基于嵌入式Linux智能家居无线监控系统的设计

  内容摘要：针对传统家居监控系统布线复杂的问题，提出了一种嵌入式智能家居无线监控系统。该系统以S3C2440为硬件平台，以Linux操作系统为软件平台，系统内移植Web 服务器，并采用了GPRS无线网络通信传输技术，用户可通过测览器查询家居信息。实现了对家居的远程监控、状态查询等功能，可满足人们对家居高品质生活的追求。

    关键词：监控系统；Linux；Web；GPRS

    随着嵌入式技术、网络技术的迅速发展以及人民生活水平的提高，人们开始更加注重家居环境的安全，伴髓人们需求的提高，基于嵌入式的实时监控系统应运面生。目前，视频监控系统经历了模拟监控、数字监控和网络监控3个阶段。虽然视频监控系统在20世纪90年代末就在中国市场兴起，有很多公司推出了自己的智能家居系统，但是现在仍来得到普及，而且目前智能家居的国际标准尚未成热，因此智能家居监控系统存在广阔的发展空间。
    笔者提出的智能监控系统有煤气传感器、红外探头传感器、摄像头等数据采集模块。当监控终端探测到室内发生异常时，摄像头拍照并将到的图片信息经过压缩，通过内部总线发送到Web服务器，并将相关数据通过GPRS无线模块发送到用户手机上。用户可以通过浏览器进行访问，以查看Web服务器上的监控图片，并做出相应处理。

1 总体设计
    本系统由室内监控终端和远程监控中心两部分组成。监控终端采用嵌入式系统，分为硬件平台和软件平台两部分，其中硬件平台由处理器和外围设备组成，而软件平台由嵌入式操作系统和应用软件组成。当检测模块检测到异常时，摄像头采集监控画面，并进行压缩编码处理，GPRS通过拨号的方式连入互联网，将压缩的码流经过互联网传输到监控中心，整个系统是基于B／S架构设计的，用户不需要安装任何专用的软件就可以查看室内监控系统的画面，总体设计框图如图1所示。

    2 系统硬件设计

    2. 1 主控模块

    采用S3C2440处理器芯片作为智能家居控制系统的控制核心，CPU工作频率最高可达533MHz，拥有可进行乘累加单元(MAC)、指令和数据存储器管理单元(MMU)、16 kB的指令和数据缓存、16字深的写缓冲，为程序的高速运行提供了有力保证。S3C2440提供了外设有存储控制器、NANDFlash控制器、摄像头接口、USB控制器等。

    2．2 GPRS无线传输模块

    GPBS无线移动通信网络覆盖面广、网络能力强、系统性能稳定、价格低廉、易于安装使用。它基于IP的网络，传输速率理论上可达171．2 kb／s，且传输时延小。本文采用GF-5000 WGPRS模块，它是一个单面高集成度精巧结构设计，拥有GPRSClass10多时隙功能，支持GSM900／DCS1800双频，支持电路交换语音和短消息业务，拥有GSM07．07和增强型AT命令集。

    2．3 图片采集模块

    图像采集的设备有很多种，OV9650传感器具有130万像素，分辨率可达1 280x1024，具有标准的SSCB接口和10bit数据接口。由于S3C24 40片内有摄像头接口外设，所以将OV9650摄像头芯片直接与处理器摄像头接口引脚相连，图像并行传输，图像数据速度明显提高。

    2．4 传感器模块

    本文选用MC-112催化式传感器，来检测可燃气体浓度。具有半导体技术、高灵敏度、稳定可靠等特点。选用红外热释电传感器LHi778作为人体检测模块。采用红外热释电传感器专用信号处理芯片BISS0001来完成信号的处理放大。

    网络芯片转换成一个以太网接口，DM9000芯片配备有标准10M／100M自适应功能，支持以太网接口协议，拥有一个通用的处理器接口、一个EEPROM接口和4kDWORDSRAM缓存数据区。

    3 系统软件设计

    3．1 嵌入式开发平台

    Linux开放源代鹤、资源丰富、内核可裁剪等优点，因此我们采用Linux作为操作系统。构建嵌入式操作系统平台主要包括构建交叉编译环境、Boot Loader移植、内核的裁剪与编译、根文件系统的制作等。其中内核的裁剪的主要操作有：1)编辑Makefile文件。将CROSS_COMPI LE=opt／host／armv41／bin／armv41-un-know-linux改为CROSS_COMPILE=arm-linux。2)编译内核make menuconfig配置Linux内核。3)执行命令makedep创建内核的依赖关系。4)创建内核镜像make zImage。4)Linux内核压缩映像zImage建立根文件系统。

    3．2 图像采集

    在Linux下的视频采集是通过Video4Linux实现的，它是连接视频设备的内核程序，提供了一系列的接口函数API，专门服务于视频设备的应用程序编程。在编译内核时要将Video4Linux项选中，对应的设备文件目录是／dev／video。设备驱动提供了open、read、write、close等函数调用，采用内存映射mmap方式把设备内存映射到应用程序的内存空间中，用户空间和内核空间不需要交换数据，视频采集流程图如图2所示。

    3．3 GPRS无线通信

    利用TCP／IP协议将数据打包，再通过GPRS模块传到GPRS同络，GPBS网络通过路由器与Internet相连，将数据包送到固定IP地址的监控服务器端口，以实现系统无线传输。

    在嵌入式linux操作系统下实现GPRS按号上网，需要PPP协议支持、拨号应用程序移植和拨号脚本程序编写。PPP即点到点协议，为在同等单元之间传输数据包。系统是通过拨号方式来建立点对点连接，按照顺序发送数据包。

    然后对拨号端口进行配置，最后调用ppp_on_dialer脚本文件实现同服务器会话。进而在会话程序中进行登录，实现无线接入。

    3．4 嵌入式Web服务器

    Boa是一种高性能单任务的HTTP服务器，能够支持实现动态Web技术的CGI(公用网关接口)技术，源代码开放，而且能够非常方便地在操作系统上进行移植。当有连接请求时，Boa不为每个连接单独创建进程，而是通过建立HTTP请求列表来处理多路连接请求，同时为CGI程序创建新的进程，这样在最大程度上节省了系统资源，所以十分适用于嵌入式系统。我们利用Boa在嵌入式linux操作系统上建立Web服务器，利用CGI最终实现对家庭设备的控制。

    Linux下实现Boa，需要对Boa做一些配置和修改。主要通过对boa.conf和mime.type文件进行修改，需要将cgi文件扩展名和applICatio n／x-httpd-cgi类型关联；配置CGI脚本存放路径，在boa．conf中用ScriptAlias来指明，然后创建HTML文档目录、CGI脚本目录，最后将boa．conf放到／etc／boa目录下。Web服务器接收到请求，将浏览器发过来的参数传递给CGI程序，CGI程序完成处理，生成HTML页面代码写到重定向的标准输出。

    4 结论

    本系统采用嵌入式Linux作为软件开发平台，便于系统的开发、测试、升级及扩展，同时也提高了系统的稳定性、可靠性。通过GPRS无线传输，并应用Web服务器浏览网页，实现智能家居监控系统，能够满足家用的需求。