智能安防系统设计

目录

1 摘要..........................................-

2 -

2 智能家居控制器的具体功能.......................-

3 -

3 基于GPRS智能手机远程家居监控系统的设计与功能实现实现................................................-

4 -

3.1 系统总体设计...............................- 4 -

3 . 2 关键技术.................................- 5 -

3 . 2 . 1 基于 MJPEG的图像监控............- 5 -

3 . 2 . 2 传输协议的设计...................- 6 -

3 . 3 . 2解决问题.............................- 8 -

4 智能家居配置方案.................................- 9 -

4 . 1传感器原件安装分配.........................- 9 -

4 . 2产品配置及功能简述.........................- 12 -

5 总结............................................- 13 -

6 参考文献........................................- 14 -

1 摘要

智能家居给人们生活带来便利的同时也带来了很大的经济效益，但是配套的安全防范技术一直是制约其安全性和智能化程度的制约性因素。随着网络技术和通信技术的不断发展以及人们对生活要求的不断提高，实现家庭智能的远程控制已经成为必然的趋势。国家建设部住宅产业化促进中心提出住宅小区要实现六项智能化要求，其中包括实行安全防范自动化监控管理：对住宅的火灾、有害气体的泄漏实行自动报警;防盗报警系统应安装红外或微波等各种类型报警探测器;系统应能与计算机安全综合管理系统联网;计算机系统能对防盗报警系统进行集中管理和控制。但由于目前无线通讯技术的不成熟、运行费用高等弊端，智能家居控制器与外网无线通讯技术成为导致市场接受度低的重要因素，而GPRS系统的特点能够很好的解决该问题。GPRS网络通信业务是通讯公司推出的一项数据传输通信业务，在GPRS网络覆盖区域内，传输距离不受限制，通信费用相对低廉，传输速率较快。本文涉及家庭智能系统及GPRS技术相关背景，分析了其各自基本特点和所要实现的基本功能，并在此基础上提出了基于GPRS无线智能家居系统的总体解决方案。最后总结系统核心GPRS 芯片软硬件实现方法。

关键字： GPRS 智能家居远程控制监控系统智能手机

2 智能家居控制器的具体功能

智能家居控制的具体功能包括：

家用设备的数据采集：采集家用设备包括室内温度，灯具家电，防盗门等设备的状态数据，经控制器处理后反馈给用户。

本地控制：用户通过控制器上的键盘和显示屏，对家用设备进行监控。

远程控制：远程用户可以通过发送手机短信或通过互联网对家庭系统进行控制和查询。

自动报警：当控制器检测到非法闯入或温度超高等报警信号时，及时触发室内报警装置，并通过发送报警短信等方式及时通知用户。

温度查询：用户可以通过控制器查询室内温度。

防盗门密码设置：用户可以通过本地或远程方式修改防盗门的密码，在门外输入正确密码后才可打开门。

红外家电控制：接收用户命令，通过红外发射电路控制电视、空调等红外可控的家电设备。

其它灯具等开关量控制：接收用户命令控制灯具等开关量设备。

3基于GPRS智能手机远程家居监控系统的设计与功能实现实现基于 2 . 5G智能手机的远程家居监控系统, 其系统总体结构与设计思路是在分析现有 GPRS网络带宽与智能手机计算能力的基础上, 提出了一种基于MJPEG的图像监控方案,设计了相关的传输、控制协议。最后给出了原型系统实现,并对实现效果进行了分析。

远程监控是指授权用户对远端现场信息的监视, 控制与管理。传统的远程监控系统一般通过专业设备和专用网络实现, 与普通人的生活距离较远;而随着智能手机( Smart Pho ne)计算能力的增强以及移动数据网络带宽的提高, 使以智能手机作为终端的远程监控系统成为了可能。这样的系统如能实现, 将使智能手机用户能随时随地了解、控制可能远在千里之外的监控现场,极大方便人们的日常生活与管理活动。现有 2 . 5G(GPRS)智能手机的远程家居监控系统, 并给出了设计思路与实现方法。

3.1 系统总体设计

基于智能手机的远程家居监控0是指用户可以随时随地通过智能手机对远程的家居环境进行监视与控制。因此,系统的功能需求包括: ( 1)用户可以随时在智能手机上看到当前家中的监控图像; ( 2)可以通过智能手机对家中的监控设备进行控制, 如控制监控摄像机的拍摄方向等。系统的总体设计思路是, 在用户家中部署一台 PC,负责连接、控制监控设备并与用户的智能手机通信。智能手机则作为终端设备负责显示监控画面, 并提供控制监控设备的用户界面。智能手机通过GPRS移动数据网络接入 Internet进而实现与用户家中 PC的通信。这实际上是一个 C/S结构的系统: PC作为监控服务器, 而智能手机是监控的客户端。系统的总体结构如图 1所示。

在系统结构中, GPRS(通用无线分组业务 )是智能手机与监控服务器进行通信的网络基础,它能提供的服务质量 (主要是带宽 )决定了整个系统实现的质量。按照规范, GPRS支持I P与 X. 25协议,理论上支持高达 170kb/ s的传输速率但这只是理论值,为了测得现有 GPRS的实际传输速率, 在实验智能手机上设计了一个程序,分别从多个不同的 Internet站点上下载各种不同的文件, 测得的实际传输速率在 35kbps~ 40kbps之间。系统的设计与实现是按照这个实测数据进行的。在这个系统结构的基础上, 为了实现系统功能,仍需要解决的关键问题有: ( 1)基于现有 GPRS网络带宽和智能手机计及选择合适的图像编码方案实现图像监控; ( 2)设计一套通信协议, 协调服务器 PC与智能手机之间监控图像、消息以及控制命令等数据的传输。以下将就这些问题进行讨论。

3 . 2 关键技术

3 . 2 . 1 基于MJPEG的图像监控

根据实测 GPRS传输速率, 需要选择一种支持低比特率编码的视频图像压缩标准,常见的有 MPEG24、 H. 263等。这两种标准的特点是压缩比高, 可以在很低

的比特率下编码并获得较好的图像质量[ 4, 8]。但这两种标准的算法复杂, 对编解码设备的计算能力要求高, 在嵌入式设备上实现时通常要有专门的硬件配合软件协同工作, 以现有智能手机的性能难以用软件做到实时编解码与回放。因此, 本系统采用了一种算法较为简单的图像编码方法M J PEG(moti on2JPEG)[ 4 , 5],其基本原理是将视频图像的每一帧单独用 J PEG算法压缩, 然后组合起来形成图像流。与前述的两种方法相比, MJPEG只有帧内压缩而没有帧间压缩,总的压缩率较低。但它的算法成熟,实现普遍, 现有的智能手机大部分已可以进行 J PEG的解码与显示。最后, 由于是在显示屏较小的智能手机上显示,可以采用较低的图像分辨率。在 QCIF ( 176 * 144)格式下,用 MJ PEG编码压缩后每一帧的存储大小约为 4kb ,结合上面实测的传输率,理论上可以达到8fps~ 10 f ps , 已可以满足对/家居环境0进行监控的要求。

3 . 2 . 2 传输协议的设计

为了在服务器与智能手机之间传输 MJPEG图像数据、各种控制命令和消息, 还要设计一套应用层上的通信协议。设计的基本数据包格式如图 2所示:

其中的包头标示 0字段长度为1字节, 内容为一个ASCII字符, 数据包用该字符标示自身的类型。包头标示与数据包类型的对应关系如表 1所示。当数据包类型为图像数据0时,数据载荷中放置的就是分帧存放的 MJ PEG图像, 存储格式是图像帧长度0 图像帧数据0交替依次排列,最后以整形量 - 1作为结束界符。如图3所示。控制命令包0的数据载荷大小为 2个字节, 其中第 1个字节为监控设备标示符,第 2个字节为控制命令。控制命令包不需要结束界符, 见图 4 。智能手机上的客户端程序在收到一个完整的图像数据包0后将向服务器发送确认包0。该数据包作为提示服务器可以继续传送图像数据用, 因此没有数据载荷和结束界符。类似地,中断连接包0用作服务器与客户端之间提示将要中断当前连接, 也没有数据载荷和结束界符。

3 . 3 系统实现

根据以上设计, 项目组实现了该系统的原型。原型系统中的/监控设备0是一台带有云台控制功能的网络摄像机 (型号: V eo Observer), 服务器0是一台普通的 IBM PC机, 智能手机0采用的是 Motorola的 A760 , 该手机支持 GPRS网络, 采用嵌入式 Li nux操作系统并内置 Java /KVM 虚拟机。如前所述, 系统采用 C /S结构实现。服务器与客户端之间用 Berke l ey socket进行网络通信并采用多线程提高运行效率。整个系统典型的运行流程如图 5所示。

在 PC上的服务器端由于要对监控设备硬件进行控制,采用C++ /MFC实现,实现环境为VC++ 7 . 0 。 Socket通信部分利用 MFC中的 CSocket类实现, 而摄像机控制及图像采集则通过摄像机厂商提供的 SDK实现, 考虑到智能手机显示屏大小及网络带宽的限制, 图像分辨率设置为 176* 144(QCIF)。

3.3.1智能手机远程家居监控系统的设计与实现

1) DSP读取主机预先设置好的主机缓存区地址内存映射寄存器, 然后发起 PCI 写操作,其具体实现流程和图 3流程类似, 二者主要差异在于写操作时 DSP内

数据缓存区的地址是源, 主机的数据缓存区地址是目的地。由于篇幅所限, 此流程本文略过;

2)有数据都发送完毕后, 通过调用 CCS内的 csl库函数 PCI_dspIntReqSet( ), DSP向主机发送中断, 通知主机 DSP已经把数据完全搬移到主机内存;

3) 主机中断服务程序或中断延迟调用程序验明此中断源是 DSP上传数据完毕中断, 即响应该中断, 执行数据的进一步传递或处理。

3.3.2解决问题

在多线程应用环境下的特殊处理考虑到多线程应用时所有数据的输入输出都要经过 PCI总线, 在前述过程基础上,还需额外考虑如何避免多线程之间因共享PCI总线进行数据交互而导致彼此数据被意外冲刷破坏问题, 本文采用如下两个措施解决了此问题:

1)信号灯保护: 把实现 PCI读写的代码单独写成两个函数, 在 DSP内增加一个信号灯 ( Se mpo phore)全局变量, 在这两个函数的前后都采用 SEM _pend ( )和 SEM _post( )来实现对PCI这一共享资源的同步。此措施可有效的避免 DSP 内多线程对 PCI总线的访问冲突;

2)竞争的方式来获取 PCI的控制权:在 DSP片内存储器内设立一个内存映射寄存器,该寄存器表示 DSP内 PCI总线的状态, 供主机和 DSP实时访问。主机某线程在向 DSP发送数据之前, 先查询该寄存器确定 DSP的 PCI是否空闲, 如空闲则允许过程执行, 否则循环等待直到 PCI完成了其他线程的传输后空闲为止, 一旦获得 PCI使用权后,主机立即置PCI状态为忙;在 DSP内部,数据接收线程一旦接收完毕所有数据后立即置该状态为空闲。此措施则可有效避免主机内多线程间对 PCI总线的访问冲突以及输入和输出的访问冲突。

4 智能家居配置方案4 . 1传感器原件安装分配

房间名称安装设备实现功能

门庭1个双联开关

（不带高压驱

动模块）

1、设置面板左边的下按键两地开关门庭的顶灯（集中

驱动器的某路），另外设置门庭顶灯打开2分钟后自

动关闭——这是智能开关“开”后延时自动关闭的功

能；上按键设置为“灯光全关”按键。

2、设置面板右边的下按键两地开关餐厅顶灯（集中驱

动器的某路）；上按键设置为两地开关客厅顶灯（集

中驱动器的某路）。

厨房1个双联开关

1、面板左边的下按键控制厨房的顶灯；上按键设置为

两地开关餐厅顶灯（集中驱动器的某路）。

2、面板右边的下按键控制厨房的抽油烟机，并设置控

制排气扇（或抽油烟机）的智能开关被关后，所控制

的排气扇（或抽油烟机）并未马上关闭，而是延时1～

2分钟才真正关闭，这样，每次做完菜之后，随手关闭

智能开关，该智能开关所控制的抽油烟机或排气扇并

未马上关闭，而是延时所设定的时间（如2分钟）后

再自动关闭，达到继续抽油烟和换气的目的，同时不

用再返回来关闭它——这是智能开关“关”后延时自

动关闭的功能；上按键设置为两地开关餐厅壁灯（集

中驱动器的某路）。

1个燃气传感器接入智能开关的传感器接口，实现厨房燃气泄漏监控。1个幕帘传感器接入智能开关的传感器接口，实现小阳台防盗监控。

客厅1个集中驱动器

集中驱动客厅、餐厅和门庭区域的8路灯光，并与灯

光场景触摸开关配合，实现8路灯光群控并提供6种

灯光场景组合效果。集中驱动器的1～8路灯光还可以

通过其它智能开关的上按键进行单独的控制（需要设

置上按键的联动对象为“两地开关集中驱动器的某

路”）。

1个灯光场景触

摸开关

灯光场景触摸开关提供有6个图标按键的直观触摸操

作界面，可以在第1－6种场景灯光组合效果之间便捷

开、关、切换。

1个智能音视频交换机提供4路立体声音源输入（集成FM立体声调频收音机以及MP3播放功能）、4路视频输入；4路立体声输出+4路单声道输出；4路视频输出。实现全宅背景音乐共享、全宅视频共享，与智能家居系统完美集成，轻松打造新视听家庭影院！

1个音视频触摸开关音视频触摸开关提供有图标触摸界面，可以直观实现所在房间背景音响的开、关、音量调整、音视源选择、曲目切换等，方便本地手动控制背景音乐。

1个双联开关（不带高压模块）1、面板左边的下按键两地开关客厅筒灯1（集中驱动器的某路）；上按键两地开关客厅筒灯3（集中驱动器的某路）。

2、面板左边的下按键两地开关客厅筒灯2（集中驱动器的某路）；上按键两地开关客厅筒灯4（集中驱动器的某路）。

1个三功能智能转发器当前房间8台红外家电遥控器信号学习转发（控制当前房间的电视、影碟机、空调、机顶盒、投影仪等）；人体移动探测（防盗监控、照明感应控制）；安防匙扣遥控器无线遥控信号接收转发。

1个窗帘开关控制客厅的电动窗帘或电动卷帘。

1个日程管理器提供系统时间，并提供87个完全自定义事件，使系统的互动与智能化功效发挥得淋漓尽致，可以解决用户稀奇古怪的智能化需求，让家居生活全天候智能化！另外，日程管理器面板上有2个按键，可以任意指定控制对象（该方案中2个按键均设定为“紧急呼救”按键）。

更重要的是，日程管理器在全家外出度假期间，可以模拟有人在家正常作息的情景，达到迷惑窃贼的目的！

1个总线分接器（5口）总线分接器就是把从系统电源引出来的系统总线分接到各个智能产品，使系统总线的布线变得简单和易于维护。在实际的应用中，可以从总线分接器往每个房间拉一条总线，然后同一房间内相邻安装的智能产品可通过智能开关的总线扩展接口（COM2）连接即可。注：如果COM2为6P4C的传感器接口，则无法通过其扩展总线连接；另外，同一支路扩展连接的智能产品数量不宜超过3个（扩展连接的产品不要包含集中驱动器，每个集中驱动器应独占一条总线分支），否则有可能导致末端产品供电不足，而且如果该支路上某产品接触不良，会影响后面产品的通讯——对于某房间安装的智能产品超过3个的情况，建议该房再装一个5口的总线分接器。

阳台1个单联开关控制阳台顶灯。

卫生间1个双联开关1、面板左边的下按键控制卫生间的顶灯；上按键设置

为“紧急呼救”按键。

2、面板右边的下按键控制卫生间的排气扇；上按键设置为“紧急呼救”按键。

过道1个单联开关

下按键控制过道顶灯；上按键设置为“紧急呼救”按

键。

1个总线分接器

（12口）

总线分接器就是把从系统电源引出来的系统总线分接

到各个智能产品，使系统总线的布线变得简单和易于

维护。在实际的应用中，可以从总线分接器往每个房

间拉一条总线，然后同一房间内相邻安装的智能产品

可通过智能开关的总线扩展接口（COM2）连接即可。

注：如果COM2为6P4C的传感器接口，则无法通过其

扩展总线连接；另外，同一支路扩展连接的智能产品

数量不宜超过3个（扩展连接的产品不要包含集中驱

动器，每个集中驱动器应独占一条总线分支），否则

有可能导致末端产品供电不足，而且如果该支路上某

产品接触不良，会影响后面产品的通讯——对于某房

间安装的智能产品超过3个的情况，建议该房再装一

个5口的总线分接器。

1个系统电源给系统中的智能产品提供工作电源。

1个声音报警器智能输出各种报警声音。

起居室1个单联开关

（门口）

下按键控制主卧顶灯；上按键设置为两地开关主卧的

壁灯。

1个音视频触摸

开关

音视频触摸开关提供有图标触摸界面，可以直观实现

所在房间背景音响的开、关、音量调整、音视源选择、

曲目切换等，方便本地手动控制背景音乐。

1个双联开关

（仅带一路高

压驱动模块）

（床头）

1、面板左边的下按键控制主卧的壁灯；上按键设置为

两地开关主卧顶灯。

2、面板右边的下按键两地开关盥洗室的顶灯；上按键

设置为“灯光全关”按键。

1个双功能智能

转发器

当前房间8台红外家电遥控器信号学习转发（控制当

前房间的电视、影碟机、空调、机顶盒、投影仪等）；

人体移动探测（防盗监控、照明感应控制）。

厕所1个双联开关1、面板左边的下按键控制盥洗室的顶灯；上按键设置为“紧急呼救”按键。

2、面板右边的下按键控制盥洗室的电热水器；上按键设置为“紧急呼救”按键。

遥控器配置1个全能遥控器

跨楼层、跨房间遥控全宅灯光、家电以及音视频，功

能全面；情景模式一键操作，联动对象任意设置。

3个安防匙扣遥

控器

在进门、出门前后快速遥控实现家居系统的总布防和

总撤防，以及一键启动“离家”或“回家”情景模式，

从而引发该情景模式的所有联动对象动作。或者，用

户也可以自定义安防匙扣遥控器4个按键中的任意一

个作为“紧急呼救”按键。

4 . 2产品配置及功能简述

该方案智能产品配置统计如下：

1. 单联开关：6个

2. 双联开关：6个（其中有1个仅带一路高压驱动模块，有2个不带高压驱

动模块。注：控制厨房顶灯和抽油烟机的双联开关须选用带传感器接口的双联开关，以便接入燃气传感器和幕帘传感器的信号）

3. 窗帘开关：1个

4. 灯光场景触摸开关：1个

5. 音视频触摸开关：4个

6. 集中驱动器：1个

7. 音视频交换机：1个

8. 三功能智能转发器：1个

9. 双功能智能转发器：2个

10. 电脑网络控制器：1个

11. 电话远程控制器：1个

12. 短信控制器：1个

13. 智能声音报警器：1个

14. 燃气传感器：1个

15. 幕帘传感器：1个

16. 日程管理器：1个

17. 系统电源：1个

18. 12口总线分接器：1个

19. 5口总线分接器：1个

20. 全能遥控器：1个

21. 安防匙扣遥控器：3个

5 结语

在本次课程设计中把课本中分布学习的知识，在设计中综合加以应用，进而得到巩固、加深和提高。同时，通过查找、运用设计资料，完成了工程设计的要求任务。

通过本次课程设计，使我对所学知识有更进一步的理解，并能掌握学习理论时没有注意的细节。在实际工作中，只要有一个环节没有做好，整个系统就不能正常运行。在传感器技术方面建立扎实的知识基础，在领会、掌握基本原理、系统设计思想和工作方法的基础上，学会应用，做到理论和实际相结合，方案设计、系统原理确定、电路和程序的调试、直到故障的排除提高分析和解决问题的能力。

6 参考文献

【1】《传感器原理及工程应用》郁有文编著西电出版社 2003.7. 【2】钟玉琢, 向哲, 沈洪. 流媒体和视频服务器[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003 . 6 .