嵌入式论文基于ARM智能报警系统设计.doc

摘 要随着社会经济水平的发展和人们安防意识的提高，人们对家居生活追求人性化、智能化的同时，越来越重视居住环境的安全性，特别对危及人民生命和财产安全的情况如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等的安全监控提出了前所未有的高要求。本文针对这一社会现实，设计并实现了一种基于嵌入式技术的智能家居安全监控系统。本系统分成两大部分：服务端（小区报警中心监控系统）和用户端（家居监控系统），小区报警中心监控系统处于整个小区的报警值班室，用户端处于每个家庭中。系统可以实现的功能：通过家庭中的各种传感器实时获取家庭中的环境数据，如烟雾浓度，煤气浓度等。如果获取到的环境数据超出了预警值，处于家庭中的监控系统就会把报警信息发送到小区报警中心监控系统，同时传输监控摄像头采集的现场图像，并控制GSM发送报警信息到用户手机。报警中心监控系统分别显示接收到的环境数据和图像，值班人员可以根据监控界面了解现场情况以采取相应行动。用户也可以通过手机发送指令到家庭中的监控系统以控制家庭中设备的开关，从而实现减少甚至避免住户的灾害损失。目 录摘 要1 绪论11.1 智能小区和智能家居的概念11.2 智能家居在国外的发展状况11.2.1 国外智能家居的发展状况11.2.2 国内智能家居的发展状况21.3 系统研究意义22 智能家居监控系统总体设计方案32.1 系统组成32.2 系统功能介绍42.3 系统特色53 系统硬件设计方案63.1 EELiod270平台63.2 扩展板63.2.1 传感器接口电路83.2.2 家电控制接口电路93.2.3 RS232接口电路104系统软件设计方案114.1 服务器端程序设计114.1.1 服务器接收流程图12图 4.2服务器接收主程序流程图134.2 客户端（EELiod270板）程序设计154.2.1 客户端网络程序设计154.2.2 扩展板接口程序设计164.2.3 视频监视程序设计175 总结18I1 绪论1.1 智能小区和智能家居的概念智能住宅的概念源于美国，且发展最为迅猛，随后，欧洲、日本、新加坡等国家住宅智能化也得到飞速发展。在我国，智能住宅这一概念推广较晚，但其发展的速度很快，由于国内的住宅产业的特殊性，智能小区取代了智能住宅的概念，全国已建立了一些具有一定智能化功能的住宅和住宅小区。在国际上智能小区的概念至今尚没有取得一致的认同，国家建设部住宅产业化办公室提出了关于住宅小区智能化的基本概念，即：住宅小区智能化是利用4C（计算机、通讯与网络、自控、IC卡）技术，通过有效的传输网络，将多元信息服务与管理、物业管理与安防、住宅智能化系统集成，为住宅小区的服务与管理提供高技术的智能化手段，以期实现快捷高效的超值服务与管理，提供安全舒适的家居环境。家居智能化是小区智能化的核心。智能家居监控系统利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术, 将家庭中各种与信息相关的通讯设备、家用电器和家庭保安装置，连接到一个家庭智能化系统（即家庭控制器）上，以实现集中的或异地的监视、控制和家庭事务性管理，并保持这些家庭设施与住宅环境的和谐与协调，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、高品位且宜人的家庭生活空间；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，帮助家庭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,增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用提供节约方案。1.2 智能家居在国外的发展状况1.2.1 国外智能家居的发展状况智能家居的概念最早起源于美国，英文为Smart Home8，但一直未有具体的建筑案例出现，直到1984年美国联合科技公司（United Technologies Building System）将建筑设备信息化、整合化概念应用于美国康乃迪克州哈特佛市的CityPlaceBuilding时，才出现了首栋“智能型建筑”，从此揭开了全世界争相建造智能家居的序幕4。自从世界上第一栋智能建筑在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案79。此后智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有料广泛的应用7。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，通过在场内模拟“未来之家”，推出了新加坡模式的家居智能化系统。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、宽带网接入和统软件配置等68。面对智能家居的巨大市场，像思科、英特尔、摩托罗拉、朗讯、IBM、爱立信和LG等公司都纷纷加入这个领域，研发智能信息家电和智能家居系统16。1.2.2 国内智能家居的发展状况我国自20世纪80年代开始引入智能家居概念至以来，智能家居行业得到了飞速的发展。虽然还未能像美国、日本那样对智能家居行业制定技术标准，但已经借助智能家居的概念和技术开始建设智能化得住宅小区了。但因为国内对智能家居系统的研究起步相对较晚，我国智能家居的发展存在很多障碍和问题，例如智能家居工程技术人员缺乏，管理水平低；行业规范与标准制定滞后；智能家居产品的层次和技术含量低，智能化不明显，精品很少12。1999年，建设部勘察设计司建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，目标是提高住宅使用功能、推进住宅质量换代、促进住宅产业化，同时摸索出一套适合各地的住宅小区智能化技术体系，该示范工程的启动，标志着我国智能化住宅小区的建设进入了新的发展阶段。我国在2000年小康型城乡住宅科技产业工程项目实施方案中，将建设智能化小康示范小区列入国家重点发展方向。这必然促使智能化从智能大厦建设向智能住宅化小区，乃至向家庭智能化方向发展。建设部要求“到2010年，大中城市中60%的住宅要实现智能化”1113。目前，国内智能家居产业处于引导期，产品标准不统一，没有形成优势品牌和领军企业，产品五花八门，市场处于无序竞争期。国内形成了一些不同标准的智能家居系统，如海信的智能家居控制系统、清华同方的e-Home数字家园、海尔的U-Home数字家庭系统、西南交通大学科技公司开发的NDT系统等16。1.3 系统研究意义从我国智能家居的发展可以看出,虽然目前智能家居系统有了一定的发展,出现了一系列的研究公司和产品,但总体来说还处于市场发展初期,特别是缺乏统一的标准和成熟的产品。而随着社会经济的发展,科学技术的进步,人们对家居智能化必然提出越来越高的要求。智能家居监控系统作为智能化家居的一个重要组成部分，也将起到更加重要的作用。考虑到地区经济发展的不均衡和消费者对智能家居监控功能的不同要求，本课题提出系统采用嵌入式技术来降低功耗和成本，结合GSM移动通信网络扩展应用范围，引入模块化设计提高系统的开放性的设计思路。最终构建一个家居服务网络，特别是通过远程控制技术，提高其操作的便捷性。是家居信息远程监控系统实现大众化和普及化。研究内容：课题中从一下几个方面进行研究和设计:1通过传感器和摄像头实现用户和小区警报室值班人员的双向监控通过各类传感器和摄像头检测室内情况，当出现异常情况时产生警报信号并通过GSM给用户发送信息；同时小区警报室值班人员通过服务端界面能够实时监视住户家的环境状况，如发现异常可以迅速采取有效措施，以减小甚至避免住户的损失。2通过手机发送短消息实现对家居的远程控制用户可以通过发送预先设计好的短消息指令给家居监控系统，监控系统识别收到的指令完成所对应的操作，以实现用户对家居设施的远程控制。3通过模块化的设计实现用户使用系统的自主性与开放性随着家居内部电器设备的增多，以及安防以监控的不同要求，将各种监控设备进行模块化设计，使得用户在选择使用该系统时能够按自身的实际需求选择使用不同功能的监控模块，并在使用过程中，随着实际需求的变化增加或删减功能模块。2 智能家居监控系统总体设计方案2.1 系统组成智能家居安全监控系统由EELiod270 ARM开发平台、系统扩展板、GSM模块、USB摄像头、有线网络等接口设备组成，系统架构如图2.1所示。其中：l EELiod270 ARM为系统核心，主要完成视频数据采集、有线视频数据传输、对GSM收发的短消息进行解析和处理、以及对系统扩展板进行控制；l 扩展板电路主要负责传感器数据的采集、家用电器开关的控制、接收和处理来自EELiod270开发平台的控制信息以及将传感器报警信息、家用电器开关状态信息反馈给EELiod270平台；l GSM模块负责短消息的收发；l USB摄像头负责视频数据的采集；l 所有的监视信息通过有线网络系统传输到小区的服务器中，从而实现对危及人民生命和财产安全如火灾、煤气泄漏、外人非法入侵等情况需要有效的监视。图2.1 系统架构图2.2 系统功能介绍家用电器远程监控USB视频数据采集有线网络数据传输传感器报警数据采集异常情况报警GSM短消息收发重要日志文件保存2.3 系统特色l 系统性：该系统中融入家电智能控制，GSM通信，视频监控，传感器监测，无线网络通讯。是一个适用于多种环境的集成系统。l 兼容性：在用户终端的设计上，考虑到不同的用户，使用PDA或手机都能实现远程监控。在监测方式上，也可采用多种不同类型的传感器。l 实时性：监视信息具有实时性要求，系统可在容许的准实时条件下做出反应，及时通知用户和相关机构，并将现场数据永久保存。l 远距离：由于我们使用GSM或GPRS网络通信，只要在有网络覆盖到的地方，用户手持设备就能连接监测端。无线网络也可容易地覆盖整个社区。 173 系统硬件设计方案3.1 EELiod270平台EELiod270平台（图3-1）主要包括数据通信、视频采集和发送控制命令等三个方面，其中数据通信包括与扩展板、GSM模块的RS232通信和与服务器端的有线网络通信；视频数据采集主要包括客户端的视频预览和视频数据传输；发送控制命令则主要根据短信内容、扩展板传感器报警信息发送各种控制命令。GSM接口扩展板接口摄像头GSM扩展板以太网接口USB摄像头接口图 3.1 EEloid270平台3.2 扩展板本系统主要用于安全监控，居民比较关心的家居安全问题主要是危及人民生命和财产安全的煤气泄漏，着火，外人非法入侵等，所以系统选用煤气、烟雾、人体红外等传感器。为了节约成本和调试方便，本系统使用几个按钮代替传感器的功能（如图3.2）。扩展板电路在系统主要负责采集传感器报警信号，并将信息通过RS232传输到EELiod270平台上进行处理，同时，扩展板接收EELiod270平台的家电控制命令并实现对家用电器的控制。扩展板以AT89C51为控制核心。扩展板的元件布局如图3.2所示，其上有四盏LED分别模拟四种家电，三个按钮模拟三种传感器。其中四盏LED分别连接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3；三个按钮分别连接P2.0、P2.1、P2.2。扩展板顶视图及外设接口如图3.3所示。传感器接口家庭设备开关指示灯开关燃气报警按钮烟雾按钮红外按钮图 3.2 扩展板实物图图3.3 扩展板顶视图及外设接口3.2.1 传感器接口电路烟雾、煤气泄漏、红外等这些传感器的报警信号通过光电耦合接入单片机的P2口（如图3.4所示），在传感器没有报警信号时，光电耦合芯片处于截止状态，与之相接的单片机端口为低电平；当传感器有报警，传感器输出高电平，此时光电耦合芯片导通，与之相接的单片机端口为高电平，由单片机对报警信号进行采集并做出相应处理。图 3.4 传感器接口电路3.2.2 家电控制接口电路家用电器控制接口电路如图3.5所示，K1K4为继电器，分别控制四路家电的闭合和断开，Q1Q3为继电器线圈电流驱动，电路由单片机的P1口进行控制，DD1DD4发光二极管用于显示某路控制电路的工作情况，主要为了调试电路图 3.5 家电控制接口电路3.2.3 RS232接口电路扩展板与EELiod270开发平台通过RS232接口进行通信，扩展板的RS232电平转换芯片采用MAX232，扩展板的主控处理器芯片采用通用的51系列单片机。具体接口电路如图3.6所示。图 3.6 RS232接口电路 4系统软件设计方案本系统是在基于Linux操作系统环境下，使用嵌入式开发工具Qt/Embedded- 2.3.7、Qtopia-1.7.0作为系统界面的开发工具。本系统的软件主要包括基于PC的服务端软件设计、EELiod270开发板上的软件设计单片机程序设计。其中服务器端的程序主要通过有线网络接收来自EELiod270开发板的视频和所有设备的状态信息数据，并将信息保存在日志文件中；EELiod270开发板上的软件主要完成短消息的收发、与扩展板的数据通信和基于PC的服务器的数据传输；扩展板程序主要接收来自EELiod270平台的控制信息和采集传感器的报警信息并将数据上传到EELiod270开发板。系统软件功能架构如图4.1所示。图4.1系统软件功能架构4.1 服务器端程序设计本系统基于PC的服务器端程序完成通过有线网络接收来自EELiod270平台的视频和所有设备的状态信息数据，并将所有的状态信息保存到日志文件中，服务器端程序基于Linux的Qt-3.1软件开发平台而设计。Qt提供的网络编程类相当丰富，有基于TCP套接字的QSocket类和QserverSocket类，QSocket类提供了一个有缓冲的TCP连接，该类与网络传输有关的主要信号有：网络连接信号connected()、网络断开信号connectionClosed()、读数据信号readyRead()、发现主机信号hostFound()、数据写到网络信号bytesWritten ( intnbytes )、连接出错信号error(int)、延迟关闭完成信号delayedCloseFinished ()，一旦网络的某一种状态发生（如网络断开），信号就会发送（connectionClosed()），再通过信号与槽函数相关联进行处理。QServerSocket 类提供了基于TCP连接的服务器，在构造函数中设置IP地址和端口号，一旦设置好IP地址和端口号，QServerSocket能侦听所有连到服务器的用户，由成员函数newConnection(intsocket)对最新连接到的服务用户做出反应。可能过QSocket 类的readBlock( char*data, Q_ULONGmaxlen )和writeBlock ( constchar*data, Q_ULONGlen )实现网络数据传输 ，也可利用QDataStream类的readRawBytes ( char*s, uintlen ) 、writeRawBytes ( constchar*s, uintlen )、操作重载函数等函数。4.1.1 服务器接收流程图服务器端接收的数据主要为所有设备和传感器的状态信息数据以及视频数据，在接收是利用信息头加以区分。其中状态信息数据头为“Basic”，视频数据头为“”。对于状态信息的数据内容较小，在接收过程中不存在网络阻塞而丢数据包的情况，但是对于视频数据而言，由于视频数据较大，在接收过程中由于网络阻塞而丢数据包，最终导致视频无法恢复，因此在视频数据接收过程中采用分块接收的方法，即将需要传输的视频数据分成n个数据块，每个数据块的传输进行通信握手，当一块数据完全传输到服务后向客户端回送握手信号，客户端再发送下一个数据块数据，在一帧视频传输完毕后，在将视频数据进行合成。由于视频图像采用分块传输，在接收视频图像数据过程中需要每接收一块必须进行通信握手。具体算法：将一幅K字节大小的视频图像分成M字节大小的数据块，需要传输的块数为NK/M + K%M。因此在每次数据传输过程中需要传输当前块、当前块的大小和需要传输总块数。接收过程根据总的块数来判断数据是否接收完毕。图 4.2服务器接收主程序流程图图 4.3 服务器接收子程序4.2 客户端（EELiod270板）程序设计客户端程序即EELiod270板程序主要包括数据通信、视频采集和发送控制命令等三个方面，其中数据通信包括与扩展板、GSM模块的RS232通信和与服务器端的有线网络通信；视频数据采集主要包括客户端的视频预览和视频数据传输；发送控制命令则主要根据短信内容、扩展板传感器报警信息发送各种控制命令。4.2.1 客户端网络程序设计客户端网络程序设计要实现的功能有：连接小区服务器；向服务器端传输EELiod270开发板的视频和所有设备的状态信息数据；1.客户端程序流程图图 4.4客户端程序流程图4.2.2 扩展板接口程序设计系统扩展板主要完成接收EELiod270平台发送来的控制命令和采集传感器警报信息并将警报信息通过串口上传到EELiod270平台。EELiod270平台根据警报信息和警报使能标志启动自动报警处理操作，在有线网络连通的情况下，通过网络向小区服务端进行报警。考虑可能出现的误报警，程序设计中采用多次读取扩展板发送来的数据，如果出现四次以上的数据，则进行数据处理，否则视为误报警，为了避免主人在家时出现报警，程序中设置了报警允许标志，只有在报警允许的情况下，才启动报警，流程图如图4.5所示。图4.5. 传感器报警处理程序流程图4.2.3 视频监视程序设计1.视频监控程序流程图图 4.6 视频监控程序流程图5 总结本文首先论述了智能小区与智能家居的概念，并对智能家居监控系统的系统架构及功能模块组成进行了详述。接着，提出了系统的软硬件设计方案：在智能家居监控系统软件实现部分，对实现服务端系统和客户端系统功能的关键代码进行了详细的分析；在系统硬件实现部分，对EELiod270平台和扩展板的传感器接口电路、家电控制接口电路以及RS232接口电路进行了简单的介绍。然后，对系统用户端和服务端操作界面进行了清晰的讲解，并对系统调试过程中遇到的问题进行了描述并提出了解决的办法。最后，详细介绍了OpenCV（开源的计算机视觉类库）及其移植。本课题考虑到地区经济发展的不均衡和消费者对智能家居监控功能的不同要求，提出了系统采用嵌入式技术来降低功耗和成本，目标是实现家居信息远程监控系统使用的大众化和普及化。充分利用GSM移动通信网络，用户只要在有网络覆盖到的地方，就能使用手持设备进行远程监控，同时结合视频的块传输技术实现服务端与客户端的视频传输，实现家居的视频监控，最终实现用户和小区警报室值班人员的双向监控，使家居的安全性大大提高。引入模块化设计提高系统的开放性，使系统易于扩展，能够满足大多数用户的需求。最终构建成一个家居服务网络，通过远程控制技术，实现家居的远程安全监控，使用户的家居生活更加安全、舒适、便捷。参考文献1 赵永良，蒋婷婷，王宴平，方潜生.智能家居实验室控制系统设计J.安徽建筑工业学院学报（自然科学版）。2 丁志文,单丹,韩中华. 基于ARM的智能家居监控系统设计D。3 高小平.中国智能家居的现状及发展趋势.低压电器J。 4 李世荣. 智能家居控制系统的设计与实现研究D.同济：同济大学。5李华毅 .基于嵌入式技术的智能家居监控系统的研究与设计D.武汉：武汉理工大学。6 崔若飞.基于ARM和GPRS 智能家居控制系统的设计与研究D.北京：北京交通大学。7 许钦泰.基于ARM和嵌入式Linux的智能家居系统研究D.山东：山东科技大学。