基于ARM9的無線智能監(jiān)控系統(tǒng)設計

1、學 號:2012407218 2015-2016學年第一學期嵌入式系統(tǒng)期 末 論 文 論文題目姓名:張江州院 系:信息技術學院專 業(yè):農(nóng)業(yè)電氣化與自動化年 級:2012論文提交日期:2015年 10月成 績: 一、摘要21世紀是信息技術高速發(fā)展的時代,社會的信息化喚起了人們對住宅智能化及家居智 能化的要求,智能住宅己成為中國房地產(chǎn)市場的主流。計算機行業(yè)和家電行業(yè)、電信行業(yè)、 安防監(jiān)控行業(yè)的互相滲透、 互相融合, 使信息時代的未來家居生活逐步成為現(xiàn)實。 建設部要 求根據(jù)不同消費者的需要,推動家居數(shù)字化、建筑智能化,到 2010年全國大中城市 60%的 住宅要實現(xiàn)智能化由此可見中國智能家居市場潛力

2、巨大。智能家居 (Smart Home,又稱智能住宅。通俗地說,是利用先進的計算機、嵌入式系 統(tǒng)和網(wǎng)絡通訊技術,將家庭中的各種設備 (如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡家電 通過家庭網(wǎng)絡連接到一起。 一方面, 智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設備, 比 如,通過無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別方式控制家用設備 ; 另一方面,智能家居 內(nèi)的各種設備相互間可以通訊, 不需要用戶控制也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運行, 從而給用戶 帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。關鍵字:智能家居 數(shù)字智能1引言20世紀 80年代初,隨著大量采用電子技術的家用電器面市,開始出現(xiàn)了 住宅電子化 (HE,Ho

3、me Electronics 的概念。 80年代中期,將家用電器、通訊設 備 與 安 防 設 備 的 功 能 綜 合 為 一 體 , 形 成 了 家 居 自 動 化 概 念 (HA, HomeAutomation 。 80年代末,由于通信與信息技術的發(fā)展,出現(xiàn)了對住宅中 各種通信、家電、安防設備通過總線技術進行連接、控制與管理的商用系統(tǒng),這 在美國稱為智慧屋 (WH,Wise Home,在歐洲稱為時髦屋 (SH,Smart Home。當時 日本正處于房產(chǎn)市場低迷時期, 日本建設省在推進智能建筑概念時, 抓住用于住 宅總線技術的契機,提出了家庭總線系統(tǒng)概念 (HBS,Home Bus Syste

4、m。而隨著 技術的繼續(xù)發(fā)展和生物識別技術的實用化普及, 智能家居的概念才真正體現(xiàn)了其 本意, 在好萊塢科幻電影中看到的那種高度智能化的家居系統(tǒng)正在走進我們的生 活。日本松下公司正在把 “數(shù)碼家庭”的概念應用到養(yǎng)老院,養(yǎng)老院的所有 房間都裝有多種測量儀器、觸摸式顯示屏、數(shù)碼攝像機等,并與局域網(wǎng)相連,這 樣每個居住者的體溫、 血壓等多項數(shù)據(jù)可以傳送到護理中心, 實現(xiàn)遠程醫(yī)療護理。美國麻省理工學院的實驗室正在研究“智能房間” ,通過生物傳感器探測人的行 為來自動控制和調節(jié)居住系統(tǒng)。日本大型住宅公司 MISAWA HOME 為解決購房者對 房屋防盜系統(tǒng)的不滿意,新近推出 “保全住宅” 該住宅內(nèi)部采用指

5、紋辯識門禁系 統(tǒng),另設有隱藏式防盜室, 當遇到小偷闖入時屋主可躲進去緊急避難, 防盜室設 有兩道厚重的門,其中內(nèi)門只要從里面上鎖后, 外部無法靠人力打開。 防盜室內(nèi) 裝設電話專線,電話線埋在地下, 另外還可在屋內(nèi)放置一個機器人, 畝以依歹徒 恐嚇的聲音來反應,并出聲求救,發(fā)揮報警求救功能 6。二、設計目的及意義本設計是基于 ARM9的智能家居監(jiān)控模塊開發(fā)與實現(xiàn),我們采用 ARM9 內(nèi)核的 S3C2410處理器為控制芯片, 再將 Linux 系統(tǒng)移植到硬件平臺上, 然后設計好相應 的驅動程序和應用程序, 最后將軟件下載到硬件平臺來對家電進行本地和遠程控 制。系統(tǒng)主要有 GSM 通訊模塊和 ARM

6、9系統(tǒng)板兩個部分組成。而系統(tǒng)軟件主要完成 各個模塊之間交互通信的功能。智能家居與普通家居相比, 它不僅具有傳統(tǒng)的居住功能,提供舒適安全、高 品位且宜人的家庭生活空間, 還由原來的被動靜止結構轉變?yōu)榫哂心軇又腔鄣墓?具,提供全方位的信息交換功能, 幫助家庭與外部保持信息交流暢通, 優(yōu)化人們 的生活方式,幫助人們有效安排時間, 增強家居生活的安全性, 甚至為各種能源 費用節(jié)約資金。智能家居是數(shù)字家庭的一部分, 只有將智能控制和上網(wǎng)功能集成起來, 才形 成真正意義上的數(shù)字家庭。數(shù)字家庭涉及的領域將綜合生活中的娛樂、工作、 投 資理財、學習、醫(yī)療、教育等,是實現(xiàn)家庭內(nèi)部、家庭和社會的實時性溝通的綜 合

7、系統(tǒng)。數(shù)字家庭伴隨著無線而產(chǎn)生,也使無線技術得到了充分的應用和體現(xiàn)。 三、智能家居基本模塊及解決方案首先對智能家居系統(tǒng)的功能模塊做了系統(tǒng)的分析, 提取出四個最基本的功能 模塊, 然后在比較國內(nèi)外各種實現(xiàn)技術的優(yōu)缺點的基礎上, 確定課題各模塊的選 型,最終提出一套自己的智能家居解決方案。3.1 智能家居的基本功能模塊目前的智能家居行業(yè), 首先,處于一個初始發(fā)展時期,國際社會暫時還沒有 形成一個公認的標準 ; 其次,智能家居的應用場所一家庭住宅或住宅小區(qū),不同的實際環(huán)境也對智能家居提出了不同的要求與解決辦法 ; 此外,居民都希望能夠 對智能家居進行個性化配置,滿足自身的特殊需求。這樣的形勢, 致使

8、開發(fā)商在 實施智能家居時的方式、 范圍及側重點也不盡相同。 有些用戶比較注重家電的智 能控制, 而有些用戶可能更加關心家庭安全防范, 還有些用戶則希望建立相對全 面的智能家居系統(tǒng),滿足多方面的需求。功能模塊見下圖。 圖 3.1 功能模塊圖圖 3.1是根據(jù)課題充分分析現(xiàn)有的智能家居解決方案,結合自己的調查研 究,從中提取出四個最為基本的功能模塊 :家庭對外通信模塊、家庭網(wǎng)關模塊、 家庭安全防范模塊、 家庭設備自動控制模塊, 并在此基礎上確定自己的智能家居 解決方案。傳統(tǒng)的智能家居系統(tǒng)是為了滿足住戶方便性的要求, 一般是為了實現(xiàn)家用電 器的遠程控制的目的,所以只包括“家庭對外通信模塊” 、 “家庭

9、網(wǎng)關模塊” 、 “家 庭自動控制模塊” ,隨著近年來盜竊等現(xiàn)象的愈演愈烈,用戶又提出了家庭安防 的要求, 而近年來通信、 計算機、 自動化等技術的不斷發(fā)展使這種要求能夠成為 現(xiàn)實。 所以課題的解決方案中考慮到了用戶對家庭安防的需要, 在傳統(tǒng)模塊劃分 的基礎上增加了“家庭安防模塊” 。下文結合國內(nèi)外功能模塊的實現(xiàn)方式, 將對各模塊做詳細分析與評述, 最終 提出自己實現(xiàn)各個模塊的技術路線。3.2 家庭對外通信模塊智能家居的最終目的都是為 “滿足人們對舒適、方便、高效和符合綠色環(huán)境 保護的需求” ,其中“方便”要求家庭內(nèi)部系統(tǒng)能夠通過家庭對外接口,實現(xiàn)家 庭外部的遠程控制。 家庭對外通信模塊的作用在

10、于此, 它在智能家居系統(tǒng)中扮演 著非常重要的角色。具體來講, 該模塊的功能是提供一個家庭內(nèi)部與外部的通信鏈路, 通信的內(nèi) 容是數(shù)據(jù)信息或指令信息,常用的通信媒介有電話、 GSM 短信、 Internet 等。 隨著新技術的發(fā)展, 家庭對外通信模塊從功能和方式上得到了豐富 :功能上, 過去只是完成簡單指令信息的單方傳輸, 現(xiàn)在更多的是提供數(shù)據(jù)信息的通信, 包 括通信交流、商務、娛樂、教育、醫(yī)療保險等 ; 方式上,從電話通信到 Internet 通信,再到 GSM 手機短信通信,越來越體現(xiàn)出通信方法的多樣化和簡便化。3.3 家庭網(wǎng)關模塊家庭網(wǎng)絡就是在家庭內(nèi)部通過適當?shù)慕M網(wǎng)技術把家庭網(wǎng)關 (Resi

11、dential Gateway,RG 與其他設備組成可以進行信息交換的內(nèi)部網(wǎng)絡,并通過家庭網(wǎng)關與 外部網(wǎng)絡相連,形成面向家庭的業(yè)務提供平臺。 在智能家居的實現(xiàn)過程中, 家庭 網(wǎng)關占據(jù)至關重要的位置。 家庭網(wǎng)關是連接外部公網(wǎng)和家庭私網(wǎng)的關口, 既負責 家庭內(nèi)部對公網(wǎng)的訪問和交互,又負責用戶從公網(wǎng)上對家庭網(wǎng)絡的訪問和控制, 另外還要負責家庭內(nèi)部設備的互連、互控等操作,因此, 家庭網(wǎng)關成為智能家居 研究的重點。本設計是選擇三星公司生產(chǎn)的 S3C2410芯片作為嵌入式家庭網(wǎng)關,它的 ARM 內(nèi)核是 ARM920T 。之所以選擇該芯片是基于以下幾點考慮;(1它帶有 MMU ,支持 Windows CE和

12、大部分的 Linux 操作系統(tǒng);(2它主頻達到 202MHZ ,能夠滿足一般家庭網(wǎng)關數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?(3它具有三通道的 UART 口, 每個 UART 口都支持 IrDAL0協(xié)議, 為紅外通信 提供接口;(4它大約有上百個 GPIO 口可供用戶使用, 使多個家用電器的接入網(wǎng)關成為 可能;(5它還有一個 loom 的以太網(wǎng)口,使家庭網(wǎng)關能夠輕松接入 Internet 。 3.4 家庭安全防范模塊安全防范就是保障人們在生產(chǎn)、 生活和一切社會活動中人身生命、 財產(chǎn)和生 產(chǎn)、生活設施不受侵犯,防止侵害行為的總稱。智能家居在滿足人們舒適、方便 生活的同時, 也要求為家庭提供安全防范方面的保障。 它包含的

13、內(nèi)容有防止入侵、 盜竊、破壞、爆炸等,它的原則是“以防為主,打防并舉” ,安全防范工作貫徹“人防、技防、物防”相結合的方針政策。因此，智能家居將家庭安全防范模塊 定義為其四個基本要素之一。課題將安全防范的內(nèi)容分為兩部分，分別是家庭內(nèi) 部環(huán)境安全、家庭對外非法入侵預防，這兩方面都體現(xiàn)了現(xiàn)代技術在智能家居中 的應用。 在此提出一套可行的安防方案，可供以后繼續(xù)研究實踐: (1住宅內(nèi)部采用被動紅外探測器、可燃氣體探測器、溫/濕度傳感器； (2住宅外部可選擇窗磁、門磁開關、紅外探測器、玻璃破碎探測器、雙鑒 探測器等； (3住宅內(nèi)外部的探測裝置與報警控制器通過無線方式相連； (4報警控制器與中心控制器通過

14、有線方式相連。 3.5 家庭設備自動控制模塊 智能家居的初衷是解決家庭設備的自動控制問題， 將更多的設備通過某種方 式連接，達到統(tǒng)一、集中控制，為家庭生活帶來方便。因此，現(xiàn)代智能家居的最 基本的功能需求體現(xiàn)在家庭設備的自動控制， 家庭設備自動控制模塊也就成為其 最基本的模塊。 對不同的家庭設備，課題給出了不同的解決方案: (1對于電飯鍋、電燈一類的開關量家庭設備，建議采用以繼電器為核心的 控制電路控制。具體方案為首先將繼電器、二極管、三極管、限流電阻等連接成 一個控制電路，然后將繼電器的一個電源腳接到開發(fā)板的 S3C2410 芯片的一個 GPIO 引腳上，繼電器的另一個引腳接 VCC，這樣，可

15、以通過燒寫在 S3C2410 中的 程序，來控制 GPH1 輸出高低電平，進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。 (2對于電視機、空調一類提供紅外接口的家庭設備，通過統(tǒng)一的紅外控制 器控制;可行的方案是采用紅外模塊， 紅外模塊可直接與 S3C2410 的 UART 口相連， 這樣由 S3C2410 中的程序來發(fā)送和接收紅外數(shù)據(jù)。 可能涉及到的程序有紅外驅動 程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序、接收數(shù)據(jù)程序等。 (3對于信息家電，首先通過網(wǎng)絡接口接入家庭以太網(wǎng)，如果信息家電支持 家電生產(chǎn)廠商的遠程服務，智能家居系統(tǒng)便可以減少對它的操作，如果不支持， 則需要借助于信息家電提供的以太網(wǎng)交互

16、命令，通過智能家居系統(tǒng)執(zhí)行相關操 6 作。 四、自我評價： 在經(jīng)過充分的考察了解和對大量資料的研究后， 分析了國內(nèi)外智能住宅的現(xiàn) 狀和發(fā)展趨勢，并結合我國住宅的實際情況以及人們的需要，給出了一種智能家 居控制系統(tǒng)的開發(fā)設計方案。經(jīng)過一段時間的努力，設計終于接近尾聲，在設計 過程中，我學到了許多在書本學不到東西，這些對將來的學習和工作都提供了一 筆寶貴的財富。 由于時間短、實驗條件有限，更多的是本人能力有限，沒有實現(xiàn)論文中的全 部設計，但是在不斷的摸索開發(fā)中我漸漸熟悉了嵌入式系統(tǒng)基本的開發(fā)流程，熟 悉了一些基本工具的使用，理解了一些基本原理，算是一個小小的入門。設計過 程中， 我感覺從事嵌入式開發(fā)