基于TD-SCDMA的实时智能家居安防系统的设计

蒋天发，李珊珊

(中南民族大学计算机科学学院，武汉430074)

随着世界经济和科学技术水平的提高，人们对家庭现代化，居住环境舒适化、安全化提出了更高的要求，智能家居也正是在这种形势下应运而生.智能家居是在家庭产品自动化、智能化的基础上，通过网络按拟人化的要求而实现的.它可以定义为一个过程或者一个系统，利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起.与普通家居相比，由原来的被动静止结构转变为具有能动智能的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持讯息交流畅通［1］.与此同时，人们也越来越多的关注个人安全及财产安全问题.在传统的家居安防系统中，大都是由烟雾报警系统、红外报警系统、视频监控系统等组成，通过GSM模块以短消息的收发来进行报警，视频监控一般是通过USB摄像头负责视频数据的采集，通过USB接口与PC客户端连接［2］.但是这种传统的系统误报、错报等情况较多，而且受PC客户端的限制.本文的系统利用3G网络的优势，通过手机等PDA设备访问服务器可以在任何时间、任何地点实时监控家里发生的情况，当报警发生时，可以访问服务器来验证是否为误报，以满足人们对智能家居的需求，因此，本文研究和设计了基于TD-SCDMA网络的视频实时监控系统，此系统还可以和传统的烟雾红外报警系统无缝结合，非常灵活［3］.

1 TD-SCDMA的特点

第三代移动通信技术(3G)是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术.3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbit/s以上.它可以处理图像、音乐、视频流和其他形式的媒体，也可以提供多种信息如网页浏览、电话会议和电子商务服务.为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，这意味着它必须分别支持在室内传输速度为2Mbit/s，在室外传输速度为144kbit/s以及在行车的环境中传输速度为384kbit/s，这为我们的视频实时监控提供了带宽的可能性［4］.TDSCDMA作为我国提出的第三代移动通信标准，自1998年正式向ITU提交以来，完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布、与3GPP体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD-SCDMA标准成为第一个由我国提出的、以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准.而且，我国正在不断完善发展这种技术，现在的TD-LTE就是该技术的演化，也叫做“准4G”，故采用我国自主研发的3G网络标准具有非常重要的意义.

2 系统结构和工作原理

该系统主要由传感器模块，系统扩展板，USB摄像头，服务器PC机等设备组成，工作原理如图1所示.当烟雾传感器检测到火灾或煤气泄漏等情况，或者红外传感器检测到有非法人员闯入时，传感器就会将报警信号发送给ARM扩展板，并启动摄像头开始捕获视频图像，然后把收集到的视频图像数据送入缓冲区，然后将缓冲区视频图像送入ARM扩展板进行处理，处理之后的视频图像保存到服务器上.这样，远程用户就可以通过TD-SCDMA网络远程访问服务器来获取实时视频，实现远程监控功能.此外，当没有报警信号时，用户也可以手动通过GSM短信来控制USB摄像头的开启，来观察家庭情况［5，6］.

图1 系统工作原理图Fig.1 System working schematic diagram

3 系统设计

3.1 系统硬件设计

该系统由ARM扩展板、视频处理模块、报警设备、服务器PC等组成，硬件结构如图2.

图2 系统硬件结构图Fig.2 System hardware structure diagram

3.1.1 ARM 扩展板

ARM扩展板由 ARM控制器、FLASH、SDRAM和3G模块等相关的外围电路组成，主要功能是在同一时间操作报警输入和输出I/O端口，实现接收和视频数据传输、TD-SCDMA网络通信等功能.该系统需要选择更多具有通用I/O端口和外部资源丰富的芯片，这样易建立芯片外围电路.选择三星S3C44BOX系统的处理器，它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用，具有多种外部存储器访问和多种接口，包括 IIC 和 IIS 总线［5，6］.

3.1.2 视频处理模块

视频处理是通过广泛使用总线标准，并提供了广泛接口功能，如广受欢迎的电视卡、视频USB摄像头捕捉卡和USB摄像头等的Video4Linux视频应用设备.对于USB摄像头本身，驱动程序需要提供基本的I/O接口功能，包括打开、读、写、关闭、中断处理、内存映射功能，以及控制接口ioctl函数来实现I/O通道等.Linux视频收集示意图如图3所示［7，8］:

图3 视频采集示意图Fig.3 Video capture diagram

3.1.3 3G 模块

3G模块采用大唐的DTM6211，它具有内置的TCP/IP协议栈，是一个双模式的产品，能够支持自动跨TD-SCDMA和GSM网络.在TD-SCDMA上行和下行不对称的数据模式下，传输速度分别可达128kb/s和384kb/s，并且支持UART和USB两种通信接口，使用方便灵活，可以满足不同需求的控制器设备.微处理器S3C44BOX与3G模块DTM6211的连接必须确保它们的UART接口正确连接.UART接口是异步串行通信接口，只要设置相同的波特率就可以沟通.微处理器S3C44BOX的TXDO针(发送引脚)连接DTM6211 RXD引脚(接收针)，RXDO针(接收引脚)连接DTM6211 TXD引脚(发送针).如果收到从远程手机或电脑发来的控制信息，也是通过这个引脚传送到S3C44BOX微处理器.DTM6211的RTS引脚发送请求功能信号，CTS引脚功能是允许发送请求信号，用于发送微处理器S3C44BOX的握手信号.

3.2 系统软件设计

3.2.1 主程序设计

系统软件主要包括引导程序、操作系统、文件系统和用户应用程序.Bootloader使用VIVI，主要用来初始化处理器和硬件设备、下载系统映像.操作系统使用Linux2.4内核，用来管理应用软件的实时和多任务系统.为了方便地管理文件系统设备，Linux使用ext3文件系统，该系统的所有文件和目录树结构形成整体的目录层次结构，用户应用程序可完成一系列相应的功能组件的功能，包括报警监控程序、图像采集压缩程序、3G通信程序等［9］，所以在 Linux系统上编写所有设备驱动程序和相应的用户应用程序，以便实现该系统所需的系统功能.主程序见图4所示的流程.

图4 主程序流程图Fig.4 Flow chart of main program

3.2.2 3G 通信程序

3G通信程序AT命令的准备，包括3G模块的初始化、3G网络的参数配置、报警信息发送、消息接收和做出应答.GPRS的模块用来初始化 ATV0，ATH和ATE0V0Q0这样的指令，中断和返回结果状态形式.3G网络的参数配置，使用AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，分别设置 3G 网络标识符PDP移动环境IP，APN接入点为CMNET(中国移动网)，使用 ATDT#:作为拨号设置［10，11］.3G 流程图如下:

3G 通信模块初始化AT指令［3，12］如下:

AT //确认串口是否正常

AT^DGPIOSM=1 //设置模块休眠模式

图5 3G通信程序流程图Fig.5 Flow chart of 3G communication program

AT^DSLP=0，0 //取消休眠功能

AT+CREG=1 //当模块与GSM网络断开，主动报告

AT^DSQ=l //当信号强度变化，主动报告

AT+CFUN=5 //激活SIM/USIM卡

AT+CFUN=l //激活协议栈

AT+COPS=0 //注册网络

AT^DCTA=1 //设置开机自动连接GPRS

AT+CNMT=2，1，0，0，0 //设置接收短信报告方式

AT+CGDCONT=l，"IP"，"CMNET"，，0，0

//设定 APN

AT+CGEQREQ=I，2，64，64，0，0，0，0，"0E0"，"0E0"，，0，0//设置上传和下载带宽

AT^DSTT=l //激活 TCP/IP应用程序任务

AT^DIICR=cmnet //拨号

AT^DIFSR? //查询本地IP地址

AT^DIPSTART=l，*，3000 //连接服务器端口3000

AT^DIPSEND=5 //发送数据

AT^DIPCLOSE=1 //关闭 SOCKET

AT^DSHUT=l //断开连接数据服务

4 测试结果

为了验证这种设计的可行性，将此系统应用到实际的家居安防系统中，实现远程监控和控制，我们把一台PC作为服务器端，将处理压缩后的视频保存到服务器端，并且设置一个容量保存上限，当视频容量达到上限时就会删除最早保存的视频，而且具有保存视频的功能，以便作为公安机关调查的证据.当收到报警信号时，我们可以登录服务器PC，通过观察实施的监控视频来确定报警信号是否是真的，以便采取相应的措施.当我们需要观察家庭状况时，也可以通过发送短信来开启USB摄像头，观察屋内孩子的状况等信息.实验结果表明，通过这种视频监控的方式，误报几率可以控制在5%以内，误报率大大减少，从传感器发出信号到通过3G接收到报警信号，响应时间都在5s之内，响应速度比传统的2G网络要快很多，证明此系统安全可靠，此系统能够正常运行在实际家庭生活中，相比以往监控系统此系统是高弹性的，只需要改变传感器控制终端，并修改相应的程序便可以实现各种数据通信.另外，由于本系统采用ARM和Linux作为开发平台，基于Linux开源的特性以及丰富的协议，可以降低开发难度，可以使系统的应用程序设计以及升级相对比较容易.

5 结语

多元化智能家居物联网是未来智能家居发展的趋势，本文提出的嵌入式无线智能家居安防系统，以3G技术为依托，结合传统的GSM网络，实现了有效的远程视频实时监控功能，提供了更有效和更智能的生活方式;而且系统兼容性较高，可以和传统的家居安防系统相结合，也可以拓展到未来更高层次的网络结构，因此，具有广阔的应用前景.

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