嵌入式Web智能监控物联网系统设计与分析
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摘要：研究借助嵌入式Web服务以及无线组网技术等，设计了智能家居监控系统。其在ARM平台上通过移植嵌入式操作系统对系统软件、硬件进行设计，在相应工具的作用下，建立生成了嵌入式web服务，配置无线网卡，由无线传感对网络进行控制，对终端节点程度、协调器节点进行设计，最后建立了数据通信协议，经过测试，该智能家居系统能够实现对家居环境的远程控制。
关键词：嵌入式web;智能监控;物联网;系统设计
中图分类号：TP393 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）02-0079-02
在云计算时代，似乎一切设备都可以连接到互联网。从智能手表到家用电器，从无人驾驶汽车到监控摄像头，物联网这个庞大的传感器网络将产生海量的数据。物联网和云计算通常都是独立运行，但这两种技术有着不可分割的联系[1]。目前智能设备已经覆盖工业、农业、家居等多个领域，在智能设备作用下，通信技术能够与互联网连接，有利于实现信息交换与共享，人工智能技术在塑造未来将发挥巨大作用。凭借其可以独立于工作人员协助而学习的软件的承诺，人工智能成为一款强大的工具，其巨大的潜力使所有其他工具相形见绌[2]。
作为我国新型战略性产业，物联网受到了社会各界的广泛关注，在定位技术、传感技术以及信息收集等多种技术的支持下，物联网将物品与互联网实现了连接，使人们的生活趋于智能化，同时也促进了各类新兴产业的发展[3]。智能家居正是物联网时代人们的可行性需求。将控制器、互联网等与网络相连接，结合自身需求对设备进行远程控制，这也成为智能家居发展的主要方向。
1 系统总体设计
信息时代的到来，互联网的便捷性，促进了物联网、智能家居等产业的发展，以智能家居行业为例，智能家居的核心应用，无论是远程遥控、还是全屋联动，这都需要互联网技术的支撑。从2015年起，智能家居的产业就在我国遍地开花，经过多年的大浪淘沙，智能家居技术、产品和解决方案已经越发成熟。目前，智能家居除对远程控制的需求外，还提出了安防报警器等安全需求，力图实现对家居环境、智能报警等信息的收集。首先需要组建一个完善的家庭内部网络体系，各类家电设备能够互联互通，智能网关的传输以及家具系统网络信息融合都需要在无线通信方式下实现[4]。除此之外，为了给用户提供便利，还引入了移动终端，用户在PC端、手机端也能够随时了解家电的工作情况，并根据需要做出相应的调整与修改。用户的操作在浏览器中会遗留痕迹，保证用户可远程监护家居信息及家电设备。本研究在进行系统设计时首先考虑的是收集家电设备工作情况，用户能够远程发出指令控制其工作状态;其次，感知层收集数据能够在无线通信网中到达智能网关，作进一步传输[5];第三应用层与感知层数据可在智能网关下完成信息共享、家电互联等;最后家电设备及用户家居环境相关信息要能够保证实时浏览。结合以上需求，设计如下智能家居系统架构（图1）。
2 系统软硬件设计分析
2.1 系统硬件设计
2.1.1 主控芯片
研究采用的芯片为S3C2400主控芯片，该芯片具有耗能低、体系小等优势，其作为一种高性能处理器，不仅拥有内存管理模块，而且采用高级微控制器总线架构，可有效降低系统运行中产生的能耗。主控芯片所采用的总线及硬件接口均为日常常用类型，LCD控制器、中断控制源实现有效集成。
2.1.2 串行通信接口设计
系统在串行通信接口设计方面实现了全双工串口通信，主要包括计算机串口调试与智能主机两个环节，为连接协调器与智能家居主机，采用了交叉串口，另外还采用协调器与USB转串口实现相互连接。为确保顺利通信，共设计了三个串口通道，因此需要在编写程度时对串口所对应的寄存器进行合理配置。
2.1.3 USB接口电路设计
USB端口設计重点环节为下载程度以及其外部设备连接。此次研究所选用的主控芯片包括Host与Slave两种接口，前者能够对4个接口进行扩展，且其所扩展得到接口均是对应的，只要将设备驱动程度添加到相应的内核便能够在接口中对设备进行正常使用。后者主要功能为软件下载，其电路结构如图2所示。
2.2 系统软件设计
2.2.1 终端节段设计
智能家居远程控制主要是通过终端节点实现的，而数据信息收集、网络连接则是终端节点的关键环节。利用网络发送收集信息，并能够对网络连接请求做出响应。一般情况下，信息搜集所用时间较长，因此，短时间内仅能够实现一次数据上传。在具体操作中，先对芯片进行初始化奥做，然而通过网络监听，待加入网络后，将数据在预先设定时间发送到网络。
2.2.2 客户端软件设计
目前，4G技术已经普及，5G技术正以飞快速度迅猛发展，再加上智能手机、移动互联网的发展，手机客户端给人们的生活带来了极大的便利，因此与PC客户端相比，手机端具有更大的优势[6]。基于这一发展实际，此次研究设计的是Android客户端版本，其中室内环境观察及电器控制是两个重要模块。用户只需用手机连接网络，便能够随时对室内环境进行观察，通过向主机发送命令，实现对家居的控制。主机接收命令需要经过数据查询、数据处理，才能发送到手机端供用户选择，视频数据需要解码才能够显示。此次研究在Android平台上安装了T254源代码，需要注意的是要统计数据结构，以便代码的顺利移植。
2.2.3 协调器设计
协调器是确保ZigBee组网的重要工具，其能够对终端节点发送的信息进行接收，并上传信息到上位机进行发送[7]，除此之外还能够保障服务器的正常运行，对客户端请求做出响应。研究充分利用了抽象层管理系统资源，对主程序进行设计，然后加入ZigBee节点，确保组网相关操作及事件处理的顺利实现。 2.2.4 无线组网通信模块设计
首先需要将协调器启动，初始化处理协议栈，设置射频信号，将无限网络启动，在网络中添加家用电器协议终端节点。然后扫描射频信道，在协调器作用下完成接收、申请，准确评估节点数量，当存在>1个加入节点时，提示已经顺利组网。这个过程需要节点恢复，并完成地址的分配等相关操作，按照上述步骤反复进行，所有家电终端节点便能够都顺利组网。
2.2.5 视频监控模块
智能家居远程无线监控主要是依赖视频监控模块实现的，这就要求该模块能够对视频数据做出相应的处理，该模主要架构为无线视频节点与视频信息集成中心，信息的交流需要通过编程接口实现。当无线监控获得录像后，首先要对视频图像进行压缩，并做好编码。视频监控区域信息定位技术还能够将视频进行大小转换，节省系统存储空间。采用离散余弦算法能够优化视频图像处理及计算，能够在保障图像质量的前提下，优化内存。
3 系统性能测试
客户端需要提前在智能家居主机中安装web服务，才能够控制家居环境观察及对家电设备的控制。本研究选择能够实现C++语言映射的SOAP工具开发包，其不仅能够对数据结构进行分析，而且涵盖对不同语言操作及语言环境。软件开发者可借助C++编写相应的应用程序，进而获得所需的客户端程序[8]。无线传感控制网、智能家居主机是该系统的两大元件。在具体实践应用中，先配置好无线传感网络，然后在程序中添加所选的协调器节点，打开各个终端节点模块，当入网指示灯亮，说明加入网络成功。在USB串口芯片作用下，协调器与智能家居主机相连接，可实现数据通信。打开客户端软件，输入端口号以及智能家居主机IP，便可成功连接该系统，进而与智能家居系统互通，此时用户可根据需要控制家居。
4 结束语
互联网技术的发展为人们的生活带来了翻天覆地的变化，物联网技术日趋成熟，家电设备、环境信息等均能够实现信息化，智能家居系统的设计为人们更好的控制、使用家电设备、构建安全、舒适的家具环境提供了技术支持。通过性能测试，发现该系统成本低、运行流畅，可满足用户需求。
参考文献：
[1] 邓昀， 李朝庆， 程小辉. 基于物联网的智能家居远程无线监控系统设计[J]. 计算机应用， 2017， 14（1）：159-165.
[2] 刘雨青， 李佳佳， 曹守启， 等. 基于物联网的螃蟹养殖基地监控系统设计及应用[J]. 农业工程学报， 2018， 16（1）：205-213.
[3] 彭意兵， 王帅， 何顶新. 安全监督内核uVisor的智能家居端节点系统安全设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2019， 19（3）：21-26.
[4] 沈刚， 蔡强， 丁兴亚，等. 基于物联网的汽车智能防盗系统实验教学平台设计[J]. 实验技术与管理， 2018， 35（10）：139-141.
[5] 巴音查汗， 安鹏. 基于嵌入式及RFID物联网技术的智慧校园系统设计与实现[J]. 现代电子技术， 2017， 26（16）：71-73，76.
[6] 刘洋. RFID技术的多天线及其馈电网络的监控系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用， 2019， 16（7）：36-40.
[7] 周秋霞， 杨春杰. 基于物聯网技术的智慧图书馆监控管理系统设计[J]. 自动化与仪器仪表， 2018， 14（11）：252-253.
【通联编辑：光文玲】
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