嵌入式Web智能監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

楊峰

摘要：研究借助嵌入式Web服務(wù)以及無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)等，設(shè)計(jì)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。其在ARM平臺(tái)上通過(guò)移植嵌入式操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)軟件、硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在相應(yīng)工具的作用下，建立生成了嵌入式web服務(wù)，配置無(wú)線網(wǎng)卡，由無(wú)線傳感對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制，對(duì)終端節(jié)點(diǎn)程度、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后建立了數(shù)據(jù)通信協(xié)議，經(jīng)過(guò)測(cè)試，該智能家居系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)家居環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。

關(guān)鍵詞：嵌入式web;智能監(jiān)控;物聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）02-0079-02

在云計(jì)算時(shí)代，似乎一切設(shè)備都可以連接到互聯(lián)網(wǎng)。從智能手表到家用電器，從無(wú)人駕駛汽車到監(jiān)控?cái)z像頭，物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)龐大的傳感器網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算通常都是獨(dú)立運(yùn)行，但這兩種技術(shù)有著不可分割的聯(lián)系[1]。目前智能設(shè)備已經(jīng)覆蓋工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家居等多個(gè)領(lǐng)域，在智能設(shè)備作用下，通信技術(shù)能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接，有利于實(shí)現(xiàn)信息交換與共享，人工智能技術(shù)在塑造未來(lái)將發(fā)揮巨大作用。憑借其可以獨(dú)立于工作人員協(xié)助而學(xué)習(xí)的軟件的承諾，人工智能成為一款強(qiáng)大的工具，其巨大的潛力使所有其他工具相形見(jiàn)絀[2]。

作為我國(guó)新型戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，物聯(lián)網(wǎng)受到了社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，在定位技術(shù)、傳感技術(shù)以及信息收集等多種技術(shù)的支持下，物聯(lián)網(wǎng)將物品與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了連接，使人們的生活趨于智能化，同時(shí)也促進(jìn)了各類新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[3]。智能家居正是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代人們的可行性需求。將控制器、互聯(lián)網(wǎng)等與網(wǎng)絡(luò)相連接，結(jié)合自身需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，這也成為智能家居發(fā)展的主要方向。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

信息時(shí)代的到來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的便捷性，促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)、智能家居等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，以智能家居行業(yè)為例，智能家居的核心應(yīng)用，無(wú)論是遠(yuǎn)程遙控、還是全屋聯(lián)動(dòng)，這都需要互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐。從2015年起，智能家居的產(chǎn)業(yè)就在我國(guó)遍地開(kāi)花，經(jīng)過(guò)多年的大浪淘沙，智能家居技術(shù)、產(chǎn)品和解決方案已經(jīng)越發(fā)成熟。目前，智能家居除對(duì)遠(yuǎn)程控制的需求外，還提出了安防報(bào)警器等安全需求，力圖實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境、智能報(bào)警等信息的收集。首先需要組建一個(gè)完善的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)體系，各類家電設(shè)備能夠互聯(lián)互通，智能網(wǎng)關(guān)的傳輸以及家具系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)信息融合都需要在無(wú)線通信方式下實(shí)現(xiàn)[4]。除此之外，為了給用戶提供便利，還引入了移動(dòng)終端，用戶在PC端、手機(jī)端也能夠隨時(shí)了解家電的工作情況，并根據(jù)需要做出相應(yīng)的調(diào)整與修改。用戶的操作在瀏覽器中會(huì)遺留痕跡，保證用戶可遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)家居信息及家電設(shè)備。本研究在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮的是收集家電設(shè)備工作情況，用戶能夠遠(yuǎn)程發(fā)出指令控制其工作狀態(tài);其次，感知層收集數(shù)據(jù)能夠在無(wú)線通信網(wǎng)中到達(dá)智能網(wǎng)關(guān)，作進(jìn)一步傳輸[5];第三應(yīng)用層與感知層數(shù)據(jù)可在智能網(wǎng)關(guān)下完成信息共享、家電互聯(lián)等;最后家電設(shè)備及用戶家居環(huán)境相關(guān)信息要能夠保證實(shí)時(shí)瀏覽。結(jié)合以上需求，設(shè)計(jì)如下智能家居系統(tǒng)架構(gòu)（圖1）。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)分析

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片

研究采用的芯片為S3C2400主控芯片，該芯片具有耗能低、體系小等優(yōu)勢(shì)，其作為一種高性能處理器，不僅擁有內(nèi)存管理模塊，而且采用高級(jí)微控制器總線架構(gòu)，可有效降低系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗。主控芯片所采用的總線及硬件接口均為日常常用類型，LCD控制器、中斷控制源實(shí)現(xiàn)有效集成。

2.1.2 串行通信接口設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在串行通信接口設(shè)計(jì)方面實(shí)現(xiàn)了全雙工串口通信，主要包括計(jì)算機(jī)串口調(diào)試與智能主機(jī)兩個(gè)環(huán)節(jié)，為連接協(xié)調(diào)器與智能家居主機(jī)，采用了交叉串口，另外還采用協(xié)調(diào)器與USB轉(zhuǎn)串口實(shí)現(xiàn)相互連接。為確保順利通信，共設(shè)計(jì)了三個(gè)串口通道，因此需要在編寫程度時(shí)對(duì)串口所對(duì)應(yīng)的寄存器進(jìn)行合理配置。

2.1.3 USB接口電路設(shè)計(jì)

USB端口設(shè)計(jì)重點(diǎn)環(huán)節(jié)為下載程度以及其外部設(shè)備連接。此次研究所選用的主控芯片包括Host與Slave兩種接口，前者能夠?qū)?個(gè)接口進(jìn)行擴(kuò)展，且其所擴(kuò)展得到接口均是對(duì)應(yīng)的，只要將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程度添加到相應(yīng)的內(nèi)核便能夠在接口中對(duì)設(shè)備進(jìn)行正常使用。后者主要功能為軟件下載，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 終端節(jié)段設(shè)計(jì)

智能家居遠(yuǎn)程控制主要是通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)據(jù)信息收集、網(wǎng)絡(luò)連接則是終端節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。利用網(wǎng)絡(luò)發(fā)送收集信息，并能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求做出響應(yīng)。一般情況下，信息搜集所用時(shí)間較長(zhǎng)，因此，短時(shí)間內(nèi)僅能夠?qū)崿F(xiàn)一次數(shù)據(jù)上傳。在具體操作中，先對(duì)芯片進(jìn)行初始化奧做，然而通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)聽(tīng)，待加入網(wǎng)絡(luò)后，將數(shù)據(jù)在預(yù)先設(shè)定時(shí)間發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 客戶端軟件設(shè)計(jì)

目前，4G技術(shù)已經(jīng)普及，5G技術(shù)正以飛快速度迅猛發(fā)展，再加上智能手機(jī)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，手機(jī)客戶端給人們的生活帶來(lái)了極大的便利，因此與PC客戶端相比，手機(jī)端具有更大的優(yōu)勢(shì)[6]。基于這一發(fā)展實(shí)際，此次研究設(shè)計(jì)的是Android客戶端版本，其中室內(nèi)環(huán)境觀察及電器控制是兩個(gè)重要模塊。用戶只需用手機(jī)連接網(wǎng)絡(luò)，便能夠隨時(shí)對(duì)室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行觀察，通過(guò)向主機(jī)發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居的控制。主機(jī)接收命令需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)處理，才能發(fā)送到手機(jī)端供用戶選擇，視頻數(shù)據(jù)需要解碼才能夠顯示。此次研究在Android平臺(tái)上安裝了T254源代碼，需要注意的是要統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以便代碼的順利移植。

2.2.3 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器是確保ZigBee組網(wǎng)的重要工具，其能夠?qū)K端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息進(jìn)行接收，并上傳信息到上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送[7]，除此之外還能夠保障服務(wù)器的正常運(yùn)行，對(duì)客戶端請(qǐng)求做出響應(yīng)。研究充分利用了抽象層管理系統(tǒng)資源，對(duì)主程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后加入ZigBee節(jié)點(diǎn)，確保組網(wǎng)相關(guān)操作及事件處理的順利實(shí)現(xiàn)。

2.2.4 無(wú)線組網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

首先需要將協(xié)調(diào)器啟動(dòng)，初始化處理協(xié)議棧，設(shè)置射頻信號(hào)，將無(wú)限網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)，在網(wǎng)絡(luò)中添加家用電器協(xié)議終端節(jié)點(diǎn)。然后掃描射頻信道，在協(xié)調(diào)器作用下完成接收、申請(qǐng)，準(zhǔn)確評(píng)估節(jié)點(diǎn)數(shù)量，當(dāng)存在>1個(gè)加入節(jié)點(diǎn)時(shí)，提示已經(jīng)順利組網(wǎng)。這個(gè)過(guò)程需要節(jié)點(diǎn)恢復(fù)，并完成地址的分配等相關(guān)操作，按照上述步驟反復(fù)進(jìn)行，所有家電終端節(jié)點(diǎn)便能夠都順利組網(wǎng)。

2.2.5 視頻監(jiān)控模塊

智能家居遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控主要是依賴視頻監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)的，這就要求該模塊能夠?qū)σ曨l數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的處理，該模主要架構(gòu)為無(wú)線視頻節(jié)點(diǎn)與視頻信息集成中心，信息的交流需要通過(guò)編程接口實(shí)現(xiàn)。當(dāng)無(wú)線監(jiān)控獲得錄像后，首先要對(duì)視頻圖像進(jìn)行壓縮，并做好編碼。視頻監(jiān)控區(qū)域信息定位技術(shù)還能夠?qū)⒁曨l進(jìn)行大小轉(zhuǎn)換，節(jié)省系統(tǒng)存儲(chǔ)空間。采用離散余弦算法能夠優(yōu)化視頻圖像處理及計(jì)算，能夠在保障圖像質(zhì)量的前提下，優(yōu)化內(nèi)存。

3 系統(tǒng)性能測(cè)試

客戶端需要提前在智能家居主機(jī)中安裝web服務(wù)，才能夠控制家居環(huán)境觀察及對(duì)家電設(shè)備的控制。本研究選擇能夠?qū)崿F(xiàn)C++語(yǔ)言映射的SOAP工具開(kāi)發(fā)包，其不僅能夠?qū)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，而且涵蓋對(duì)不同語(yǔ)言操作及語(yǔ)言環(huán)境。軟件開(kāi)發(fā)者可借助C++編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序，進(jìn)而獲得所需的客戶端程序[8]。無(wú)線傳感控制網(wǎng)、智能家居主機(jī)是該系統(tǒng)的兩大元件。在具體實(shí)踐應(yīng)用中，先配置好無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，然后在程序中添加所選的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，打開(kāi)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊，當(dāng)入網(wǎng)指示燈亮，說(shuō)明加入網(wǎng)絡(luò)成功。在USB串口芯片作用下，協(xié)調(diào)器與智能家居主機(jī)相連接，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。打開(kāi)客戶端軟件，輸入端口號(hào)以及智能家居主機(jī)IP，便可成功連接該系統(tǒng)，進(jìn)而與智能家居系統(tǒng)互通，此時(shí)用戶可根據(jù)需要控制家居。

4 結(jié)束語(yǔ)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為人們的生活帶來(lái)了翻天覆地的變化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)日趨成熟，家電設(shè)備、環(huán)境信息等均能夠?qū)崿F(xiàn)信息化，智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為人們更好的控制、使用家電設(shè)備、構(gòu)建安全、舒適的家具環(huán)境提供了技術(shù)支持。通過(guò)性能測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)成本低、運(yùn)行流暢，可滿足用戶需求。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】