本文介紹了一種以ARM嵌入式開發(fā)板為核心、融合因特網(wǎng)通信和GPRS無線通信技術(shù)的，智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)以及硬件原理框圖和軟件設(shè)計思路。該系統(tǒng)由傳感器采集信號，攝像頭采集圖像，經(jīng)ARM開發(fā)板處理后，利用因特網(wǎng)和GPRS模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的監(jiān)控中心。使用Boa嵌入式Web服務(wù)器和SOLite數(shù)據(jù)庫搭建遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶通過點擊網(wǎng)頁上的按鈕遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令。實驗測試表明，該系統(tǒng)不僅有效地實現(xiàn)了快速報警、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，還實現(xiàn)的圖像的抓拍、打包下載等功能，滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計要求。

　　伴隨著數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的進程，智能化的浪潮席卷了世界的每一個角落，成為一種勢不可擋的歷史化大趨勢。面對當(dāng)前犯罪分子作案手段日趨技能化、智能化、團伙化和暴力化的勢態(tài)，單靠傳統(tǒng)的“人防”一種途徑已遠(yuǎn)不能適應(yīng)新形式下斗爭的需要。

　　新型的安防監(jiān)控系統(tǒng)利用安置在家中的不同功能的傳感器采集各類環(huán)境參數(shù)，傳輸?shù)缴衔粰C，利用信息管理軟件進行數(shù)據(jù)存儲、顯示、分析處理等操作，對異常情況進行報警，并根據(jù)預(yù)置控制策略自動處理，及時消除安全隱患。

　　隨著網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及圖像壓縮處理技術(shù)以及傳輸技術(shù)的快速發(fā)展，使得家庭能夠采用最新的通訊和圖像處理技術(shù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)字圖像，可為實現(xiàn)家庭監(jiān)控系統(tǒng)提供高效可行而且價格低廉的解決方案。

　　因此，開發(fā)和推廣遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)，使得人們在可以繁忙工作的同時，在遠(yuǎn)程就了解自己家庭概況，及時做出分析與判斷，具有非常重要的實際意義。

　　1系統(tǒng)功能及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　1.1系統(tǒng)實現(xiàn)的功能

　　該系統(tǒng)主要是針對家庭用戶而設(shè)計的，對家居的安全狀況進行監(jiān)控。用戶可以根據(jù)自己需要進行用戶基本信息及監(jiān)控狀態(tài)、監(jiān)控參數(shù)等的設(shè)置。系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：

　　1)用戶設(shè)置：可以在監(jiān)控主頁面點擊用戶設(shè)置按鈕，設(shè)置登錄界面的用戶名、密碼;修改或新增接收告警信息的手機號碼、變更短信中心號碼、設(shè)置火災(zāi)溫度上限。

　　2)家居安全狀況遠(yuǎn)程實時監(jiān)控與查詢：主人外出，可通過手機或其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過瀏覽網(wǎng)頁來查看家中的安全狀況。

　　同時主人可以點擊網(wǎng)頁上的相關(guān)按鈕，遠(yuǎn)程發(fā)送控制命令。

　　3)家居安防監(jiān)控：當(dāng)小偷闖入住宅或有火災(zāi)等違紀(jì)事件發(fā)生時，監(jiān)控終端能實時地監(jiān)測到險情，并自動采取相應(yīng)處理措施，同時向監(jiān)控中心發(fā)送告警信息，監(jiān)控中心則以GSM短信的方式通知戶主。

　　4)現(xiàn)場圖像抓拍功能：在設(shè)防狀態(tài)下，當(dāng)紅外傳感器或者門磁觸發(fā)告警時，攝像頭將自動抓拍圖像，通過在ARM開發(fā)板上搭建的MGPJ—Streamer服務(wù)器處理圖像，并以流的方式將圖像保存到SQLite數(shù)據(jù)庫中。

　　5)歷史照片的打包下載和定時刪除：為方便查看和快速傳輸歷史照片，所以將歷史照片以.tar.gz格式進行打包壓縮，同時為保證存儲空間的充裕，所以提供定時刪除過去一段時間的照片。

　　1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)以FS_S5PC100開發(fā)板和Linux操作系統(tǒng)作為實驗平臺，主要立足互聯(lián)網(wǎng)，采用攝像機采集圖像，經(jīng)壓縮處理后傳到互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)端用戶可以通過瀏覽網(wǎng)頁或手機上網(wǎng)直接查看家中情況。利用市場上比較通用的GPRS模塊收發(fā)信息，利用Linux內(nèi)核中的PPP撥號上網(wǎng)的方式;使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過交叉編譯模式，使用C語言編寫移植驅(qū)動和控制程序，并在Linux系統(tǒng)中搭建視頻服務(wù)器、WEB服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)的總體設(shè)計框架如圖1所示，整個系統(tǒng)分為以下3個模塊：

　　1)輸入模塊：包括兩類，一是監(jiān)測參數(shù)的采集模塊，即火災(zāi)的溫度采集模塊、防盜的攝像頭監(jiān)測模塊，采集并無線發(fā)送監(jiān)測參數(shù);二是實現(xiàn)控制的模塊，即Internet或手機通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對整個監(jiān)測系統(tǒng)的用戶信息及監(jiān)控參數(shù)的設(shè)置、監(jiān)測參數(shù)的查詢、顯示及設(shè)防、撤防等控制指令下發(fā);

　　2)處理模塊：以ARM開發(fā)板為核心的主控板，接收由輸入模塊采集的數(shù)據(jù)，并進行邏輯判斷，如果有異常發(fā)生，通知輸出模塊做出相應(yīng)的處理;同時也能根據(jù)網(wǎng)頁上發(fā)送過來的各種設(shè)置和控制指令，然后調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)；

　　3)輸出模塊：解析處理模塊發(fā)出的信號，實施相應(yīng)的異常處理措施;如果溫度傳感器測得的溫度高于預(yù)先設(shè)定的溫度或者紅外傳感器探測到有不法分子闖入，那么開啟相應(yīng)的聲光報警和對應(yīng)的異常處理，通過控制攝像頭來捕捉圖片，然后進行圖像處理并將數(shù)據(jù)保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中。并通過GPRS模塊發(fā)送告警短信通知用戶家居現(xiàn)場情況，用戶根據(jù)具體情況點擊網(wǎng)頁上對應(yīng)按鈕發(fā)送命令給系統(tǒng)，完成一個遠(yuǎn)程監(jiān)控的任務(wù)。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，分析遠(yuǎn)程安防監(jiān)控系統(tǒng)功能上的需求，得知相應(yīng)的硬件需求如表1所示。

　　處理模塊處在系統(tǒng)中間層，既要處理輸入模塊采集的數(shù)據(jù)，又要控制輸出模塊的相應(yīng)處理，同時還得與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)交互，這就要求其具有較強的數(shù)據(jù)處理能力。基于此考慮，本系統(tǒng)選用了基于Samsllng公司的Cotex_A8內(nèi)核的FS_S5PC100作為實驗平臺。考慮到市場的普及度與可靠性的要求，GPRS模塊選用SIEMENS公司的TC35i/MC35，該模塊內(nèi)嵌強大的TCP/IP協(xié)議棧，低功耗，增強的AT控制指令。由于具體的硬件設(shè)計電路圖比較繁雜，在此給出系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖，如圖2所示。

　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件實現(xiàn)主要包括：S5PC100軟件編程，監(jiān)控頁面的編程兩大部分，在此只介紹S5PC100微控制器的軟件編程部分。

　　3.1系統(tǒng)移植與驅(qū)動設(shè)計思想

　　考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在S5PC100上采用Linux嵌入式實時操作系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)(RTOS)相比，采用嵌入式Linux這樣的開放源碼的操作系統(tǒng)的另外一個好處是Linux開發(fā)團體看來會比RTOS的供應(yīng)商更快地支持新的IP協(xié)議和其它協(xié)議。例如，用于Linux的設(shè)備驅(qū)動程序要比用于商業(yè)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序多，如網(wǎng)絡(luò)接口卡(NIC)驅(qū)動程序以及并口和串口驅(qū)動程序。

　　各種設(shè)備由于功能不同，驅(qū)動程序提供的函數(shù)接口也不相同，但Linux為能夠統(tǒng)一管理，規(guī)定了Linux下設(shè)備驅(qū)動程序必須使用統(tǒng)一的接口函數(shù)file_operations。根據(jù)功能填充對應(yīng)的file_operations中的接口函數(shù)。為便于開機啟動，統(tǒng)一地將驅(qū)動程序靜態(tài)編譯到內(nèi)核。

　　另外，涉及設(shè)備節(jié)點的創(chuàng)建，選擇了udev機制來自動創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點，具體步驟如下：

　　1)在一開始定義一個類class，再在類下面定義一個設(shè)備class_dev;2)xx_init()函數(shù)中，使用class_creat()和device_creat()創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點;3)xx_exit()函數(shù)中，使用class_destory()卸載設(shè)備節(jié)點。其中，設(shè)備號的選擇，通過查詢內(nèi)核中Documents/device.txt選用空閑的設(shè)備號，當(dāng)然也可以用major=register_chrdev(0,"name",&file_operation)自動生成。

　　3.2串口通信程序設(shè)計

　　系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)的采集、上傳和監(jiān)控頁面控制命令的下發(fā)，所以數(shù)據(jù)傳輸是整個應(yīng)用程序的關(guān)鍵部分，即S5PC100與GPRS模塊的串口通信程序的設(shè)計。

　　在定義與串口相關(guān)寄存器地址的基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)體構(gòu)造新的串口數(shù)據(jù)類型，結(jié)構(gòu)體成員為函數(shù)指針，它們指向編寫的具體實現(xiàn)函數(shù)，而函數(shù)體中的數(shù)據(jù)直接操作串口寄存器，實現(xiàn)了串口驅(qū)動程序，實際上就是上面驅(qū)動程序思想，填充對應(yīng)的file_operations中的接口函數(shù)，實現(xiàn)我們自己的驅(qū)動程序。以下是實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)類型的主要源代碼：

　　串口采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，提高了串口數(shù)據(jù)處理的實時性和整個CPU的工作效率。具體來說，S5PC100的串口1收到輸入模塊發(fā)送的家居環(huán)境參數(shù)，進行邏輯判斷，結(jié)合輸出模塊處理后，傳輸?shù)奖O(jiān)控頁面，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳;S5PC100的串口1收到監(jiān)控頁面發(fā)送的指令后，調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，把指令同步到各個模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下發(fā)。

　　3.3Web服務(wù)器的搭建

　　為方便用戶通過internet或GPRS網(wǎng)絡(luò)接入互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控家里情況，提供遠(yuǎn)程Web服務(wù)。本模塊主要包括2個部分：

　　1)BOA服務(wù)器模塊設(shè)計：在嵌入式系統(tǒng)中移植BOA服務(wù)器，提供Web服務(wù);

　　2)cgi模塊詳細(xì)設(shè)計：根據(jù)監(jiān)控頁面上的不同按鈕，發(fā)送不同信息給S5PC100，S5PC100調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)，執(zhí)行網(wǎng)頁按鈕相應(yīng)功能。

　　3.4應(yīng)用程序整體設(shè)計

　　在搭建好系統(tǒng)環(huán)境，成功移植硬件驅(qū)動后，在Ubuntul2.04上Linux2.6內(nèi)核環(huán)境下進行程序的開發(fā)調(diào)試。系統(tǒng)中主要的進程，包括3個線程等待控制命令，在代碼中采用輪詢的形式來對線程狀況進行檢測，發(fā)生問題的時候進行相應(yīng)得處理，用戶可通過網(wǎng)絡(luò)訪問本系統(tǒng)并遠(yuǎn)程進行控制操作。調(diào)用了兩個線程分別操作thief處理線程和fire處理線程。thief線程和fire線程分別調(diào)用GPRS模塊和攝像頭模塊進行短消息的發(fā)送和圖像的采集及保存。同時調(diào)用FS_S5PC100開發(fā)板自帶的，蜂鳴器模塊和LED模塊實現(xiàn)報警，另外利用流水燈模擬滅火的操作。具體框架如圖3所示。

　　輸入模塊和輸出模塊也是分別創(chuàng)建線程處理不同的任務(wù)，模塊之間通信選用了消息隊列，對于共享資源采用了互斥鎖和條件變量，保證資源的共享和原子操作。

　　4測試結(jié)果

　　整個系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下進行了測試，利用S5PC100開發(fā)板上自帶的按鍵key1模擬外人闖入，按鍵key2模擬主人進入，溫度的采集使用了LM75溫度傳感器采集，同時為便于調(diào)試我們同時也利用ADC來模擬溫度變化。整個監(jiān)控界面效果圖如圖4所示。

　　通過點擊頁面上的用戶設(shè)置按鈕，可以設(shè)置用戶名、密碼的修改及新用戶的增加;手機短信號碼的修改及新手機號碼的增加;短信中心號碼更改;報警溫度設(shè)置，這些參數(shù)設(shè)置好后都保存在數(shù)據(jù)庫中。點擊用戶基本信息按鈕，可以查看用戶信息，及報警功能的開關(guān)狀態(tài)等。點擊歷史照片查看，會跳轉(zhuǎn)到，頁面首先顯示第一張照片，可以在查看照片的頁面上點擊上一張、下一張、返回主頁面按鈕。點擊歷史照片下載按鈕，歷史照片會以_tar.gz格式打包。點擊連拍按鈕，攝像頭會自動連續(xù)拍照5張并存儲。另外，在開發(fā)板上配置并開啟crontab定時服務(wù)，實現(xiàn)歷史照片的定時刪除功能。

　　在測試報警功能時，先要點擊主頁面開報警功能按鈕，當(dāng)按下S5PC100開發(fā)板上的key1鍵，蜂鳴器響，指定手機收到報警短信，抓拍的照片可以通過點擊頁面歷史照片查看按鈕查看。通過點擊主頁面關(guān)閉當(dāng)前報警按鈕，關(guān)閉蜂鳴器。當(dāng)調(diào)節(jié)電壓協(xié)調(diào)器使模擬的溫度過高時，蜂鳴器響，指定手機收到報警短信，流水燈不斷閃爍模擬滅火。點擊報警日志查看報警記錄，效果如圖5所示。

　　5結(jié)論

　　以上提出的基于ARM的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，有機結(jié)合了ARM高效的處理技術(shù)、GPRS可靠的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計等技術(shù)，不僅實現(xiàn)了安防方面的迅速報警、記錄證據(jù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，而且誤報率低、成本低。實驗證明，該系統(tǒng)運行可靠，達(dá)到了遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。另外，本系統(tǒng)還需繼續(xù)改進，比如，將開發(fā)板上時間調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)時間;增加利用tftp實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新應(yīng)用程序等功能。