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        基于嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)路徑

        2021-06-16 05:29:20郭詩霖
        電子制作 2021年4期
        關(guān)鍵詞:智能家居嵌入式傳輸

        郭詩霖

        (遼寧科技大學(xué),遼寧鞍山,114051)

        0 引言

        伴隨著經(jīng)濟(jì)與科技的發(fā)展,人們的生活水平也越來越高,對生活質(zhì)量的要求也在不斷提高。,因此,推動了科技在居家環(huán)境中的應(yīng)用,智能家居控制系統(tǒng)在慢慢實(shí)現(xiàn)。此前,智能家居控制系統(tǒng)大多將處理器作為核心,對于室內(nèi)環(huán)境、監(jiān)測等沒有做太多把控。隨著人們對生活品質(zhì)的要求不斷提高,室內(nèi)環(huán)境、智能監(jiān)測等是被人們所需求的,而該系統(tǒng)具有低能耗、低成本和穩(wěn)定性高的特性,因此,嵌入式的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)對提高人們生活質(zhì)量具有重要的意義[1]。

        1 智能家居控制系統(tǒng)架構(gòu)

        該智能家居的主控芯片為S3c2440 processor,S3c2440 processor是 在RISC microprocessing of ARM920T core的基礎(chǔ)上形成了許多控制接口,方便使用,同時也便于與外部器件連接。傳感器在檢測居家環(huán)境中起到重要作用,同時還需要用到USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)。用戶想要查看各種信息,需要先將系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),再登錄家居管理主頁進(jìn)行操作就可以[2]。智能家居控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示,當(dāng)家里發(fā)生緊急情況時,會有蜂鳴器報警發(fā)出警報,會自動通過GPRS通信系統(tǒng)向用戶發(fā)送緊急短信。

        圖1 智能家居控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

        2 硬件設(shè)計

        ■2.1 嵌入式微處理器

        嵌入式微處理器的設(shè)計是在Tx2440a development board的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。主控芯片為S3c2440 processor可以使主頻可以達(dá)到390兆赫以上,而且還具有多項(xiàng)功能如存儲器管理單元、控制器、支持外部存儲器等功能。系統(tǒng)內(nèi)存為64兆,快閃記憶體為256兆,顯示屏為3.5in薄膜晶體管真彩色液晶屏,Dm9000 for network chip,USB主機(jī)4個、從機(jī)1個。

        ■2.2 視頻采集模塊

        該系統(tǒng)是在Linux系統(tǒng)提供視頻4 LinuxAPI函數(shù)的基礎(chǔ)上,采用ZC301型號攝像頭進(jìn)行視頻采集的。視頻流服務(wù)器通過內(nèi)部總線接收視頻數(shù)據(jù),然后再被壓縮進(jìn)行傳輸,傳輸是通過TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行的,最后通過CGI函數(shù)進(jìn)行客戶端與服務(wù)器的聯(lián)系,客戶就可以通過手機(jī)或者瀏覽器對現(xiàn)場畫面進(jìn)行監(jiān)控[3]。

        ■2.3 傳感器模塊

        智能家居控制系統(tǒng)在傳感器模塊采用的是EE210溫度傳感器,采集室內(nèi)濕度采用的是HM1520濕度傳感器,檢測室內(nèi)粉塵采用的是TQ15-GC1000J粉塵傳感器,檢測電路一般采用LH1778,報警器采用的是蜂鳴器,在報警觸發(fā)之后,在通過GMS發(fā)出報警短信。這些信息到達(dá)控制中心是通過S3C2440,再將所有信息傳送至Web。

        ■2.4 GPRS通信模塊

        該模塊主要選用的PCIE8914,該模塊的主要作用是提供語音傳輸、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?,?nèi)部安裝了外部應(yīng)用程序和多媒體短信服務(wù)[4]。該模塊采用串列埠進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,接收處理器發(fā)送的數(shù)據(jù)主要是通過PCIE8914的雙向端口,向處理器發(fā)送數(shù)據(jù)的也是該模塊上的雙向端口。通信模塊處于中心位置(GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)),并將二者連接起來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

        3 軟件設(shè)計

        軟件設(shè)計主要完成應(yīng)用程序的設(shè)計和監(jiān)測界面的實(shí)現(xiàn)。對室內(nèi)的各個環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控(照片、粉塵、安全問題等),各個模塊在檢測中起到不同的作用。該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計將應(yīng)用程序嵌入到網(wǎng)頁中,實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)生成影像。用戶可以通過計算機(jī)生產(chǎn)影像的程序,通過反饋的方式傳達(dá)個客戶,客戶打開頁面就可以進(jìn)行查看,進(jìn)而達(dá)到監(jiān)控的目的。

        ■3.1 環(huán)境檢測模塊

        該模塊主要是起到檢測的作用(溫度、濕度、粉塵等),整個過程以傳感器為基礎(chǔ)獲取信息,再進(jìn)行傳遞(互聯(lián)網(wǎng)-服務(wù)器平臺)。圖2為室內(nèi)環(huán)境溫度采集流程圖,用戶通過手機(jī)或者瀏覽器就可以看到室內(nèi)情況,蜂鳴器裝置在室內(nèi)環(huán)境達(dá)到危險值時就會進(jìn)行報警,會自動通過GSM系統(tǒng)向用戶發(fā)送緊急短信[5]。

        圖2 室內(nèi)環(huán)境溫度采集流程圖

        ■3.2 照明模塊

        該模塊的作用主要是室內(nèi)照明,而用于照明的燈主要是LED燈(LED1-LED3)。同時還創(chuàng)建一個文本用于保存燈的狀態(tài)信息,而且還會進(jìn)行數(shù)據(jù)更新等操作。

        ■3.3 視頻監(jiān)控模塊

        該模塊主要包含3部分:①視頻圖像采集部分;②視頻數(shù)據(jù)傳輸部分;③視頻圖像顯示部分。進(jìn)行圖像采集的是Linux系統(tǒng)內(nèi)部的V4L,原始圖像經(jīng)過JPEG壓縮輸將被送到客戶端供客戶播放查看,在中層采用實(shí)時傳輸控制協(xié)議,目的是為了保證視頻的傳輸質(zhì)量不被破壞,在網(wǎng)絡(luò)層采用的是通訊傳輸協(xié)議[6]。通過外部應(yīng)用程序和Web端實(shí)現(xiàn)客戶與網(wǎng)絡(luò)的交互。

        ■3.4 監(jiān)測界面的實(shí)現(xiàn)

        該系統(tǒng)的控制界面在計算機(jī)生成影像的基礎(chǔ)上構(gòu)建而成,主要包含兩部分:①靜態(tài)表單頁面設(shè)計,使用超文本標(biāo)記語言;②態(tài)Web頁面設(shè)計,使用計算機(jī)生成影像。當(dāng)用戶訪問服務(wù)器時,彈出的第一個界面是輸入登錄信息,等信息驗(yàn)證通過后,用戶才能進(jìn)行主頁。主要的功能主要包含三個:①室內(nèi)電燈控制;②家居環(huán)境檢測;③網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控。以上三個功能均有主網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制,計算機(jī)生成影像進(jìn)行傳輸和操作,生成的視頻通過視頻服務(wù)器傳輸?shù)街黜?,供客戶查看??蛻粼谶M(jìn)行遠(yuǎn)程觀看視頻時,還可以進(jìn)行拍照。

        4 系統(tǒng)調(diào)控與測試

        為了驗(yàn)證該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)能否支持Android或iOS客戶端能使用,進(jìn)行了一系列系統(tǒng)調(diào)控與測試。分別進(jìn)行軟件測試、硬件測試,再將兩種軟件進(jìn)行結(jié)合測試。其中硬件測試采用E2PROM芯片24C02的讀寫程序,通過數(shù)字信號處理進(jìn)行程序加載,并設(shè)定電壓為220伏進(jìn)行測試,其他測試與此類似。因此,嵌入式智能家居系統(tǒng)可以通過多線程序加載來輔助各模塊實(shí)現(xiàn)功能化處理,提高了系統(tǒng)的面向性。嵌入式智能家居控制性能分析圖如圖3所示,該圖詳細(xì)的分析了嵌入式智能家居控制的覆蓋率。由圖可以看出,不同的手機(jī)客戶端對嵌入式智能家居控制的覆蓋率結(jié)果不同,嵌入式智能家居控制系統(tǒng),對手機(jī)端的移動點(diǎn)數(shù)依賴較小,因此增加了該系統(tǒng)的安全性和可靠性,同時還提高了智能家居的控制覆蓋率。

        圖3 嵌入式智能家居控制性能分析

        通過以上測試可以得出,該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)通過網(wǎng)頁和手機(jī)可以進(jìn)行查看,監(jiān)測室內(nèi)的各個部分的工作狀態(tài),而且可以對傳感器的信息進(jìn)行收集整理。用戶可以打開遠(yuǎn)程操作界面進(jìn)行登錄,在輸入完正確的用戶名和密碼之后進(jìn)入到操作頁面,此時就可以查看室內(nèi)的所有信息,還可以通過遠(yuǎn)程去操控各個部位。對視頻監(jiān)控界面進(jìn)行了測試,監(jiān)控畫面為廚房,在手機(jī)中看到視頻信息流暢,沒有網(wǎng)絡(luò)延遲,因此,該嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的檢測效果較為理想。

        5 結(jié)語

        文章介紹了嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的整個框架結(jié)構(gòu)和操作過程。主要分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分,系統(tǒng)中涵蓋了多個模塊,可以實(shí)時監(jiān)測居家環(huán)境中各個環(huán)節(jié)。而且該控制系統(tǒng)成本不高,操作簡單,基本達(dá)到了用戶的基本需求,應(yīng)用價值很高。

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