基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)、通信及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高,人們對(duì)居住環(huán)境的要求,也向著追求精神內(nèi)涵、安全舒適、便捷智能化和自動(dòng)化為理想目標(biāo),智能化的家居環(huán)境也逐漸備受人們的關(guān)注。目前,在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,智能家居控制中心與終端(家電設(shè)備、安防設(shè)備、三表等)之間多采用基于總線的有線連接方式(RS 485,CAN,LonWorks等),這種連接方式具有布線復(fù)雜、線路易腐蝕、維護(hù)不方便、影響室內(nèi)美觀等缺點(diǎn);遠(yuǎn)程用戶與智能家居控制中心之間的通信多采用電話線和網(wǎng)線的通信方式,未能將目前日益成熟的移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用其中,給用戶帶來極大的不便;智能家居控制中心多采用單片機(jī)作為控制核心,隨著用戶功能需求的增加,由于單片機(jī)軟硬件資源有限,給系統(tǒng)的升級(jí)、維護(hù)及調(diào)試帶來極大困難。鑒于此,本文提出了基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案,并對(duì)該方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。

1 GPRS技術(shù)簡介

GPRS（General Packet Radio Service），即通用無線分組業(yè)務(wù)，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X.25連接。與GSM電路交換數(shù)據(jù)相比，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：資源共享，頻帶利用率高，用戶只有在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才占有系統(tǒng)資源；數(shù)據(jù)傳輸率高，GPRS采 用分組交換技術(shù)，每個(gè)用戶能同時(shí)占用多個(gè)無線信道，同一無線信道又可由多個(gè)用戶共享。理論上，GPRS最高傳輸率可達(dá)171.2kbit/s；支持 X.25協(xié)議和IP協(xié)議，可與現(xiàn)有的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互通互連；用戶永遠(yuǎn)在線且按流量、時(shí)間計(jì)費(fèi)，通信成本低。由此可見，將GPRS技術(shù)應(yīng)用于智能家居系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是最理想的選擇。

2 系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能

該系統(tǒng)主要是針對(duì)普通住宅小區(qū)家庭用戶而設(shè)計(jì)的，它可以對(duì)小區(qū)內(nèi)用戶住宅內(nèi)安全狀況進(jìn)行集中監(jiān)控和管理，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了門禁及抄表功能。用戶可以根據(jù)自己需要進(jìn)行監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下功能：

（1）家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或者有火災(zāi)、燃?xì)庑孤┑任＜笔录�發(fā)生時(shí)，監(jiān)控終端能實(shí)時(shí)地監(jiān)測到險(xiǎn)情，向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

（2）家居安全狀況遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控與查詢：主人離家在外，可通過發(fā)送手機(jī)短信的方式來查詢家中安全狀況信息。

（3）現(xiàn)場圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)圖像抓拍器，對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行拍攝，所拍攝的圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的主機(jī)上進(jìn)行備份。用戶也可以通過發(fā)送送機(jī)短信的方式來啟動(dòng)圖像抓拍的功能。

（4）“三表”遠(yuǎn)程自動(dòng)抄送與門禁功能：可以定時(shí)或主動(dòng)讀取用戶家中的水表、電表、煤氣表的用量，并根據(jù)相應(yīng)價(jià)格計(jì)算費(fèi)用。當(dāng)有刷卡開門事件時(shí)，判斷卡合法則允許進(jìn)入。

2.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)由監(jiān)控終端，GSM短信收發(fā)模塊，監(jiān)控主機(jī)三部分組成。監(jiān)控終端硬件采用ARM7平臺(tái)，軟件采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks。監(jiān)控主機(jī)是一臺(tái)運(yùn)行監(jiān)控管理軟件的PC機(jī)，一般置于小區(qū)的物業(yè)管理中心。圖1是整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)工作時(shí)，監(jiān)控終端循環(huán)檢測安裝在室內(nèi)的門磁、紅外、煙霧、燃?xì)獗O(jiān)測等傳感器，當(dāng)檢測到有異常情況發(fā)生時(shí)，終端控制警笛發(fā)出告警聲音，提醒戶主及物業(yè)管理人員有險(xiǎn)情發(fā)生并采取防范措施。另外，監(jiān)控終端還通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息。當(dāng)終端檢測到門磁或紅外告警時(shí)，將啟動(dòng)圖像抓拍器，對(duì)用戶室內(nèi)現(xiàn)場進(jìn)行連續(xù)拍照，拍攝到的圖像終端先進(jìn)行緩存，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控主機(jī)，監(jiān)控主機(jī)將圖像以文件的形式進(jìn)行備份。

監(jiān)控終端還循環(huán)接收監(jiān)控主機(jī)下發(fā)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，終端對(duì)這些命令進(jìn)行解析。如果是查詢傳感器及門磁狀態(tài)，監(jiān)控終端對(duì)相應(yīng)傳感器的狀態(tài)進(jìn)行檢測，向監(jiān)控主機(jī)返回傳感器的狀態(tài)信息；如果是查詢水表、電表或者煤氣表的用量命令，監(jiān)控終端根據(jù)“三表”的RS-485協(xié)議，構(gòu)造查詢幀命令,發(fā)送相應(yīng)的查詢命令，將“三表”返回的數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的通信協(xié)議打包，通過終端上內(nèi)置的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控主機(jī)。監(jiān)控主機(jī)接收到終端發(fā)送的數(shù)據(jù)后，先對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析。若是告警信息，則監(jiān)控主機(jī)將根據(jù)不同的告警播放相應(yīng)的告警提示音，提醒管理員作出處理。當(dāng)有告警發(fā)生時(shí)，監(jiān)控主機(jī)通過RS232接口輸出AT指令，控制外置GMS模塊向系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置好的住宅主人的手機(jī)號(hào)碼發(fā)送告警短信，通知戶主家中有警情發(fā)生。同時(shí)，監(jiān)控主機(jī)還將把告警事件以日志的形式記錄下來，以便事后對(duì)告警信息進(jìn)行查詢；當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)幀是抄表命令返回的數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)將把數(shù)據(jù)寫入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，在顯示界面上彈出一個(gè)新窗口，顯示戶主信息、查詢時(shí)間、表的用量、相應(yīng)費(fèi)用等信息。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控終端的原理圖如圖2所示。

圖2 終端原理圖

終端硬件采用的是嵌入式硬件平臺(tái)，CPU選用三星公司的基于ARM7TDMI內(nèi)核的S3C440X微處理器，該處理器是三星公司專為PDA和一般應(yīng)用開發(fā)提供的高性價(jià)比和高性能的解決方案。經(jīng)過性能與成本的綜合考慮,GPRS模塊選用明基公司的 M22模塊。該模塊可工作在三種頻率下：900/1800/1900MHz。支持語音通信，具有GPRS、USSD和CSD三種數(shù)據(jù)方式及SMS和FAX 功能；內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，軟件支持標(biāo)準(zhǔn)AT 指令并遵循3GPP 27.07/27.05規(guī)范。

S3C44B0的IO口的D口擴(kuò)展了三個(gè)按鍵，它們是設(shè)防鍵、開門鍵、消告警鍵。按下設(shè)防鍵，CPU檢測到IO口為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。該狀態(tài)下，系統(tǒng)將循檢測門磁及所有已經(jīng)安裝的傳感器。由于選用的傳感器輸出電平為0V或12V,而S3C44B0的外圍接口電平為0V~3.3V，傳感器的輸出需經(jīng)光耦隔離后連接至CPU的IO引腳。采用光耦隔離還有一個(gè)作用：在雷雨天氣，傳感器輸出導(dǎo)線很容易引入雷電，導(dǎo)線上會(huì)有瞬時(shí)高壓脈沖，用光耦將傳感器的輸出與CPU的IO口隔離后，起到保護(hù)CPU的作用。當(dāng)監(jiān)測到開門鍵按下，電控鎖吸合，門將打開，此時(shí)為合法開門狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生告警。如果是在監(jiān)控狀態(tài)下，門被強(qiáng)行打開，則門磁輸出由低電平變?yōu)楦唠娖�，CPU檢測到門磁傳感器輸出高電平，產(chǎn)生告警，CPU控制GPD3口輸出低電平，觸發(fā)警鈴產(chǎn)生告警音。告警發(fā)生時(shí)，CPU通過UART0發(fā)送AT指令來控制GPRS模塊，經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)監(jiān)控主機(jī)發(fā)送告警信息，監(jiān)控主機(jī)對(duì)告警信息進(jìn)行分析處理。M22模塊與CPU采用115200bps的波特率進(jìn)行通信。它們之間的接口比較簡單，只需要將接收和發(fā)送兩個(gè)引腳進(jìn)行連接。考慮到本系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要保存大量的事件日志，如“三表”查詢的數(shù)據(jù)、告警事件日志以及告警抓拍到的50張圖像等，系統(tǒng)擴(kuò)展了大容量的外部存儲(chǔ)器HY57V641620(容量為8MB的 SDRAM)，SST39VF1601(2MB的FLASH)。其中SDRAM主要負(fù)責(zé)程序運(yùn)行以及中間數(shù)據(jù)的保存，2MB的FLASH主要負(fù)責(zé)源程序的保存以及一些掉電需要保存的歷史數(shù)據(jù)，事件日志、圖像數(shù)據(jù)等。

圖像抓拍器的主要作用是當(dāng)有盜情發(fā)生時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場抓拍。目前在國內(nèi)市場上已經(jīng)有很多該類型的產(chǎn)品。我們選擇了深圳安信陽光科技有限公司的彩眼 HRM600GJ圖像抓拍器。HRM600GJ自帶以太網(wǎng)接口。HRM600GJ在接收到S3C44B0發(fā)來的拍照命令包后進(jìn)行連續(xù)拍照，所拍攝的圖像為靜態(tài)JPEG格式圖象，解析度為320×240，圖像經(jīng)過網(wǎng)口發(fā)送給ARM處理器等待處理。由于S3C44B0片內(nèi)并不帶以太網(wǎng)接口，因此必須擴(kuò)展一片以太網(wǎng)接口芯片實(shí)現(xiàn)彩眼和 ARM處理器之間的互連。這里我們選用比較常見的也是性價(jià)比相對(duì)較高的RTL8019AS作為以太網(wǎng)接口芯片。

SN75LBC184是RS485驅(qū)動(dòng)芯片。我們將S3C44B0的第二個(gè)串口（UART1）擴(kuò)展為系統(tǒng)的RS485總線接口。該接口是CPU與“三表” 及刷卡器等設(shè)備的通信接口。CPU按照主從模式與“三表”進(jìn)行通信。CPU定義為主設(shè)備，“三表”為從設(shè)備。主從設(shè)備都有唯一的設(shè)備地址，通信時(shí)，主設(shè)備向指定地址的從設(shè)備發(fā)查詢命令，從設(shè)備返回當(dāng)前數(shù)據(jù)給主設(shè)備。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1終端軟件

傳統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)基本上都采用順序結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)性低且CPU對(duì)資源的利用率不高。這里，我們采用了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)VxWorks，它是美國風(fēng)河（WindRiver）公司于1983年設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）。終端軟件設(shè)計(jì)包括針對(duì)系統(tǒng)硬件平臺(tái)進(jìn)行的操作系統(tǒng)的移植和在 VxWorks平臺(tái)上應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)兩部分。操作系統(tǒng)的移植的重點(diǎn)也即難點(diǎn)是BSP（Board Support Package）的設(shè)計(jì)。VxWorks本身提供了針對(duì)許多處理器的BSP，但針對(duì)S3C44B0的BSP并未提供。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)BSP時(shí)，我們首先仔細(xì)研究了其中一種BSP代碼范例，了解并掌握了BSP的結(jié)構(gòu)，然后在風(fēng)河公司針對(duì)ARM處理器提供給用戶的BSP模板的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的BSP，限于篇幅，對(duì)操作系統(tǒng)的移植部分本文將不作闡述。

監(jiān)控終端的應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想。由于VxWorks支持多任務(wù)，我們將每個(gè)功能模塊以一個(gè)任務(wù)來實(shí)現(xiàn)。從時(shí)間上看，各個(gè)任務(wù)處于并行運(yùn)行的狀態(tài)，極大地提高了系統(tǒng)對(duì)事件響應(yīng)的速度，有效地提高了CPU對(duì)資源的利用率。終端應(yīng)用程序包含五個(gè)任務(wù)，分別是：消息處理任務(wù)、傳感器檢測任務(wù)、 GPRS通信任務(wù)、RS485總線設(shè)備通信任務(wù)、按鍵檢測及處理任務(wù)。除消息處理任務(wù)以外，其它五個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同。VxWorks中任務(wù)優(yōu)先級(jí)從0到 255，0為最高優(yōu)先級(jí)，255為最低優(yōu)先級(jí)。我們將消息處理任務(wù)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為90，其它四個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)都設(shè)定為100。這樣可使消息處理任務(wù)盡快的處理其它任務(wù)發(fā)送來的消息，提高系統(tǒng)對(duì)外部事件的響應(yīng)速度。下面分別對(duì)各個(gè)任務(wù)所實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行簡要的介紹。

（1）消息處理任務(wù)

該任務(wù)循環(huán)檢測自己的消息隊(duì)列，當(dāng)有其它任務(wù)發(fā)送來的消息時(shí)，讀取消息，對(duì)消息進(jìn)行解析，確定事件類型，然后調(diào)用事件相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)定義了多種事件類型，主要有如下幾種事件：傳感器告警事件、設(shè)置終端參數(shù)事件、傳感器狀態(tài)請(qǐng)求事件、刷卡開門事件、水表數(shù)據(jù)查詢事件、電表數(shù)據(jù)查詢事件、煤氣表數(shù)據(jù)查詢事件和按鍵設(shè)置事件。

（2）傳感器檢測任務(wù)

在任務(wù)運(yùn)行的時(shí)間片內(nèi)，首先判斷系統(tǒng)當(dāng)前所的處狀態(tài)，如果系統(tǒng)處于設(shè)防狀態(tài)，那么CPU將對(duì)室內(nèi)所有已安裝傳感器進(jìn)行循環(huán)檢測。如果系統(tǒng)工作在撤防狀態(tài)下，那么只對(duì)煙霧、煤氣傳感器進(jìn)行檢測。當(dāng)任務(wù)檢測到某一傳感器的輸出達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的告警閾值時(shí)，將向消息處理任務(wù)的消息隊(duì)列發(fā)送一條傳感器告警消息，消息中包含傳感器通道編號(hào)。

（3）GPRS通信任務(wù)

此任務(wù)完成GPRS模塊的初始化、終端與監(jiān)控中心建立連接以及數(shù)據(jù)通信功能。

（4）RS485總線設(shè)備通信任務(wù)

任務(wù)完成“三表”數(shù)據(jù)的讀取以及用戶刷卡檢測功能。

（5）按鍵檢測及處理任務(wù)

該任務(wù)完成對(duì)終端上三個(gè)功能鍵的掃描。當(dāng)其中某個(gè)按鍵被按下時(shí)，CPU檢測到鍵值，向消息處理任務(wù)發(fā)送消息，消息任務(wù)將調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)進(jìn)行處理。

4.3監(jiān)控中心軟件

監(jiān)控中心軟件采用Borland C++ Builder 6.0開發(fā)。它使用WinSock控件接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。中心軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、操作員權(quán)限管理、用戶管理、告警事件處理、數(shù)據(jù)庫的維護(hù)以及數(shù)據(jù)打印和系統(tǒng)幫助等功能。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)住宅小區(qū)內(nèi)多用戶室內(nèi)安全狀況的集中監(jiān)控與管理，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶家中的水表、電表、煤氣表的遠(yuǎn)程無線抄送。該系統(tǒng)在實(shí)用性、可靠性以及成本等方面取得了較為滿意的效果。目前，本系統(tǒng)已經(jīng)完成最后調(diào)試，即將進(jìn)入現(xiàn)場試運(yùn)行。由于系統(tǒng)在硬件設(shè)計(jì)上充分考慮到了不同的應(yīng)用場合，留有較大的擴(kuò)展空間，因此相信該系統(tǒng)將會(huì)有較為廣闊的應(yīng)用前景。

作者：李紅剛 張素萍 方佳 董玲嬌 來源：《現(xiàn)代電子技術(shù)》

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