基于Wi-Fi的无线智能门铃系统设计.doc

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在信息、通信、智能不断发展的今天,人们对于门铃的要求已经不仅仅是简单的提醒功能,门铃系统发展成为具提醒、防盗、安全等为一体的一个完整的智能系统。通过无线智能系统的管理,可以使我们能够更轻松方便的使用门铃及其附属功能。无线智能系统是以无线网络为主干,利用计算机、嵌入式系统和通信网络技术,将门铃系统与计算机等终端设备有机的结合起来。与普通的门铃系统相比,无线智能系统不仅使门铃系统保持了原来门铃的一系列功能,还增添了远程控制等新功能,并且无线智能系统脱离了各种线缆的羁绊,有很强的扩展性,本文仅是以门铃系统为例子说明。在合适的条件下,还可以将其它的家电并入无线智能系统,形成以住宅为平台,兼备建筑、网络通信、信息家电、设备自动化,集系统、结构、服务、管理为一体的高效、舒适、安全、便利、环保的居住环境,也就是人们常说的智能家居(SmartHome)。无线智能系统的无线网络可以大致分为数据网络和控制网路两大部分,本文针对它的控制网络相关技术进行研究,建立了一种基于Wi-Fi技术的无线智能门铃。

　　一、W i-Fi技术

　　1·W i-Fi概述

　　W i-Fi全称W ireless Fidelity,又称802·11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离可达100m,完全满足了无线门铃的数据传输。

　　2·W i-Fi技术的优势

　　第一, W i-Fi的覆盖范围广。在已应用的技术中,其有效半径可达100m。而一些新型交换机的覆盖范围更是要加倍。

　　第二, W i-Fi的速度快。根据无线网卡使用的标准不同, W i-Fi的速度也有所不同。其中IEEE802·11b最高为11Mbps (部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps),IEEE802·11a为54Mbps、IEEE802·11g也是54Mbps。

　　第三, W i-Fi的可兼容性好。现在计算机的无线网卡均是以W i-Fi为标准的连接设备,而新型的智能手机也大部分具有W i-Fi终端。

　　第四,安全性与稳定性。虽然W i-Fi有某些安全性的缺陷,但在智能无线门铃设计中,只要设定一系列的密钥,还是可以接受的。而W i-Fi的稳定性是在无线网络中比较有质量保证的,完全可以满足设计的需要。

　　二、基于W i-Fi的无线智能门铃系统

　　1·总体设计方案本系统的结构(见图1) 

　　从图1可以看出,无线智能门铃系统主要由家庭网关、监控服务终端(包括计算机终端和手机终端)以及监控现场组成。网络主要分为两个部分,室内网络和室外网络。

　　室内网络由监控现场和无线路由之间的IEEE802·11标准的无线网络组成,家庭网关和计算机终端的有线或无线联接。

　　室外部分由计算机终端和远程控制页面(即Web页面)之间的Internet网络组成。

　　系统工作原理:首先由摁下门铃按钮,门铃震动或发出声响,提醒户主。户主启动监控服务终端,经由IEEE802·11b无线网络,发送指令到确定的IP地址,即监控现场电源开关,监控现场开始工作。在监控现场,打开摄像机、麦克风等输入终端,采集现场模拟信号。采集后的信号送入视频服务器中,视频服务器对模拟信号进行压缩编码,并且将数据送入缓冲区,等待家庭网关发来的联接请求。当家庭网关调用联接请求程序时,视频服务器读出缓冲区的音视频数据,同时启动发送模块,发送时,采用RTP协议①打包。模块读取缓冲区的视频流最好是以一帧为最小单位,如果数据比较长,在网络中传输不稳定,可以在打包前将帧进行分割,再进行打包处理。数据按照RTP协议打包完成之后,通过UDP协议②传送到家庭网关中进行传送。数据经由家庭网关,继续进行无线传送至监控服务终端。监控服务终端接收数据之后,按照数据传送的顺序和标志,重新对数据进行解压、组装,形成完整的帧结构。通过监控服务终端中的相对应的视频软件,对数据进行MPEG-4③解码,解码后的数据就是视频数据;同时对音频数据也进行相应的操作,得到相应的音频数据。通过监控服务终端调用播放模块的软件,进行实时播放,并且调用存储模块进行存储,以达到实时监控的目的。

　　2·监控现场的设计

　　设计思路:监控现场是由一个普通门铃、摄像机、麦克风和视频服务器组成的。普通门铃的作用是提示户主,进行监控。视频服务器是整个监控现场的关键,它主要是负责讲摄像机和麦克风采集到的模拟信号进行编码压缩、网络传输,并且负责客户服务端对摄像机和麦克风的控制。其结构图如图2所示: 

　　监控现场无线接收装置采用ARM Linux嵌入式系统。

　　采用这样的芯片作为接收装置是因为Linux系统具备有完整UNIX所有的功能如多任务处理、虚拟内存、程序资源丰富、按照应用加载执行文件、执行程序共享,内存管理和TCP/IP网络,而ARM Linux正在被移植或已经移植到超过100种以上的不同种类机器,包括个人电脑、网络电脑和发展工具,适合作为IEEE802·11b标准的网络处理器。

　　3·家庭网关的设置

　　家庭网关是无线网络的中继传输装置,可以由一个无线路由和一个配套的ARM Linux嵌入式系统组成。ARMLinux嵌入式系统的作用是设定监控现场无线路由的IP地址,并且接收监控现场的数据,并传送给无线路由。无线路由是目前常用的一种无线传输装置,通过它分配所有系统涉及的IP地址,并且将接收到的数据传送给监控服务终端。

　　4·监控服务终端的设置

　　监控终端分为两种:手机终端和计算机终端。

　　(1)手机终端设置:调整手机W i-Fi网卡,设置IP,连接无线路由,调用相应的播放软件,对监控现场进行实时监控。并且可以进行互动交流。

　　(2)计算机终端设置分为两种情况:室内进行监控和室外进行监控。

　　室内监控:调整计算机W i-Fi网卡,对计算机设置无线IP,接收无线路由传送数据,调用相应的播放软件,即可实现对监控现场的实时监控。并且如果计算机终端附带麦克风和摄像机,还可以对监控现场进行双向交流。

　　室外监控:可以通过设定家庭网关,对监控现场实施监控。家庭网关是一个人机交互的Web界面,使用户可以通过Internet了解监控现场信息,实施实时监控。

　　5·软件设计思路

　　(1)网关设置,网关流程图如图3所示: 

　　网关设置涉及的函数大约有如下几个:

　　Main();　　　　　主函数,网关的入口地址

　　CenterGateWay;　实例化的ClientManage和DeviceManage对象

　　getServerManage;　返回ServerManage对象,用于监听客户端的控制指令

　　getDeviceM anage;　返回DeviceM anage对象,用于监管设备信息

　　(2)监控现场设置,监控现场流程图如图4所示: 

　　(3)监控服务端设置

　　Configure类的主要作用根据配置文件的信息,解析并提取相应的Socket连接参数。该类所用的方法及其功能如下所示:

　　Configure();　该方法是类的构造,调用了readConfigureProp ertyFile()

　　getConfigure();　实例化的Configure类的对象

　　readConfigurePropertyFile( );　从Configure, Properties文件中读取数据

　　(4)服务器端程序DeviceManager类的设计
　　DeviceManager类的主要作用:提取存储在db4o数据库中的设备信息,并把它转化为便于网络传输的xml文件,同时该类还有实现添加和删除设备信息的功能。该类所用的方法及其功能如下所示:
　　DeviceM anager();　构造函数,调用initDevice()方法

　　initDevice();　初始化设备信息;

　　getDevicesM anager();实例化DeviceManager,用于网关类调用

　　getAllDevices();　从数据口中获取设备

　　DeviceObjeceToXM L();　把设备对象信息转化为XM L文件,用于设备传输

　　Add Device();　添加设备到数据库中

　　DelDevice();　从数据库中删除指定的设备

　　(5)服务器端程序ServerManager类的设计

　　ServerManager类的主要作用:根据Configure类返回Socket连接参数创建ServerSocket端口监听,然后再根据CenterGateWay调用DeviceManager类初始化设备信息返回的xml文件信息,向客户端(手机)发送设备信息以便客户端进行UI初始化,同时监听客户端发送的操作指令进行相应的设备操作,并返回反馈信息给客户端。该类所用的方法及其功能如下所示:

　　ServerM anager();构造函数,用于开辟一个端口监听客户端的连接请求

　　getServerM anager();实例化类ServerM anager

　　startM onitorClinet();开始监听客户端的请求

　　Run();该线程用于实现连接请求
　　ClientThread　用于向客户端发送设备信息,同时调用analyzeAndExcuteCommand();

　　analyzeAndExcuteCommand( );用于解析客户端发送的控制指令

　　6·软件的使用

　　(1)系统运行的软件环境

　　对于此类嵌入式设备,需要JAVA虚拟机CVM。可以通过ARM-LINUX工具链来编译此虚拟机,也可以用现成的虚拟机。jdk1·4·2 (LINUX下的版本), CVM源代码等。

　　此类实现的CVM手册上有详细的介绍。同时嵌入式设备必须装载外围的驱动程序。

　　(2)软件运行的硬件环境

　　客户端:对于手机平台,要求该手机能支持JAVA平台运行环境,并且需要手机有W i-Fi网卡及其相关设备。对于计算机平台,要求其具有微软WINDOWS2000或其以上版本的操作系统,并且安装W i-Fi网卡及其驱动设备。

　　服务器:需要具有InterXscale Pxa270芯片的处理器或其高版本设备。

　　(3)软件安装

　　客户端程序是把手机模块的可执行程序装入能支持JAVA平台的手机中。计算机的需要确定操作系统支持JAVA系统,安装JAVA虚拟机。

　　网关程序的安装就是把嵌入式系统模块的可运行程序与CVM一起烧到嵌入式系统中的Flash中,同时也要把外围设备的驱动程序烧到32M的Flash中。

　　(4)软件程序的操作

　　根据我们制定此系统的目的,减轻客户端操作时间和空间。操作的主要步骤是客户终端中,而功能的实现全部在网关中实现。预期目标是视频数据的流畅传输和实时同步传输。操作步骤如下:

　　①启动所有设备。
　　②连接网络,通过路由器自动分配给每个系统独立的网址。
　　③操纵客户端软件打开门铃系统的摄像机和麦克风,并且进行监听。
　　④如果操作正常,可以同步流畅的观察监控现场的实时图像。否则,返回相应的出错提示。

　　三、结束语

　　本文通过将W i-Fi标准和ARM芯片结合起来,形成一个以ARM芯片为载体, W i-Fi标准为传输标准的一个家用无线智能门铃系统,本系统集门铃、监控、报警等功能于一身,具有很强的实用性能,也为以后家庭建立局域网做一个示范。在以后的应用中,不仅仅是家庭中的门铃系统,其他一切智能家电产品都可以纳入到这个无线网络中,因此具有良好的扩充性能。另外,由于W i-Fi标准的实用性和ARM系统的稳定性,本文中论述的系统还可以应用于商场、公共汽车等公共场合和交通工具中,成为以后公共局域网和移动局域网的一个发展方向。