嵌入式系統在智能家居監控中的應用研究

關海鵬

(運城學院 應用數學系，山西運城044000)

隨著現代社會科學技術的進步，智能家居監控系統的開發設計取得了一定成績，市場上已經出現了智能家居監控系統軟件產品。但是，從智能家居監控系統的整體發展來看，由于缺乏統一設計標準，對系統的更新換代造成了較大影響。隨著市場競爭的日益激烈，社會公眾生活水平的持續提高，對家居環境的要求也逐漸提高，智能家居監控系統得到了空前發展。由此可見，智能家居監控系統在人們日常生活中的作用越來越重要。

智能家居監控系統的開發設計滿足了人們個性化生活需求，使用戶可以隨時隨地控制家庭中的照明設備、電器設備等，減少由于人為原因造成不必要的能源消耗，為人們提供了一個安全、穩定、環保的生活空間。［1］利用智能家居監控系統可以根據人們的實際需求添加各種功能，包括自動報警、自動滅火、自動斷電等，還可以實現空氣質量分析、溫濕度控制等功能，在發生危急事件時還可以啟動急救控制功能，保證人們可以放心入住。

1.嵌入式系統的特征分析

1.1 具有較強的針對性

嵌入式系統中的軟硬件設備具有較強的聯系，在實際應用過程中極有可能會對系統進行移植，即使是同一品牌、相同系列的嵌入式產品，也要按照硬件的實際需求進行調整。［2］同時，如果需要完成不同的任務，系統的修改工作量較大，還要根據系統應用重新編譯程序。

1.2 具有較強的實時性

嵌入式系統已經廣泛應用于社會生產和人們生活中，包括生產控制、手機開發、網絡監控、家電運行等。嵌入式系統可以對其所在設備進行有效控制，因此具有較強的實時性。［3］如果嵌入式系統應用于運載火箭發射、衛星導彈等高科技領域，其實時性需求更高。由此，將嵌入式系統應用于存儲器設計中，可以利用閃存實現快速計算，同時配置相應的軟件程序，使嵌入式系統可以對外部指令做出準確的響應。

1.3 應用于多任務操作系統

雖然嵌入式系統在沒有任何操作系統支持的情況下也可以實現運行，但是為了可以對多種任務進行高效的實時調配，真正提高系統的利用效率，必須選擇合適的操作系統開發平臺，使系統在運行過程中能夠穩定運行、提高效率、加快處理速度。

1.4 需要配置專門的開發工具和環境

嵌入式系統具有二次開發功能，其開發工具和環境包括計算機硬件設備、軟件設備、邏輯分析器等。在二次開發嵌入式系統時必須創建交叉的程序編譯環境，交叉編譯指的是在計算機平臺上利用交叉編譯器獲得的程序代碼可以成功在其他平臺上運行。

2.嵌入式ARM處理器

嵌入式系統中配置的處理器屬于微處理器，微處理器共有1000多種類型，以及30多個不同的體系架構方式，微處理器是嵌入式系統的核心部分，負責實現應用軟件程序的運行。

ARM處理器是AMR公司開發設計的芯片，AMR公司成立于1990年，公司總部設立在英國，主要生產性能高、成本低、處理速度快的嵌入式系統芯片，以及向世界各大科技公司提供技術支持和授權服務。經過長期發展，AMR公司生產的嵌入式系統芯片已經超過100億片，幾乎全世界每人都會擁有一塊ARM處理器。

目前，ARM處理器已經廣泛應用于嵌入式系統開發中，具有以下幾種特點:

(1)功耗低:嵌入式處理器芯片的功耗越低，其供電工作時間越長，［5］例如手機、平板電腦，這些電子設備電池供電采用的都是ARM處理器。

(2)占地小:處理器占地面積越小，則給電路硬件預留的空間越大，有效減少了產品體積，降低了產品設計的制造成本和資金成本。

(3)ARM處理器可以兼容8/16位器件，可以支持 Thumb 雙指令集 16/32 位。［7］

(4)ARM處理器寄存器使用量大，執行速度快。

(5)ARM芯片中的寄存器可以實現多數據處理和操作。

(6)ARM處理器執行效率高、尋址方法簡單。

3.智能家居監控系統需求設計

智能家居監控系統開發設計的最終目標是為人們提供一個安全穩定、節能高效的個性化生活空間，實現家居電器設備之間信息的交換和控制，使住戶可以隨時隨地掌握家庭信息，實現家庭中的設備從原來的靜態控制轉變為動態控制，使住戶即使不在家中也可以進行控制安排。同時，配備相應的防火系統、放到系統、自動報警系統、氣體檢測系統等，以此對人們生活進行安全保障。本文設計智能家居監控系統的主要功能包括:

(1)一旦住戶家庭中出現異常情況，包括外部人員入侵、家電起火、煤氣泄漏等，智能家居監控系統都可以立刻發出報警，并根據事先設定好的電話號碼自動撥打報警電話。

(2)如果住戶不在家中，可以通過發送短信的形式控制家庭中的電器設備，智能家居監控系統接到短信命令后可以自動采集相應圖像，再將其通過GPRS網絡以短信形式發送到住戶手機中，住戶可以隨時了解家庭環境情況，并做出相應控制，以此實現對家居環境的實時監控。［6］

(3)通過互聯網與智能家居監控系統實現連接，從而控制家庭中的電器設備，以及查看家居環境圖像。

4.智能家居監控系統功能設計

本文提出了基于ARM的智能家居監控系統設計方案，采用三星公司研發的 S3C2440芯片，以Linux系統作為智能家居監控系統的開發環境，從而實現一個安全可靠、運行穩定的遠程智能家居監控設備，如圖1所示，系統主要負責實現以下功能:

圖1 智能家居監控系統結構圖

4.1 圖像采集模塊

系統圖像采集模塊主要是利用USB外接攝像頭實現對家居環境的圖像采集，同時壓縮采集到的圖像信息，最后通過互聯網實現遠程傳輸，達到實時監控的目的。

4.2 溫度采集模塊

系統溫度采集模塊主要利用DS18B20數字溫度傳感器實現溫度信息采集，再將采集到的溫度信息顯示給用戶，如果家庭中發生火災，一旦溫度超過預先設定的溫度范圍，系統就會立刻發出報警信號。

4.3 Web 網絡服務器［4］

系統中Web網絡服務器的功能是實現用戶通過互聯網實時查看家庭中的環境情況。

4.4 GPRS 模塊

系統GPRS模塊主要負責實現數據信息、圖片信息和短消息信息的傳輸。

4.5 燃氣報警裝置

當家庭中出現燃氣泄漏情況時，系統可以即刻發出報警信息，按照事先設定好的電話號碼撥打報警電話，同時發出報警短信。

4.6 紅外線檢測裝置

當有外部人員闖入到家庭時，系統可以通過紅外線檢測裝置立刻啟動系統將家庭現場環境進行拍攝，同時通過GPRS模塊將短信發送到指定電話號碼。

5.智能家居監控系統功能模塊電路設計

5.1 燃氣報警模塊電路

燃氣報警模塊電路中，煙霧傳感器采用的是MQ－2型傳感器，該型號的氣體傳感器探測范圍廣、靈敏度高，適合應用于智能家居建設中，對煙霧、液化氣體、氫氣等氣體進行探測。由于MQ－2型傳感器可以根據不同氣體的濃度范圍產生相應的電阻值，應用時只需要對其靈敏度進行調節即可。

5.2 溫度采集模塊電路

溫度采集模塊電路采用的是DS18B20型溫度傳感器，DS18B20型溫度傳感器是新型智能微處理器，通常用于軍事、工業和生活領域對溫度進行探測和控制。該型號的溫度傳感器體積小、傳輸距離短、接口豐富。

DS18B20型溫度傳感器在完成讀寫之前要執行復位初始化動作，首先，由初始化主機發出低電平脈沖，經過釋放總線后轉變為高電平，同時對總線進行檢測，如果發現低電平存在，證明總線器件已經做出應答動作，以此實現初始化成功。再將DS18B20型溫度傳感器與控制器連接。

5.3 防盜檢測模塊電路

防盜檢測模塊電路是紅外線與微波傳感器組合而成的雙鑒傳感器，雙鑒傳感器與單一傳感器相比，具有誤報率低的特點，其工作原理是:將紅外和微波信號進行處理后傳輸到控制器S3C2440中，當雙鑒傳感器同時檢測到高電平信號時，再由系統發出報警信號。這種以分割方式組合成的傳感器，可以真正降低誤報率。

6.智能家居監控系統軟件設計

智能家居監控系統軟件設計主要包括操作系統、文件系統、應用程序和Boot Loader四個部分。操作系統采用的是Linux內核，具有移植性好、擴展性強等特點，其內存設備、進程設備功能完善，可以支持多種文件系統，擁有標準網絡傳輸協議，以及相應的設備驅動等，可以實現對應用程序和多任務的有效管理。［8］文件系統采用的是EXT3系統，以樹形結構對全部文件和目錄信息進行存儲，方便后期的維護和管理。應用程序主要負責完成一系列功能，由相應函數構成，包括報警應用程序、圖像采集應用程序、圖像壓縮應用程序、GPRS通信程序、網絡通信程序和串口應用程序等，因此，必須編寫與之對應的用戶應用程序，使系統實現各種功能。Boot Loader采用的是VI視覺設計。智能家居監控系統軟件流程圖如圖2所示。

結論

圖2 智能家居監控系統軟件流程圖

綜上所述，本文提出的智能家居監控系統設計方案是基于嵌入式技術實現的，主要負責實現家居照明設備、電器設備、防火防盜系統的有效連接，利用互聯網技術、GPRS通信技術，通過USB外接攝像頭實現住戶對家居情況的遠程實時監控，以此保證住戶生活環境安全穩定。

［1］龍勇.基于嵌入式Linux的家居監控系統設計［J］.電子測試，2013(13).

［2］韓星.無線嵌入式智能家居環境網關的幾點思考［J］.電源技術應用，2013(5).

［3］付蔚，劉謀黎，蔡林沁.智能家居系統嵌入式家庭服務器設計與實現［J］.自動化與儀表，2013(4).

［4］李成國，宋偉偉，高中文.基于嵌入式Web服務器家居視頻監控的研究［J］.自動化技術與應用，2013(4).

［5］王蘇蘇.基于ARM嵌入式智能家居系統的設計與實現［J］.無線互聯科技，2013(5).

［6］王麗麗，齊賽，朱琳琳.基于嵌入式Linux智能家居監控系統的設計［J］.電子設計工程，2012(3).

［7］高源，李冶.ARM嵌入式系統在智能家居監控中的應用［J］.電腦知識與技術，2012(13).

［8］陳德裕，張憲隸，顧曉濤，蘇嘯晨.物聯網下的嵌入式家居安全監控系統設計與實現［J］.傳感器與微系統，2012(9.)