适度。传统的智能监控系统往往利用了网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活的各个监控节点有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。但是传统的电缆有线连接已经渐渐退出家庭网络的舞台，因为现实中，很多房屋已经完成了装修，但没有专门为以后的智能家居系统预布线。而无线网络技术则可以在没有布线的情况下完成家庭局域网的搭建，而且无线智能模块的最大优点是安装非常方便，可拆分性特别强，能更好的适应各种应用环境的需要。本系统运用了对当今比较先进的技术，充分利用了当今的网络技术，无线网络技术等，把当今最流行的技术集于一身，具体可以实现发送短信控制，打电话控制，通过上位机与系统实现网络通信，实现远程监控。基于以上技术，本系统可以实现以下功能：（1） 上位机上观看现场视频；（2） 录象回放；御敌于户外，只要不法分子一打开门，马上会被拍照，并报警。（3） 可实现近、远程布防、撤防。（4） 大屏幕液晶显示家里异常信息。（5） 步进电机控制摄像机转角。第2章 系统功能与方案设计2.1系统功能简介2.1.1系统功能介绍本系统通过云台转动摄像头实现多层防盗,电脑终端远程控制。首先，如果房子的门被打开，单片机会控制步进电机转动到大门，并奖摄像头自动对准大门，然后自动打开摄像头电源进行拍照，把犯罪分子的相片通过GPRS彩信发送到主人的手机，同时也发email到主人的邮箱，之后报警系统自动触发，吓跑盗窃者；如果窗被打开，单片机也会控制步进电机转动到窗的方向，并将摄像头自动对准窗，同样打开摄像头电源进行拍照，把犯罪分子的相片通过GPRS彩信发送到主人的手机，同时也发email到主人的邮箱，之后报警系统自动触发，吓跑盗窃者。主人收到彩信或者邮件后，确定情况，决定是否报警。同时盗窃证据也已在主人手里。第二，正常情况下，想远程观察家里的情况，还可以打个电话或者发条信息给本系统，该系统一旦检测到主人电话呼入或者短信提醒，会自动拍一张家里的照片，然后发给主人，可以发到主人手机或者发mail到主人邮箱。第四，具备远程监控功能，在电脑终端实时监控远程情况。第五，具备遥控布防、撤防功能。2.1.2系统功能特色、创新点（实现功能）（1）图象全球掌握，视频信号无线传输，自由设定存储，无论在异国他乡还是在旅途中，只要可以上网的设备，那么，监控地点的图象您都可以随意的查看，回放，远程备份或者下载，即使在万里之外，监测点的一切尽在掌握中。 （2）录象回放。只要轻点一下手提电脑的回放键，刚才的所有过程立即尽现眼前！图：录像回放（3）御敌于户外，只要不法分子一打开门，马上会被拍照，并报警。图：防盗报警（4）可实现近、远程布防、撤防。（5）大屏幕液晶显示家里异常信息。（6）步进电机控制摄像机转角。2.1.3实现原理在门窗装上门磁传感器，一旦门被打开传感器电平会一高一低不断变化，单片机计数器一旦收到脉冲就会计数，如果计数在传感器脉冲个数的范围内，单片机就发指令给摄像头，让摄像头工作并拍照，之后从第0包开始，一包一包读取图片数据，发送到GPRS模块,最终把照片通过彩信发到手机、电脑终端；主人可通过GPRS打电话或者发短信给模块，系统一旦检测到有电话呼入或者短信查询，就会发指令给摄像头，让摄像头工作并拍照；在PC端运行客户端软件，由局域网连接到服务器IP。服务器由USB摄像头采集数字视频信息，经过MPEG4视频编码，然后通过TCP、UDP、JRTP网络传输协议向连接到服务器的客户端传输视频信息，实现视频的实时组播。提供视频信息。通过调用一些库函数实现云台控制及录像和保存录像文件2.1.4功能指标（1）摄像头像素130万，分辨率为320*240，串口波特率38400，图片大小为12k；（2）GPRS模块串口波特率为9600；（3）在网络稳定的情况下，从门磁触发到手机、电脑终端收集到一张照片大概需要20几秒左右；（4）LCD显示室内安全状况，提示是否存在危险；（5）系统可在远程撤防及布防，亦可用无线遥控器实现布防及撤防。（6）服务器端摄像头帧数为28帧每秒，正常情况下，网络传输传输速度为120kbps；2.2系统硬件设计 2.2.1系统硬件框图本彩信报警系统以加强版STC12C5A60S2单片机和带有彩信功能的无线模块GPRS为核心，前端设备可以根据控制摄像头采集图片，发送到用户手机以及用户邮箱上同时用户可以通过短信命令或者电话呼入随时查看系统状态，或者控制前端摄像头采集图像，监控现场情况。采用此方案设计的作品操作简单，为了降低成本，在最小硬件设计的基础上，系统的功能尽可能用软件程序来实现，以达到降低成本需求。门窗上装有无线门磁传感器，当门或窗出现异常时，系统控制蜂鸣器发出报警声音，液晶12864显示器显示相应的详细信息，步进电机模块可使摄像头转到相应的位置进行拍照，通过gprs模块将拍摄到的图片实时发到用户手机及邮箱中。此报警装置可通过无线遥控器来设置布防、撤防；当我们在远程电脑登陆设备ip时，可通过网络摄像来监视家里的情况。设计的硬件电路主要由下面部分组成：图像捕获和图像压缩编码部分通过串口摄像头实现；主控制器处理图像数据和任务控制用STC12C5A60S2单片机实现;带彩信协议GPRS模块无线部分;门磁传感器实现对门窗状态的检测；步进电机控制摄像头转动；蜂鸣器报警系统；LED指示系统；液晶显示系统。在设计中使用电路图。在设计的过程中首先设计了硬件的总体框图,如下所示： S3c2440摄像头模块步进电机模块网卡模块MUCSTC12C5A60S2无线门磁模块GPRS模块12864液晶显示锋鸣器报警模块步进电机模块串口摄像头模块 系统硬件框图2.2.2 GPRS无线通信模块 由于现场图片需要以彩信的形式发送，所以选用了带有彩信功能的无线模块，这里选用的GPRS模块是SIM公司的SIM300MMS模块。 智能家居控制器通过 GPRS模块，实现家庭系统与外部网络的通讯为系统核心部分，解决以前智能家居系统瓶颈的关键技术。GPRS 与现有的 GSM 系统最根本的区别是，GPRS 是一种分组交换系统，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS网络传输的主要优点有：永远在线、按流量计费、快速登录、高速传输、覆盖范围内不受限制(传输距离、地形、天气等)、数据传输可靠等。GPRS通信模块安装在智能家居控制器中，主要功能为通过GPRS网络连接到Internet网络，并主动与监控中心建立通信链路，进行双向数据通信。GPRS模块电路原理图2.2.3 液晶显示12864模块 液晶12864是一款非常不错的显示器，提供人性化的显示页面，如图9，为液晶显示电路，STC12C5A60S2单片机的PC5、PC6、PC7做LCD12864的控制线，PA0PA7做数据传输线液晶显示模块电路原理图2.2.4 摄像头模块 该串口摄像头是一款具有图片采集和图像压缩功能的摄像头，具有130万像素CM0S摄像头，最大分辨率可达到640*480，在此设定为320*240是一个内含有拍摄控制、图片捕捉、图像数据采集、图像JPG压缩、串口通讯等功能的齐全的工业用图像集设备最大串口通讯速率可达l15200bps。本设计采用的带有串口的摄像头，主机通过串El以约定的协议对摄像头进行控制。主机与相机是一种主从关系相机的操作命令由主机发出主机可以控制相机的输出格式、分辨率，相机向主机发送响应消息。具体参数：(1) 接口：主机与相机之间为RS一232标准接口，波特率为38400，8位数据位，无校验，1位停止位。(2) 图像格式：相机输出的图像格式为JPG。(3) 图像分辨率可以是：640*480、320*240。图像分辨率越高则图像数据量越大。图4表示分包传输时一幅完整图片采集流程。设置图像像素320*240 56 00 31 05 04 01 00 19 00应答（ACK）76 00 31 00 00应答（ACK）76 00 36 00 00拍照命令 56 00 36 01 00应答（ACK） 76 00 34 00 04 00 00 2F 58 其中 2F 58为图片大小读数据大小56 00 34 01 00（读数据）读第0包56 00 32 0C 00 0A 00 00 MM MM 00 00 KK KK XX XX应答（ACK）76 00 32 00 00(允许传送)第0包（读数据）读第1包56 00 32 0C 00 0A 00 00 MM MM 00 00 KK KK XX XX应答（ACK）76 00 32 00 00(允许传送)第1包.（读数据）读第n包56 00 32 0C 00 0A 00 00 MM MM 00 00 KK KK XX XX应答（ACK）76 00 32 00 00(允许传送)第n包2.2.5步进电机模块步进电机控制角度转动原理如下图，只要在数组里赋予相应的数就可以控制点击转动相应的角度。2.2.6 蜂鸣器报警模块下图为本系统蜂鸣器报警模块电路原理图，此电路比较简单，高低电平控制即可让蜂鸣器报警。 2.2.7 网卡模块(此模块用于ARM服务器) 在通信模块中采用DM9000网卡芯片和网络变压器HR911103A，以实现以太网接口的 设计；此部分电路图如下：2.2.8 摄像头模块(此模块用于ARM服务器)： 本模块采用的是usb接口的摄像头，此部分电路比较简单，其电路图如下所示：2.3系统软件设计2.3.1系统软件流程图应用程序开始初始化系统（步进电机，12864，gprs串口摄像头，无线门磁，蜂鸣器模块）是否有电话呼入是否有信息呼入是否布防窗出异常门出异常步进电机转动（到门或窗位置）控制摄像头拍照，gprs将图片发出到邮箱及手机控制摄像头拍照，gprs模块将图片发出到邮箱及手机控制摄像头拍照，gprs模块将图片发出到邮箱及手机应用程序结束液晶显示器提示异常情况，蜂鸣器报警Command进程是否有客户端连上初始化socket解析命令云台控制断开与客户机的连接采集线程是否有客服端连上应用程序开始Data进程编码线程控制线程初始化视频采集设备从采集线程获取原始数据地址初始化socket采集，将数据送到buffer中调用mpeg4进行编码Send线程：获取压缩数据地址，并向客户端发送将buffer地址给编码线程将压缩数据地址给控制线程创建send线程参数设置应用程序开始连接服务器成功？Socket初始化调用mpeg4解码应用程序结束监听服务器端并接受RTP包云台控制及参数设置得到所需视频流控制云台断开与服务器的连接调用视频播放函数播放调用录像函数调用mpeg4编码保存文件将云台控制命令发给服务器端应用程序开始2.3.2视频采集模块软件实现此部分程序主要是使用Video4Linux2提供的API函数集来编写视频采集程序。Linux系统中的视频子系统Video4Linux2为视频应用程序提供了一套统一的API，视频应用程序通过标准的系统调用即可操作各种不同的视频捕获设备。用mmap把设备文件映射到内存，用内存映射法一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝，所以我们选择这种方法。这里所用到的主要函数是：1. ioctl (vd-fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd-vmmap)2. ioctl (vd-fd, VIDIOCSYNC,&vd-vmmap.frame)使用ioctl (vd-fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd-vmmap)函数，若调用成功，则激活设备真正开始一帧图像的截取，是非阻塞的。接着使用ioctl (vd-fd, VIDIOCSYNC,&vd-vmmap.frame) 函数判断该帧图像是否截取完毕，成功返回表示截取完毕，之后就可将采集到的帧进行压缩，然后将压缩后的文件保存到发送缓冲区中。最后修改 vd-vmmap.frame ，vd-frame_cour的值进行下一次采集。2.3.3视频数据压缩模块软件实现：对图像帧的编码是通过调用xvidcore-1.1.0函数库的函数实现的，在使用XVID之前要对XVID进行初始化，在初始化过程中，首先对编码器的各项参数即结构体xvid_enc_create中的各成员进行设定，然后调用xvid_encore(NULL, XVID_ENC_CREATE, &xvid_enc_create, NULL)建立编码器。XVID编码的主函数为：Int enc_main(unsigned char *image,unsigned char *bitstream,int *key,int *stats_type,int *stats_quant,int *stats_length,int sse3)2.3.4 视频数据传输模块软件实现(包括发送与接收模块)要在Linux平台上编写实时传送视频的程序，可以使用一些开源的RTP库，如jrlplib、lib等，选用jrtplib实现视频数据的发送和接收。为了使ARM和主机端上都能正常运行发送和接收程序，必须在ARM和PC端都安装jrtplib.调用Send-VideoBuffer函数发送已编码数据哪。该函数可以直接把X264编码输出缓存中的数据直接发送，其内部调用的SendPacket0为jrtplib库函数中提供的发送函数。在接收端，由于ARM发送端发送的是一个个的RTP数据包，所以接收的时候，首先要把RTP数据包组合为数据帧，由于在发送的时候，已经对每一个数据包设置了一个标记位，标记是否为一个数据帧的起始。组合的时候，通过jrtplib中的HasMarker函数来判定起止。此部分所用到的函数为：1. Send-VideoBuffer（）；/发送数据函数2. HasMarker（）；/接收端判断数据结束函数2.3.5 上位机模块软件实现：此部分我们是通过在一个官方网站下载的一个软件开发包来做的，整个上位机界面用VC开发，上位机的主要功能是提供一个播放器，提供云台控制函数，连接函数与断开函数。用到的函数如下：1.ConnectAll（）函数功能：连接服务器端2.DisConnectAll（）函数功能：断开与服务器端的连接3.StartRec函数功能：开始录像。4.StopRec函数功能：停止录像。5.FullScreen函数功能：全屏显示视频窗口6.PTZ函数功能：云台控制实体文件列表（使用时这些文件需放在同一个文件夹下面，否则的话有可能运行不了上位机软件）文件说明ipcamax.ocx插件，安装时需要注册，AudioCodec.dll声音处理AviWriter.dll录像处理Com1024.dll网络摄像机通讯相关ddisp.dll显示相关ipcamax.lb5繁体中文语言ipcamax.lcn简体中文语言ipcamax.len英文语言ijl15.dllJPEG函数库LPng.dll图像函数库oemopt.dat配置文件Option.ini配置文件vcore.dll视频相关vvfw.dll视频相关ZPlayer.exe视频播放器,程序调用方式 ZPlayer.exe 播放文件路径ZPlayer.lb5, ZPlayer.lcn, ZPlayer.len视频播放器语言文件2.3.6门磁模块等待门窗被触发，一旦门窗被打开，相应的传感器会报警，并发出一系列的高低电平，从而使得单片机的计数器开始计数，一旦单片机计数完毕，马上控制单片机通知摄像头拍照并且发送彩信到指定的手机号码以及指定的邮箱。这个模块的功能包括报警、控制单片机通知摄像头拍照并发彩信。2.3.7摄像头模块 该模块的处理过程如下：先打开摄像头电源,再调用拍照函数进行拍照,拍照前先进行图片像素设置（320*240）,再拍照,成功拍照后，摄像头返回值为图片大小，之后再进行模块图片存储设置, 向模块发存储图片请求，建立新彩信，通知模块图片大小，等待模块允许上传的回应，从摄像头读一包数据,经单片机处理下再发到模块上去,一直发完为止，最后关闭摄像头电源。2.3.8 GPRS模块这个程序主要是完成GPRS模块与单片机之间的数据传输，单片机是12系列的，设定的单片机串行口工作方式为模式1， 8位UART：定时器1的工作方式为模式2，数据传输率设置为38400 bs晶振为l 1059 2 MHz。我们传输的主要是AT指令。该程序的主程序是对AT指令进行发送和接收，在完成发送和接收数据时是分别调用数据发送子程序和数据接收子程序而这里共包括3个子程序：数据发送子程序、数据接收子程序以及延时子程序。图片上传, 在进入前,已经完成,彩信标题，接收号码 ,可以是手机或邮件,抄送号码,直接送彩信,等待发送成功当模块接收到电话呼入信息时，回调用一下函数进行处理：挂断来电、自动拍照并传给刚才呼入的号码。2.3.9步进电机当出现报警信号时，单片机计数器收到信号后，自动判断是哪一个传感器发出报警信号，之后控制步进电机转动相应的角度直到摄像头指到刚才发出报警信号的传感器方向，也就是门或者窗的方向，再通知单片机转动完毕。2.3.10 LCD12864液晶显示液晶显示采用LCD128*64规格.程序主要有液显初始化.数据写入.指令写入.显示数据.2.3.