基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)研究

摘要：隨著智能家居的普及，傳統(tǒng)有線監(jiān)控系統(tǒng)的局限性日益突出。文章開發(fā)了一種基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。硬件方面，采用三星S3C2440處理器，集成多種傳感器、通信和電源模塊，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測與控制。軟件方面，基于嵌入式Linux平臺，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集、處理、通信程序及用戶界面，利用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)有效解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、成本高、靈活性差的問題，提供了一種高效、穩(wěn)定、智能的解決方案，顯著提高了家居環(huán)境的安全性和智能化水平。

關(guān)鍵詞：智能家居；監(jiān)控系統(tǒng)；ARM嵌入式系統(tǒng)

中圖分類號：TP311" "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2025）21-0012-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)） 標(biāo)識碼（OSID）

0 引言

智能家居作為信息技術(shù)與家居生活融合的新興領(lǐng)域，近年來發(fā)展迅速。監(jiān)控系統(tǒng)是智能家居的重要組成部分。然而，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)多為有線連接，存在布線復(fù)雜、成本高、靈活性差等問題。隨著家居智能化需求的提升，傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)已無法滿足需求，亟須升級。ARM嵌入式技術(shù)在智能家居監(jiān)控系統(tǒng)中具有顯著優(yōu)勢。本文通過深入研究ARM技術(shù)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用，充分發(fā)揮ARM微處理器的優(yōu)勢，以期解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的問題。

1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是一種專用的、軟硬件可裁剪的小型計算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)通常采用軟硬件協(xié)同設(shè)計方法，在統(tǒng)一的開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟硬件的協(xié)同開發(fā)、設(shè)計與驗(yàn)證[1]。嵌入式系統(tǒng)主要由功能層、軟件層、中間層和硬件層組成，如表1所示。

2 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)總體架構(gòu)旨在構(gòu)建高效、穩(wěn)定、智能的家居監(jiān)控體系，實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境的全方位監(jiān)測與控制。系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲模塊以及用戶終端模塊組成，各模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)智能家居監(jiān)控功能，系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖 1 所示。

2.2 主控模塊設(shè)計

主控模塊是智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)采用三星S3C2440處理器。該處理器基于ARM920T內(nèi)核，主頻高達(dá)400MHz，具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)接口，能夠滿足智能家居監(jiān)控系統(tǒng)對高性能和多功能的需求。S3C2440集成了多個I/O口和中斷源，確保系統(tǒng)的實(shí)時性和可靠性。處理器核心板集成時鐘、復(fù)位和電源管理電路，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，存儲電路配備64MB SDRAM和256MB NAND Flash，滿足數(shù)據(jù)存儲需求[2]。通信接口包括DM9000以太網(wǎng)和ESP8266 Wi-Fi模塊，支持有線與無線網(wǎng)絡(luò)通信。主控模塊負(fù)責(zé)初始化、數(shù)據(jù)處理及用戶通信，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)編碼壓縮和圖像識別處理，傳感器數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)則進(jìn)行異常判斷和報警。用戶可通過手機(jī)App或電腦客戶端遠(yuǎn)程控制家電并查看環(huán)境數(shù)據(jù)和監(jiān)控視頻。

2.3 傳感器模塊設(shè)計

傳感器模塊負(fù)責(zé)實(shí)時感知環(huán)境信息并將其轉(zhuǎn)化為電信號或數(shù)字信號，傳輸至主控模塊處理。本系統(tǒng)集成溫濕度傳感器DHT11、煙霧傳感器MQ-2和人體紅外傳感器HC-SR501。DHT11通過單總線實(shí)時采集溫濕度數(shù)據(jù)，用于環(huán)境調(diào)節(jié)；MQ-2監(jiān)測煙霧濃度，超標(biāo)時觸發(fā)報警；HC-SR501檢測人體活動，防范入侵。各傳感器通過串口或I/O口與主控模塊連接，協(xié)同實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與智能家居自動化。

2.4 通信模塊設(shè)計

Wi-Fi通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)無線傳輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和設(shè)備互聯(lián)。本系統(tǒng)采用ESP8266 Wi-Fi模塊，該模塊基于IEEE 802.11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4GHz頻段，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP和UDP協(xié)議。TCP適用于高準(zhǔn)確性場景如視頻傳輸，UDP適用于高實(shí)時性場景如傳感器數(shù)據(jù)更新。ESP8266通過與無線路由器建立連接，將前端采集的視頻、傳感器數(shù)據(jù)等傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與用戶終端的通信。初始化設(shè)置包括Wi-Fi模式（STA、AP或STA+AP） 等配置。主控模塊封裝數(shù)據(jù)后通過ESP8266傳輸至云端或用戶終端，用戶指令也通過ESP8266傳回主控模塊，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制。

2.5 電源模塊設(shè)計

電源模塊為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電力。本系統(tǒng)采用5V/2A電源適配器滿足各硬件設(shè)備的功耗需求。穩(wěn)壓電路設(shè)計采用LM1117-3.3線性穩(wěn)壓芯片，提供穩(wěn)定的3.3V電壓輸出，適用于低功耗場景；同時使用TPS5430開關(guān)穩(wěn)壓芯片，支持大電流輸出，滿足高功耗需求，確保處理器、傳感器和無線通信模塊的穩(wěn)定工作。此外，電源模塊集成TVS二極管和自恢復(fù)保險絲，分別實(shí)現(xiàn)過壓和過流保護(hù)，有效抵御電壓波動和電流過載對硬件的損害。系統(tǒng)則采用動態(tài)電源管理技術(shù)以降低功耗。

3 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 嵌入式軟件開發(fā)平臺搭建

嵌入式軟件開發(fā)平臺為系統(tǒng)開發(fā)提供環(huán)境。搭建過程包括配置交叉編譯器、安裝調(diào)試工具以及建立開發(fā)流程。交叉編譯器（如GCC） 用于在宿主機(jī)上生成目標(biāo)機(jī)的可執(zhí)行代碼，需從GNU官網(wǎng)下載并配置環(huán)境變量。調(diào)試工具如GDB需編譯安裝并指定ARM平臺，同時在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行GDB Server以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)試[3]。開發(fā)時，先在宿主機(jī)上編寫源代碼，使用交叉編譯器編譯生成目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，需指定目標(biāo)平臺和鏈接庫路徑。編譯成功后，通過JTAG或USB將文件下載到目標(biāo)機(jī)存儲器。啟動程序前，確保目標(biāo)機(jī)運(yùn)行GDB Server，宿主機(jī)啟動GDB并連接至目標(biāo)機(jī)，即可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)試，如設(shè)置斷點(diǎn)、單步執(zhí)行、查看變量值等，以優(yōu)化程序功能與穩(wěn)定性。

3.2 操作系統(tǒng)選擇與移植

本系統(tǒng)選用Linux作為嵌入式操作系統(tǒng)，因其開源、穩(wěn)定且具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。其開源性允許開發(fā)者根據(jù)需求定制內(nèi)核，提升系統(tǒng)效率[4]。Linux 的穩(wěn)定性確保系統(tǒng)能夠 24 小時不間斷運(yùn)行，減少故障發(fā)生。豐富的網(wǎng)絡(luò)功能支持 Wi-Fi、以太網(wǎng)等接口，便于設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程監(jiān)控。將Linux移植到基于ARM的系統(tǒng)需經(jīng)過以下步驟：搭建交叉編譯環(huán)境，使用GCC編譯源代碼；裁剪和配置內(nèi)核以優(yōu)化性能；編譯生成適用于ARM的鏡像文件，并通過JTAG或SD卡燒錄到硬件設(shè)備中。啟動后檢查日志，確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3.3 數(shù)據(jù)采集與處理程序設(shè)計

傳感器數(shù)據(jù)采集是智能家居監(jiān)控系統(tǒng)獲取環(huán)境信息的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性。以溫濕度傳感器DHT11為例，其數(shù)據(jù)采集通過特定時序控制實(shí)現(xiàn)。

// 初始化

DATA_PIN = OUTPUT" // 設(shè)置數(shù)據(jù)線為輸出模式

// 發(fā)送起始信號

DATA_PIN = LOW" " "http:// 拉低數(shù)據(jù)線

DELAY（18ms）" " " " // 保持低電平18ms

DATA_PIN = HIGH" " // 拉高數(shù)據(jù)線

DELAY（40us）" " " " // 等待40us

// 等待傳感器響應(yīng)

DATA_PIN = INPUT" "http:// 設(shè)置數(shù)據(jù)線為輸入模式

WAIT_FOR（DATA_PIN == LOW）" // 等待傳感器拉低數(shù)據(jù)線

DELAY（80us）" " " " // 保持低電平80us

WAIT_FOR（DATA_PIN == HIGH） // 等待傳感器拉高數(shù)據(jù)線

DELAY（80us）" " " " // 保持高電平80us

// 讀取40位數(shù)據(jù)

data[40] = {0}" " "http:// 初始化數(shù)據(jù)數(shù)組

FOR i = 0 TO 39

WAIT_FOR（DATA_PIN == LOW）" // 等待數(shù)據(jù)線拉低

START_TIME = CURRENT_TIME" // 記錄當(dāng)前時間

WAIT_FOR（DATA_PIN == HIGH） // 等待數(shù)據(jù)線拉高

END_TIME = CURRENT_TIME" " // 記錄當(dāng)前時間

DURATION = END_TIME - START_TIME" // 計算高電平持續(xù)時間

IF DURATION gt; 50us" " " " "http:// 判斷數(shù)據(jù)位

data[i] = 1" " " " " " // 高電平持續(xù)時間長表示1

ELSE

data[i] = 0" " " " " " // 高電平持續(xù)時間短表示0

END IF

END FOR

// 解析數(shù)據(jù)

humidity_high = data[0：7]" " " // 濕度整數(shù)部分

humidity_low = data[8：15]" " " // 濕度小數(shù)部分

temperature_high = data[16：23] // 溫度整數(shù)部分

temperature_low = data[24：31]" // 溫度小數(shù)部分

checksum = data[32：39]" " " " "http:// 校驗(yàn)和

// 校驗(yàn)數(shù)據(jù)

calculated_checksum=humidity_high+humidity_low+temperature_high + temperature_low

IF calculated_checksum == checksum

DATA_VALID = TRUE" " " " " // 數(shù)據(jù)有效

ELSE

DATA_VALID = FALSE" " " " "http:// 數(shù)據(jù)無效，重新讀取

END IF

為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時性，還采用了一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理算法。對于溫濕度數(shù)據(jù)，采用滑動平均濾波算法去除噪聲干擾。滑動平均濾波算法的原理是將連續(xù)采集的N個數(shù)據(jù)進(jìn)行累加求平均，得到的平均值作為當(dāng)前的有效數(shù)據(jù)。設(shè)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)序列為x1，x2，…，xN，則經(jīng)過滑動平均濾波后的溫濕度數(shù)據(jù)y為：

[y=1Ni=1Nxi] （1）

通過調(diào)整N的大小，可以平衡濾波效果和實(shí)時性，N越大，濾波效果越好，但實(shí)時性會有所降低；N越小，實(shí)時性越好，但濾波效果可能會受到影響。

對于煙霧濃度數(shù)據(jù)，采用中值濾波算法去除突發(fā)干擾。中值濾波算法是將連續(xù)采集的M個數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，取中間值作為當(dāng)前的有效數(shù)據(jù)。設(shè)采集到的煙霧濃度數(shù)據(jù)序列為z1，z2，…，zM，將其從小到大排序后得到z（1），z（2），…，z（M），則經(jīng)過中值濾波后的煙霧濃度數(shù)據(jù)為：

[y=z（M+12），" " " " " " "if M is oddz（M2）+z（M2+1）2 ，if M is even] （2）

中值濾波算法能夠有效地去除因傳感器故障或外界干擾導(dǎo)致的突發(fā)異常數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)的可靠性。

3.4 通信程序設(shè)計

在無線通信系統(tǒng)中，TCP/IP協(xié)議通過分層封裝確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院托省?yīng)用層數(shù)據(jù)經(jīng)TCP/UDP封裝，添加端口信息；網(wǎng)絡(luò)層封裝為IP數(shù)據(jù)包，包含源和目的IP地址；數(shù)據(jù)鏈路層封裝成幀，附加MAC地址；物理層將幀轉(zhuǎn)換為電磁波信號進(jìn)行傳輸。接收端逆向解析，逐層還原數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)端到端的通信與處理。

智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的用戶界面基于QT框架設(shè)計，布局簡潔，分為四個主要區(qū)域：視頻監(jiān)控、設(shè)備控制、環(huán)境參數(shù)顯示和報警信息。視頻監(jiān)控區(qū)實(shí)時展示高清畫面；設(shè)備控制區(qū)支持遠(yuǎn)程操作；環(huán)境參數(shù)區(qū)以圖表形式顯示溫濕度等數(shù)據(jù)；報警信息區(qū)醒目提示異常情況。交互設(shè)計支持鼠標(biāo)、觸摸及語音控制，利用QT的信號與槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)操作響應(yīng)。多語言支持增強(qiáng)了系統(tǒng)的全球適用性，提升了用戶體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

本文提出的基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)布線復(fù)雜、成本高昂及靈活性差等問題。該系統(tǒng)集成了數(shù)據(jù)采集、處理、通信模塊，基于Linux操作系統(tǒng)和QT界面，實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)測與智能控制。未來可結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法優(yōu)化行為識別精度，利用大數(shù)據(jù)分析用戶習(xí)慣，提供個性化場景推薦；通過邊緣計算提升實(shí)時響應(yīng)能力，并增強(qiáng)多終端協(xié)同與跨平臺兼容性，為用戶提供更精準(zhǔn)、高效的智能家居服務(wù)，推動行業(yè)技術(shù)革新。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉雨晴，洪宇.基于ARM的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].無線互聯(lián)科技，2024，21（6）：35-37.

[2] 柴晟，陳良維，林琳，等.基于Linux的ARM-嵌入式智能家居網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計研究[J].中國新通信，2023，25（20）：41-43.

[3] 劉璐，袁戰(zhàn)軍，王希娟.基于ARM及ZigBee的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程，2019，27（11）：136-140，145.

[4] 習(xí)露.基于ARM智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2018.

[5] 萬藝航.基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2020.

【通聯(lián)編輯：朱寶貴】