智能家居远程监控系统的设计及实现

智能家居远程监控系统的设计及实现智能家居远程监控系统的设计及实现 2011 年 3 月 7 日 10 27 山西电子技术 作 者 张成法 杨风 摘要 介绍了一种基于 ARM 平台 以太网和 GPRS 无线通信技术的智能家居远程监控 系统 给出了系统的组成及工作原理 着重阐述了系统主要硬件和软件的设计 智 能家居远程监控系统的核心是嵌入式 Web 服务器 通过该嵌入式 Web 服务器 在用 户端只需要通过 Web 浏览器就可以对家用电器设备进行远程控制 该智能家居远程 监控系统还实现了对家庭环境的实时监视和自动报警的功能 0 引言 随着国民经济的快速发展和人们生活水平的不断提高 人们对居住房子的舒适性及 安全性要求也提升到了更高的档次 同时计算机技术 网络和信息技术也在不断发 展 这使得家庭智能系统的远程监控成为一种现实 本文设计的智能家居远程监控 系统实现了家用电器等的智能化管理 对家庭环境的实时监视和自动报警功能 1 智能家居系统的总体结构 智能家居远程监控系统的核心部分是一个嵌入式 Web 服务器 系统集有线和无线 Web 服务器于一体 用户可以利用办公室的 PC 登录家中的 Web 服务器 在通过用户 名和密码验证后 便可以查看并控制家用电器 系统结构框图如图 1 所示 2 系统硬件设计 本系统硬件电路框图如图 2 所示 主要由 ARM9 控制器 S3C2440 FLASH SDRAM 电 源及复位模块 触摸屏显示模块 USB 摄像头 以太网接口模块 GPRS 模块 家电 控制 安防控制等组成 2 1 ARM9 控制器 S3C2440 ARM9 控制器 S3C2440 是基于 ARM920T 内核的 16 32 位 RISC 处理器 具有功能强大 性价比高 功耗低的优点 2 2 家电控制 本系统针对家电设备的智能化程度不同 提出了不同的解决方案 对于电灯开关等 需要手工控制的传统家庭设备 系统添加了辅助控制器 继电器等 用户可通过以 太网或手机短信的方式控制处理器 GPIOn 的状态 间接控制家庭设备 对于电视 空调等可通过红外线控制的电器设备 系统采用带有以太网接口的通用控制器统一 遥控 对于自身具备网络接入功能 支持远程平台控制的智能电器设备 直接接入 家庭以太网即可 2 3 安防控制 系统使用的所有探测器 烟感传感器 煤气传感器 门磁传感器等 和报警设备 都 是通过 GPIO 与控制器相连来完成报警输入输出的功能 然而这些输入输出信号都有 很强的电流 对系统的干扰较大 因此采用 TLP521 光电隔离芯片和继电器对报警输 入输出信号分别进行隔离 从而把外部信号对系统的影响降到最低 2 4 GPRS 模块 GPRS 模块采用西门子公司的 MC35i GPRS MODEM 当 S3C2440 控制器收到报警信号时 它通过 UART 控制 MC35i 将预存的相应报警信息通过 GPRS 网络以短信的形式发送 到用户的手机上 同时向小区物业中心发出报警 使用户和物业部门及时发现险情 并采取有效的处理措施减少经济损失 2 5 以太网接口模块 由于 S3C2440 本身没有集成以太网控制模块 所以需要一个与之相匹配的 DM9000 控 制芯片来实现以太网扩展接口 在 DM9000 和 RJ45 接口之间通过网络隔离变压器 HR601627 来连接 连接图如图 3 所示 网络隔离变压器起信号传输 高电压隔离等 作用 以保护系统的安全 2 6 USB 摄像头 本系统所用的 USB 摄像头是中星微公司的 ZC2301P 摄像头 ZC301P 采集的视频信号经压缩 后形成的视频数据流会通过内部总线传送到嵌入式 Web 服务器上 用户可通过登陆网络直 接观看 Web 服务器上的视频图像 实时监控家中的情况 3 系统软件设计 本系统控制中心是 ARM9 控制器 其软件设计包括系统软件 嵌入式操作系统 硬件设备驱 动程序 嵌入式 Web 服务器 设计和应用软件 网页设计及 CGI 应用程序 设计 3 1 嵌入式操作系统在 S3C2440 上移植过程 1 从网站上下载 Linux 的内核源码 linux 2 6 31 tar bz2 和交叉编译器 arm920t eabi tgz 这个交叉编译器是 4 1 2 版本的 支持 EABI 可以提高编译的效率 2 在宿主机上将内核源码解压得到 linux 2 6 31 将交叉编译器解压到指定目录 3 修改 Makefile 文件及相关硬件文件 由于内核的编译是根据 Makefile 文件的指示进行 的 Makefile 文件来组织内核的各模块之间的关系 记录了各个模块之间的相互联系和依 赖关系 所以 修改 Linux2 6 31 根目录下的 Maldile 文件来指定平台和交叉编译器 4 通过命令 make menuconfig 来配置内核 配置内核时 让它支持 EABI 编译 5 在 linux 2 6 31 根目录下执行命令 make zImage 来编译内核 将生成的内核镜像 文件 zImage 通过相应的固化软件固化到系统相应的存储器中 完成 linux 2 6 31 内核 在 ARM 微处理器上的移植 3 2 驱动程序的设计 控制器需要多个设备驱动程序 嵌入式 Linux 系统中设备驱动程序有一个标准的框架 可 以根据硬件结构来填写框架中的函数 主要的函数包括 open read write ioctl release module init 和 module exit 等 为了减小内核的大小 把编写 好的驱动程序编译成模块 编写 Makefile Kconfig 文件 分别执行 make menuconfig 命 令选择驱动程序的加载方式 利用 makemodules 命令生成目标文件 最后利用 insmod 命令 调用 initial module 函数将编译好的模块调入内存即可 3 3 Web 服务器 Boa 移植 Boa 是一个嵌入式 Web 服务器 能够生成动态的页面 支持 CGI 比较适合嵌入式系统 在 硬件电路板上存放一个网页 在用户端可以通过浏览器来访问硬件电路板上这个网页 然 后通过网页中的内容就可以和硬件电路板上的硬件设备进行交互 具体移植过程如下 1 从网上下载 Boa 服务器源码压缩包 boa 0 94 13 tar gz 将其解压得到 boa 0 94 13 在 boa 0 94 13 src 下编译生成 boa 可执行程序 2 把宿主机 Linux 操作系统下的 etc mime types 复制到根文件系统的 etc 目录中 在 根文件系统的 etc 中建立 boa 文件夹 根文件系统的 etc boa 目录下建立 www cgi bin 目录 www 中存放 HTML 文件 cgi bin 中存放 CGI 脚本 把网页文件 index files 和 index html 复制到根文件系统的 etc boa www 目录下 在根文件系统的 var 目录下建立 日志目录 log boa 3 对 Boa 作配置和修改 主要通过对 defines h boa conf 和 mime types 文件进行修 改来实现 修改 defines h 指定 Web 服务器的根目录路径 SERVER ROOT boa conf 文 件由一些规则组成 用于配置 Boa 服务器 指定相应端口 服务器名称 一些相关文件的 路径等 Boa 服务器要想正确运行 必须保证该文件是正确配置的 而且该文件和某些静 态网页 CGI 可执行程序等都放于某特定目录下 4 把 boa 0 94 13 sre 下编译出的 boa 可执行程序复制到根文件系统的 usr bin 目录 下 把修改过的配置文件 boa conf 复制到开发板的 etc boa 目录下 并将一些静态页面 放在由 boa conf 指定的目录下 5 重新编译根文件系统 把根文件系统下载到硬件电路板上 在硬件电路板上运行嵌入式 Web 服务器 Boa 通过浏览器就能访问系统所设计的网页 3 4 应用软件设计 本系统的核心是一个嵌入式 Web 服务器 其应用软件的设计包括网页设计和 CGI 应用程序 设计两部分 1 网页设计 网页设计采用设计工具 Dreamweaver FrongtPage 等来实现 2 CGI 应用程序设计 采用 C 语言来编写 CGI 应用程序 实现外部实时数据采样 与家电 设备的通信与控制等 CGI 技术可以实现浏览器与嵌入式 Web 服务器的动态数据交互 CGI 程序保存在嵌入式 Web 服务器端 在用户端打开 HTML 页面 点击 HTML 页面上设备的控制 按钮 就会通过 Internet 把用户请求送到嵌入式 Web 服务器中 服务器接收用户请求并交 给 CGI 程序处理 实现用户的功能需求 这就做到了通过对 HTML 页面上相应设备的点击实 现家庭网络中设备的远程控制