裘 超，孟憲超，常 帥

（西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710072）

智能家居又稱(chēng)為智能住宅，在國(guó)外常用Smart Home表示。與智能家居含義近似的有家庭自動(dòng)化（Home Automation）、電子家庭（Electronic Home、E-home）、數(shù)字家園（Digital Family）、家庭網(wǎng)絡(luò)（Home Net/Networks for Home）、網(wǎng)絡(luò)家居（Network Home）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building）等[1]。

智能家居系統(tǒng)利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起，通過(guò)統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全。智能家居可以提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流通暢，優(yōu)化人們的生活方式，增強(qiáng)家居生活的安全性，甚至為各種能源費(fèi)用節(jié)約資金。

1 項(xiàng)目概述

1.1 智能家居發(fā)展概況

智能家居是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電）通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國(guó)在1984真正的智能建筑出現(xiàn)以來(lái)，國(guó)外已經(jīng)有將近30年的研究歷史，而國(guó)內(nèi)在這方面的研究相對(duì)較晚，從2003年才逐步應(yīng)用于高端市場(chǎng)，而且標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，如海信、海爾、清華大學(xué)等大家各自為營(yíng)。由于智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化和個(gè)性化的獨(dú)特魅力，使得智能家居的開(kāi)發(fā)與建設(shè)成為21世紀(jì)科技發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著全球?qū)δ茉春铜h(huán)境的要求越來(lái)越高，而智能家居在節(jié)能方面的效果優(yōu)勢(shì)非常明顯，因此具有非常廣闊的市場(chǎng)前景。

1.2 開(kāi)發(fā)板主要參數(shù)

本項(xiàng)目所使用開(kāi)發(fā)板為Real6410開(kāi)發(fā)板，采用三星公司的ARM11內(nèi)核的處理器S3C6410。開(kāi)發(fā)板上還集成了123 M的DDR內(nèi)存以及1 GB NandFlash，同時(shí)預(yù)留了256 k NorFlash。底板上還提供兩個(gè)四線 RS-232串口，一個(gè)USB HOST接口，一個(gè)10 M/100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口等外設(shè)[2]。

2 主要研究?jī)?nèi)容

目前，各種智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多以有線為主，但有線技術(shù)并不適用于智能家居的普及，安裝難度大以及價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)限制了其發(fā)展。因此無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到智能家居中必將成為將來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)和潮流。

本項(xiàng)目對(duì)家居設(shè)備通過(guò)Zigbee進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，把家居設(shè)備的信息和數(shù)字視頻傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，在因特網(wǎng)上設(shè)立一個(gè)“無(wú)線視頻網(wǎng)關(guān)”WEB服務(wù)器，可供外部訪問(wèn)；將家居信息如溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示并進(jìn)行后續(xù)的利用控制；同時(shí)將收集各處傳輸進(jìn)來(lái)的數(shù)字視頻進(jìn)行后續(xù)的處理和識(shí)別。

3 項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)原則

本項(xiàng)目主要完成智能家居的環(huán)境變量和視頻信號(hào)的監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)包括一塊ARM11開(kāi)發(fā)板，一個(gè)16位單片機(jī)，2個(gè)USB的CMOS攝像頭；一臺(tái)PC機(jī)（運(yùn)行客戶(hù)端的監(jiān)控程序）根據(jù)功能的不同，整個(gè)系統(tǒng)可劃分由視頻采集模塊、數(shù)據(jù)壓縮、編碼模塊和視頻監(jiān)控PC等組成。采集模塊包括USB攝像頭；數(shù)據(jù)的壓縮編碼由ARM11處理器完成；視頻監(jiān)控PC完成視頻客戶(hù)端的功能；PC機(jī)完成對(duì)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的程序開(kāi)發(fā)、調(diào)試等。圖1為系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 System composition

3.2 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)功能及設(shè)計(jì)

整個(gè)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可分為兩大部分：

1）WEB服務(wù)器端設(shè)計(jì)；

2）客戶(hù)機(jī)終端監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。

3.2.1 WEB服務(wù)器端設(shè)計(jì)

首先為ARM開(kāi)發(fā)板定制一個(gè)合適的Linux內(nèi)核 （內(nèi)核版本：Linux 2.6.28），然后對(duì)其進(jìn)行裁剪，使其具有基本內(nèi)核功能，同時(shí)保留TCP/IP協(xié)議棧，串口協(xié)議以及相應(yīng)的視頻編解碼模塊，使系統(tǒng)利用盡量少的硬件資源來(lái)滿(mǎn)足任務(wù)的處理工作。然后是開(kāi)發(fā)一個(gè)運(yùn)行于Linux下的WEB服務(wù)器程序，其實(shí)現(xiàn)的基本功能是通過(guò)USB攝像頭的圖像數(shù)據(jù)采集，完成對(duì)視頻信息的獲取、壓縮和編碼 （具體的編碼標(biāo)準(zhǔn)為當(dāng)前較為流行的 H264編碼）。然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)利用Socket實(shí)現(xiàn)服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)功能，這樣就可以接受來(lái)自客戶(hù)機(jī)的監(jiān)控請(qǐng)求。具體的工作內(nèi)容如下：

1）USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序移植；

2）H264視頻編碼程序移植；

3）視頻采集和傳輸?shù)膽?yīng)用程序的設(shè)計(jì)；

4）通過(guò)Zigbee獲取傳感器相關(guān)信息。

圖2為WEB服務(wù)器的工作流程，圖3為ARM通過(guò)網(wǎng)頁(yè)采集的視頻圖像，其IP地址為：168.192.1.1:8080，此視頻即可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)顯示，也可以通過(guò)相應(yīng)基于 I386或Linux的監(jiān)控軟件進(jìn)行查看[3]。

圖2 WEB服務(wù)器工作流程圖Fig.2 WEB server work flow chart

圖3 ARM通過(guò)網(wǎng)頁(yè)采集的視頻信息Fig.3 Video information collected through the Web

3.2.2 客戶(hù)機(jī)終端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

客戶(hù)機(jī)終端監(jiān)控軟件采用MFC編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)來(lái)自WEB服務(wù)器端的實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽、視頻錄制、視頻截圖及傳感器參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示等功能。程序采用多線程技術(shù)：一個(gè)線程進(jìn)行視頻信息的解碼和播放功能，另一個(gè)線程實(shí)現(xiàn)視頻錄制功能。

另外還采用了視頻信息疊加的方法，可以對(duì)環(huán)境變量進(jìn)行屏幕疊加，能在錄制時(shí)完成信息的錄制和再現(xiàn)。圖4為終端監(jiān)控軟件。

圖4 客戶(hù)機(jī)終端監(jiān)控軟件Fig.4 Terminal monitoring software

4 項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)

4.1 傳感器信息通過(guò)Zigbee傳輸

Zigbee是IEEE 802.15.4協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。IEEE-802.15.4規(guī)范是一種經(jīng)濟(jì)、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250 kbps）、工作在2.4 GHz和868/928 MHz的無(wú)線技術(shù)，用于個(gè)人區(qū)域網(wǎng)和對(duì)等網(wǎng)絡(luò)[4]。本項(xiàng)目使用Zigbee完成傳感器信息的傳輸。傳感器信息由一端Zigbee接收后發(fā)送至另一端Zigbee，然后傳入RS232串口中。具體傳輸模型如圖5所示。

圖5 傳感器信息通過(guò)Zigbee傳輸模型Fig.5 Zigbee transport model

4.2 DirectShow視頻采集

DirectShow是微軟公司在ActiveMovie和Video for Windows的基礎(chǔ)上推出的新一代基于COM（Component Object Model）的流媒體處理的開(kāi)發(fā)包。DirectShow技術(shù)對(duì)處理圖像序列或用攝像機(jī)捕獲的序列尤其有用。本項(xiàng)目使用VC開(kāi)發(fā)基于DirectShow技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻采集。通過(guò)#pragma comment（lib， "winmm.lib"）鏈接靜態(tài)庫(kù) winmm.lib，便可以實(shí)現(xiàn)windows多媒體編程。

4.3 多線程技術(shù)及Socket

智能家居系統(tǒng)客戶(hù)機(jī)監(jiān)控軟件采用MFC編寫(xiě)。其中關(guān)鍵技術(shù)包括多線程以及Socket（）。

監(jiān)控軟件中包括previewVideo線程 （通過(guò)函數(shù)UINT previewVideo（LPVOID videoCtl）實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)視頻的預(yù)覽功能以及 recordVideo線程 （通過(guò)函數(shù) UINT recordVideo（LPVOID videoCtl）實(shí)現(xiàn)）實(shí)現(xiàn)視頻錄制功能。打開(kāi)攝像頭后通過(guò)AfxBeginThread （previewVideo，&m_video）函 數(shù)啟動(dòng) preview Video視頻預(yù)覽線程，用戶(hù)便可以通過(guò)監(jiān)控軟件預(yù)覽視頻圖像。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊錄制視頻按鈕時(shí)，首先通過(guò)函數(shù)SuspendThread（pVideoThread->m_hThread）掛起 previewVideo視頻預(yù)覽線程，然后通過(guò)函數(shù)AfxBeginThread（recordVideo，&m_video）啟動(dòng)recordVideo視頻錄制線程。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊停止錄制按鈕時(shí)，軟件通過(guò)函數(shù)ResumeThread（pVideoThread->m_hThread）恢復(fù)previewVideo視頻預(yù)覽線程。終端監(jiān)控軟件通過(guò)previewVideo線程以及recordVideo線程便能很好的實(shí)現(xiàn)客戶(hù)機(jī)的視頻預(yù)覽和視頻錄制功能。線程模型如圖6所示。

圖6 線程模型Fig.6 Threading model

智能家居系統(tǒng)使用Socket（）實(shí)現(xiàn)客戶(hù)機(jī)與服務(wù)器之間的通信。通過(guò)USB攝像頭采集數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取、壓縮和編碼后通過(guò)TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在服務(wù)器端創(chuàng)建Socket（）進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，來(lái)接受客戶(hù)機(jī)的請(qǐng)求。當(dāng)客戶(hù)機(jī)發(fā)送connect（）連接請(qǐng)求后，服務(wù)器通過(guò) accept（）接收客戶(hù)機(jī)連接請(qǐng)求。然后服務(wù)器與客戶(hù)機(jī)之間通過(guò)send（）函數(shù)和recv（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。Socket（）通信模型如圖7所示。

圖7 Socket通信模型Fig.7 Socket communication model

4.4 入侵檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸和系統(tǒng)的壓力，在視頻采集端，每采集一次圖像就對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次處理。該函數(shù)設(shè)定一個(gè)圖像發(fā)生變化的閾值c_limit，然后將圖像所有像素之差與閾值c_limit進(jìn)行比較，如果大于閾值c_limit，則認(rèn)為圖像發(fā)生了變化，否則即認(rèn)為沒(méi)有變化，則不將該次采集的圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)入JPEG文件保存，這樣可以極大地提高視頻存儲(chǔ)的能力，同時(shí)減少各資源的浪費(fèi)。

4.5 利用openCV庫(kù)實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)

OpenCV是Intel公司面向應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者開(kāi)發(fā)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，其中包含大量的函數(shù)用來(lái)處理計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域中常見(jiàn)的問(wèn)題，例如運(yùn)動(dòng)分析和跟蹤、人臉識(shí)別、3D重建和目標(biāo)識(shí)別等。

在openCV函數(shù)可編程過(guò)程中，CvSize和IpImage是兩個(gè)比較常用的結(jié)構(gòu)。CvSize結(jié)構(gòu)表示矩形尺寸的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中分別定義了矩形的寬度和高度。IpImage結(jié)構(gòu)主要針對(duì)視覺(jué)方面處理[5]。

軟件實(shí)現(xiàn)中首先通過(guò)函數(shù)IpImage*cvCreateImage（cvSize（img->width，img->height）， 8， 1 ）為圖像分配內(nèi)存，然后使用函數(shù) cvCvtColor（img，gray，CV_BGR2GRAY ）將 RGB圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像。為了讓輸入圖像大小相同通過(guò)cvResize（gray，small_img，CV_INTER_LINEAR）對(duì)圖像進(jìn)行縮放，函數(shù)cvEqualizeHist（small_img，small_img）實(shí)現(xiàn)灰度圖像直方圖均衡化。然后利用函數(shù)cvHaarDetectObjects（small_img，cascade， storage1，1.1， 2， CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING，cvSize（30，30））對(duì)圖像進(jìn)行臉部檢測(cè)，最后利用函數(shù)cvGetSeqElem、cvRound、cvCircle將臉部用圓圈標(biāo)示。圖8為臉部檢測(cè)效果圖。

圖8 臉部檢測(cè)效果圖Fig.8 Face detection

5 結(jié)束語(yǔ)

項(xiàng)目社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益分析。

主要用途和應(yīng)用范圍：1）對(duì)機(jī)要部門(mén)的監(jiān)視、控制和報(bào)警，如檔案室、文件室、金庫(kù)、博物館等；2）工廠、市場(chǎng)等的監(jiān)視，如工廠生產(chǎn)過(guò)程、市場(chǎng)、營(yíng)業(yè)廳、展覽廳、貨場(chǎng)等的監(jiān)視；3）對(duì)交通運(yùn)輸?shù)谋O(jiān)視，如公共交通、鐵路車(chē)站、鐵路調(diào)度等的監(jiān)視；4）用于安全報(bào)警，如防盜、防火等的報(bào)警；5）在安全身產(chǎn)方面的應(yīng)用，如煤礦等。

經(jīng)濟(jì)效益：隨著人們生活水平的提高，大家對(duì)智能家居的需求越來(lái)越高，而作為中國(guó)房地產(chǎn)的配套產(chǎn)業(yè)，中國(guó)的智能家居經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，已成為一個(gè)集控制、計(jì)算機(jī)、家電等多種新技術(shù)為一體的新興產(chǎn)業(yè)。但是，由于市場(chǎng)不規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善，市場(chǎng)發(fā)展并不是很成熟，如今還處于群雄逐鹿的“戰(zhàn)國(guó)時(shí)代”。具有很大的市場(chǎng)潛力。

社會(huì)效益：隨著哥本哈根會(huì)議和“十二五規(guī)劃”當(dāng)前，當(dāng)?shù)吞紲p排已成為一項(xiàng)國(guó)家行動(dòng)，而智能家居在這方面有自己的優(yōu)勢(shì)。其不僅智能而且節(jié)能，具有較高的社會(huì)效益.。

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