嵌入式系统在智能家居监控中的应用研究

2014-05-15关海鹏

运城学院学报 2014年2期

关海鹏

(运城学院应用数学系，山西运城044000)

随着现代社会科学技术的进步，智能家居监控系统的开发设计取得了一定成绩，市场上已经出现了智能家居监控系统软件产品。但是，从智能家居监控系统的整体发展来看，由于缺乏统一设计标准，对系统的更新换代造成了较大影响。随着市场竞争的日益激烈，社会公众生活水平的持续提高，对家居环境的要求也逐渐提高，智能家居监控系统得到了空前发展。由此可见，智能家居监控系统在人们日常生活中的作用越来越重要。

智能家居监控系统的开发设计满足了人们个性化生活需求，使用户可以随时随地控制家庭中的照明设备、电器设备等，减少由于人为原因造成不必要的能源消耗，为人们提供了一个安全、稳定、环保的生活空间。［1］利用智能家居监控系统可以根据人们的实际需求添加各种功能，包括自动报警、自动灭火、自动断电等，还可以实现空气质量分析、温湿度控制等功能，在发生危急事件时还可以启动急救控制功能，保证人们可以放心入住。

1.嵌入式系统的特征分析

1.1 具有较强的针对性

嵌入式系统中的软硬件设备具有较强的联系，在实际应用过程中极有可能会对系统进行移植，即使是同一品牌、相同系列的嵌入式产品，也要按照硬件的实际需求进行调整。［2］同时，如果需要完成不同的任务，系统的修改工作量较大，还要根据系统应用重新编译程序。

1.2 具有较强的实时性

嵌入式系统已经广泛应用于社会生产和人们生活中，包括生产控制、手机开发、网络监控、家电运行等。嵌入式系统可以对其所在设备进行有效控制，因此具有较强的实时性。［3］如果嵌入式系统应用于运载火箭发射、卫星导弹等高科技领域，其实时性需求更高。由此，将嵌入式系统应用于存储器设计中，可以利用闪存实现快速计算，同时配置相应的软件程序，使嵌入式系统可以对外部指令做出准确的响应。

1.3 应用于多任务操作系统

虽然嵌入式系统在没有任何操作系统支持的情况下也可以实现运行，但是为了可以对多种任务进行高效的实时调配，真正提高系统的利用效率，必须选择合适的操作系统开发平台，使系统在运行过程中能够稳定运行、提高效率、加快处理速度。

1.4 需要配置专门的开发工具和环境

嵌入式系统具有二次开发功能，其开发工具和环境包括计算机硬件设备、软件设备、逻辑分析器等。在二次开发嵌入式系统时必须创建交叉的程序编译环境，交叉编译指的是在计算机平台上利用交叉编译器获得的程序代码可以成功在其他平台上运行。

2.嵌入式ARM处理器

嵌入式系统中配置的处理器属于微处理器，微处理器共有1000多种类型，以及30多个不同的体系架构方式，微处理器是嵌入式系统的核心部分，负责实现应用软件程序的运行。

ARM处理器是AMR公司开发设计的芯片，AMR公司成立于1990年，公司总部设立在英国，主要生产性能高、成本低、处理速度快的嵌入式系统芯片，以及向世界各大科技公司提供技术支持和授权服务。经过长期发展，AMR公司生产的嵌入式系统芯片已经超过100亿片，几乎全世界每人都会拥有一块ARM处理器。

目前，ARM处理器已经广泛应用于嵌入式系统开发中，具有以下几种特点:

(1)功耗低:嵌入式处理器芯片的功耗越低，其供电工作时间越长，［5］例如手机、平板电脑，这些电子设备电池供电采用的都是ARM处理器。

(2)占地小:处理器占地面积越小，则给电路硬件预留的空间越大，有效减少了产品体积，降低了产品设计的制造成本和资金成本。

(3)ARM处理器可以兼容8/16位器件，可以支持 Thumb 双指令集 16/32 位。［7］

(4)ARM处理器寄存器使用量大，执行速度快。

(5)ARM芯片中的寄存器可以实现多数据处理和操作。

(6)ARM处理器执行效率高、寻址方法简单。

3.智能家居监控系统需求设计

智能家居监控系统开发设计的最终目标是为人们提供一个安全稳定、节能高效的个性化生活空间，实现家居电器设备之间信息的交换和控制，使住户可以随时随地掌握家庭信息，实现家庭中的设备从原来的静态控制转变为动态控制，使住户即使不在家中也可以进行控制安排。同时，配备相应的防火系统、放到系统、自动报警系统、气体检测系统等，以此对人们生活进行安全保障。本文设计智能家居监控系统的主要功能包括:

(1)一旦住户家庭中出现异常情况，包括外部人员入侵、家电起火、煤气泄漏等，智能家居监控系统都可以立刻发出报警，并根据事先设定好的电话号码自动拨打报警电话。

(2)如果住户不在家中，可以通过发送短信的形式控制家庭中的电器设备，智能家居监控系统接到短信命令后可以自动采集相应图像，再将其通过GPRS网络以短信形式发送到住户手机中，住户可以随时了解家庭环境情况，并做出相应控制，以此实现对家居环境的实时监控。［6］

(3)通过互联网与智能家居监控系统实现连接，从而控制家庭中的电器设备，以及查看家居环境图像。

4.智能家居监控系统功能设计

本文提出了基于ARM的智能家居监控系统设计方案，采用三星公司研发的 S3C2440芯片，以Linux系统作为智能家居监控系统的开发环境，从而实现一个安全可靠、运行稳定的远程智能家居监控设备，如图1所示，系统主要负责实现以下功能:

图1 智能家居监控系统结构图

4.1 图像采集模块

系统图像采集模块主要是利用USB外接摄像头实现对家居环境的图像采集，同时压缩采集到的图像信息，最后通过互联网实现远程传输，达到实时监控的目的。

4.2 温度采集模块

系统温度采集模块主要利用DS18B20数字温度传感器实现温度信息采集，再将采集到的温度信息显示给用户，如果家庭中发生火灾，一旦温度超过预先设定的温度范围，系统就会立刻发出报警信号。

4.3 Web 网络服务器［4］

系统中Web网络服务器的功能是实现用户通过互联网实时查看家庭中的环境情况。

4.4 GPRS 模块

系统GPRS模块主要负责实现数据信息、图片信息和短消息信息的传输。

4.5 燃气报警装置

当家庭中出现燃气泄漏情况时，系统可以即刻发出报警信息，按照事先设定好的电话号码拨打报警电话，同时发出报警短信。

4.6 红外线检测装置

当有外部人员闯入到家庭时，系统可以通过红外线检测装置立刻启动系统将家庭现场环境进行拍摄，同时通过GPRS模块将短信发送到指定电话号码。

5.智能家居监控系统功能模块电路设计

5.1 燃气报警模块电路

燃气报警模块电路中，烟雾传感器采用的是MQ－2型传感器，该型号的气体传感器探测范围广、灵敏度高，适合应用于智能家居建设中，对烟雾、液化气体、氢气等气体进行探测。由于MQ－2型传感器可以根据不同气体的浓度范围产生相应的电阻值，应用时只需要对其灵敏度进行调节即可。

5.2 温度采集模块电路

温度采集模块电路采用的是DS18B20型温度传感器，DS18B20型温度传感器是新型智能微处理器，通常用于军事、工业和生活领域对温度进行探测和控制。该型号的温度传感器体积小、传输距离短、接口丰富。

DS18B20型温度传感器在完成读写之前要执行复位初始化动作，首先，由初始化主机发出低电平脉冲，经过释放总线后转变为高电平，同时对总线进行检测，如果发现低电平存在，证明总线器件已经做出应答动作，以此实现初始化成功。再将DS18B20型温度传感器与控制器连接。

5.3 防盗检测模块电路

防盗检测模块电路是红外线与微波传感器组合而成的双鉴传感器，双鉴传感器与单一传感器相比，具有误报率低的特点，其工作原理是:将红外和微波信号进行处理后传输到控制器S3C2440中，当双鉴传感器同时检测到高电平信号时，再由系统发出报警信号。这种以分割方式组合成的传感器，可以真正降低误报率。

6.智能家居监控系统软件设计

智能家居监控系统软件设计主要包括操作系统、文件系统、应用程序和Boot Loader四个部分。操作系统采用的是Linux内核，具有移植性好、扩展性强等特点，其内存设备、进程设备功能完善，可以支持多种文件系统，拥有标准网络传输协议，以及相应的设备驱动等，可以实现对应用程序和多任务的有效管理。［8］文件系统采用的是EXT3系统，以树形结构对全部文件和目录信息进行存储，方便后期的维护和管理。应用程序主要负责完成一系列功能，由相应函数构成，包括报警应用程序、图像采集应用程序、图像压缩应用程序、GPRS通信程序、网络通信程序和串口应用程序等，因此，必须编写与之对应的用户应用程序，使系统实现各种功能。Boot Loader采用的是VI视觉设计。智能家居监控系统软件流程图如图2所示。