摘要： 對基于ZigBee 技術(shù)對嵌入式Web 的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行研究和設(shè)計。對家居設(shè)備通過Zigbee 進行無線組網(wǎng)，把家居設(shè)備的信息和數(shù)字視頻傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，在因特網(wǎng)上設(shè)立一個"無線視頻網(wǎng)關(guān)"WEB 服務(wù)器，可供外部訪問；實現(xiàn)將家居信息如溫度進行實時的顯示并進行后續(xù)的利用和控制；同時將收集各處傳輸進來的數(shù)字視頻信息進行后續(xù)的處理和識別。如入侵檢測，人臉檢測和識別等。

　　智能家居又稱為智能住宅， 在國外常用Smart Home 表示。與智能家居含義近似的有家庭自動化（Home Automation）、電子家庭（Electronic Home、E-home）、數(shù)字家園（Digital Family）、家庭網(wǎng)絡(luò)（Home Net/Networks for Home）、網(wǎng)絡(luò)家居（NetworkHome）、智能家庭/建筑（Intelligent Home/Building）等。

　　智能家居系統(tǒng)利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓家居生活更加舒適、安全。智能家居可以提供全方位的信息交換功能，幫助家庭與外部保持信息交流通暢，優(yōu)化人們的生活方式，增強家居生活的安全性，甚至為各種能源費用節(jié)約資金。

　　1 項目概述

　　1.1 智能家居發(fā)展概況

　　智能家居是利用先進的計算機技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將家庭中的各種設(shè)備（如照明系統(tǒng)、環(huán)境控制、安防系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)家電）通過家庭網(wǎng)絡(luò)連接到一起的，自從美國在1984 真正的智能建筑出現(xiàn)以來， 國外已經(jīng)有將近30 年的研究歷史，而國內(nèi)在這方面的研究相對較晚，從2003 年才逐步應(yīng)用于高端市場，而且標準不統(tǒng)一，如海信、海爾、清華大學等大家各自為營。由于智能家居系統(tǒng)具有安全、方便、高效、快捷、智能化和個性化的獨特魅力，使得智能家居的開發(fā)與建設(shè)成為21 世紀科技發(fā)展的必然趨勢。隨著對能源和環(huán)境的要求越來越高，而智能家居在節(jié)能方面的效果優(yōu)勢非常明顯，因此具有非常廣闊的市場前景。

　　1.2 開發(fā)板主要參數(shù)

　　本項目所使用開發(fā)板為Real6410 開發(fā)板，采用三星公司的ARM11 內(nèi)核的處理器S3C6410.開發(fā)板上還集成了123 M的DDR 內(nèi)存以及1 GB NandFlash, 同時預留了256 kNorFlash.底板上還提供兩個四線RS-232 串口， 一個USBHOST 接口，一個10 M/100 M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口等外設(shè)。

　　2 主要研究內(nèi)容

　　目前，各種智能家居系統(tǒng)的設(shè)計多以有線為主，但有線技術(shù)并不適用于智能家居的普及，安裝難度大以及價格昂貴的缺點限制了其發(fā)展。因此無線通信技術(shù)應(yīng)用到智能家居中必將成為將來的發(fā)展趨勢和潮流。

　　本項目對家居設(shè)備通過Zigbee 進行無線組網(wǎng)， 把家居設(shè)備的信息和數(shù)字視頻傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)網(wǎng)絡(luò)上，在因特網(wǎng)上設(shè)立一個"無線視頻網(wǎng)關(guān)"WEB 服務(wù)器，可供外部訪問；將家居信息如溫度進行實時的顯示并進行后續(xù)的利用控制；同時將收集各處傳輸進來的數(shù)字視頻進行后續(xù)的處理和識別。

　　3 項目總體設(shè)計方案

　　3.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計原則

　　本項目主要完成智能家居的環(huán)境變量和視頻信號的監(jiān)控。整個系統(tǒng)包括一塊ARM11 開發(fā)板，一個16 位單片機，2個USB 的CMOS 攝像頭；一臺PC 機（運行客戶端的監(jiān)控程序）根據(jù)功能的不同，整個系統(tǒng)可劃分由視頻采集模塊、數(shù)據(jù)壓縮、編碼模塊和視頻監(jiān)控PC 等組成。采集模塊包括USB攝像頭； 數(shù)據(jù)的壓縮編碼由ARM11 處理器完成； 視頻監(jiān)控PC 完成視頻客戶端的功能；PC 機完成對開發(fā)系統(tǒng)的程序開發(fā)、調(diào)試等。圖1 為系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　3.2 系統(tǒng)各部分結(jié)構(gòu)功能及設(shè)計

　　整個智能家居系統(tǒng)的設(shè)計可分為兩大部分：

　　1）WEB 服務(wù)器端設(shè)計；2）客戶機終端監(jiān)控軟件的設(shè)計。

　　3.2.1 WEB 服務(wù)器端設(shè)計

　　首先為ARM 開發(fā)板定制一個合適的Linux 內(nèi)核（內(nèi)核版本：Linux 2.6.28），然后對其進行裁剪，使其具有基本內(nèi)核功能，同時保留TCP/IP 協(xié)議棧，串口協(xié)議以及相應(yīng)的視頻編解碼模塊，使系統(tǒng)利用盡量少的硬件資源來滿足任務(wù)的處理工作。然后是開發(fā)一個運行于Linux 下的WEB 服務(wù)器程序，其實現(xiàn)的基本功能是通過USB 攝像頭的圖像數(shù)據(jù)采集，完成對視頻信息的獲取、壓縮和編碼（具體的編碼標準為當前較為流行的H264 編碼）。然后通過TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，同時利用Socket 實現(xiàn)服務(wù)器監(jiān)聽功能，這樣就可以接受來自客戶機的監(jiān)控請求。具體的工作內(nèi)容如下：

　　1）USB 攝像頭的驅(qū)動程序移植；2）H264 視頻編碼程序移植；3）視頻采集和傳輸?shù)膽?yīng)用程序的設(shè)計；4）通過Zigbee 獲取傳感器相關(guān)信息。

　　圖2 為WEB 服務(wù)器的工作流程，圖3 為ARM 通過網(wǎng)頁采集的視頻圖像，其IP 地址為：168.192.1.1:8080,此視頻即可以通過網(wǎng)頁顯示，也可以通過相應(yīng)基于I386 或Linux 的監(jiān)控軟件進行查看。

圖2 WEB 服務(wù)器工作流程圖

圖3 ARM 通過網(wǎng)頁采集的視頻信息

　　3.2.2 客戶機終端監(jiān)控軟件設(shè)計

　　客戶機終端監(jiān)控軟件采用MFC 編寫， 可實現(xiàn)來自WEB服務(wù)器端的實時視頻預覽、視頻錄制、視頻截圖及傳感器參數(shù)的實時顯示等功能。程序采用多線程技術(shù)：一個線程進行視頻信息的解碼和播放功能，另一個線程實現(xiàn)視頻錄制功能。

　　另外還采用了視頻信息疊加的方法，可以對環(huán)境變量進行屏幕疊加，能在錄制時完成信息的錄制和再現(xiàn)。圖4 為終端監(jiān)控軟件。

圖4 客戶機終端監(jiān)控軟件

　　4 項目關(guān)鍵技術(shù)

　　4.1 傳感器信息通過Zigbee 傳輸

　　Zigbee 是IEEE 802.15.4 協(xié)議的代名詞。根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。IEEE-802.15.4 規(guī)范是一種經(jīng)濟、高效、低數(shù)據(jù)速率（<250 kbps）、工作在2.4 GHz 和868/928 MHz 的無線技術(shù)， 用于個人區(qū)域網(wǎng)和對等網(wǎng)絡(luò)。本項目使用Zigbee 完成傳感器信息的傳輸。傳感器信息由一端Zigbee 接收后發(fā)送至另一端Zigbee,然后傳入RS232 串口中。具體傳輸模型如圖5 所示。

圖5 傳感器信息通過Zigbee 傳輸模型

　　4.2 DirectShow 視頻采集

　　DirectShow 是微軟公司在ActiveMovie 和Video forWindows 的基礎(chǔ)上推出的新一代基于COM （ComponentObject Model）的流媒體處理的開發(fā)包。DirectShow 技術(shù)對處理圖像序列或用攝像機捕獲的序列尤其有用。本項目使用VC 開發(fā)基于DirectShow 技術(shù)實現(xiàn)視頻采集。通過#pragmacomment（lib, "winmm.lib"）鏈接靜態(tài)庫winmm.lib,便可以實現(xiàn)windows 多媒體編程。

　　4.3 多線程技術(shù)及Socket

　　智能家居系統(tǒng)客戶機監(jiān)控軟件采用MFC 編寫。其中關(guān)鍵技術(shù)包括多線程以及Socket（）。

　　監(jiān)控軟件中包括previewVideo 線程（ 通過函數(shù)UINTpreviewVideo（LPVOID videoCtl）實現(xiàn)）實現(xiàn)視頻的預覽功能以及recordVideo 線程（ 通過函數(shù)UINT recordVideo （LPVOIDvideoCtl） 實現(xiàn)） 實現(xiàn)視頻錄制功能。打開攝像頭后通過AfxBeginThread （previewVideo,&m_video） 函數(shù)啟動previewVideo 視頻預覽線程， 用戶便可以通過監(jiān)控軟件預覽視頻圖像。當用戶點擊錄制視頻按鈕時， 首先通過函數(shù)SuspendThread（pVideoThread->m_hThread）掛起previewVideo視頻預覽線程， 然后通過函數(shù)AfxBeginThread（recordVideo,&m_video）啟動recordVideo 視頻錄制線程。當用戶點擊停止錄制按鈕時， 軟件通過函數(shù)ResumeThread （pVideoThread->m_hThread）恢復previewVideo 視頻預覽線程。終端監(jiān)控軟件通過previewVideo 線程以及recordVideo 線程便能很好的實現(xiàn)客戶機的視頻預覽和視頻錄制功能。線程模型如圖6所示。

圖6 線程模型

　　智能家居系統(tǒng)使用Socket（）實現(xiàn)客戶機與服務(wù)器之間的通信。通過USB 攝像頭采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行獲取、壓縮和編碼后通過TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，同時在服務(wù)器端創(chuàng)建Socket（）進行監(jiān)聽，來接受客戶機的請求。當客戶機發(fā)送connect（）連接請求后，服務(wù)器通過accept（）接收客戶機連接請求。然后服務(wù)器與客戶機之間通過send（）函數(shù)和recv（）函數(shù)實現(xiàn)發(fā)送、接收數(shù)據(jù)。Socket（）通信模型如圖7 所示。

圖7 Socket 通信模型

　　4.4 入侵檢測功能實現(xiàn)

　　為了減少網(wǎng)絡(luò)傳輸和系統(tǒng)的壓力，在視頻采集端，每采集圖像就對采集的數(shù)據(jù)進行處理。該函數(shù)設(shè)定一個圖像發(fā)生變化的閾值c_limit,然后將圖像所有像素之差與閾值c_limit 進行比較，如果大于閾值c_limit,則認為圖像發(fā)生了變化，否則即認為沒有變化，則不將該次采集的圖像數(shù)據(jù)寫入JPEG 文件保存，這樣可以極大地提高視頻存儲的能力，同時減少各資源的浪費。

　　4.5 利用openCV 庫實現(xiàn)人臉檢測

　　OpenCV 是Intel 公司面向應(yīng)用程序開發(fā)者開發(fā)的計算機視覺庫，其中包含大量的函數(shù)用來處理計算機視覺領(lǐng)域中常見的問題，例如運動分析和跟蹤、人臉識別、3D 重建和目標識別等。

　　在openCV 函數(shù)可編程過程中，CvSize 和IpImage 是兩個比較常用的結(jié)構(gòu)。CvSize 結(jié)構(gòu)表示矩形尺寸的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中分別定義了矩形的寬度和高度。IpImage 結(jié)構(gòu)主要針對視覺方面處理。

　　軟件實現(xiàn)中首先通過函數(shù)IpImage* cvCreateImage （cvSize（img->width,img->height）， 8, 1 ）為圖像分配內(nèi)存，然后使用函數(shù)cvCvtColor（ img, gray, CV_BGR2GRAY ）將RGB圖像轉(zhuǎn)為灰度圖像。為了讓輸入圖像大小相同通過cvResize（ gray, small_img, CV_INTER_LINEAR ） 對圖像進行縮放，函數(shù)cvEqualizeHist（ small_img, small_img ）實現(xiàn)灰度圖像直方圖均衡化。然后利用函數(shù)cvHaarDetectObjects（small_img,cascade, storage1,1.1, 2, CV_HAAR_DO_CANNY_PRUNING,cvSize （30, 30）） 對圖像進行臉部檢測， 利用函數(shù)cvGetSeqElem、cvRound、cvCircle 將臉部用圓圈標示。圖8 為臉部檢測效果圖。

圖8 臉部檢測效果圖

　　5 結(jié)束語

　　項目社會和經(jīng)濟效益分析。

　　主要用途和應(yīng)用范圍：1）對機要部門的監(jiān)視、控制和報警，如檔案室、文件室、金庫、博物館等；2）工廠、市場等的監(jiān)視，如工廠生產(chǎn)過程、市場、營業(yè)廳、展覽廳、貨場等的監(jiān)視；3）對交通運輸?shù)谋O(jiān)視，如公共交通、鐵路車站、鐵路調(diào)度等的監(jiān)視；4）用于安全報警，如防盜、防火等的報警；5）在安全身產(chǎn)方面的應(yīng)用，如煤礦等。

　　經(jīng)濟效益：隨著人們生活水平的提高，大家對智能家居的需求越來越高，而作為中國房地產(chǎn)的配套產(chǎn)業(yè)，中國的智能家居經(jīng)過多年發(fā)展，已成為一個集控制、計算機、家電等多種新技術(shù)為一體的新興產(chǎn)業(yè)。但是，由于市場不規(guī)范、行業(yè)標準不完善，市場發(fā)展并不是很成熟，如今還處于群雄逐鹿的"戰(zhàn)國時代".具有很大的市場潛力。

　　社會效益：隨著哥本哈根會議和"十二五規(guī)劃" 當前，當?shù)吞紲p排已成為一項國家行動，而智能家居在這方面有自己的優(yōu)勢。其不僅智能而且節(jié)能，具有較高的社會效益

參考文獻:

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