摘  要： 針對(duì)目前智能家居監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)施比較昂貴,，不適合普遍使用的缺點(diǎn)，提出了一種以ARM9處理器和Linux操作系統(tǒng)為平臺(tái)的嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng),，實(shí)現(xiàn)了家居的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)視和家電的遠(yuǎn)程模擬控制,。該系統(tǒng)內(nèi)移植嵌入式Web服務(wù)器,，用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn),。采用HHTP協(xié)議和CGI技術(shù),，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)人機(jī)交互界面和基本的CGI程序，能與客戶(hù)端瀏覽器進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互,。測(cè)試結(jié)果表明,，該系統(tǒng)人機(jī)界面友好,、可擴(kuò)展性強(qiáng)、操作使用方便,，遠(yuǎn)程監(jiān)控圖像流暢,、清晰,，可以滿(mǎn)足不同用戶(hù)的需求。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng),；智能家居,；Linux；遠(yuǎn)程監(jiān)控

    隨著信息技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展,，實(shí)現(xiàn)家居網(wǎng)絡(luò)化和智能化已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),。具有用戶(hù)界面,、能遠(yuǎn)程控制、智能管理的電器是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì),。在此形勢(shì)下,，基于A(yíng)RM,、PowerPC等32位微處理器的出現(xiàn),，使嵌入式Internet成為現(xiàn)實(shí)，傳統(tǒng)PC的Web服務(wù)完全可以通過(guò)嵌入式控制器實(shí)現(xiàn),。正如早已為人們熟知的“把互聯(lián)網(wǎng)帶入生活中”,，使用嵌入式Web技術(shù)的家居計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)成為目前網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向,。
    基于PC架構(gòu)的智能家居由于實(shí)用性較差已經(jīng)逐步退出了市場(chǎng)，目前只有一些國(guó)外廠(chǎng)商和極少數(shù)國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商選擇了基于嵌入式的技術(shù)方案,。而基于嵌入式系統(tǒng)的家庭智能系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)才剛剛出現(xiàn),，隨著嵌入式技術(shù)更加廣泛的應(yīng)用，成本的逐步降低,，智能家居最終將走向嵌入式[1]。
    經(jīng)過(guò)比較，嵌入式智能家居具有明顯的優(yōu)勢(shì),，因此本文選擇嵌入式系統(tǒng)作為智能家居的核心。由于A(yíng)RM處理器具有體積小,、功耗低、成本低,、性能高以及Linux開(kāi)源等優(yōu)點(diǎn),，本系統(tǒng)選擇三星公司的ARM9處理器S3C2410作為嵌入式處理器,，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux,。
1 系統(tǒng)整體模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)主要在嵌入式系統(tǒng)上進(jìn)行視頻監(jiān)控模塊和遠(yuǎn)程電器控制模塊的設(shè)計(jì)。嵌入式系統(tǒng)由嵌入式處理器S3C2410和Linux系統(tǒng)組成,。視頻監(jiān)控模塊由Web服務(wù)器,、視頻服務(wù)器和客戶(hù)端以及實(shí)現(xiàn)通信的通道組成,。遠(yuǎn)程電器控制模塊在Web服務(wù)器上,，通過(guò)CGI交互,，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制,。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由嵌入式系統(tǒng)模塊,、視頻采集模塊,、視頻服務(wù)器模塊,、視頻客戶(hù)端模塊和遠(yuǎn)程電器控制模塊組成,。系統(tǒng)的整體框架圖如圖1所示,。    嵌入式處理器S3C2410是一款基于A(yíng)RM920T內(nèi)核的16/32位RISC微處理器。內(nèi)部帶有全性能的MMU（內(nèi)存管理單元）,，它適用于設(shè)計(jì)移動(dòng)手持設(shè)備類(lèi)產(chǎn)品,，具有性能高、功耗低,、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性[2],。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
2.1 圖像采集模塊的實(shí)現(xiàn)
    本系統(tǒng)采用USB接口的PC350攝像頭,，該攝像頭的后端采用OV511+視頻芯片， 圖像傳感器采用新一代CMOS感光芯片,，攝像頭硬件壓縮率超過(guò)5：1,，非常適合視頻監(jiān)控的圖像采集[3]。目前Linux內(nèi)核中已經(jīng)有支持OV511芯片的驅(qū)動(dòng),，因此無(wú)須下載驅(qū)動(dòng)程序,。該驅(qū)動(dòng)可以用模塊化的方式加載，也可以編譯進(jìn)內(nèi)核,，本系統(tǒng)采用編譯進(jìn)內(nèi)核的方法,。
    在內(nèi)核加載了OV511攝像頭驅(qū)動(dòng)之后，系統(tǒng)就能識(shí)別并支持該攝像頭,，再只需編寫(xiě)視頻采集程序就可工作,。視頻采集應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)通過(guò)Linux內(nèi)核中的Video4Linux實(shí)現(xiàn)。
    Video4Linux是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng),，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供了一系列接口函數(shù),。在視頻采集中，應(yīng)用程序首先通過(guò)open( )函數(shù)打開(kāi)視頻采集設(shè)備并返回一個(gè)文件描述符號(hào),，這個(gè)文件描述符就代表了捕獲的設(shè)備硬件,。成功開(kāi)啟設(shè)備檔后，調(diào)用ioctl( )取的設(shè)備文件的相關(guān)信息,，并且將取得的信息放到video capability結(jié)構(gòu)中,，同樣調(diào)用ioctl( )將視頻窗口信息放到video picture結(jié)構(gòu)中。視頻設(shè)備的關(guān)閉通過(guò)close( )函數(shù)實(shí)現(xiàn),。在本系統(tǒng)中,，視頻圖像的獲取采用mmap( )的方式共享內(nèi)存來(lái)實(shí)現(xiàn)。此方法不必再調(diào)用read( ),、write( )等操作,，不僅進(jìn)程可以直接讀寫(xiě)內(nèi)存，進(jìn)程通信效率高,，而且不需要拷貝任何數(shù)據(jù),。
2.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)
    視頻監(jiān)控模塊采用“瀏覽器—服務(wù)器”模式，即在采集端構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器,，并在Web服務(wù)器的基礎(chǔ)上移植視頻服務(wù)器webcam,，在客戶(hù)端利用Java Applet 來(lái)接受視頻服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻信息。本模塊包括嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)和視頻服務(wù)器webcam的移植實(shí)現(xiàn),。
2.2.1 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì)
    嵌入式Web服務(wù)器器是指將Web服務(wù)器引入到嵌入式系統(tǒng)中,，在相應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件系統(tǒng)的支持下，根據(jù)應(yīng)用的需要實(shí)現(xiàn)通用的Web服務(wù)器的全部或者部分功能,。嵌入式Web服務(wù)器仍然以TCP/IP協(xié)議為底層,，在該Web中使用的應(yīng)用層的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議,，通過(guò)HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端（一般為瀏覽器）和嵌入式Web服務(wù)器的信息交換[4]。
    在嵌入式領(lǐng)域,，常用的Web服務(wù)器有thttpd和boa,，boa目前用的最多。boa是一個(gè)非常小巧的Web服務(wù)器,，可執(zhí)行代碼只有約60 KB,，占用系統(tǒng)資源少，而且速度快,、安全性好[5],。目前使用的Linux2.6內(nèi)核還沒(méi)有包含boa代碼，因此需要移植到本系統(tǒng)中,。首先從www.boa.org下載boa源代碼(目前最新版本boa-0.94.13),，解壓到Linux系統(tǒng)目錄下，用交叉編譯器編譯,。這樣在boa-0.94.13/src目錄下生成boa應(yīng)用程序,，把生成的boa應(yīng)用程序下載到開(kāi)發(fā)板上Linux系統(tǒng)中的/bin目錄下，讓boa在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)自動(dòng)運(yùn)行,，這樣在開(kāi)發(fā)板上就移植了boa服務(wù)器,。
2.2.2 視頻服務(wù)器webcam的移植實(shí)現(xiàn)
    視頻信息通過(guò)攝像頭采集到的圖像需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到另一端，并通過(guò)瀏覽器顯示出來(lái),，這一過(guò)程通過(guò)視頻服務(wù)器實(shí)現(xiàn),。視頻服務(wù)器的工作主要是與客戶(hù)端建立鏈接，并根據(jù)客戶(hù)端用戶(hù)的指令,，調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)處理客戶(hù)端的控制要求,。視頻服務(wù)器工作流程如圖2所示。

    webcam是一個(gè)比較常用的視頻服務(wù)器程序,，對(duì)本系統(tǒng)采用的OV511攝像頭非常適用,。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載webcam＿server的Linux版本，它是基于GNU架構(gòu)之下的,，完全免費(fèi)，源碼開(kāi)放,。本設(shè)計(jì)采用webcam server―0.50.tar.gz,。從http：//www.neilbriscoe.co.uk/scratch/網(wǎng)站下載，解壓到Linux目錄下,，修改Makefile為交叉編譯環(huán)境,，然后用Make命令進(jìn)行編譯，把生成的webcam應(yīng)用程序下載到開(kāi)發(fā)板上Linux系統(tǒng)中的/bin目錄下,，這樣就移植了視頻服務(wù)器,。
2.3 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)
    遠(yuǎn)程監(jiān)控是智能家居監(jiān)控中的重要組成部分,，只要有Internet的地方，主人就可以通過(guò)上網(wǎng)登錄設(shè)計(jì)好的智能家居管理界面,，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家里的實(shí)時(shí)監(jiān)控,。例如，主人在公司上班,，家里有小孩或者生病的老人,，主人可以通過(guò)公司電腦遠(yuǎn)程監(jiān)視關(guān)注家里的情況，如有意外,，主人就可以對(duì)此及時(shí)做出反應(yīng),。當(dāng)主人快要下班時(shí)可以事先通過(guò)界面管理實(shí)現(xiàn)對(duì)家電的控制(如打開(kāi)客廳電燈、讓電飯鍋開(kāi)始煮飯等),。
2.3.1 智能家居界面的實(shí)現(xiàn)
    本設(shè)計(jì)采用html語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)智能家居的管理界面,，以下是智能家居管理主界面的源代碼，文件名為my.html,。
＜html＞
＜head＞
＜title＞遠(yuǎn)程監(jiān)控＜/title＞
＜/head＞
＜frameset rows＝“20%,，80%”＞
＜frame img src＝“images/ltby006.jpg” marginwidth＝“0”
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＜frame src＝“left.html”scrolling＝“no” name＝“left＿frame”
frameborder＝“0”＞
＜frame src＝“right.html” name＝“right＿frame”＞
＜/frameset＞
＜/frameset＞
＜/html＞
    該代碼包含left.html和right.html的相關(guān)鏈接,，其中l(wèi)eft.html又包含著用戶(hù)信息,、密碼修改、遠(yuǎn)程控制,、狀態(tài)查詢(xún),、安全布防、視頻監(jiān)控等相關(guān)鏈接,。設(shè)計(jì)好相關(guān)的.html文件和CGI程序,，通過(guò)U盤(pán)把.html文件和CGI程序拷貝到開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)下的/www目錄下。
2.3.2 遠(yuǎn)程電器控制模塊的模擬實(shí)現(xiàn)
    用無(wú)線(xiàn)通信方式進(jìn)行家電的控制靈活性較強(qiáng),、覆蓋范圍較廣,，免去了綜合布線(xiàn)的費(fèi)用和精力，缺點(diǎn)是家庭內(nèi)部要有家庭網(wǎng)關(guān)和無(wú)線(xiàn)路由器,，接收終端還要有相應(yīng)的接收裝置,，成本較高。因此,，基于實(shí)用性和大眾化方面的考慮,，本文所研究的家電控制器的控制采用I/O控制。
    家電的本地集中控制硬件設(shè)計(jì)是利用嵌入式系統(tǒng)的I/O口對(duì)家用電器的用電進(jìn)行控制,。系統(tǒng)通過(guò)S3C2410的I/O口輸出高低電平來(lái)進(jìn)行控制,，同時(shí)用發(fā)光二極管指示家用電器工作狀況。
    發(fā)光二極管亮，表示家用電器通電,，發(fā)光二極管滅,，表示家用電器斷電。GPB7控制電器1,，GPB8控制電器2,，GPB9控制電器3。由于被控模塊家用電器大多使用220 V交流電,，屬于強(qiáng)電電路,，所以使用繼電器控制家電。在芯片與繼電器中間加驅(qū)動(dòng)電路,。驅(qū)動(dòng)電路可以利用光電耦合的通,、斷去控制繼電器的開(kāi)與關(guān)。也可以利用三極管的飽和與截止去控制繼電器的開(kāi)與關(guān),，這里采用三極管方式,。當(dāng)I/O口引腳輸出低電平時(shí)，三極管飽和導(dǎo)通,，+5 V電源加到繼電器線(xiàn)圈兩端,，繼電器吸合，同時(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也點(diǎn)亮,，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)閉合,，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)I/O口引腳輸出高電平時(shí),，三極管截止,，繼電器線(xiàn)圈兩端沒(méi)有電位差，繼電器銜鐵釋放,，同時(shí)狀態(tài)指示的發(fā)光二極管也熄滅,，繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)釋放，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi),。注：在三極管截止的瞬間,，由于線(xiàn)圈中的電流不能突變?yōu)榱悖^電器線(xiàn)圈兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較高電壓的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),，線(xiàn)圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)則可以通過(guò)二極管D1釋放,，從而保護(hù)了三極管免被擊穿，也消除了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)其他電路的干擾,，這就是二極管D1的保護(hù)作用,。這里主要是采用模擬的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)家電的遠(yuǎn)程控制，板子上的LED燈表示家電的開(kāi)關(guān)狀態(tài),。控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)的CGI代碼用shell語(yǔ)言實(shí)現(xiàn),，下面就是其中一個(gè)電器的代碼：
#/bin/sh
case $QUERY＿STRING in
*kai1*)
type1＝1
,；,；
*guan1*)
type1＝0
；,；
esac
2.3.3 視頻客戶(hù)端Java Applet的實(shí)現(xiàn)
    在本系統(tǒng)中,，客戶(hù)端接收從視頻服務(wù)器發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻信息，并通過(guò)Web瀏覽器顯示監(jiān)控圖像,，瀏覽器自身不能完成這個(gè)功能,，而是通過(guò)在HTML文檔里嵌入Applet來(lái)實(shí)現(xiàn)的[6]。Applet是一種特殊的Java程序,，它能夠嵌入到HTML文檔并被支持Java的網(wǎng)頁(yè)瀏覽器下載執(zhí)行,。本系統(tǒng)客戶(hù)端就是利用Java Applet完成用戶(hù)與視頻服務(wù)器的交互，實(shí)現(xiàn)視頻播放,。
    視頻監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)用HTML語(yǔ)言設(shè)計(jì),。在本系統(tǒng)中，攝像頭系統(tǒng)監(jiān)視界面直接采用改進(jìn)的webcam＿server―0.50nsrcnclient,。以下是經(jīng)過(guò)修改后的webcam.html源代碼,，其中http：//202.193.74.230指的是開(kāi)發(fā)板的IP地址，可以根據(jù)實(shí)際需要改變?cè)创a里面的高度和寬度,，從而調(diào)整視頻畫(huà)面的大小,。
＜html＞
＜head＞
＜title＞W(wǎng)ebCam＜/title＞
＜/head＞
＜br＞＜br＞＜br＞
＜p align＝“center”＞＜APPLET CODE ＝“WebCamApplet.clas”
archive＝“applet.jar”WIDTH ＝“320”HEIGHT ＝“240”＞
＜param name＝URL value＝“http：//202.193.74.230：8888”＞
＜param name＝FPS value＝“1”＞
＜param name＝width value＝“320”＞
＜param name＝height value=“240”＞
＜/APPLET＞
＜p align＝“right”＞＜img src＝“images/sxt.jpg”/＞
＜/body＞
＜/html＞
    還要把/src/client下的Applet.jar文件拷貝到開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)下的/www目錄下。最后在電腦主機(jī)上安裝一個(gè)jre1.6.0 03,，目的是使瀏覽器支持Java,，這樣就完成了客戶(hù)端的設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)視頻在網(wǎng)頁(yè)上顯示的工作,。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
    首先,，設(shè)置開(kāi)發(fā)板的IP，即在超級(jí)終端下輸入命令ifconfig eth0 202.193.74.230,。在實(shí)驗(yàn)室的另一臺(tái)電腦主機(jī)上運(yùn)行IE瀏覽器,，輸入設(shè)置好的IP，訪(fǎng)問(wèn)板子的主監(jiān)控界面,。智能家居管理主界面如圖3所示,。

    點(diǎn)擊遠(yuǎn)程控制，出現(xiàn)如圖4所示的家電控制界面,，選擇電器的狀態(tài)(開(kāi)或關(guān)),，就可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)電器的模擬開(kāi)關(guān)。點(diǎn)擊視頻監(jiān)控,，將出現(xiàn)視頻監(jiān)控的界面,，如圖5所示(本機(jī)電腦網(wǎng)頁(yè)上實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的是另一實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)視畫(huà)面)。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，發(fā)現(xiàn)家居控制效果好,，圖像傳輸效果實(shí)時(shí),，畫(huà)面質(zhì)量清晰、流暢,，很好地實(shí)現(xiàn)了家居的智能監(jiān)控,。
    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是在數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的前提下，運(yùn)用當(dāng)前的嵌入式技術(shù)和ARM技術(shù)設(shè)計(jì)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng),，具有一定的創(chuàng)新性,。該系統(tǒng)由于采用了高性能的ARM9處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，具有一定的可擴(kuò)展性,，可以通過(guò)適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)更高的要求,。此外，本系統(tǒng)具有功能強(qiáng),、穩(wěn)定性好的特點(diǎn),，而且成本低，對(duì)嵌入式智能家具監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)有一定的借鑒意義,。
參考文獻(xiàn)
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