智能家居远程监控系统.docx
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智能家居远程监控系统
第一部分绪论
随着计算机、通信及微电子技术的飞速发展和人民生活水平的提高，人们对居住环境的要求，也向着追求精神内涵、安全舒适、便捷智能化和自动化为理想目标，智能化的家居环境也逐渐备受人们得关注。
目前，在智能家居系统设计中，智能家居控制中心与终端（家电设备、安防设备、三表等）之间多采用基于总线的有线连接方式（RS485，CAN，LonWorks等），这种连接方式具有布线复杂、线路易腐蚀、维护不方便、影响室内美观等缺点；远程用户与智能家居控制中心之间的通信多采用电话线和网线的通信方式，未能将目前日益成熟的移动通信技术应用其中，给用户带来极大的不便；智能家居控制中心对采用单片机作为控制核心，随着用户功能需求的增加，由于单片机软硬件资源有限，给系统的升级、维护及调试带来极大困难。
鉴于此，本文提出了基于ARM的智能家居远程监控系统设计方案，并对该方案进行了具体设计。
1.1研究背景
二十一世纪是高速变革的信息时代，社会的信息化唤起了人们对住宅智能化及家居智能化的要求，智能住宅已成为中国房地产市场的主流。
计算机行业和家电行业、电信行业、安防监控行业的互相渗透、互相融合，使信息时代直接勾勒于家居生活已成为现实。
智能家居系统具有安全、方便、高效、快捷、智能化、个性化的独特魅力，对于改善现代人类的生活质量，创造舒适、安全、便利的生活空间有着非常重要的意义，并具有非常广阔的市场前景。
虽然其问世至今还未能像其他新科技产品那样，迅速掀起一股潮流，但从发展趋势看，智能家居的日益普及将是一种必然。
2008北京奥运提出了“数字奥运”的口号，建设部要求根据不同消费者的需要，推动家居数字化、建筑智能化技术及产品的发展，中国正迎来一个“数字城市”、“数字社区”建设与发展的热潮。
据国家建设部科技委智能建筑技术开发推广中心的报告称：
随着环保、健康、安全、舒适的智能家居逐步普及，家居智能化的比例会大幅增加；按照智能家居发展的速度，智能家居市场对智能产品的需求量将大幅度的增长。
在未来几年里，国内的智能家居市场将会迅速崛起、膨胀。
1.2智能家居的发展与现状
智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家居有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。
与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家居生活空间；还由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交互功能，帮助家居与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生的安全性、舒适性，甚至合理控制各种能源的使用。
家居智能的基本目标是，将家居中各种与信息相关的通信设备、家用电器和家居安防通过家居总线技术（HBS）连接到一个家居智能化系统上进行集中或者异地的监视、控制和家居事务性管理，并保持这些家居设施与住宅环境的协调。
1.2.1国外智能家居的发展与现状
20世纪80年代初，随着大量采用电子技术的家用电器面市，开始出现了住宅电子化（HE,HomeElectronics）的概念；80年代中期，将家用电器、通讯设备与安保防灾设备各自独立的功能综合为一体，形成了家居自动化概念（HA,HomeAutomation）。
80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了对住宅中各种通信、家电、安保设备通过总线技术进行监视、控制与管理的商用系统，这在美国称为智慧星（WH,WiseHome），在欧洲称为时髦星（SH,SmartHome）。
当时日本正处于房产市场低迷时期，日本建设省在推进智能建筑概念时，抓住用于住宅的总线技术的契机，提出了家居总线系统概念（HBS,HomeBusSystem）。
而随着技术的继续发展和生物识别技术的实用性普及，智能化家居的概念才真正体现了其本意，在好莱坞科幻大片中看到的那种高度智能化的家居系统正在走进我们的生活。
1998年5月新加坡举办的“98亚洲家庭电器与电子消费品国际展览会”上，通过在校内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家居智能化消化系统。
它的系统功能包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言功能、家居智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和软件配置等。
日本松下公司正在把“数码家庭”的概念应用到养老院。
养老院的所有房间都与局域网相连，装备多种测量仪器、触摸式显示屏、数码摄像机等，这样每个居住者的体温、血压等多项数据传送到护理中心，实现远程医疗护理。
美国麻省理工学院的实验室正在研究“智能房间”，通过生物传感器探测人的行为来自动控制和调节居住系统。
日本大型住宅公司MisawaHome为解救购房者对房屋防盗室，当遇到小偷闯入门时屋主可躲进去紧急避难，防盗室设有两道厚重的门，其中内门只要从里面上锁后，外部无法靠人力打开。
防盗室内装设电话专线，电话线埋在地下；另外还可在屋内放置一个机器人，可以依歹徒恐吓的声音来反应，并出声求救，发挥报警求救功能。
1.2.2国内智能家居的发展与现状
智能家居在我国经历了近7年的起步阶段，发展速度缓慢，这主要是因为没有投入大量的资金，开发技术短期内也不成熟。
但是随着建筑智能化行业协会的成立及技术水平的不断提高，产品在市场上已逐步推广。
前期主要集中在一些分散的智能家居控制子系统的研究上，如三表抄送系统、门禁系统、可视对讲系统等。
随着集成技术、通信技术、互操作能力和布线标准的发展而不断改进，实现它们之间信息共享，使得系统安装方便、使用灵活。
目前，国内一些传统家电业的巨头如海尔、创维、TCL、科龙、海信等也开始进入智能化家居市场。
而先进入该区域的一些企业基本都推出了各自的产品，如清华同方推出的经济型的智能化家居设备“e-home数字家园”系统已经得到了一定程度的应用。
第二部分系统需求分析
经过前几年各商家、媒体对家居智能化概念性的宣传，现在消费者对智能家居产品已经不断熟悉。
针对国内市场的实际情况分析，消费者对远程抄表和物业管理兴趣索然，但是对家电控制、家居安防报警网络却情有独钟，所以目前众多企业都往这一方向发展。
而嵌入式技术在最近几年得到了广阔的发展。
嵌入式处理器的性能得到了显著地提高，这就为以嵌入式为基础的智能化家居系统的发展奠定了硬件基础，使较复杂的检测和识别算法在系统中得到应用。
在软件方面，出现了丰富的支持嵌入式设备的软件，使嵌入式系统的开发的难度降低，出现了大量专注于嵌入式的企业，使嵌入式开发中能得到良好的技术支持。
同时智能化家居的概念也更加明确，相关的智能化技术得到了显著地发展，使开发能获得大量先进的资料。
2.1系统功能性需求分析
智能家居系统采用手机作为远程终端。
该系统工作时，由手机发出中文短消息命令，操作命令经过GSM移动通信网络传送给GPRS模块，智能家居控制系统通过GPRS模块接收操作命令并进行判断处理。
如果是家电控制命令，则经继电器驱动电路控制相应的家电动作，如果是数据采集命令，智能家居控制系统则控制GPRS模块将用户所要的数据以中文短信息的形式发给作为远程控制终端的手机。
当家居出现有人入室盗窃或火灾迹象时，门磁传感器或烟雾传感器发出报警信号，经光电耦合电路送给智能家居控制系统，智能家居控制系统判断处理后通过GPRS模块采用中文短信的形式向预先指定的手机发送报警信息。
用户通过手机或Internet实现对家电、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施及室内环境的远程实时监视与控制，同时还可自动完成三表（水、电、气）的抄表工作。
智能家居系统远程控制系统的具体功能如下。
★空调远程启停控制：
在夏季，用户回家前可以用手机发出打开空调命令使室温在用户到家时达到理想的温度。
如果用户发现离家时空调忘记关闭，可以通过手机发出命令关闭空调。
★供热阀远程启停控制：
在冬季，用户回家前可以用手机发出打开空调命令，使家居供热系统工作。
家中无人时关闭供热系统，这样可合理地节约能源。
★热水器远程启停控制：
当用户在回家后需使用热水，可以提前通过手机发出热水器启动命令，以满足使用需要。
★防盗报警功能：
系统在布防后，若房间的门或窗被强行打开，系统会立即发出防盗报警短消息至用户手机，远方的用户在接收到报警短信后，确认家居有被盗迹象可远程启动家居内声光报警器，对入室窃贼起威慑作用。
★防火报警功能：
系统在厨房内设置烟雾传感器，当烟雾浓度达到报警限时系统发出报警短消息给远方用户手机。
★家电工作状态远程采集功能：
如果用户想要了解远方家居内家电设备的工作状态，可通过手机发出家电工作状态查询命令，系统会根据查询命令发出指定家电或所有家电设备的工作状态短消息到用户手机。
★家居室温远程采集功能：
系统的温度传感器实时监测家居内的室温，如果用户想了解家居内的室温，可通过手机发出温度采集命令，系统会将当前的室温以短消息的形式发给用户。
★其他功能：
系统具有较强的扩展能力，可以方便的扩展其他功能。
2.2系统非功能性需求分析
2.2.1系统的技术指标
远程监控命令和信息显示：
全部远程监控命令和显示信息均以中文短消息的形式表示。
监控命令发出后系统的动作响应时间小于10秒。
系统对监控命令具有容错性，当所发出的命令短信不完备或有错误时监控系统将不工作。
★通信指标：
符合GSM短消息业务标准。
中国移动通信网络或中国联通通信网络覆盖范围广，除因网络状况拥挤或SIM卡欠费等客观因素外，保证用户在任何时间、任何地点都可以实现对家居的远程监控。
★防盗报警指标：
门窗打开隙缝大于1.5cm，系统发出防盗报警信息，远方手机在15秒内收到报警短信。
★烟雾报警指标：
灵敏度符合国际GB4715-93；烟雾浓度达到报警值后15秒之内远方手机收到报警信息。
★家具室温测量：
测量范围为-55℃～+125℃，当温度在-10℃～+85℃之间时测量误差为0.5℃，手机短消息的温度显示值精确到个位时，温度采集响应时间小于30秒。
2.2.2智能家居无线技术概述
1GPRS技术简介
通用分组无线业务（GenevalPacketRadioServ－ice,GPRS）以分组交换技术为基础，采用IP数据网络协议，使现有GSM网的数据业务突破了最高速率
9.6Kb/s的限制，最高数据速率可达171.2Kb/s。
GPRS具有永远在线、高速传输、按流量计费、减少无线资源浪费及通信成本低等优点。
2蓝牙技术简介
蓝牙技术是一项新兴得技术，它的主要目的是在全世界建立一个短距离得无线通信标准。
它使用2.4～2.5GHz
ISM（IndustryScientificMedical）频段传送语音和数据。
运用成熟、实用、先进的无线技术来代替电缆，它提供了低成本、低功耗的无线接口，使所有固定和移动设备通过微微网PAN（Per2sonalAreaNetwork）连接起来。
这样，人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制。
第三部分系统设计
3.1概要设计
智能家居系统远程监控系统的核心部分是一个嵌入式Web服务器，系统集有线与无线两种通信方式于
体，用户可以通过手机或PC机登陆家中的嵌入式Web服务器，通过用户名和密码验证之后，便可以查看或控制家用电器、灯光、窗帘、门禁、安防等基础设施；系统带有LCD和键盘，具有良好的人机界面；用户可以通过键盘设定系统所需要的参数；系统具有丰富的可扩展接口，如A/D转换接口、无线蓝牙接口、RS485接口、GPRS接口、以太网接口。
系统的总体结构设计如图3-1所示。
图3-1系统的总体结构图
3.2系统方案设计
3.2.1系统整体软硬件方案设计
在智能家居的诸多功能中，人们最关心的是家居安防和家电控制的实现，所以本系统方案的着眼点放在家居安防和加点控制功能的实现。
如图3-2所示，智能家居远程监控系统的硬件由S3C2410微处理器、存储器系统、传感器、输出控制开关、光电耦合输入电路、继电器输出驱动电路、GPRS模块和用户终端手机构成。
通信模块采用GPRS扩展板，控制命令和报警信息以中文短信的方式进行传送。
图3-2智能家居远程监控系统方案设计
嵌入式操作系统选择Linux，用VI做编辑器，以ARMGCC作为交叉编译器。
Linux内核是一个整体的结构，为了方便的向内核添加或者删除某些功能，Linux引入了内核模块机制。
系统调用是操作系统内核和应用程序之间的接口，供用户在编程过程中使用。
设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口，Linux设备驱动程序为应用程序屏蔽了硬件细节。
在应用程序看来，Linux硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。
3.2.2报警方案设计
系统使用门磁传感器作为入室盗窃报警信号发生器。
门磁传感器安装在门窗上，当门窗被打开时，门磁的开关状态发生改变，经光电耦合电路将信号传送到微处理器。
微处理器检测到信号输入，控制GPRS模块发出中文报警信息到终端用户手机，同时启动室内的声光报警装置，对入室盗窃者产生威慑作用。
在厨房设有烟雾传感器，当监测的烟雾浓度达到报警限时，触发报警器开关动作，启动室内音响报警装置发出警报，该信号经光电耦合电路传到微处理器，微处理器检测到信号输入后，控制GPRS模块发出报警信号到终端用户手机。
3.2.3监控方案设计
本系统设计了中文命令集，命令集分两类指令：
一类为家电操作指令，当系统收到用户通过手机发出的家电启停短消息指令后，对短消息指令进行译码，确定系统的操作动作，然后通过GPIO输出控制信号，控制信号经放大后驱动相应的继电器动作，从而实现家电设备的启停控制；另一类命令为数据采集命令，用户使用该类命令，可远程采集家居状态信息，包括室温、家电的工作状态，当系统收到用户通过手机发出数据采集命令后，系统进行译码识别，而后将用户需要的家居状态信息经GPRS模块发回用户手机。
用户可发送中文指令集中的一条或多条命令，实现对一个或多个设备的控制，系统中文指令集中的指令支持组合使用。
系统命令译码设计考虑了操作的容错性，当手机发出的短信命令不完备或对系统发出命令集中么没有的短消息时，系统将不产生任何控制动作。
3.2.4通信方案设计
通信采用GPRS模块：
插入SIM卡后接入到中国移动或中国联通网络，它通过串口2与微处理器连接，使用标准的AT指令即可使系统像普通的移动电话一样具有收发短信息等功能。
3.3详细设计
3.3.1系统硬件设计
3.3.1.1硬件结构设计
系统的硬件结构设计如图3-2，图3-3所示。
由图3-2可知，智能终端以MCU
控制核心，外扩蓝牙从模块及其他外设接口；由图3-3可知，智能家居控制中心硬件由嵌入式微处理器、外部存储器、数据通信接口、人机接口及调试接口五大部分组成。
图3-2智能终端硬件结构图
3.3.1.2系统控制中心硬件设计
1嵌入式微处理器
本系统选用韩国三星电子的基于ARM920T内核的32位嵌入式微处理器S3C2410作为系统的控制核心，该芯片本身集成了包括存储器接口、通信接口（USB，RS232），A/D，JTAG等在内的丰富的硬件资源，可简化外围设备与微处理器的硬件连接程度，提高系统的稳定性、可靠性。
图3-3智能家居中控制中心硬件结构图
2系统存储器
由于S3C2410的存储控制器提供了外部存储器访问所需要的控制信号，用户只需要选择合适的外部FLASH和SDRAM与其相连，即可实现系统的存储功能。
本系统选用SAMSUNG公司的具有512MB容量的K9F1208作为系统外部的NANDFLASH存储器，用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。
选用2片容量为32MB的SAM-SUNG
K4S56163作为系统外部的SDRAM，用作程序的运行空间、数据及堆栈区。
3以太网控制模块
由于S3C2410本身没有集成以太网控制模块，所以需要
个与之相匹配的控制芯片来实现以太网扩展接口。
本系统选用CIRRUSLOGIC公司的CS8900A作为系统的以太网控制芯片。
CS8900A是
个单芯片全双工的以太网解决方案，所有的数字和模拟电路合成了完整的以太网电路。
主要结构包括ISA总线接口、802.3MAC引擎、BUFFER、串行E2PROM接口和带10BASE-T和AUI的模拟前端。
CS8900A
10BASE-T接口通过变压器HR601627与RJ45网口连接。
4GPRS通信模块
GPRS通信模块采用西门子公司的无线数据传输模块MC235i，支持数据、短信、语音和传真业务。
MC35i是新
代GSM/GPRS双模模块，完全兼容上
代的MC35，TC35i；采用紧凑型设计，为用户提供了简单、内嵌式的无线GPRS连接。
MC35i与控制中心是通过UART接口1进行硬件连接的。
5蓝牙模块
蓝牙主设备部分由蓝牙模块、MCU、外部RAM和家庭计算机等组成，如图3-4所示。
以MCU为中心，采用爱立信蓝牙模块ROK101007，通过蓝牙无线电通道与蓝牙从设备相连。
图3-4中所示的紧急开关供主人在室内遇到紧急情况时使用。
如果发生火灾、盗窃或煤气泄漏等事件，则由蓝牙模块接收来自蓝牙从设备的数据，由MCU对这些数据经过处理之后，通过无线连接，由智能监控系统通过PSTN（电话交换网）向主人报警或通过Internet向监控中心报警。
图3-4蓝牙主设备结构框图
蓝牙从设备由蓝牙模块，MCU和内嵌蓝牙模块的传感器网络和被控电器组成。
传感器网络由红外线传感器或烟雾传感器和三表传感器构成，该网络对各种火灾、煤气泄漏以及盗窃等灾情信号实现现场采集。
系统中的蓝牙从设备可分为三类：
报警触发类、三表类和被控电器类，这三类从设备都是内嵌蓝牙模块和MCU的蓝牙设备，因篇幅有限，本文将这三类设备画在同一幅图中。
具体设计根据图示结构设计即可，如图3-5所示。
图3-5蓝牙从设备结构框图
蓝牙设备之间进行数据通信是通过HCI分组来实现，HCI分组有数据分组、命令分组和事件分组。
蓝牙数据通信处理一般包括以下6个步骤：
蓝牙模块初始化、HCI流量控制设置、查询、建立链接、数据传输和断开链接。
这部分程序主要借助爱立信的EBDK开发包，在WindowsXP环境下用C语言开发实现。
3.3.2系统软件设计
系统软件设计包括智能家居控制中心软件设计和智能终端应用软件设计两大部分。
智能家居控制中心是以ARM微处理器为控制核心，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、嵌入式数据库、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；智能终端的控制核心为单片机，其应用软件设计是
个循环控制程序。
3.3.2.1系统软件结构设计
本系统软件采用多线程编程技术实现，软件结构如图3-4所示。
图3-4系统软件结构图
（1）主程序设计
系统的主程序流程图如图3-5所示。
图3-5系统的主程序流程图
（2）远程控制线程流程图
实现远程家电控制和数据采集功能的远程控制线程流程图如图3-6所示。
图3-6远程控制线程流程图
（3）报警线程流程图
实现远程报警的线程流程图如图3-7所示。
图3-7报警线程流程图
3.3.2.2系统控制中心的软件设计
1系统软件设计
（1）嵌入式操作系统的选择及移植本系统采用Linux作为操作系统，并选用Linux2．6内核在嵌入式微处理器S3C2410上移植，具体移植方法如下：
①准备Linux2．6内核移植所必需的文件（内核压缩包linux-2．6．tar．bz2及交叉编译器arm-linux-gcc-3．4．1．tar．bz2），这些文件可到LinUX官方网站免费
载。
②利
Linux命令（mkdir，tar，mv及export）安装交叉编译器arm-linux-gcc-3．4．1。
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
，Makefile文件来组织内核的各模块之间的关系，记录了各个模块
间的相互联系和依赖关系。
所以，开发人员要首先修改Linux2．6根目录下的Makfile文件，修改的主要内容是目标代码的类型和为编译内核指定
个编译器。
④运用Make命令编译内核生成内核镜像文件zImage文件，通过相应的固化软件把这个文件固化在系统相应的存储器中，完成Linux2．6内核在ARM微处理器上的移植。
（2）驱动程序的移植及设计
智能家居控制中心需要多个设备驱动程序，而对于嵌入式系统而言很少有通用的外设驱动程序可以使用。
在本系统中，除
GPRS模块和蓝牙主模块分别通过第
、第二个串口与S3C2410相连，可以直接使用标准的串口驱动程序外，其余的如家电控制接口、传感器接口及以太网接口等属于非标准外设，需要专门设计其驱动程序。
在驱动程序的设计中，由于嵌入式Linux系统中设备驱动程序有
个标准的框架，虽然这些接口工作原理不同，但其设计方法基本类似，即根据硬件结构来“填写”框架中的函数。
主要的函数包括open（），read（），write（），ioctl（），release（），module_init（）
moduleexit（）等。
以太网接口驱动程序的设计虽然可以按照
述方法进行，但是实现起来却有一定的难度，本系统在设计中使用
种更简单的方法，即通过移植的方法实现CS8900以太网驱动程序
S3C2410
运行。
具体移植方法如
：
①利用网络工具从网上下载CS8900．C
CS8900．H，并把它们拷贝到内核下的DRIVERS／NET目录。
②修改配菜单，增加CS8900配置选项，使系统
配置ARCHSMDK2410时，可使用CS8900的配置选项。
③对网卡进行初始化及相关文件（smdk2410．h，mach-smdk2410．c，makefile）进行修改工作。
④通过Make命令重新编译，即可实现CS8900以太网驱动程序的移植。
（3）嵌入式Web服务器的选择及移植
在ARM+Linux开发平台下，可以使用的web服务器主要有三个：
Httpd，Thttpd
Boa。
Httpd是较简单的
个Web服务器，但其功能较弱，不支持认证、CGI。
Thttpd
Boa都支
持认证、CGI等，功能比较强。
为了实现动态Web技术，本系统在设计中选择了即支持CGI又较适合于嵌入式系统的Boaweb服务器，并将其移植在该系统中，使系统实现嵌人式Web服务器的功能。
具体移植实现方法如
：
①下载Boa服务器源代码boa-O．94．13．tar．gz，并将其解缩在／boasrc／目录下。
②编译Boa源代码，生成执行文件Boa（大小约60KB）。
③创建相关工作目录。
在／etc目录下建立
个boa目录，里面放人boa的主要配置文件boa．conf。
还需要创建日志文件所在目录／var／Iog／boa，创建HTML文档的主目录／var／www，创建CGI脚本所在目录／var／www／cgi-bin／。
④
Boa作配置和修改。
主要通过对defines．h，boa．eonf
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
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。
⑤放置Boa文件。
在／bin／下加入生成的boa可执行文件并把修改后的bao.conf拷贝到web服务器根目录／etc／boa下。
并将
些静态页面放在由bo-a
升级会员 