基于ARM及ZigBee的智能家居远程监控系统实现路径
陈培英+王承林+胡红林+尹世忠
摘 要： 以用户对智能家居远程监控系统的实际需求入手，根据用户的需求及其未来发展趋势，基于ZigBee技术和ARM处理器设计一款智能家居远程监控系统，进一步阐述该系统报警联动、视频监控、红外信号收发等模块功能及实现方法，以期达到智能化、网络化管理家居环境的目的，具有较好的推广和应用价值。
关键词： ARM； ZigBee协调器； 智能家居； 远程监控系统
中图分类号： TN948.64?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0041?04
Realization path of intelligent home remote monitoring system based on ARM and ZigBee
CHEN Peiying， WANG Chenglin， HU Honglin， YIN Shizhong
（School of Physics and Electronic Engineering， Xingtai University， Xingtai 054001， China）
Abstract： Proceeding from the actual demand of users for smart home remote monitoring system， a smart home remote monitoring system based on ZigBee technology and ARM processor was designed on the basis of user′s demand and its future development trend. The module functions of alarming linkage， video surveillance and infrared signal transceiving and their implementation methods are elaborated further to realize the intelligent and networked home environment management. The system has high promotion and application value.
Keywords： ARM； ZigBee coordinator； smart home； remote monitoring system
0 引 言
随着科学技术、信息技术的发展，远程监控系统在智能建筑、消防控制等领域得到了广泛应用，远程监控系统也成为各行业重点部门和场所安防监控的基础，管理部门可借助该系统获取视频图像信息，实现监控、处理异常事件的效果。国内外纷纷提出智能家居、智能小区等相关概念并开发出一系列产品。如今，市场上已开发大量智能家居类产品，例如，美国霍尼韦尔、海尔网络家电、HAI公司生产的智能家庭产品等，这些产品广泛应用于多个国家和地区。随着居民日常生活水平的提升，多数居民对自身居住环境提出更高的要求，迫切想要见证现代智能家居的飞跃。为满足大众对居住环境的要求，越来越多的研究者、厂商专注于智能家居研究范畴中。基于ZigBee技术为家居环境设计远程监控系统，能满足人们向往高品质、智能化的生活体验，便于用户远程管理、监控居住环境。本次研究在深入分析用户对智能家居远程监控系统需求的基础上，详细介绍该系统结构及各模块实现流程，通过上述装置控制家居环境，帮助用户远程管理、控制家居环境。
1 分析系统设计需求
智能家居最早出现在20世纪80年代，美国联合科技公司首次向全世界展示推广智能家居概念的建筑设施计应用案例，这成为各国争相制造智能家居技术的开端。基于这种背景下，欧洲、日本等经济技术发达的国家陆续推出一系列智能家居解决方案，并制造出相应的执行协议或标准。但智能家居在国内起步较晚，这不仅有市场普及方面的因素，也有产品技术方面的问题。从技术上分析，早期国内智能家居多使用总线集成、电力载波等方法，上述方法导致其在安装、维护、调试等环节出现问题，增减部分家电设备也会遭受诸多不便，这种情况直接影响智能家居在国内的发展。近些年，随着无线网络、ZigBee技术的发展，使智能家居迎来新的发展机遇。因智能家居具有广阔的应用前景和市场需求，智能家居系统受到国内外研究者的重视和关注，并获取了较大的研究成果。为此，本文针对家居环境中的安全隐患提出设计远程视频监控系统，以期全面监控家居环境下的各项设备，达到报警探测、视频监控双重保障的效果。
用户对远程监控系统的设计需求如下：
（1） 能够实时采集室内视频监控画面，便于用户远程监管自己的居住环境。为达到系统控制的精度及数据传输效率，要对原始采集数据实施去噪等处理。如果发现家居环境中设备参数大于预设值，依据预案启动现场预处理等措施[1]。
（2） 若发现家中老人、小孩存在异常情况或不安全举动，可借助前端对讲功能与家人聊天，询问相应的情况。
（3） 可依据用户的要求打开或关闭室内的照明设备，甚至是调整光线强弱。
（4） 用户可利用PC或其他移動终端登录家用网关中的红外家电控制界面，远程控制家居环境下照明、安防等设备状态[2]。
（5） 家居照明控制主要分为开启、关闭和光照强度控制三个部分，主卧、客厅、书房、厨房具有灯光设备开关控制和强度调节功能，除设计用户手动控制外，可结合人体红外感应探头、时间等信息，设定不同场景下的光照强度，为用户提供节能、舒适的照明服务。此外，本次设计的远程监控系统，用户能够在第一时间调动各方力量解决家中危机，把危害程度降至最低状态。
2 智能家居远程监控系统结构
智能家居系统网络主要包括家庭网关、内部网、终端用户三个部分，具体结构见图1。其中，家庭网关是整个系统的核心，主要负责采集、处理由内网ZigBee节点传感器获取的数据，并向外网PC或终端设备发出监测环境的数据[3]。同时，用于实现各种协议之间的转换和数据交互，并负责整个网络的安全。在家庭网关中，依托ARM芯片与网卡实现网关功能，连接好内部外部网络，并实现信息交互。内部网是指ZigBee自组网，依据家庭布局通過星状或树状拓扑结构完成设计。ZigBee自组网中包含多个终端节点，上述节点配合家居环境中的电器开关、温湿度传感器等设备，达到远程监控的目的。终端用户是由PC或终端设备依托因特网对家居环境内部实施远程监控，从而满足用户多方面的需求，大大提升用户的体验满意度。此外，智能家居控制器是整个远程监控系统的控制中心，其硬件是各种设备任务调度、通信协议转换、数据管理等任务的中央处理器。本文由可扩展性、功耗、操作功能等方面，挑选功能强大的S3C610为主处理器，它作为一款高性能嵌入式处理器，支持运行Linux操作系统。人机接口方面设计触摸屏，用来展现家居设备的状态及用户手机发出的各项信息，便于用户输入各项操作指令。该系统控制器设置2个通信模块，ZigBee协调器、GPRS模块，其中，ZigBee协调器主要负责建立ZigBee网络，把各个监控模块加入网络中，并接收来自各监控模块的信息及报警信号，借助RS 232接口与ARM处理器实现数据交互[4]。GPRS模块主要由主机模块、音频、射频及SIM卡接口四部分组成，使用SIM300芯片与ARM实现数据传输。
3 各功能模块设计与实现
3.1 用户登录模块
终端用户采用Web浏览器借助3G/4G网络访问家庭网关中的智能家居监控系统网站，终端用户向应用服务器发出用户请求信息，家庭网关接收登录请求并判定用户请求账号数据与数据库存储信息是否一致。如果登录信息正确，自动跳转至系统主界面，否则，拒绝用户登录。用户登录流程见图2。
3.2 温湿度传感模块
远程监控系统中一个重要的内容是检测室内环境信息，以此检验整个系统的远程控制功能。本文选用DHT11温湿度传感器对室内环境实施检测，这款传感器具备同时检查温度与湿度的功能，并配备校准字数信号输出功能，且具有较高的可靠性、低功耗，从而满足系统运行需求。同时，DHT11使用先进的采集和传感技术，通过数字化模块构建产品，不仅能减小产品体积，也能有效降低功耗[5]。此外，该模块以DAAT实现微处理器与DHT11之间的通信，接线非常简单，易于系统集成，其引脚说明见表1，它每次通信时间约为4 ms，共发出五组数据，具体包含实时检测的温湿度整数、小数部分及校验数据，其实现电路见图3。
3.3 照明控制模块
智能家居环境下，照明控制模块采用计算机技术并辅助其他手段自动控制电力照明设施，提供最佳照明并降低照明引起的消耗及其他费用。设计该模块旨在实现远程控制居住环境，其能有效控制单个灯开关，也可一键控制整个家居环境所有灯开关[6]。本模块设计中，主要通过继电器、NPN型三级管负责居室内开灯或关灯。本系统的应用能避免长明灯的情况，有效节约管理成本，降低人为资源浪费，其实现流程见图4。
3.4 报警联动模块
家居环境中已有监控系统并未设置自动消防的功能，但在监控范围中，监控人员可由监控画面及时发现火灾隐患或可疑人员入侵，因此，报警联动模块的设计尤为重要。当突发火灾或有可疑入侵时，监控人员可通过视频发现，并启动报警联动模块发出警报，开启与之对应的消防或安防设施[7]。同时，该模块支持不同的报警类型，包含硬盘出错报警、视频丢失报警、智能分析时间报警等，其联动方法包含客户端联动、短信发送、通道抓图等，模块结构见图5。
3.5 红外信号收发模块
红外收发模块是指运用AVR单片机学习或转存红外遥控器信号，因该模块需要根据ENC协议记录红外遥控高低电平情况，并未考虑具体的编码流程，因此，本模块基本可实现多数红外遥控编码。本系统所用的红外学习模块以ATmega16为处理器，载波信号可从单片机内部的定时器产生，如果想要进一步精确载波频率，需采用示波器等进行相应的调试。红外收发模块发射流程见图6。
红外信号收发模块接收到上位机发出的指令后，与系统内存储的指令进行比较，若发现指令已存在，表明也存在相应的红外编码，随之，将对应的红外编码取出获得调制信号则驱动红外发光二极管。同时，通过发出红外编码引导码，随后发送数据和客户码，成功即可控制家用电器；若指令不存在，模块会自动向上位机发出信息，证实发送的红外编码并未进行学习。
3.6 视频监控模块
视频监控模块主要由采集模块、视频录像及视频远程传输等部分组成。视频采集模块通常采用芯片的视频采集卡来工作，运用Windpws的接口，顺利完成视频的采集工作[8]，其实现流程见图7。视频编码模块则运用MPEG4的视频压缩功能来完成视频编码的制作。完成视频编码之后的数据会被保存至硬盘之中，首先检查硬盘是否具有相应的存储空间，最后把数据写入硬盘之中。视频远程传输模块经过编码之后的数据由Internet网络传送到手机及客户端的软件。一般的流程步骤为：新建套接字，监听、接收连接指令，连接完成，从缓冲区域读取数据信息，实现数据传输并断开连接命令。
4 结 论
综上所述，依托ARM及ZigBee设计智能家居远程监控系统是对以往安防技术的改革和更新，运用ZigBee技术建立内部无线网卡，通过接入GPRS模块，打造出更加安全、可靠的远程控制和报警系统，保证广大人民群众的生命财产安全。本文研究在分析过去智能家居系统维护成本高、移动性差等问题的基础上，基于ARM芯片、ZigBee技术设计智能家居远程监控系统，并详细介绍各模块的设计与实现方法，以期为类似研究提供一定指导。
参考文献
[1] 陈强.嵌入式智能家居远程监控系统的设计与实现[J].河南科技，2016，15（7）：43?44.
[2] 苏开生.基于B/S架构的嵌入式智能家居远程监控系统[J].通讯世界，2015，19（10）：71.
[3] 张玉，姚凯学，何勇，等.基于S3C6410的智能家居远程监控系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（10）：159?161.
[4] 季建华.基于物联网的智能家居远程监控系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2015，32（11）：143?146.
[5] 任松.基于ZigBee和WIFI的智能家居远程监控系统设计与实现[C]//第八届全国信号和智能信息处理与应用学术会议会刊.北京：中国高科技产业化研究会，2014：312?317.
[6] 吴凯，张弛，王诗睿，等.智能家居无线远程监控系统电路设计与实现[J].建筑电气，2014，33（3）：61?64.
[7] 曾欣慧.面向Android客户端的无线视频监控系统设计[J].现代电子技术，2016，39（12）：6?9.
[8] 范燕，俞洋，李永义，等.基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：80?84.
摘 要： 以用户对智能家居远程监控系统的实际需求入手，根据用户的需求及其未来发展趋势，基于ZigBee技术和ARM处理器设计一款智能家居远程监控系统，进一步阐述该系统报警联动、视频监控、红外信号收发等模块功能及实现方法，以期达到智能化、网络化管理家居环境的目的，具有较好的推广和应用价值。
关键词： ARM； ZigBee协调器； 智能家居； 远程监控系统
中图分类号： TN948.64?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）19?0041?04
Realization path of intelligent home remote monitoring system based on ARM and ZigBee
CHEN Peiying， WANG Chenglin， HU Honglin， YIN Shizhong
（School of Physics and Electronic Engineering， Xingtai University， Xingtai 054001， China）
Abstract： Proceeding from the actual demand of users for smart home remote monitoring system， a smart home remote monitoring system based on ZigBee technology and ARM processor was designed on the basis of user′s demand and its future development trend. The module functions of alarming linkage， video surveillance and infrared signal transceiving and their implementation methods are elaborated further to realize the intelligent and networked home environment management. The system has high promotion and application value.
Keywords： ARM； ZigBee coordinator； smart home； remote monitoring system
0 引 言
随着科学技术、信息技术的发展，远程监控系统在智能建筑、消防控制等领域得到了广泛应用，远程监控系统也成为各行业重点部门和场所安防监控的基础，管理部门可借助该系统获取视频图像信息，实现监控、处理异常事件的效果。国内外纷纷提出智能家居、智能小区等相关概念并开发出一系列产品。如今，市场上已开发大量智能家居类产品，例如，美国霍尼韦尔、海尔网络家电、HAI公司生产的智能家庭产品等，这些产品广泛应用于多个国家和地区。随着居民日常生活水平的提升，多数居民对自身居住环境提出更高的要求，迫切想要见证现代智能家居的飞跃。为满足大众对居住环境的要求，越来越多的研究者、厂商专注于智能家居研究范畴中。基于ZigBee技术为家居环境设计远程监控系统，能满足人们向往高品质、智能化的生活体验，便于用户远程管理、监控居住环境。本次研究在深入分析用户对智能家居远程监控系统需求的基础上，详细介绍该系统结构及各模块实现流程，通过上述装置控制家居环境，帮助用户远程管理、控制家居环境。
1 分析系统设计需求
智能家居最早出现在20世纪80年代，美国联合科技公司首次向全世界展示推广智能家居概念的建筑设施计应用案例，这成为各国争相制造智能家居技术的开端。基于这种背景下，欧洲、日本等经济技术发达的国家陆续推出一系列智能家居解决方案，并制造出相应的执行协议或标准。但智能家居在国内起步较晚，这不仅有市场普及方面的因素，也有产品技术方面的问题。从技术上分析，早期国内智能家居多使用总线集成、电力载波等方法，上述方法导致其在安装、维护、调试等环节出现问题，增减部分家电设备也会遭受诸多不便，这种情况直接影响智能家居在国内的发展。近些年，随着无线网络、ZigBee技术的发展，使智能家居迎来新的发展机遇。因智能家居具有广阔的应用前景和市场需求，智能家居系统受到国内外研究者的重视和关注，并获取了较大的研究成果。为此，本文针对家居环境中的安全隐患提出设计远程视频监控系统，以期全面监控家居环境下的各项设备，达到报警探测、视频监控双重保障的效果。
用户对远程监控系统的设计需求如下：
（1） 能够实时采集室内视频监控画面，便于用户远程监管自己的居住环境。为达到系统控制的精度及数据传输效率，要对原始采集数据实施去噪等处理。如果发现家居环境中设备参数大于预设值，依据预案启动现场预处理等措施[1]。
（2） 若发现家中老人、小孩存在异常情况或不安全举动，可借助前端对讲功能与家人聊天，询问相应的情况。
（3） 可依据用户的要求打开或关闭室内的照明设备，甚至是调整光线强弱。
（4） 用户可利用PC或其他移動终端登录家用网关中的红外家电控制界面，远程控制家居环境下照明、安防等设备状态[2]。
（5） 家居照明控制主要分为开启、关闭和光照强度控制三个部分，主卧、客厅、书房、厨房具有灯光设备开关控制和强度调节功能，除设计用户手动控制外，可结合人体红外感应探头、时间等信息，设定不同场景下的光照强度，为用户提供节能、舒适的照明服务。此外，本次设计的远程监控系统，用户能够在第一时间调动各方力量解决家中危机，把危害程度降至最低状态。
2 智能家居远程监控系统结构
智能家居系统网络主要包括家庭网关、内部网、终端用户三个部分，具体结构见图1。其中，家庭网关是整个系统的核心，主要负责采集、处理由内网ZigBee节点传感器获取的数据，并向外网PC或终端设备发出监测环境的数据[3]。同时，用于实现各种协议之间的转换和数据交互，并负责整个网络的安全。在家庭网关中，依托ARM芯片与网卡实现网关功能，连接好内部外部网络，并实现信息交互。内部网是指ZigBee自组网，依据家庭布局通過星状或树状拓扑结构完成设计。ZigBee自组网中包含多个终端节点，上述节点配合家居环境中的电器开关、温湿度传感器等设备，达到远程监控的目的。终端用户是由PC或终端设备依托因特网对家居环境内部实施远程监控，从而满足用户多方面的需求，大大提升用户的体验满意度。此外，智能家居控制器是整个远程监控系统的控制中心，其硬件是各种设备任务调度、通信协议转换、数据管理等任务的中央处理器。本文由可扩展性、功耗、操作功能等方面，挑选功能强大的S3C610为主处理器，它作为一款高性能嵌入式处理器，支持运行Linux操作系统。人机接口方面设计触摸屏，用来展现家居设备的状态及用户手机发出的各项信息，便于用户输入各项操作指令。该系统控制器设置2个通信模块，ZigBee协调器、GPRS模块，其中，ZigBee协调器主要负责建立ZigBee网络，把各个监控模块加入网络中，并接收来自各监控模块的信息及报警信号，借助RS 232接口与ARM处理器实现数据交互[4]。GPRS模块主要由主机模块、音频、射频及SIM卡接口四部分组成，使用SIM300芯片与ARM实现数据传输。
3 各功能模块设计与实现
3.1 用户登录模块
终端用户采用Web浏览器借助3G/4G网络访问家庭网关中的智能家居监控系统网站，终端用户向应用服务器发出用户请求信息，家庭网关接收登录请求并判定用户请求账号数据与数据库存储信息是否一致。如果登录信息正确，自动跳转至系统主界面，否则，拒绝用户登录。用户登录流程见图2。
3.2 温湿度传感模块
远程监控系统中一个重要的内容是检测室内环境信息，以此检验整个系统的远程控制功能。本文选用DHT11温湿度传感器对室内环境实施检测，这款传感器具备同时检查温度与湿度的功能，并配备校准字数信号输出功能，且具有较高的可靠性、低功耗，从而满足系统运行需求。同时，DHT11使用先进的采集和传感技术，通过数字化模块构建产品，不仅能减小产品体积，也能有效降低功耗[5]。此外，该模块以DAAT实现微处理器与DHT11之间的通信，接线非常简单，易于系统集成，其引脚说明见表1，它每次通信时间约为4 ms，共发出五组数据，具体包含实时检测的温湿度整数、小数部分及校验数据，其实现电路见图3。
3.3 照明控制模块
智能家居环境下，照明控制模块采用计算机技术并辅助其他手段自动控制电力照明设施，提供最佳照明并降低照明引起的消耗及其他费用。设计该模块旨在实现远程控制居住环境，其能有效控制单个灯开关，也可一键控制整个家居环境所有灯开关[6]。本模块设计中，主要通过继电器、NPN型三级管负责居室内开灯或关灯。本系统的应用能避免长明灯的情况，有效节约管理成本，降低人为资源浪费，其实现流程见图4。
3.4 报警联动模块
家居环境中已有监控系统并未设置自动消防的功能，但在监控范围中，监控人员可由监控画面及时发现火灾隐患或可疑人员入侵，因此，报警联动模块的设计尤为重要。当突发火灾或有可疑入侵时，监控人员可通过视频发现，并启动报警联动模块发出警报，开启与之对应的消防或安防设施[7]。同时，该模块支持不同的报警类型，包含硬盘出错报警、视频丢失报警、智能分析时间报警等，其联动方法包含客户端联动、短信发送、通道抓图等，模块结构见图5。
3.5 红外信号收发模块
红外收发模块是指运用AVR单片机学习或转存红外遥控器信号，因该模块需要根据ENC协议记录红外遥控高低电平情况，并未考虑具体的编码流程，因此，本模块基本可实现多数红外遥控编码。本系统所用的红外学习模块以ATmega16为处理器，载波信号可从单片机内部的定时器产生，如果想要进一步精确载波频率，需采用示波器等进行相应的调试。红外收发模块发射流程见图6。
红外信号收发模块接收到上位机发出的指令后，与系统内存储的指令进行比较，若发现指令已存在，表明也存在相应的红外编码，随之，将对应的红外编码取出获得调制信号则驱动红外发光二极管。同时，通过发出红外编码引导码，随后发送数据和客户码，成功即可控制家用电器；若指令不存在，模块会自动向上位机发出信息，证实发送的红外编码并未进行学习。
3.6 视频监控模块
视频监控模块主要由采集模块、视频录像及视频远程传输等部分组成。视频采集模块通常采用芯片的视频采集卡来工作，运用Windpws的接口，顺利完成视频的采集工作[8]，其实现流程见图7。视频编码模块则运用MPEG4的视频压缩功能来完成视频编码的制作。完成视频编码之后的数据会被保存至硬盘之中，首先检查硬盘是否具有相应的存储空间，最后把数据写入硬盘之中。视频远程传输模块经过编码之后的数据由Internet网络传送到手机及客户端的软件。一般的流程步骤为：新建套接字，监听、接收连接指令，连接完成，从缓冲区域读取数据信息，实现数据传输并断开连接命令。
4 结 论
综上所述，依托ARM及ZigBee设计智能家居远程监控系统是对以往安防技术的改革和更新，运用ZigBee技术建立内部无线网卡，通过接入GPRS模块，打造出更加安全、可靠的远程控制和报警系统，保证广大人民群众的生命财产安全。本文研究在分析过去智能家居系统维护成本高、移动性差等问题的基础上，基于ARM芯片、ZigBee技术设计智能家居远程监控系统，并详细介绍各模块的设计与实现方法，以期为类似研究提供一定指导。
参考文献
[1] 陈强.嵌入式智能家居远程监控系统的设计与实现[J].河南科技，2016，15（7）：43?44.
[2] 苏开生.基于B/S架构的嵌入式智能家居远程监控系统[J].通讯世界，2015，19（10）：71.
[3] 张玉，姚凯学，何勇，等.基于S3C6410的智能家居远程监控系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（10）：159?161.
[4] 季建华.基于物联网的智能家居远程监控系统设计与实现[J].计算机应用与软件，2015，32（11）：143?146.
[5] 任松.基于ZigBee和WIFI的智能家居远程监控系统设计与实现[C]//第八届全国信号和智能信息处理与应用学术会议会刊.北京：中国高科技产业化研究会，2014：312?317.
[6] 吴凯，张弛，王诗睿，等.智能家居无线远程监控系统电路设计与实现[J].建筑电气，2014，33（3）：61?64.
[7] 曾欣慧.面向Android客户端的无线视频监控系统设计[J].现代电子技术，2016，39（12）：6?9.
[8] 范燕，俞洋，李永义，等.基于ZigBee无线传感器网络的远程监控系统[J].实验室研究与探索，2016，35（1）：80?84.
