一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及智能家居技术领域，尤其涉及一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统。本实用新型提供一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，具有稳定性高，融合ZigBee和3G、4G无线网络，远程与本地均可视频监控，兼容移动设备使用等优点。本实用新型用于对现代家居中灯光、温度、视频等设备进行智能监控，在嵌入式Linux系统设备中架设web server，以实现用户能够在任何地方通过移动设备或互联网浏览器对现代家居系统进行远程和本地控制，该实用新型使得现代家居控制系统更加灵活和便于控制，主要包括三个部分：家庭内部网络及智能采集控制系统、无线数据传输系统和监控设备，监控设备通过无线数据传输系统连接到家庭内部网络及智能采集控制系统。
【专利说明】
一种嵌入式L i nux的现代家居无线联网控制系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及智能家居技术领域，尤其涉及一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统。
【背景技术】
[0002]伴随着我国最近几年的移动终端的大面积普及和3G和4G网络的大规模发展，视频监控系统得到了快熟发展，手持设备用户可以使用手机等来查看和操作视频监控系统。同时现有的移动网络和存在的固有监控网络可以任意互联，大大的提高了视频监控类增值业务的发展机会。3G和4G网络拥有非常快的传输速度，这使得网络带宽的限制问题得到了极大的缓解。现如今，中国的移动电信平台运营商也积极推行移动终端视频监控的增值业务，这不仅有利于提高全民的生活水平，还大大的促进了网络视频监控的发展。未来随着视频监控业务和其他视频业务的共同发展与融合，比如传感器网络、视频会议、视频电视等业务与网络视频监控的融合发展，那么要不了多久，网络视频监控业务将会上升到一个新的高度。中国的网络视频监控市场虽然发展还没多少年，现如今网络视频监控标准的日益完善和监控业务规模的不断扩大，以及监控新需求的不断改变，网络视频监控将会有着良好的前景和广阔的发展。同时，相关人员也在此基础上做出了相关研究和成果。
[0003]中南民族大学的张勇、汪红等采用单片机与智能家居服务机器人装置连接，并通过集散系统(DCS)，完成智能家居上、下位机控制(“一种基于单片机的语音控制智能家居服务机器人装置”，中国专利，申请号<吧01520533103，申请日:2015.11.11)。该系统采用单片机作为中心控制器，其性能和通信实时性不能保证，且与机器人终端连接组成控制系统，成本相对较高。
[0004]华南理工大学的李迪、孔庆彦等采用ZigBee技术感知和控制智能家居设备，通过手持控制器或红外控制命令实现对家用设备的控制(“一种基于ZigBee技术的智能家居系统，，，中国专利，申请号:CN201020104269，申请日:2010.01.26)。该系统虽然引入ZigBee无线传感器网络，但整个系统对家居底层终端设备控制单一，且仅通过手持控制器进行本地控制，控制范围较小，另外没有视频监控模块，不能实时反馈底层设备控制信息和状态。
[0005]南京师范大学的王奔使用ARM处理器以及嵌入式Linux操作系统(“基于ARM和嵌入式Linux的远程视频监控系统设计”，硕士论文，日期:2011.05.21)，虽然该系统能够较好的兼容对家居系统进行本地和远程控制，但是倘若在较大面积的家庭环境下，将有诸多设备网关，此时添加较为繁琐。同时，视频监控过程中时间延迟、丢失问题还需优化其网络性能和控制器I/O能力。另外，受ARM控制器S3C2410D的硬件限制，采用内置DSP进行图像压缩，不利于系统的灵活性和扩展性。
【实用新型内容】
[0006]针对以上所述的不足，本实用新型提供一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，具有稳定性高，融合ZigBee和3G、4G无线网络，远程与本地均可视频监控，兼容移动设备使用等优点。
[0007]为了达到上述目的，本实用新型是通过以下技术方案实现的:
[0008]—种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，用于对现代家居设备中灯光、温度、视频进行控制，包括三个部分:家庭内部网络及智能采集控制系统、无线数据传输系统和监控设备，监控设备通过无线数据传输系统连接到家庭内部网络及智能采集控制系统；
[0009]所述家庭内部网络及智能采集控制系统包括微处理器、多个底层传感器、无线传感网络模块和3G/4G网络模块，底层传感器置于家居设备中，无线传感网络模块为ZigBee控制模块，与家居设备中的底层传感器连接，构成一个或多个家居设备终端子系统；
[0010]所述无线传感网络模块一方面通过通信协议实现家居设备终端子系统之间的控制信号交互，控制家居设备终端子系统，另一方面通过串口与所述微处理器相连接，并将控制信号提交给微处理器进行处理；
[0011]所述无线数据传输系统采用3G/4G网络传输数据;所述监控设备用于人机交互和数据管理，通过3G/4G网络接入数据传输系统；
[0012]进一步地，在微处理器上层架构嵌入式服务器，对嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统中各模块传送的控制信息和状态信息进行处理，接收并响应用户请求，所述家庭内部网络，与监控设备终端通过无线方式进行数据交换，并与所述微处理器连接，使微处理器与移动终端进行信息的交互。
[0013]所述家庭内部网络及智能采集控制系统采用星型组网方式连接。
[0014]所述微处理器选用Samsung ARM中心处理器作为嵌入式处理器，型号为S3C6410，并且运行Linux2.6.38系统。
[0015]所述嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统在嵌入式Linux引导程序Bootloader(U-Boot)和Linux内核中添加嵌入式服务器Boa、CGI，构建系统软件平台Bench。
[0016]所述ZigBee控制模块为CC2530芯片。
[0017]所述家庭内部网络及智能采集控制系统选用3G/4G和ZigBee模式接入移动通信网和无线传感器网络。
[0018]所述家居设备终端子系统的数量为三个，分别为温度控制子系统、灯光控制子系统和视频监控子系统。
[0019]所述嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统采用LCD显示触摸屏的模式作为本地操作平台。
[0020]本实用新型的有益效果如下:
[0021]1.本实用新型将ZigBee无线传感器网络、3G/4G移动通信网络、ARM嵌入式系统、图像处理以及温度、灯光控制等合理组成一整套控制系统，形成一个新型Linux系统的现代家居无线网络控制系统；
[0022]2.本实用新型系统采用ZigBee模块连接底层智能家居设备与ARM中心处理器，组成无线传感器网络。ZigBee无线模块采用星型组网方式，使各个节点的管理更加方便和高效，灵活性更强。而且省去了大量的布线，使得家居环境更加美观，系统性能显著提高；
[0023]3.本实用新型系统采用3G/4G和ZigBee模块作为与移动通信网和无线传感器网络连接的中间机构，从而使控制系统更加便利和灵活；
[0024]4.本实用新型系统选用Samsung ARM控制器(S3C6410)作为嵌入式控制核心，并运行Linux系统，既解决了在传统上使用单片机计算和反应速度慢、性能差、通信能力弱等问题，又解决了使用PC机作为处理器带来的安装和运行成本高、不符合节能环保要求等问题。本系统低功耗、稳定性强、有极佳的网络通信能力；
[0025]5.本实用新型系统对如温度检测子系统、灯光控制子系统以及视频监控子系统等关键模块进行控制，使系统能够快速准确的达到系统需求控制状态；
[0026]6.本实用新型系统在嵌入式系统中架构Boa服务器，组成web方式的B/S模型，使用户通过任意浏览器即可对家居环境进行监控，免去了安装特定软件的繁琐。
[0027]【附图说明】:
[0028]图1是本实用新型实施例的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统架构图；
[0029]图2是本实用新型实施例的ZigBee与控制器、无线模块通信过程图；
[0030]图3是本实用新型实施例的底层终端结点程序流程图；
[0031 ]图4是本实用新型实施例的底层温度检测子系统流程图；
[0032]图5是本实用新型实施例的底层灯光控制子系统；
[0033]图6是本实用新型实施例的底层视频采集程序流程图；
[0034]图7是本实用新型实施例的网络传输程序流程图；
[0035]图8是本实用新型实施例的本地IXD显示程序流程图；
[0036]【具体实施方式】:
[0037]依照以下的附图详细说明关于本实用新型的示例性实施例。
[0038]本实用新型实施例提供一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，根据现代家居控制系统的设计原则和功能特点，确定了本实用新型由三个组成部分:以S3C6410嵌入式微处理器、底层传感器、ZigBee无线传感网络、3G/4G网络组成的家庭内部网络和智能采集控制系统;基于3G/4G网络的无线数据传输系统;接入3G/4G网络用于人机交互和数据管理的监控控制设备。本方案采用ZigBee无线网络组建家庭内部小范围的星型网，采用3G/4G-ZigBee网关主控制器来实现远距线通信。整个网络由三层构成:最高层为监控中心，监控中心的设备能通过互联网来访问网关服务器，如连接到互联网的计算机、移动终端等;它们通过控制器里的嵌入式Web服务器Boa让终端设备发起http请求来获得温度、光强度等参数；中间层为3G/4G-ZigBee网关主控制器和服务器，其主要功能是连通上层监控中心和ZigBee内部网络；最底层为ZigBee无线网络，每个终端设备作为一个ZigBee节点，接收和发送3G/4G-ZigBee网关转发的数据。
[0039]图1为本实用新型在实施例中的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统架构图。如图1所示，采用无线组网方式组建现代家居控制系统的内部网络，通过网关将设备接入互联网，用户可以远程对家庭内部情况进行监控。ZigBee无线网络具有很好的兼容性，它能够很好的与其他设备兼容，解决了当前智能家居系统存在的兼容性差、扩展性低等问题;无线网络还解决了传统有线网络布线和升级困难的问题。为了使系统具有较高的灵活性，同时采用3G/4G网络接入互联网，使系统更具移动性。
[0040]图2是本实用新型在实施例中的ZigBee与控制器、无线模块通信过程图。如图2，ZigBee网络中协调器与主控制器进行数据交换的过程是无线通信射频芯片CC2530负责端点节点与主控制器之间数据帧的发送与接收的一个过程，这个过程中都是通过封装与解析帧的形式进行的。在ZigBee无线网络中，传感器节点与控制芯片相互连接，当CC2530把协调器发送过来的数据帧解析后，然后通过SPI总线传给控制器的通信方式来完成传感器节点数据的读取和节点控制；控制器则完成与之相反的功能，这个过程则是将传感器节点的数据和控制信息通过SPI总线传输给CC2530控制器，然后将数据从控制器端发送给网络中的协调器。图2明确的表述了各模块间的通信过程，步骤如下:
[0041](I)采用查询协调器、应答节点的方式进行通信，其协议保持不变；
[0042](2)在PC向协调器端点发送指令的同时，协调器则向对应的节点发送命令和参数；
[0043](3)节点根据协调器节点发送过来的命令和参数做出相应的反应，并返回其相应的结果；
[0044](4)协调器通过通信串口将节点返回的数据和结果发送到PC端。
[0045]图3是本实用新型在实施例中的底层终端结点程序流程图。如图3，底层终端节点的工作流程是不断搜寻覆盖范围内的网络，并加入到协调器的网络中。其中温度采集部分的程序设计思想是在ZigBee协议桟中，将节点的模式选择为terminal node，应用层开发程序对温度传感器的设定一定的时间发送到协调器端。
[0046]图4是本实用新型在实施例中的底层温度检测子系统流程图。如图4，使用DS18B20温度传感器来检测家庭内部温度值，采集到的温度值通过CGI程序发送给Web浏览器端，用户可以通过浏览器来读取和控制室内温度值;该温度监控子系统在没有任何报警值的情况下，设定的温度采集时间为1s;当温度值到达警报值或危险值时，系统的采集时间由1s缩短为5s，这时系统会触发报警系统，蜂鸣器发出报警。
[0047]图5是本实用新型在实施例中的底层灯光控制子系统。如图5，该系统中的LED灯光控制模块通过对网络控制器控制命令的响应来进行室内照明设备的灯光控制;本设计中采用开发板上的LED灯来模拟控制家中具体某个灯的亮灭。并且建立一个文件led_data.txt来保存LED灯的状态，每次对于LED灯的操作都必须对led_data.txt的数据进行实时的更新。
[0048]图6是本实用新型在实施例中的底层视频采集程序流程图。如图6，V4L2的视频采集程序，首先需要定义个描述V4L2的结构体，主要包括对视频设备和图像属性的描述，对该结构体中重要的成员介绍如下:
[0049](I) video_capability:该成员主要包括视频采集设备的名称、信号源、分辨率种类等必要基本属性；
[0050](2) video_mbuffer: mmap映射帧信息，结构体中用变量frames来表示最多支持的帧数，变量video_off set [VIDEO_MAX_FRAME]表示帧相对于基地址的偏移量，帧的数据大小用size表示；
[0051](3) video_picture:包含表示图像属性的各个成员，如图像亮度brightness、图像色调hue、图像颜色color和图像对比度contrast等；
[0052](4) video_window:使用该成员来定义图像显示的方法，主要改变表示该窗口坐标的X和y变量;表示图像宽度和高度的width和height;
[0053](5) video_channel:包括描述信号源属性中表示信号源编号的Channel分量，表示信号源名称的Name变量，信号类型的Type变量，还包括VIDE0_TYPE_TV和VIDE0_TYPE_CAMERA;其中VIDEO_TYPE_CAMERA表示输入摄像头信号、VIDE0_TYPE_TV表示输入为电视信号;Norm代表PAL、NSTC、SECAM等几种电视信号使用的制式。
[0054]本视频采集程序实现的基本流程分三部分完成，流程如下:第一、打开视频采集设备。在Linux系统中，对视频设备的操作时通过open和close来打开或者关闭。第二、获取设备属性信息。第三、视频采集。对视频图像进行采集了，通常情况下采用map内存映射方法。它是通过进程之间映射同一个普通文件来实现的；只需要像访问普通内存一样对该文件进行操作;共享内存方法避免了程序间的数据拷贝，这样就可以直接读写内存数据。
[0055]图7是本实用新型在实施例中的网络传输程序流程图。如图7，本系统的视频编解码方式采用以帧为单位进行编解码的JPEG标准。使用TCP来进行网络通信。网络传输程序由创建socket、绑定socket端口、侦听、等待客户端连接请求、建立连接后发送视频数据流程构成。
[0056]图8是本实用新型在实施例中的本地LCD显示程序流程图。如图8，流程如下:第一、打开framebuffer帧缓冲设备；第二、获取可变与固定屏幕属性在内的framebuffer帧缓冲设备属性，根据帧缓冲设备的像素属性来初始化相应函数；第三、使用mmap方法进行framebuffer帧内存映射;第四、打开摄像头采集设备，设置图像格式，采集图像;第五、通过写framebuffer帧缓冲，在开发板的LCD屏幕上显示采集到的图像;第六、关闭framebuffer设备。
[0057]视频监控该部分的主要实现为视频文件的采集以及网络传输，当下位机摄像头通过视频采集程序采集到视频文件后，通过网络传输程序发送到上位机监控端；用户可以通过Web浏览器来打开传输过来的视频文件。智能家居系统监控端切换到视频控制界面，显示摄像头的工作情况和采集到的图像，实现远程监控的目的。
[0058]以上所述仅为本实用新型示意性的【具体实施方式】，并非用以限定本实用新型的范围，任何本领域的技术人员在不脱离本实用新型构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本实用新型保护的范围。
【主权项】
1.一种嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，用于对现代家居设备中灯光、温度、视频进行控制，其特征在于，包括三个部分:家庭内部网络及智能采集控制系统、无线数据传输系统和监控设备，监控设备通过无线数据传输系统连接到家庭内部网络及智能采集控制系统； 所述家庭内部网络及智能采集控制系统包括微处理器、多个底层传感器、无线传感网络模块和3G/4G网络模块，底层传感器置于家居设备中，无线传感网络模块为ZigBee控制模块，与家居设备中的底层传感器连接，构成一个或多个家居设备终端子系统； 所述无线传感网络模块一方面通过通信协议实现家居设备终端子系统之间的控制信号交互，控制家居设备终端子系统，另一方面通过串口与所述微处理器相连接，并将控制信号提交给微处理器进行处理； 所述无线数据传输系统采用3G/4G网络传输数据;所述监控设备用于人机交互和数据管理，通过3G/4G网络接入数据传输系统； 在微处理器上层架构嵌入式服务器，对嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统中各模块传送的控制信息和状态信息进行处理，接收并响应用户请求，所述家庭内部网络，与监控设备终端通过无线方式进行数据交换，并与所述微处理器连接，使微处理器与移动终端进行信息的交互。2.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述家庭内部网络及智能采集控制系统采用星型组网方式连接。3.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述微处理器选用Samsung ARM中心处理器作为嵌入式处理器，型号为S3C6410，并且运行Linux2.6.38 系统。4.根据权利要求3所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统在嵌入式Linux引导程序Boot loader和Linux内核中添加嵌入式服务器Boa、CGI，构建系统软件平台Bench。5.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述ZigBee控制模块为CC2530芯片。6.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述家庭内部网络及智能采集控制系统选用3G/4G和ZigBee模式接入移动通信网和无线传感器网络。7.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述家居设备终端子系统的数量为三个，分别为温度控制子系统、灯光控制子系统和视频监控子系统。8.根据权利要求1所述的嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统，其特征在于，所述嵌入式Linux的现代家居无线联网控制系统采用LCD显示触摸屏的模式作为本地操作平台ο
【文档编号】H04L29/08GK205670375SQ201620200333
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年3月16日
【发明人】刘悦, 杨桦, 周美玲, 李想, 曹宁
【申请人】开封大学