【嵌入式】ARM嵌入式系統(tǒng)在智能家居監(jiān)控中的應(yīng)用

1、摘要：ARM是目前較熱門的嵌入式處理平臺(tái)，具有功耗低、體積小、低成本、高性能、集成度高等眾多特點(diǎn)，由于系統(tǒng)的小型化，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字消費(fèi)電子、工業(yè)控制、醫(yī)療汽車電子以及網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。該文在嵌入式系統(tǒng)及的概念的基礎(chǔ)上，將基于ARM的嵌入式開發(fā)技術(shù)應(yīng)用于智能家居介紹了基于ARM9的智能家居監(jiān)控模塊的實(shí)現(xiàn)，采用ARM9內(nèi)核的S3C2440處理器為控制芯片，將Linux系統(tǒng)移植到硬件平臺(tái)，通過相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序，將軟件下載到硬件平臺(tái)來對(duì)智能家居進(jìn)行本地和遠(yuǎn)程控制。 中國(guó)論文網(wǎng) 關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；智能家居；視頻控制 中圖分類號(hào)：TP18文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2012)13-3

2、151-03 ARM Embedded System in the Intelligent Home Monitoring GAO Yuan, LI Ye (Shenyang Normal University, Shenyang ,China) Abstract: ARM is a popular embedded processing platform at present, with many features, such as low power consumption, small size, low-cost, high performance, high integration,

3、 and so on. The system is miniaturized, so its widely used in Digital consumer electronics, industrial control, Medical Electronics, and network communications. In this paper, on the basis of the concept of embedded systems，I used embedded development technology based on ARM in smart home。This paper

4、 introduces the ARM9-based smart home monitoring module, which using S3C2440 processor as the control chip. This module transplanted Linux system to the hardware platform. Through the corresponding driver and application program, the software is downloaded to the hardware platform for local and remo

5、te control of in? telligent home. Key words: embedded systems; smart home; video control 1智能家居概況 隨著社會(huì)信息通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的生活不斷發(fā)展，信息化和數(shù)字化越來越成為社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的大勢(shì)所趨。智能家居把科技產(chǎn)品合理融入家居生活中，使家庭生活與信息數(shù)字化結(jié)合起來。隨著工作生活節(jié)奏越來越快，智能化家居可以提高效率、節(jié)約時(shí)間，讓我們可以騰出更多的時(shí)間來做其他事情，也提高了生活質(zhì)量。智能家居的解決方案有很多種。大部分以Internet為中心，在家庭網(wǎng)絡(luò)的連接下，結(jié)合多種智能家居功能，來實(shí)現(xiàn)家居的各種智

6、能化控制手段。 圖1為一個(gè)智能家居系統(tǒng)的模似圖，從圖1中我們可以看出智能家居有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）舒適：智能家居可以為人們帶來更為輕松舒適的生活。當(dāng)你早晨一覺醒來，使用機(jī)動(dòng)卷簾，可以獲得更多的光照。使用音響系統(tǒng)放大器開關(guān)收音機(jī)，在居室的任何一間房里，包括陽(yáng)臺(tái)、衛(wèi)生間和廚房，均可安裝背景音樂，通過多個(gè)音源，可以讓每個(gè)房間都聽到美妙的音樂和喜愛的節(jié)目；2）安全：使用防盜報(bào)警控制單元，以監(jiān)測(cè)整個(gè)房子或一個(gè)特定的房間。使用天然氣一站式探測(cè)器讓電磁閥停止氣體泄漏；3）節(jié)水：使用溫度探頭，以便確定不同溫度下的每個(gè)房間都可以節(jié)約能源達(dá)30%；4）通訊：用微型攝像頭作為一種友好的眼睛，以便讓您在每個(gè)房間。使用內(nèi)

7、部單位免提通信的視頻顯示所有需要的對(duì)講機(jī)，視頻門禁系統(tǒng)，和電話功能。 2嵌入式系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器，嵌入式微處理器一般就具備以下幾個(gè)特點(diǎn)： 1）內(nèi)核相對(duì)較?。阂?yàn)榍度胧较到y(tǒng)主要應(yīng)用于小型的電子裝置，內(nèi)核要小很多。 2）嵌入式系統(tǒng)的專用性強(qiáng)：軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)的結(jié)合很緊密，一般要針對(duì)硬件系統(tǒng)進(jìn)行移植。 3）嵌入式系統(tǒng)較精簡(jiǎn)：對(duì)其功能設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)上較精簡(jiǎn)，方面控制成本，利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。 4）嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)。 5)嵌入式系統(tǒng)需要開發(fā)工具和環(huán)境。 圖1智能

8、家居系統(tǒng)的模圖 2.1嵌入式系統(tǒng)組成 嵌入式系統(tǒng)是指嵌入到對(duì)象體系中的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，由嵌入式處理器、嵌入式軟件系統(tǒng)、嵌入式外圍設(shè)備和嵌入式操作系統(tǒng)組成，它是集軟硬件于一體的可以獨(dú)立工作的“系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示： 圖2嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 2.2嵌入式處理器 嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心，是控制、輔助系統(tǒng)運(yùn)行的硬件單元。范圍極其廣闊，從最初的4位處理器，目前仍在大規(guī)模應(yīng)用的8位單片機(jī)，到最新的受到廣泛青睞的32位，64位嵌入式CPU。 ARM是一類微處理器，同時(shí)也是一個(gè)公司的名字。ARM公司與1991年在英國(guó)劍橋成立，該公司設(shè)計(jì)了大量耗能低，高性價(jià)比的RISC處

9、理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。目前被許多領(lǐng)域廣泛使用，如嵌入控制、DSP以及移動(dòng)式應(yīng)用等等。 3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能說明 嵌入式提出以嵌入式系統(tǒng)使底層監(jiān)測(cè)設(shè)備與Internet的連接，做到了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。建立的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于開銷少、尺寸小、功能強(qiáng)，廣泛被應(yīng)用。采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn),系統(tǒng)組網(wǎng)容易、傳輸數(shù)據(jù)多、速率快；客戶端通過WEB瀏覽器就可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。 在智能家居中，智能監(jiān)控是大家最為關(guān)心的功能。該系統(tǒng)主要包括ARM9核心控制模塊，系統(tǒng)的功能模塊主要包括視頻采集傳輸模塊，家庭網(wǎng)關(guān)模塊，家庭安全防范模塊，設(shè)備控制模塊等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模型圖如圖3所示。 圖3系統(tǒng)總體模型圖 視頻采集傳輸模塊：系統(tǒng)采用

10、攝像頭采集視頻，對(duì)視頻進(jìn)行壓縮編碼，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，可以遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。 家庭網(wǎng)關(guān)模塊：通過切合實(shí)際的組網(wǎng)技術(shù)把家庭內(nèi)部網(wǎng)關(guān)與其他需要的設(shè)備組成可以進(jìn)行信息交換的家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并與外部的Internet相連。家庭網(wǎng)關(guān)是連接外部網(wǎng)和家庭網(wǎng)的關(guān)口，既負(fù)責(zé)用戶從外網(wǎng)上對(duì)家庭網(wǎng)絡(luò)的訪問和控制，又負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部對(duì)外網(wǎng)的訪問和交互，同時(shí)還要負(fù)責(zé)家庭內(nèi)部設(shè)備的互連、互控等操作。 家庭安全防范：在滿足人們方便、舒適生活的同時(shí)，智能家居也要求能為家庭提供安全防范保障。主要包括防止入侵侵犯、破壞、盜竊、爆炸等。 設(shè)備控制模塊：設(shè)備控制可以解決家庭設(shè)備的自動(dòng)控制問題，將更多的設(shè)備通過一定的方式連接，達(dá)到統(tǒng)一、集中控制，

11、為家庭生活帶來方便。 圖3中，ARM是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，S3C2440處理器是一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，主頻可以根據(jù)需要選擇不同頻率。由于S3C2440處理器主要面向嵌入式設(shè)備，功耗較低且具有非常高的性價(jià)比，非常適當(dāng)開發(fā)要求。所以本文以此為主處理器。使用S3C2440處理器自帶的多功能可編程I/O接口GPIO實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制。 4系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 4.1視頻模塊的實(shí)現(xiàn) 視頻監(jiān)控模塊主要分為三個(gè)部分，即視頻采集程序、視頻編碼程序以及視頻傳輸程序。 1）視頻采集模塊的實(shí)現(xiàn)：視頻采集通過在內(nèi)核中為USB攝像頭寫入驅(qū)動(dòng)，然后編寫上層應(yīng)用程序獲取視頻數(shù)據(jù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)

12、程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口，系統(tǒng)調(diào)用是操作系統(tǒng)內(nèi)核和應(yīng)用程序之間的接口。驅(qū)動(dòng)程序主要以編譯為模塊，單獨(dú)加載、運(yùn)行、調(diào)試，它不需要重新啟動(dòng)內(nèi)核，只需通過相關(guān)命令進(jìn)行驅(qū)動(dòng)模塊加載和刪減操作，驅(qū)動(dòng)調(diào)試效率大大提高。 2）視頻壓縮模塊的實(shí)現(xiàn)：因?yàn)椴杉囊曨l圖像一般數(shù)據(jù)比較大，為使視頻能有更好的分辨率，在網(wǎng)上能有更好的傳輸速率，需要對(duì)原視頻圖像進(jìn)行壓縮編碼，可將采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)MPEG（Moving Picture Experts Group）壓縮。視頻壓縮技術(shù)是計(jì)算機(jī)處理視頻的前提。視頻信號(hào)數(shù)字化后數(shù)據(jù)帶寬很高，通常在20MB/秒以上，而采用壓縮技術(shù)以后通常數(shù)據(jù)帶寬降到1-10MB/秒，這

13、樣就可以將視頻信號(hào)保存在計(jì)算機(jī)中并作相應(yīng)的處理。MPEG算法是適用于動(dòng)態(tài)視頻的壓縮算法，它除了對(duì)單幅圖像進(jìn)行編碼外還利用圖像序列中的相關(guān)原則，將冗余去掉，這樣可以大大提高視頻的壓縮比。 3）網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻模塊的實(shí)現(xiàn)：為了達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的，需要將生成的視頻數(shù)據(jù)流并發(fā)布到Internet。MPEG小組提出了基于IP的MPEG-4視頻傳輸。MPEG-4主要有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：專門針對(duì)低帶寬等條件設(shè)計(jì)算法，因而壓縮比更高，使低碼率的視頻得以傳輸；節(jié)省存儲(chǔ)空間，同等條件條件下，經(jīng)過編碼處理的圖像文件越小，占用的存儲(chǔ)空間越??；圖像質(zhì)量好，采用基于對(duì)象的識(shí)別編碼模式，從而保證良好的清晰度。 流媒體的特點(diǎn)是可以采用邊

14、下載邊播放的方式，它是視頻會(huì)議、IP電話等應(yīng)用場(chǎng)合的技術(shù)基礎(chǔ)。目前實(shí)現(xiàn)流媒體傳輸主要通過兩種方法：順序流傳輸和實(shí)時(shí)流傳輸，它們分別適合于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。 4.2家庭網(wǎng)關(guān)模塊 選用三星公司生產(chǎn)的S3C2440芯片作為嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)，它的ARM內(nèi)核是ARM920T。選擇該芯片是基于以下幾點(diǎn)考慮； 1)帶有MMU，可以支持大部分的Linux操作系統(tǒng)； 2)主頻可以滿足大多數(shù)家庭網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸； 3)具有較多的GPIO口供用戶選擇使用，這樣可以使多個(gè)智能電器接入網(wǎng)關(guān)，方便控制； 4)有以太網(wǎng)接口，可以使網(wǎng)關(guān)輕松接入網(wǎng)絡(luò)。 4.3家庭安全防范模塊 1)家庭內(nèi)部可采用被動(dòng)紅外探測(cè)器、可燃?xì)怏w探測(cè)器、溫/濕

15、度傳感器； 2)家庭外部可選擇窗磁、門磁開關(guān)、紅外探測(cè)器、玻璃破碎探測(cè)器、雙鑒探測(cè)器等； 3)家庭內(nèi)外部的探測(cè)裝置與報(bào)警控制器通過無線方式相連； 4)報(bào)警控制器與中心控制器通過有線方式相連。安防報(bào)警的原理圖如圖4所示。 圖4安防報(bào)警的原理圖 4.4設(shè)備控制模塊 系統(tǒng)在收到用戶手機(jī)對(duì)家電的控制命令后，在S3c2440對(duì)應(yīng)的GPIO口產(chǎn)生控制信號(hào)，該控制信號(hào)經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)家電的啟?？刂啤?duì)不同的家庭設(shè)備，給出了不同的解決方案: 1)對(duì)于電燈、電飯煲一類的家庭設(shè)備，采用以繼電器為核心的控制電路控制。首先將繼電器、二極管、限流電阻等連接成一個(gè)控制電路，將繼電器的一個(gè)電源腳接到開發(fā)板的

16、S3C2440芯片的一個(gè)GPIO引腳上，繼電器的另一個(gè)引腳接VCC，通過寫在S3C2440中的程序，來控制GPH1輸出高低電平，進(jìn)而控制繼電器的吸合、斷開，然后由繼電器來控制家用電器的開關(guān)。若有人進(jìn)入家中時(shí)，電燈會(huì)自動(dòng)打開，攝像機(jī)采集視頻進(jìn)行監(jiān)控，可通過Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程的查看和控制。 2)對(duì)于電視機(jī)、空調(diào)一類的家庭設(shè)備，可以通過統(tǒng)一的紅外控制器控制。紅外模塊可直接與S3C2440的UART口相連，由S3C2440中的程序來發(fā)送和接收紅外數(shù)據(jù)。涉及到的程序主要有紅外驅(qū)動(dòng)程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、接收數(shù)據(jù)程序等。 5結(jié)束語 系統(tǒng)控制中心采用ARM微處理器作為控制核心，軟件采用Linux嵌入式操作系統(tǒng)使控制中心具有豐富的軟硬件資源和可擴(kuò)展接口，便于系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 隨著社會(huì)全面的信息化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，智能家居一定會(huì)成為將來家庭生活信息數(shù)