基于手機(jī)的可視化遠(yuǎn)程家電控制研究*

賈振堂

（上海電力學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，上海 200090）

1 引言

目前在全世界范圍內(nèi)，手機(jī)已經(jīng)成為人們生活的必需品，具有便攜性和移動(dòng)性。因此，若以手機(jī)作為遠(yuǎn)程家電控制的終端，使用起來(lái)將非常方便。目前，智能家居的信號(hào)傳輸方式大體可分為：電力載波、無(wú)線射頻和集中布線。有影響力的家庭網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范有X-10、PLC-BUS，CEBus、LonWorks、UPnP 協(xié)議、ECHONET、KNX、Zigbee 和國(guó)內(nèi)“e家佳”聯(lián)盟推廣標(biāo)準(zhǔn)等。

這些技術(shù)提供了一種局域網(wǎng)絡(luò)的智能家居控制方式，主要面向家庭環(huán)境或者小區(qū)環(huán)境，無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，需要引入家電控制網(wǎng)關(guān)，可通過(guò)電話、Internet以及手機(jī)[1-3]（短信、電話、彩信）等方式與家庭網(wǎng)絡(luò)連接。

然而，以上方式都不能實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即所得的“可視化”效果，反饋信號(hào)可能是一個(gè)布爾變量、一個(gè)短信、或者一個(gè)話音的自動(dòng)回復(fù)，不能真實(shí)看到設(shè)備執(zhí)行后的視覺(jué)情況，甚至不知道所發(fā)出的命令是否真的被執(zhí)行，即處于“盲”控狀態(tài)。因此，筆者結(jié)合現(xiàn)有的PLC-BUS家電控制模塊實(shí)現(xiàn)可視化的遠(yuǎn)程家電控制，研究一種基于手機(jī)的可視化遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)基于視頻的操控界面，同時(shí)使控制結(jié)果“看得見(jiàn)”。

2 基于手機(jī)進(jìn)行可視控制的可行性

移動(dòng)通信數(shù)據(jù)傳輸能力的提高使視頻傳輸成為可能。數(shù)字移動(dòng)通信從最初低速率的電路數(shù)據(jù)到分組GPRS（稱為2.5代），再到3G，數(shù)據(jù)速率在不斷提高。通常條件下，GPRS的實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到30 kbit/s以上。3G的最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到2 Mbit/s，盡管在多用戶情況下實(shí)際速率可能達(dá)不到這么高，但是達(dá)到114 kbit/s的低速率標(biāo)準(zhǔn)是不成問(wèn)題的[4]。

手機(jī)已經(jīng)具備視頻處理能力。目前智能手機(jī)的CPU處理速度都比較高，主頻通常在200～450 MHz，同時(shí)具備32 Mbyte以上的主存儲(chǔ)器。對(duì)于 QCIF（176×144）的視頻，H.264解碼速率可以達(dá)到15 f/s（幀/秒）以上，足以滿足視頻處理的需求。

另外，手機(jī)可視控制在花費(fèi)上是可以承受的。手機(jī)上不適合開(kāi)展IPTV，VoD之類的業(yè)務(wù)，因?yàn)檫@些業(yè)務(wù)需要長(zhǎng)時(shí)間的視頻流，花費(fèi)很高。而手機(jī)視頻監(jiān)控，一個(gè)操作通常在1 min內(nèi)即可完成，不需要長(zhǎng)時(shí)間、大流量的傳輸。因此，不會(huì)有過(guò)高的流量花費(fèi)，也可以采用包月或包年的方法進(jìn)一步降低費(fèi)用。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

基于手機(jī)的可視化遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)由家庭控制中心裝置、手機(jī)、服務(wù)器三部分組成，三個(gè)部分之間通過(guò)Internet連接在一起。服務(wù)器具有公開(kāi)的IP地址或域名以及公開(kāi)的端口。手機(jī)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（GPRS/CDMA-1X）實(shí)現(xiàn)與Internet的連接，家庭控制中心裝置通過(guò)家庭寬帶與Internet連接，三個(gè)部分之間通過(guò)TCP/IP進(jìn)行分組數(shù)據(jù)通信，如圖1所示。

服務(wù)器采用專用服務(wù)器或高檔計(jì)算機(jī)，并安裝服務(wù)器軟件，實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）用戶信息管理。包括用戶基本信息、用戶賬戶計(jì)費(fèi)。

2）提供公開(kāi)的域名（或IP地址）和端口號(hào)，接受用戶的登錄，并對(duì)用戶端進(jìn)行鑒權(quán)。

3）數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)或地址信息交換。支持直接中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)，或?yàn)榧彝タ刂浦行难b置與手機(jī)之間進(jìn)行P2P通信提供連接信息交換服務(wù)。

4）報(bào)警信息或報(bào)警視音頻數(shù)據(jù)的暫存與回放。

5）短信息發(fā)送。當(dāng)報(bào)警發(fā)生而手機(jī)未在線時(shí)，發(fā)送報(bào)警信息給手機(jī)。也可由運(yùn)營(yíng)商發(fā)送增值服務(wù)短信息給手機(jī)。

家庭控制中心裝置（HCC）和手機(jī)都登錄到服務(wù)器，從而使手機(jī)獲得HCC的有關(guān)信息。在服務(wù)器中，以家庭為單位實(shí)行分組管理，每個(gè)手機(jī)只能獲取自家HCC的有關(guān)信息。手機(jī)用戶可隨時(shí)瀏覽HCC的視頻畫(huà)面，并在視頻屏幕上直接對(duì)家電“視頻對(duì)象”進(jìn)行操控，包括家電的初始位置設(shè)置、家電的參數(shù)設(shè)置、發(fā)出家電的操控命令、看到操控的視頻結(jié)果等。

HCC和手機(jī)之間的通信，可由服務(wù)器中轉(zhuǎn)全部命令和數(shù)據(jù)；也可從服務(wù)器得到HCC地址和Listening端口之后向HCC發(fā)起TCP連接，從而進(jìn)行直接的P2P通信[5]。服務(wù)器支持兩種方式的服務(wù)。

4 家庭控制中心裝置

4.1 功能與結(jié)構(gòu)

家庭控制中心裝置（HCC）是實(shí)現(xiàn)可視化遠(yuǎn)程控制的核心設(shè)備，它由主控模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、家電控制模塊（含PLC-BUS發(fā)送器）、視音頻處理模塊、攝像機(jī)控制單元以及家電等外部設(shè)備組成，如圖2所示。HCC通過(guò)家庭寬帶網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器，并通過(guò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的信息交換。具體來(lái)說(shuō)，HCC實(shí)現(xiàn)如下功能：1）登錄服務(wù)器，將自身的信息報(bào)告給服務(wù)器，從而進(jìn)一步傳遞給手機(jī)。2）可選地接受來(lái)自手機(jī)的TCP連接請(qǐng)求。3）接收和執(zhí)行來(lái)自手機(jī)的控制命令，包括視頻瀏覽、家電操控命令等。4）家電控制功能，能夠向家電發(fā)出控制命令、接受反饋信息，并實(shí)現(xiàn)攝像機(jī)視頻聯(lián)動(dòng)。5）視頻采集、壓縮和發(fā)送及流量控制。6）報(bào)警信息的處理以及攝像機(jī)視頻聯(lián)動(dòng)。

HCC中，CPU的主要負(fù)載來(lái)源于視頻處理，一方面是耗時(shí)的視頻壓縮任務(wù)，另一方面是視頻對(duì)象的定位與跟蹤所涉及的圖像處理。本文系統(tǒng)采用TI公司的TMS320DM642（以下簡(jiǎn)稱DM642）作為處理器，視頻壓縮算法采用H.264。全部軟件處理都在DM642中完成，包括以上軟件模塊及相關(guān)的內(nèi)部數(shù)據(jù)表。

同時(shí)，為了完成設(shè)備的智能聯(lián)動(dòng)，需要維護(hù)內(nèi)部數(shù)據(jù)表。這些數(shù)據(jù)表至少包括攝像機(jī)當(dāng)前方位、客戶終端表、受控設(shè)備表和命令代碼表。

4.2 家電控制器件與接口方式

家電的控制通常采用家庭局部網(wǎng)絡(luò)的方式，主要區(qū)別在于底層通信手段和具體的通信協(xié)議。目前可采用的通信方式包括紅外、無(wú)線傳輸、RS-485、電力線載波和LAN。鑒于電力線載波不需要額外布線，即插即用，同時(shí)PLC-BUS技術(shù)比X-10具有更高的數(shù)據(jù)速率、更高的可靠性、更多的地址空間，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)雙向通信，所以筆者直接采用荷蘭ATS電力線通信有限公司研發(fā)的PLCBUS電力總線技術(shù)，并將其發(fā)送器嵌入到HCC中。PLCBUS發(fā)送器與DM642之間采用RS-232串口通信，發(fā)送器與接收器之間為電力線載波通信方式。

4.3 設(shè)備對(duì)象信息管理

以手機(jī)作為控制終端，采用瘦客戶的方式，將視頻對(duì)象（設(shè)備）的位置信息、定位與查詢都放到HCC中完成，而操作界面放到手機(jī)中。因此，實(shí)際上是一個(gè)手機(jī)與HCC的交互過(guò)程。

1）設(shè)備信息表

云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)通常以度為單位，分為水平（pan）和上下（tilt）兩個(gè)自由度，每個(gè)自由度的度量單位為“度（°）”，范圍為[0，360），最小可分辨值通常為 0.01°[2]。 由于具有鏡頭伸縮能力的攝像機(jī)使用不多，這里暫時(shí)不考慮鏡頭伸縮（zoom）的自由度。在HCC中考慮一個(gè)虛擬的位置全景圖，該圖中每個(gè)設(shè)備都有一個(gè)p方向坐標(biāo)和一個(gè)t方向坐標(biāo)，分別對(duì)應(yīng)云臺(tái)的 pan和tilt方位角。攝像機(jī)可視范圍內(nèi)的所有設(shè)備都在該圖中有一個(gè)具體的位置，如圖3a所示。圖中，（p0，t0）為攝像機(jī)目前的畫(huà)面中心位置，對(duì)應(yīng)于手機(jī)畫(huà)面的（x0，y0）。

由于設(shè)備的數(shù)目是有限的（稀疏的），因此可用列表來(lái)表示。這樣，在HCC中實(shí)際上維護(hù)了一個(gè)設(shè)備信息列表，該表中每一行表示一個(gè)設(shè)備，包括設(shè)備的位置信息（p，t，w，h）以及設(shè)備名稱、設(shè)備（電力線載波）地址碼等參數(shù)。該設(shè)備列表初始化為空。

2）坐標(biāo)變換

攝像機(jī)（云臺(tái)）有一個(gè)初始位置，該位置為（0，0），所有設(shè)備位置均以此為參考。家電對(duì)象在畫(huà)面中的實(shí)際位置信息，還與攝像機(jī)的安裝方位密切相關(guān)，這實(shí)際上涉及到攝像機(jī)的參數(shù)標(biāo)定問(wèn)題。由于在家電控制這一特殊應(yīng)用環(huán)境中，攝像機(jī)的位置是固定的（與機(jī)器人視覺(jué)不同），因此不需要進(jìn)行復(fù)雜的標(biāo)定。盡管如此，依然涉及畫(huà)面位置（x，y）與全景位置（p，t）之間的坐標(biāo)換算。 這是由于操作界面為畫(huà)面坐標(biāo)，而HCC只知道目前攝像機(jī)的方位（p0，t0），若設(shè)備對(duì)象正處于圖像中心，則目前攝像機(jī)的方位（p0，t0）即為設(shè)備的全景位置。而實(shí)際上，要求用戶每次都把設(shè)備對(duì)象準(zhǔn)確移動(dòng)到屏幕中心后再進(jìn)行操作是不人性的。也就是說(shuō)允許對(duì)屏幕上任意位置（x，y）的設(shè)備進(jìn)行操控，該位置與中心位置（x0，y0）存在（△x，△y）的位置差。需要由（△x，△y）計(jì)算出全景圖中的位置差（△p，△t）才可確定該設(shè)備在全景圖中的位置。

假設(shè)攝像機(jī)不存在圖像畸變，則可僅考慮尺度變換。

a，b的求解可采用特征圖像的方法。設(shè)置一個(gè)特定的目標(biāo)，控制攝像頭沿水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度△p，通過(guò)手機(jī)程序測(cè)量目標(biāo)對(duì)象在畫(huà)面中的像素位移△x，則可計(jì)算出a和b。

5 基于手機(jī)的操控

在系統(tǒng)中，手機(jī)作為遠(yuǎn)程操作終端，具備視頻解碼顯示的能力，在視頻畫(huà)面的基礎(chǔ)上進(jìn)行可視操控。這需要自行開(kāi)發(fā)手機(jī)程序。目前的智能手機(jī)都支持用戶程序的加入，常見(jiàn)的操作系統(tǒng)有Windows Mobile（Smart phone以及 Pocket PC），Symbian，CDMA 中的 Brew，以及 Linux。這里選用Pocket PC的手機(jī)，它可通過(guò)嵌入式VC++（eVC）集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

手機(jī)軟件的主要功能有：通過(guò)GPRS或CDMA連接服務(wù)器，并取得家庭控制中心設(shè)備的有關(guān)信息，包括家電信息列表。控制命令的發(fā)送和接收處理，包括視頻數(shù)據(jù)的接收、解壓縮以及顯示。對(duì)視頻畫(huà)面中的設(shè)備對(duì)象進(jìn)行位置標(biāo)定和操控。

5.1 設(shè)備位置的人工標(biāo)記

設(shè)備位置標(biāo)記實(shí)際上就是在HCC設(shè)備列表中添加一個(gè)設(shè)備行。這個(gè)過(guò)程是一個(gè)手機(jī)與HCC的交互過(guò)程，通過(guò)手機(jī)的人機(jī)界面完成。設(shè)備位置標(biāo)記采用人工標(biāo)注方法，手機(jī)登錄服務(wù)器后即可看到自己家中的HCC，發(fā)送視頻瀏覽命令，即可看到家中的實(shí)際畫(huà)面。通過(guò)云臺(tái)控制命令（按鈕）可轉(zhuǎn)動(dòng)攝像機(jī)，使目標(biāo)設(shè)備位于畫(huà)面中（最好是中心位置附近）。

然后，用手寫(xiě)筆或者手機(jī)鍵盤選定所要標(biāo)記的設(shè)備，得到一個(gè)矩形框，如圖3b所示，即得位置信息（x，y，w，h）。同時(shí)，手機(jī)界面上會(huì)彈出其他信息的輸入框，包括設(shè)備名稱、地址代碼等。最后點(diǎn)擊確定，手機(jī)便將這些信息發(fā)送給HCC，HCC將位置換算成全景位置，并添加到設(shè)備列表中，即完成一個(gè)設(shè)備的標(biāo)定。逐個(gè)操作，可完成所有設(shè)備的標(biāo)記。

5.2 屏幕點(diǎn)控

當(dāng)操控某個(gè)家電設(shè)備時(shí)，可點(diǎn)擊攝像機(jī)云臺(tái)方向按鈕，使目標(biāo)設(shè)備處于畫(huà)面中。然后點(diǎn)擊該設(shè)備，即可彈出該設(shè)備允許的操控命令。選擇一個(gè)命令，手機(jī)則向HCC發(fā)送控制命令，該指令包含指定設(shè)備的屏幕位置坐標(biāo)和控制代碼編號(hào)。

HCC收到該指令后根據(jù)屏幕位置坐標(biāo)在設(shè)備數(shù)據(jù)單元中查找 （比較該坐標(biāo)落在哪個(gè)設(shè)備的位置范圍內(nèi)），從而得到設(shè)備號(hào)，取出設(shè)備的地址代碼，并將控制命令發(fā)送到該設(shè)備，使設(shè)備得到控制。

5.3 設(shè)備搜尋

若設(shè)備目前不在畫(huà)面中，且不想進(jìn)行手動(dòng)的云臺(tái)搜索，則可在手機(jī)的設(shè)備列表中選擇一個(gè)設(shè)備（如圖4b所示），并發(fā)出搜索命令，然后手機(jī)自動(dòng)切換到視頻界面。HCC將根據(jù)設(shè)備編號(hào)，查找到設(shè)備的位置信息，并將攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)該設(shè)備。

6 小結(jié)

筆者研究了一種基于手機(jī)的可視化遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)。由服務(wù)器、家庭中心控制裝置（HCC）和手機(jī)三部分組成。HCC采用了TI公司的DM642作為處理器，以H.264為壓縮標(biāo)準(zhǔn)，并采用PLC－BUS收發(fā)模塊。手機(jī)軟件在Pocket PC上實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)將視頻技術(shù)引入遠(yuǎn)程控制過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了在手機(jī)屏幕上依據(jù)視頻畫(huà)面進(jìn)行設(shè)備信息輸入、設(shè)備遠(yuǎn)程操作控制的功能，滿足了人們“眼見(jiàn)為實(shí)”的心理要求。今后，將對(duì)現(xiàn)有各種智能家居系統(tǒng)作進(jìn)一步研究，提出切實(shí)可行的技術(shù)融合方法以及接口規(guī)范，同時(shí)開(kāi)發(fā)更多款式的手機(jī)軟件，推進(jìn)其產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)程。

[1] LOUISE B，ANNA V.Smart home in your pocket[EB/OL].[2010－05－14].http：//citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.131.3802&rep=rep1&type=pdf.

[2]PELCO.PELCO′D′protocol manual[EB/OL].[2010－05－31].http：//wenku.baidu.com/view/5bcfd4c30c22590102029dd5.html.

[3] 吳立爽，胡建平.智能電話遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息技術(shù)，2005（9）：152－154.

[4] 張美琴，龔衛(wèi)國(guó)，李正浩，等.基于智能手機(jī)的遠(yuǎn)程家電控制及安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)控技術(shù)，2007，26（8）：72－74.

[5] 賈振堂，呂海蓮，韓艷芳.手機(jī)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及其性能[J].電視技術(shù)，2007，31（11）：81－83.

賈振堂（1969-），博士，副教授，長(zhǎng)期從事視頻通信技術(shù)以及遠(yuǎn)程無(wú)線控制技術(shù)的研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。