一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及智能家居技術領域，尤其涉及一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)。本實用新型提供一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性高，融合ZigBee和3G、4G無線網絡，遠程與本地均可視頻監(jiān)控，兼容移動設備使用等優(yōu)點。本實用新型用于對現(xiàn)代家居中燈光、溫度、視頻等設備進行智能監(jiān)控，在嵌入式Linux系統(tǒng)設備中架設web server，以實現(xiàn)用戶能夠在任何地方通過移動設備或互聯(lián)網瀏覽器對現(xiàn)代家居系統(tǒng)進行遠程和本地控制，該實用新型使得現(xiàn)代家居控制系統(tǒng)更加靈活和便于控制，主要包括三個部分：家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)、無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控設備，監(jiān)控設備通過無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)連接到家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)。
【專利說明】
一種嵌入式L i nux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)
技術領域
[0001]本實用新型涉及智能家居技術領域，尤其涉及一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]伴隨著我國最近幾年的移動終端的大面積普及和3G和4G網絡的大規(guī)模發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了快熟發(fā)展，手持設備用戶可以使用手機等來查看和操作視頻監(jiān)控系統(tǒng)。同時現(xiàn)有的移動網絡和存在的固有監(jiān)控網絡可以任意互聯(lián)，大大的提高了視頻監(jiān)控類增值業(yè)務的發(fā)展機會。3G和4G網絡擁有非常快的傳輸速度，這使得網絡帶寬的限制問題得到了極大的緩解?，F(xiàn)如今，中國的移動電信平臺運營商也積極推行移動終端視頻監(jiān)控的增值業(yè)務，這不僅有利于提高全民的生活水平，還大大的促進了網絡視頻監(jiān)控的發(fā)展。未來隨著視頻監(jiān)控業(yè)務和其他視頻業(yè)務的共同發(fā)展與融合，比如傳感器網絡、視頻會議、視頻電視等業(yè)務與網絡視頻監(jiān)控的融合發(fā)展，那么要不了多久，網絡視頻監(jiān)控業(yè)務將會上升到一個新的高度。中國的網絡視頻監(jiān)控市場雖然發(fā)展還沒多少年，現(xiàn)如今網絡視頻監(jiān)控標準的日益完善和監(jiān)控業(yè)務規(guī)模的不斷擴大，以及監(jiān)控新需求的不斷改變，網絡視頻監(jiān)控將會有著良好的前景和廣闊的發(fā)展。同時，相關人員也在此基礎上做出了相關研究和成果。
[0003]中南民族大學的張勇、汪紅等采用單片機與智能家居服務機器人裝置連接，并通過集散系統(tǒng)(DCS)，完成智能家居上、下位機控制(“一種基于單片機的語音控制智能家居服務機器人裝置”，中國專利，申請?zhí)?lt;吧01520533103，申請日:2015.11.11)。該系統(tǒng)采用單片機作為中心控制器，其性能和通信實時性不能保證，且與機器人終端連接組成控制系統(tǒng)，成本相對較高。
[0004]華南理工大學的李迪、孔慶彥等采用ZigBee技術感知和控制智能家居設備，通過手持控制器或紅外控制命令實現(xiàn)對家用設備的控制(“一種基于ZigBee技術的智能家居系統(tǒng)，，，中國專利，申請?zhí)?CN201020104269，申請日:2010.01.26)。該系統(tǒng)雖然引入ZigBee無線傳感器網絡，但整個系統(tǒng)對家居底層終端設備控制單一，且僅通過手持控制器進行本地控制，控制范圍較小，另外沒有視頻監(jiān)控模塊，不能實時反饋底層設備控制信息和狀態(tài)。
[0005]南京師范大學的王奔使用ARM處理器以及嵌入式Linux操作系統(tǒng)(“基于ARM和嵌入式Linux的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計”，碩士論文，日期:2011.05.21)，雖然該系統(tǒng)能夠較好的兼容對家居系統(tǒng)進行本地和遠程控制，但是倘若在較大面積的家庭環(huán)境下，將有諸多設備網關，此時添加較為繁瑣。同時，視頻監(jiān)控過程中時間延遲、丟失問題還需優(yōu)化其網絡性能和控制器I/O能力。另外，受ARM控制器S3C2410D的硬件限制，采用內置DSP進行圖像壓縮，不利于系統(tǒng)的靈活性和擴展性。
【實用新型內容】
[0006]針對以上所述的不足，本實用新型提供一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，具有穩(wěn)定性高，融合ZigBee和3G、4G無線網絡，遠程與本地均可視頻監(jiān)控，兼容移動設備使用等優(yōu)點。
[0007]為了達到上述目的，本實用新型是通過以下技術方案實現(xiàn)的:
[0008]—種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，用于對現(xiàn)代家居設備中燈光、溫度、視頻進行控制，包括三個部分:家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)、無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控設備，監(jiān)控設備通過無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)連接到家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)；
[0009]所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)包括微處理器、多個底層傳感器、無線傳感網絡模塊和3G/4G網絡模塊，底層傳感器置于家居設備中，無線傳感網絡模塊為ZigBee控制模塊，與家居設備中的底層傳感器連接，構成一個或多個家居設備終端子系統(tǒng)；
[0010]所述無線傳感網絡模塊一方面通過通信協(xié)議實現(xiàn)家居設備終端子系統(tǒng)之間的控制信號交互，控制家居設備終端子系統(tǒng)，另一方面通過串口與所述微處理器相連接，并將控制信號提交給微處理器進行處理；
[0011]所述無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)采用3G/4G網絡傳輸數(shù)據;所述監(jiān)控設備用于人機交互和數(shù)據管理，通過3G/4G網絡接入數(shù)據傳輸系統(tǒng)；
[0012]進一步地，在微處理器上層架構嵌入式服務器，對嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)中各模塊傳送的控制信息和狀態(tài)信息進行處理，接收并響應用戶請求，所述家庭內部網絡，與監(jiān)控設備終端通過無線方式進行數(shù)據交換，并與所述微處理器連接，使微處理器與移動終端進行信息的交互。
[0013]所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)采用星型組網方式連接。
[0014]所述微處理器選用Samsung ARM中心處理器作為嵌入式處理器，型號為S3C6410，并且運行Linux2.6.38系統(tǒng)。
[0015]所述嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)在嵌入式Linux引導程序Bootloader(U-Boot)和Linux內核中添加嵌入式服務器Boa、CGI，構建系統(tǒng)軟件平臺Bench。
[0016]所述ZigBee控制模塊為CC2530芯片。
[0017]所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)選用3G/4G和ZigBee模式接入移動通信網和無線傳感器網絡。
[0018]所述家居設備終端子系統(tǒng)的數(shù)量為三個，分別為溫度控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。
[0019]所述嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)采用LCD顯示觸摸屏的模式作為本地操作平臺。
[0020]本實用新型的有益效果如下:
[0021]1.本實用新型將ZigBee無線傳感器網絡、3G/4G移動通信網絡、ARM嵌入式系統(tǒng)、圖像處理以及溫度、燈光控制等合理組成一整套控制系統(tǒng)，形成一個新型Linux系統(tǒng)的現(xiàn)代家居無線網絡控制系統(tǒng)；
[0022]2.本實用新型系統(tǒng)采用ZigBee模塊連接底層智能家居設備與ARM中心處理器，組成無線傳感器網絡。ZigBee無線模塊采用星型組網方式，使各個節(jié)點的管理更加方便和高效，靈活性更強。而且省去了大量的布線，使得家居環(huán)境更加美觀，系統(tǒng)性能顯著提高；
[0023]3.本實用新型系統(tǒng)采用3G/4G和ZigBee模塊作為與移動通信網和無線傳感器網絡連接的中間機構，從而使控制系統(tǒng)更加便利和靈活；
[0024]4.本實用新型系統(tǒng)選用Samsung ARM控制器(S3C6410)作為嵌入式控制核心，并運行Linux系統(tǒng)，既解決了在傳統(tǒng)上使用單片機計算和反應速度慢、性能差、通信能力弱等問題，又解決了使用PC機作為處理器帶來的安裝和運行成本高、不符合節(jié)能環(huán)保要求等問題。本系統(tǒng)低功耗、穩(wěn)定性強、有極佳的網絡通信能力；
[0025]5.本實用新型系統(tǒng)對如溫度檢測子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)以及視頻監(jiān)控子系統(tǒng)等關鍵模塊進行控制，使系統(tǒng)能夠快速準確的達到系統(tǒng)需求控制狀態(tài)；
[0026]6.本實用新型系統(tǒng)在嵌入式系統(tǒng)中架構Boa服務器，組成web方式的B/S模型，使用戶通過任意瀏覽器即可對家居環(huán)境進行監(jiān)控，免去了安裝特定軟件的繁瑣。
[0027]【附圖說明】:
[0028]圖1是本實用新型實施例的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)架構圖；
[0029]圖2是本實用新型實施例的ZigBee與控制器、無線模塊通信過程圖；
[0030]圖3是本實用新型實施例的底層終端結點程序流程圖；
[0031 ]圖4是本實用新型實施例的底層溫度檢測子系統(tǒng)流程圖；
[0032]圖5是本實用新型實施例的底層燈光控制子系統(tǒng)；
[0033]圖6是本實用新型實施例的底層視頻采集程序流程圖；
[0034]圖7是本實用新型實施例的網絡傳輸程序流程圖；
[0035]圖8是本實用新型實施例的本地IXD顯示程序流程圖；
[0036]【具體實施方式】:
[0037]依照以下的附圖詳細說明關于本實用新型的示例性實施例。
[0038]本實用新型實施例提供一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，根據現(xiàn)代家居控制系統(tǒng)的設計原則和功能特點，確定了本實用新型由三個組成部分:以S3C6410嵌入式微處理器、底層傳感器、ZigBee無線傳感網絡、3G/4G網絡組成的家庭內部網絡和智能采集控制系統(tǒng);基于3G/4G網絡的無線數(shù)據傳輸系統(tǒng);接入3G/4G網絡用于人機交互和數(shù)據管理的監(jiān)控控制設備。本方案采用ZigBee無線網絡組建家庭內部小范圍的星型網，采用3G/4G-ZigBee網關主控制器來實現(xiàn)遠距線通信。整個網絡由三層構成:最高層為監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的設備能通過互聯(lián)網來訪問網關服務器，如連接到互聯(lián)網的計算機、移動終端等;它們通過控制器里的嵌入式Web服務器Boa讓終端設備發(fā)起http請求來獲得溫度、光強度等參數(shù)；中間層為3G/4G-ZigBee網關主控制器和服務器，其主要功能是連通上層監(jiān)控中心和ZigBee內部網絡；最底層為ZigBee無線網絡，每個終端設備作為一個ZigBee節(jié)點，接收和發(fā)送3G/4G-ZigBee網關轉發(fā)的數(shù)據。
[0039]圖1為本實用新型在實施例中的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)架構圖。如圖1所示，采用無線組網方式組建現(xiàn)代家居控制系統(tǒng)的內部網絡，通過網關將設備接入互聯(lián)網，用戶可以遠程對家庭內部情況進行監(jiān)控。ZigBee無線網絡具有很好的兼容性，它能夠很好的與其他設備兼容，解決了當前智能家居系統(tǒng)存在的兼容性差、擴展性低等問題;無線網絡還解決了傳統(tǒng)有線網絡布線和升級困難的問題。為了使系統(tǒng)具有較高的靈活性，同時采用3G/4G網絡接入互聯(lián)網，使系統(tǒng)更具移動性。
[0040]圖2是本實用新型在實施例中的ZigBee與控制器、無線模塊通信過程圖。如圖2，ZigBee網絡中協(xié)調器與主控制器進行數(shù)據交換的過程是無線通信射頻芯片CC2530負責端點節(jié)點與主控制器之間數(shù)據幀的發(fā)送與接收的一個過程，這個過程中都是通過封裝與解析幀的形式進行的。在ZigBee無線網絡中，傳感器節(jié)點與控制芯片相互連接，當CC2530把協(xié)調器發(fā)送過來的數(shù)據幀解析后，然后通過SPI總線傳給控制器的通信方式來完成傳感器節(jié)點數(shù)據的讀取和節(jié)點控制；控制器則完成與之相反的功能，這個過程則是將傳感器節(jié)點的數(shù)據和控制信息通過SPI總線傳輸給CC2530控制器，然后將數(shù)據從控制器端發(fā)送給網絡中的協(xié)調器。圖2明確的表述了各模塊間的通信過程，步驟如下:
[0041](I)采用查詢協(xié)調器、應答節(jié)點的方式進行通信，其協(xié)議保持不變；
[0042](2)在PC向協(xié)調器端點發(fā)送指令的同時，協(xié)調器則向對應的節(jié)點發(fā)送命令和參數(shù)；
[0043](3)節(jié)點根據協(xié)調器節(jié)點發(fā)送過來的命令和參數(shù)做出相應的反應，并返回其相應的結果；
[0044](4)協(xié)調器通過通信串口將節(jié)點返回的數(shù)據和結果發(fā)送到PC端。
[0045]圖3是本實用新型在實施例中的底層終端結點程序流程圖。如圖3，底層終端節(jié)點的工作流程是不斷搜尋覆蓋范圍內的網絡，并加入到協(xié)調器的網絡中。其中溫度采集部分的程序設計思想是在ZigBee協(xié)議桟中，將節(jié)點的模式選擇為terminal node，應用層開發(fā)程序對溫度傳感器的設定一定的時間發(fā)送到協(xié)調器端。
[0046]圖4是本實用新型在實施例中的底層溫度檢測子系統(tǒng)流程圖。如圖4，使用DS18B20溫度傳感器來檢測家庭內部溫度值，采集到的溫度值通過CGI程序發(fā)送給Web瀏覽器端，用戶可以通過瀏覽器來讀取和控制室內溫度值;該溫度監(jiān)控子系統(tǒng)在沒有任何報警值的情況下，設定的溫度采集時間為1s;當溫度值到達警報值或危險值時，系統(tǒng)的采集時間由1s縮短為5s，這時系統(tǒng)會觸發(fā)報警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出報警。
[0047]圖5是本實用新型在實施例中的底層燈光控制子系統(tǒng)。如圖5，該系統(tǒng)中的LED燈光控制模塊通過對網絡控制器控制命令的響應來進行室內照明設備的燈光控制;本設計中采用開發(fā)板上的LED燈來模擬控制家中具體某個燈的亮滅。并且建立一個文件led_data.txt來保存LED燈的狀態(tài)，每次對于LED燈的操作都必須對led_data.txt的數(shù)據進行實時的更新。
[0048]圖6是本實用新型在實施例中的底層視頻采集程序流程圖。如圖6，V4L2的視頻采集程序，首先需要定義個描述V4L2的結構體，主要包括對視頻設備和圖像屬性的描述，對該結構體中重要的成員介紹如下:
[0049](I) video_capability:該成員主要包括視頻采集設備的名稱、信號源、分辨率種類等必要基本屬性；
[0050](2) video_mbuffer: mmap映射幀信息，結構體中用變量frames來表示最多支持的幀數(shù)，變量video_off set [VIDEO_MAX_FRAME]表示幀相對于基地址的偏移量，幀的數(shù)據大小用size表示；
[0051](3) video_picture:包含表示圖像屬性的各個成員，如圖像亮度brightness、圖像色調hue、圖像顏色color和圖像對比度contrast等；
[0052](4) video_window:使用該成員來定義圖像顯示的方法，主要改變表示該窗口坐標的X和y變量;表示圖像寬度和高度的width和height;
[0053](5) video_channel:包括描述信號源屬性中表示信號源編號的Channel分量，表示信號源名稱的Name變量，信號類型的Type變量，還包括VIDE0_TYPE_TV和VIDE0_TYPE_CAMERA;其中VIDEO_TYPE_CAMERA表示輸入攝像頭信號、VIDE0_TYPE_TV表示輸入為電視信號;Norm代表PAL、NSTC、SECAM等幾種電視信號使用的制式。
[0054]本視頻采集程序實現(xiàn)的基本流程分三部分完成，流程如下:第一、打開視頻采集設備。在Linux系統(tǒng)中，對視頻設備的操作時通過open和close來打開或者關閉。第二、獲取設備屬性信息。第三、視頻采集。對視頻圖像進行采集了，通常情況下采用map內存映射方法。它是通過進程之間映射同一個普通文件來實現(xiàn)的；只需要像訪問普通內存一樣對該文件進行操作;共享內存方法避免了程序間的數(shù)據拷貝，這樣就可以直接讀寫內存數(shù)據。
[0055]圖7是本實用新型在實施例中的網絡傳輸程序流程圖。如圖7，本系統(tǒng)的視頻編解碼方式采用以幀為單位進行編解碼的JPEG標準。使用TCP來進行網絡通信。網絡傳輸程序由創(chuàng)建socket、綁定socket端口、偵聽、等待客戶端連接請求、建立連接后發(fā)送視頻數(shù)據流程構成。
[0056]圖8是本實用新型在實施例中的本地LCD顯示程序流程圖。如圖8，流程如下:第一、打開framebuffer幀緩沖設備；第二、獲取可變與固定屏幕屬性在內的framebuffer幀緩沖設備屬性，根據幀緩沖設備的像素屬性來初始化相應函數(shù)；第三、使用mmap方法進行framebuffer幀內存映射;第四、打開攝像頭采集設備，設置圖像格式，采集圖像;第五、通過寫framebuffer幀緩沖，在開發(fā)板的LCD屏幕上顯示采集到的圖像;第六、關閉framebuffer設備。
[0057]視頻監(jiān)控該部分的主要實現(xiàn)為視頻文件的采集以及網絡傳輸，當下位機攝像頭通過視頻采集程序采集到視頻文件后，通過網絡傳輸程序發(fā)送到上位機監(jiān)控端；用戶可以通過Web瀏覽器來打開傳輸過來的視頻文件。智能家居系統(tǒng)監(jiān)控端切換到視頻控制界面，顯示攝像頭的工作情況和采集到的圖像，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。
[0058]以上所述僅為本實用新型示意性的【具體實施方式】，并非用以限定本實用新型的范圍，任何本領域的技術人員在不脫離本實用新型構思和原則的前提下所做出的等同變化與修改，均應屬于本實用新型保護的范圍。
【主權項】
1.一種嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，用于對現(xiàn)代家居設備中燈光、溫度、視頻進行控制，其特征在于，包括三個部分:家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)、無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)和監(jiān)控設備，監(jiān)控設備通過無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)連接到家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)； 所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)包括微處理器、多個底層傳感器、無線傳感網絡模塊和3G/4G網絡模塊，底層傳感器置于家居設備中，無線傳感網絡模塊為ZigBee控制模塊，與家居設備中的底層傳感器連接，構成一個或多個家居設備終端子系統(tǒng)； 所述無線傳感網絡模塊一方面通過通信協(xié)議實現(xiàn)家居設備終端子系統(tǒng)之間的控制信號交互，控制家居設備終端子系統(tǒng)，另一方面通過串口與所述微處理器相連接，并將控制信號提交給微處理器進行處理； 所述無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)采用3G/4G網絡傳輸數(shù)據;所述監(jiān)控設備用于人機交互和數(shù)據管理，通過3G/4G網絡接入數(shù)據傳輸系統(tǒng)； 在微處理器上層架構嵌入式服務器，對嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)中各模塊傳送的控制信息和狀態(tài)信息進行處理，接收并響應用戶請求，所述家庭內部網絡，與監(jiān)控設備終端通過無線方式進行數(shù)據交換，并與所述微處理器連接，使微處理器與移動終端進行信息的交互。2.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)采用星型組網方式連接。3.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述微處理器選用Samsung ARM中心處理器作為嵌入式處理器，型號為S3C6410，并且運行Linux2.6.38 系統(tǒng)。4.根據權利要求3所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)在嵌入式Linux引導程序Boot loader和Linux內核中添加嵌入式服務器Boa、CGI，構建系統(tǒng)軟件平臺Bench。5.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述ZigBee控制模塊為CC2530芯片。6.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述家庭內部網絡及智能采集控制系統(tǒng)選用3G/4G和ZigBee模式接入移動通信網和無線傳感器網絡。7.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述家居設備終端子系統(tǒng)的數(shù)量為三個，分別為溫度控制子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)和視頻監(jiān)控子系統(tǒng)。8.根據權利要求1所述的嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)，其特征在于，所述嵌入式Linux的現(xiàn)代家居無線聯(lián)網控制系統(tǒng)采用LCD顯示觸摸屏的模式作為本地操作平臺ο
【文檔編號】H04L29/08GK205670375SQ201620200333
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年3月16日
【發(fā)明人】劉悅, 楊樺, 周美玲, 李想, 曹寧
【申請人】開封大學