摘 要： 為解決普通計(jì)算機(jī)愛好者及在校學(xué)生難以入門物聯(lián)網(wǎng)和嵌入式技術(shù)的問題，介紹了一種基于ARM的簡單而強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)，并利用該計(jì)算機(jī)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了智能監(jiān)控、火警預(yù)警和溫濕度監(jiān)測。
關(guān)鍵詞：ARM;Raspberry Pi;監(jiān)測;智能家居;溫/濕度監(jiān)測;紅外拍照
0 引言
隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的體積繼續(xù)縮小，各方面的性能飛速提高，而價(jià)格卻不斷下跌，計(jì)算機(jī)逐漸走進(jìn)人們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)和集成電路的快速發(fā)展及人們對(duì)居住環(huán)境舒適、便捷、安全等要求的不斷提高，智能設(shè)備及智能家居已經(jīng)呼之欲出[1]。目前，國內(nèi)外都對(duì)智能家居進(jìn)行了廣泛而深入的研究及建設(shè)，然而大多數(shù)開發(fā)組都是自己設(shè)計(jì)電路、焊接元件，這就將很多非電子專業(yè)的電腦愛好者限制在了門外。本文介紹了基于Raspberry Pi的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大大降低了普通愛好者及個(gè)人開發(fā)智能家居的難度。
Raspberry Pi[2]是一款基于ARM的只有一張信用卡大小的單板機(jī)計(jì)算機(jī)。它由英國的Raspberry Pi基金會(huì)所開發(fā)，目的是以低價(jià)硬件及自由軟件刺激在學(xué)校的基本的電腦科學(xué)教育。Raspberry Pi只有信用卡大小，B板配有基于ARM11的700 MHz處理器，512 MB內(nèi)存，RJ45以太網(wǎng)接口和GPIO、UART、I2C、SPI等接口。本文利用GPIO（通用輸入/輸出接口）實(shí)現(xiàn)了溫度/濕度監(jiān)測、火焰警報(bào)，并且紅外配合攝像頭實(shí)現(xiàn)了有人時(shí)才拍照存檔及通過手機(jī)或電腦查看“MJPG-streamer[3]”實(shí)時(shí)視頻流的一種智能家居解決方案。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)架構(gòu)
智能家居采用三層結(jié)構(gòu)，用戶可以通過PC或手機(jī)登錄瀏覽器查看存儲(chǔ)在服務(wù)器上的溫度、濕度、照片、火焰異常。其中照片以時(shí)間為文件名，火焰異常時(shí)記錄時(shí)間，用戶可以查看指定時(shí)間段的照片或火焰異常。用戶還可以通過PC或手機(jī)登錄瀏覽器直接查看終端攝像頭實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。終端將收集到的溫度、濕度、照片上傳到CentOS服務(wù)器，用戶通過瀏覽器查看終端上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)[4]。當(dāng)查看實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控時(shí)用戶通過客戶端直接查看終端視頻流。完整智能家居系統(tǒng)框架如圖1所示。
1.2 終端模塊
終端由Raspberry Pi B板、獲取溫濕度的DHT11傳感器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、火焰?zhèn)鞲衅髂K和用于拍照及視頻監(jiān)控的攝像頭模塊組成。其中DHT11[5]溫度測量范圍為0~50℃，濕度測量范圍為20 %RH~90 %RH，人體紅外感應(yīng)模塊為 HC-SR501，火焰?zhèn)鞲衅髂K基于LM393，攝像頭模塊為Raspberry Pi Camera模塊。終端模塊及接口如圖2所示。
2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
2.1 各模塊實(shí)現(xiàn)
Raspberry Pi終端開機(jī)后啟動(dòng)監(jiān)控主程序，主程序創(chuàng)建3個(gè)進(jìn)程，分別為溫濕度監(jiān)測進(jìn)程、火焰預(yù)警進(jìn)程和人體紅外監(jiān)測進(jìn)程。系統(tǒng)每隔60 s通過GPIO激活溫濕度傳感器獲取一次數(shù)據(jù)。火焰預(yù)警進(jìn)程每隔3 s查詢一次火警傳感器狀態(tài)是否正常，若不正常則發(fā)出預(yù)警并記錄時(shí)間。人體紅外監(jiān)測進(jìn)程查詢?nèi)梭w紅外狀態(tài)并進(jìn)行拍照，為了減少拍照數(shù)量且不漏拍重要照片，本文設(shè)計(jì)了兩種拍照方式：連拍3張和拍1張。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)之前沒有人活動(dòng)，現(xiàn)在有人進(jìn)入?yún)^(qū)域時(shí)采用第一種連拍3張方式；當(dāng)監(jiān)測區(qū)域內(nèi)持續(xù)有人活動(dòng)時(shí)采用第二種拍攝1張方式。為此，需要設(shè)置兩種狀態(tài)：上次查詢狀態(tài)ilstate和本次查詢狀態(tài)iv，偽代碼如下：
while(true)
{
infr(iv); //獲取本次狀態(tài)
if(iv==1&&ilstate==0) //有人進(jìn)入?yún)^(qū)域
{
拍照3張，時(shí)間間隔0.5 s；
}
else if(iv==1&&ilstate==1)
{
拍照1張；
ilstate=iv；
}
sleep(3)；
}
火焰?zhèn)鞲衅骱腿梭w紅外傳感器是狀態(tài)傳感器，分別有3個(gè)接口：正極、接地和信號(hào)輸出口，當(dāng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)信號(hào)輸出電平翻轉(zhuǎn)，Raspberry Pi通過單個(gè)GPIO接口接收狀態(tài)轉(zhuǎn)變。本文使用GPIO1作為火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)檢測接口，即26個(gè)接口中的12號(hào)，GPIO4作為人體紅外傳感器信號(hào)檢測接口，即26個(gè)接口中的16號(hào)，GPIO6作為DHT11的通信接口，即26個(gè)接口中的22號(hào)。火焰?zhèn)鞲衅鞅挥|發(fā)后輸出高電平，當(dāng)GPIO1檢測到高電平時(shí)則啟動(dòng)預(yù)警。人體紅外傳感器被觸發(fā)后由輸出低電平轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵龈唠娖剑珿PIO4檢測到高電平后根據(jù)兩個(gè)狀態(tài)調(diào)用拍照功能。DHT11采用單個(gè)針腳實(shí)現(xiàn)與Raspberry Pi之間的同步和通信，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出，數(shù)據(jù)格式為8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)、8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)，8 bit校驗(yàn)位，其時(shí)序如圖3所示。各模塊實(shí)物連接如圖4所示。
Raspberry Pi已經(jīng)安裝了Raspberry Pi Camera驅(qū)動(dòng)，使用攝像頭前要進(jìn)行設(shè)置，命令為sudo raspi-config，然后選擇Enable Camera 確認(rèn)后關(guān)機(jī)就可以連接Raspberry Pi Camera模塊了。Raspberry Pi用raspistill命令配合參數(shù)拍照。將拍照時(shí)間設(shè)為照片文件名，方便以后按時(shí)間查看及分類，拍照及照片上傳代碼在shoot.sh腳本中，通過C++程序來調(diào)用此腳本。
MJPG-streamer[6]是基于IP網(wǎng)絡(luò)的命令行應(yīng)用程序，它從攝像頭獲取JPEG文件流發(fā)送到Firefox、Cambozola、VLC、Windows Mobile或者移動(dòng)電話等包含瀏覽器的設(shè)備。可以利用攝像頭對(duì)JPEG文件進(jìn)行硬件壓縮，減少服務(wù)器上的CPU周期消耗，這為CPU資源不足的嵌入式設(shè)備或者常規(guī)服務(wù)器提供了一種輕量級(jí)的解決方案。例如，在一個(gè)200 MHz的路由器上960×720像素的文件流使用的CPU資源小于10% 。
使用“MJPG-streamer”需要安裝相關(guān)庫libjpeg8-dev，源碼下載方法可以使用wget 或者git：wget：https://codeload.github.com/jacksonliam/mjpg-streamer/zip/master；git pull: https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer.git。
2.2 代碼編寫
程序?yàn)槊總€(gè)模塊創(chuàng)建了一個(gè)進(jìn)程，代碼托管在google code,可以使用git克隆或者打包下載，git下載地址為：https://pottery19@code.google.com/p/ccnu-smart-house/。進(jìn)行編譯前要先安裝wiringPi庫和mysqlclient庫，安裝后make即可編譯鏈接生成運(yùn)行文件main。
3 系統(tǒng)測試
經(jīng)測試系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，獲得溫度、濕度數(shù)據(jù)如圖5所示，數(shù)據(jù)屬性分別為溫度、濕度、時(shí)間。可以看到并不是每30 s都產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，這是因?yàn)镈HT11不夠準(zhǔn)確，通過校驗(yàn)碼校驗(yàn)刪除傳輸錯(cuò)誤及明顯超過范圍的數(shù)據(jù)（如溫度大于100℃）后可得到大部分準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。
如圖6所示,人體紅外感應(yīng)模塊探測到有人活動(dòng)時(shí)輸出高電平，記錄1。從圖7可以看到，攝像頭確實(shí)根據(jù)圖6所示紅外探測情況拍下了照片。火焰探測模塊探測到火焰時(shí)輸出低電平，記錄0，圖8為用火機(jī)測試情況，火焰探測確實(shí)根據(jù)嚴(yán)格的3 s時(shí)間記錄了有火焰時(shí)的時(shí)間。
遠(yuǎn)程視頻測試如圖9所示，當(dāng)畫面為20幀像素320×240時(shí)占用帶寬約為600 kb/s，畫面十分流暢，當(dāng)畫面為10幀像素320×240時(shí)占用帶寬約為300 kb/s，畫面略有卡頓。
4 結(jié)束語
本文提出了一種新的智能家居方案，實(shí)現(xiàn)了智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)功能，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)簡單，功能擴(kuò)展方便，在此系統(tǒng)設(shè)計(jì)上稍加修改即可添加更多功能的傳感器，實(shí)現(xiàn)更加智能的功能，可結(jié)合ZigBee實(shí)現(xiàn)無線傳輸，結(jié)合arduino實(shí)現(xiàn)更方便的管理。
參考文獻(xiàn)
[1] 朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展與趨勢[J].微型電腦應(yīng)用，2010,26(1):1-3.
[2] Wikipedia. Raspberry_Pi [S/OL]. http://it.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi.
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[4] 劉政,袁國良,王麗芳.基于Cortex-M0 的室內(nèi)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國科技信息，2011(8):165-166.
[5] D-Robotics UK. DHT11[S/OL].http://www.micro4you.com/files/sensor/DHT11.pdf.
[6] Jacksonliam. MJPG-streamer [CP/OL].https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer#.