基于Wi-Fi的無線智能門鈴系統(tǒng)設計

　　在信息、通信、智能不斷發(fā)展的今天,人們對于門鈴的要求已經(jīng)不僅僅是簡單的提醒功能,門鈴系統(tǒng)發(fā)展成為具提醒、防盜、安全等為一體的一個完整的智能系統(tǒng)。通過無線智能系統(tǒng)的管理,可以使我們能夠更輕松方便的使用門鈴及其附屬功能。無線智能系統(tǒng)是以無線網(wǎng)絡為主干,利用計算機、嵌入式系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡技術,將門鈴系統(tǒng)與計算機等終端設備有機的結合起來。與普通的門鈴系統(tǒng)相比,無線智能系統(tǒng)不僅使門鈴系統(tǒng)保持了原來門鈴的一系列功能,還增添了遠程控制等新功能,并且無線智能系統(tǒng)脫離了各種線纜的羈絆,有很強的擴展性,本文僅是以門鈴系統(tǒng)為例子說明。在合適的條件下,還可以將其它的家電并入無線智能系統(tǒng),形成以住宅為平臺,兼?zhèn)浣ㄖ?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/網(wǎng)絡通信">網(wǎng)絡通信、信息家電、設備自動化,集系統(tǒng)、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境,也就是人們常說的智能家居(SmartHome)。無線智能系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡可以大致分為數(shù)據(jù)網(wǎng)絡和控制網(wǎng)路兩大部分,本文針對它的控制網(wǎng)絡相關技術進行研究,建立了一種基于Wi-Fi技術的無線智能門鈴。

　　一、Wi-Fi技術

　　1·Wi-Fi概述

　　Wi-Fi全稱WirelessFidelity,又稱802·11b標準,它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高,可以達到11Mbps,另外它的有效距離可達100m,完全滿足了無線門鈴的數(shù)據(jù)傳輸。

　　2·Wi-Fi技術的優(yōu)勢

　　第一,Wi-Fi的覆蓋范圍廣。在已應用的技術中,其有效半徑可達100m。而一些新型交換機的覆蓋范圍更是要加倍。

　　第二,Wi-Fi的速度快。根據(jù)無線網(wǎng)卡使用的標準不同,Wi-Fi的速度也有所不同。其中IEEE802·11b最高為11Mbps(部分廠商在設備配套的情況下可以達到22Mbps),IEEE802·11a為54Mbps、IEEE802·11g也是54Mbps。

　　第三,Wi-Fi的可兼容性好?，F(xiàn)在計算機的無線網(wǎng)卡均是以Wi-Fi為標準的連接設備,而新型的智能手機也大部分具有Wi-Fi終端。

　　第四,安全性與穩(wěn)定性。雖然Wi-Fi有某些安全性的缺陷,但在智能無線門鈴設計中,只要設定一系列的密鑰,還是可以接受的。而Wi-Fi的穩(wěn)定性是在無線網(wǎng)絡中比較有質量保證的,完全可以滿足設計的需要。

　　二、基于Wi-Fi的無線智能門鈴系統(tǒng)

　　1·總體設計方案本系統(tǒng)的結構(見圖1)

　　從圖1可以看出,無線智能門鈴系統(tǒng)主要由家庭網(wǎng)關、監(jiān)控服務終端(包括計算機終端和手機終端)以及監(jiān)控現(xiàn)場組成。網(wǎng)絡主要分為兩個部分,室內網(wǎng)絡和室外網(wǎng)絡。

　　室內網(wǎng)絡由監(jiān)控現(xiàn)場和無線路由之間的IEEE802·11標準的無線網(wǎng)絡組成,家庭網(wǎng)關和計算機終端的有線或無線聯(lián)接。
　　室外部分由計算機終端和遠程控制頁面(即Web頁面)之間的Internet網(wǎng)絡組成。

　　系統(tǒng)工作原理:首先由摁下門鈴按鈕,門鈴震動或發(fā)出聲響,提醒戶主。戶主啟動監(jiān)控服務終端,經(jīng)由IEEE802·11b無線網(wǎng)絡,發(fā)送指令到確定的IP地址,即監(jiān)控現(xiàn)場電源開關,監(jiān)控現(xiàn)場開始工作。在監(jiān)控現(xiàn)場,打開攝像機、麥克風等輸入終端,采集現(xiàn)場模擬信號。采集后的信號送入視頻服務器中,視頻服務器對模擬信號進行壓縮編碼,并且將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū),等待家庭網(wǎng)關發(fā)來的聯(lián)接請求。當家庭網(wǎng)關調用聯(lián)接請求程序時,視頻服務器讀出緩沖區(qū)的音視頻數(shù)據(jù),同時啟動發(fā)送模塊,發(fā)送時,采用RTP協(xié)議①打包。模塊讀取緩沖區(qū)的視頻流最好是以一幀為最小單位,如果數(shù)據(jù)比較長,在網(wǎng)絡中傳輸不穩(wěn)定,可以在打包前將幀進行分割,再進行打包處理。數(shù)據(jù)按照RTP協(xié)議打包完成之后,通過UDP協(xié)議②傳送到家庭網(wǎng)關中進行傳送。數(shù)據(jù)經(jīng)由家庭網(wǎng)關,繼續(xù)進行無線傳送至監(jiān)控服務終端。監(jiān)控服務終端接收數(shù)據(jù)之后,按照數(shù)據(jù)傳送的順序和標志,重新對數(shù)據(jù)進行解壓、組裝,形成完整的幀結構。通過監(jiān)控服務終端中的相對應的視頻軟件,對數(shù)據(jù)進行MPEG-4③解碼,解碼后的數(shù)據(jù)就是視頻數(shù)據(jù);同時對音頻數(shù)據(jù)也進行相應的操作,得到相應的音頻數(shù)據(jù)。通過監(jiān)控服務終端調用播放模塊的軟件,進行實時播放,并且調用存儲模塊進行存儲,以達到實時監(jiān)控的目的。

　　2·監(jiān)控現(xiàn)場的設計

　　設計思路:監(jiān)控現(xiàn)場是由一個普通門鈴、攝像機、麥克風和視頻服務器組成的。普通門鈴的作用是提示戶主,進行監(jiān)控。視頻服務器是整個監(jiān)控現(xiàn)場的關鍵,它主要是負責講攝像機和麥克風采集到的模擬信號進行編碼壓縮、網(wǎng)絡傳輸,并且負責客戶服務端對攝像機和麥克風的控制。其結構圖如圖2所示:

　　監(jiān)控現(xiàn)場無線接收裝置采用ARMLinux嵌入式系統(tǒng)。

　　采用這樣的芯片作為接收裝置是因為Linux系統(tǒng)具備有完整UNIX所有的功能如多任務處理、虛擬內存、程序資源豐富、按照應用加載執(zhí)行文件、執(zhí)行程序共享,內存管理和TCP/IP網(wǎng)絡,而ARMLinux正在被移植或已經(jīng)移植到超過100種以上的不同種類機器,包括個人電腦、網(wǎng)絡電腦和發(fā)展工具,適合作為IEEE802·11b標準的網(wǎng)絡處理器。

　　3·家庭網(wǎng)關的設置

　　家庭網(wǎng)關是無線網(wǎng)絡的中繼傳輸裝置,可以由一個無線路由和一個配套的ARMLinux嵌入式系統(tǒng)組成。ARMLinux嵌入式系統(tǒng)的作用是設定監(jiān)控現(xiàn)場無線路由的IP地址,并且接收監(jiān)控現(xiàn)場的數(shù)據(jù),并傳送給無線路由。無線路由是目前常用的一種無線傳輸裝置,通過它分配所有系統(tǒng)涉及的IP地址,并且將接收到的數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控服務終端。

　　4·監(jiān)控服務終端的設置

　　監(jiān)控終端分為兩種:手機終端和計算機終端。

　　(1)手機終端設置:調整手機Wi-Fi網(wǎng)卡,設置IP,連接無線路由,調用相應的播放軟件,對監(jiān)控現(xiàn)場進行實時監(jiān)控。并且可以進行互動交流。

　　(2)計算機終端設置分為兩種情況:室內進行監(jiān)控和室外進行監(jiān)控。

　　室內監(jiān)控:調整計算機Wi-Fi網(wǎng)卡,對計算機設置無線IP,接收無線路由傳送數(shù)據(jù),調用相應的播放軟件,即可實現(xiàn)對監(jiān)控現(xiàn)場的實時監(jiān)控。并且如果計算機終端附帶麥克風和攝像機,還可以對監(jiān)控現(xiàn)場進行雙向交流。

　　室外監(jiān)控:可以通過設定家庭網(wǎng)關,對監(jiān)控現(xiàn)場實施監(jiān)控。家庭網(wǎng)關是一個人機交互的Web界面,使用戶可以通過Internet了解監(jiān)控現(xiàn)場信息,實施實時監(jiān)控。

　　5·軟件設計思路

　　(1)網(wǎng)關設置,網(wǎng)關流程圖如圖3所示:

　　網(wǎng)關設置涉及的函數(shù)大約有如下幾個:

　　Main();　　　　　主函數(shù),網(wǎng)關的入口地址

　　CenterGateWay;　實例化的ClientManage和DeviceManage對象

　　getServerManage;　返回ServerManage對象,用于監(jiān)聽客戶端的控制指令

　　getDeviceManage;　返回DeviceManage對象,用于監(jiān)管設備信息

　　(2)監(jiān)控現(xiàn)場設置,監(jiān)控現(xiàn)場流程圖如圖4所示:

　　(3)監(jiān)控服務端設置

　　Configure類的主要作用:根據(jù)配置文件的信息,解析并提取相應的Socket連接參數(shù)。該類所用的方法及其功能如下所示:

　　Configure();　該方法是類的構造,調用了readConfigurePropertyFile()

　　getConfigure();　實例化的Configure類的對象

　　readConfigurePropertyFile();　從Configure,Properties文件中讀取數(shù)據(jù)

　　(4)服務器端程序DeviceManager類的設計
　　DeviceManager類的主要作用:提取存儲在db4o數(shù)據(jù)庫中的設備信息,并把它轉化為便于網(wǎng)絡傳輸?shù)膞ml文件,同時該類還有實現(xiàn)添加和刪除設備信息的功能。該類所用的方法及其功能如下所示:

　　DeviceManager();　構造函數(shù),調用initDevice()方法

　　initDevice();　初始化設備信息;

　　getDevicesManager();實例化DeviceManager,用于網(wǎng)關類調用

　　getAllDevices();　從數(shù)據(jù)口中獲取設備

　　DeviceObjeceToXML();　把設備對象信息轉化為XML文件,用于設備傳輸

　　AddDevice();　添加設備到數(shù)據(jù)庫中

　　DelDevice();　從數(shù)據(jù)庫中刪除指定的設備

　　(5)服務器端程序ServerManager類的設計

　　ServerManager類的主要作用:根據(jù)Configure類返回Socket連接參數(shù)創(chuàng)建ServerSocket端口監(jiān)聽,然后再根據(jù)CenterGateWay調用DeviceManager類初始化設備信息返回的xml文件信息,向客戶端(手機)發(fā)送設備信息以便客戶端進行UI初始化,同時監(jiān)聽客戶端發(fā)送的操作指令進行相應的設備操作,并返回反饋信息給客戶端。該類所用的方法及其功能如下所示:

　　ServerManager();構造函數(shù),用于開辟一個端口監(jiān)聽客戶端的連接請求

　　getServerManager();實例化類ServerManager

　　startMonitorClinet();開始監(jiān)聽客戶端的請求

　　Run();該線程用于實現(xiàn)連接請求
　　ClientThread　用于向客戶端發(fā)送設備信息,同時調用analyzeAndExcuteCommand();

　　analyzeAndExcuteCommand();用于解析客戶端發(fā)送的控制指令

　　6·軟件的使用

　　(1)系統(tǒng)運行的軟件環(huán)境

　　對于此類嵌入式設備,需要JAVA虛擬機CVM?？梢酝ㄟ^ARM-LINUX工具鏈來編譯此虛擬機,也可以用現(xiàn)成的虛擬機。jdk1·4·2(LINUX下的版本),CVM源代碼等。

　　此類實現(xiàn)的CVM手冊上有詳細的介紹。同時嵌入式設備必須裝載外圍的驅動程序。

　　(2)軟件運行的硬件環(huán)境

　　客戶端:對于手機平臺,要求該手機能支持JAVA平臺運行環(huán)境,并且需要手機有Wi-Fi網(wǎng)卡及其相關設備。對于計算機平臺,要求其具有微軟WINDOWS2000或其以上版本的操作系統(tǒng),并且安裝Wi-Fi網(wǎng)卡及其驅動設備。

　　服務器:需要具有InterXscalePxa270芯片的處理器或其高版本設備。

　　(3)軟件安裝

　　客戶端程序是把手機模塊的可執(zhí)行程序裝入能支持JAVA平臺的手機中。計算機的需要確定操作系統(tǒng)支持JAVA系統(tǒng),安裝JAVA虛擬機。

　　網(wǎng)關程序的安裝就是把嵌入式系統(tǒng)模塊的可運行程序與CVM一起燒到嵌入式系統(tǒng)中的Flash中,同時也要把外圍設備的驅動程序燒到32M的Flash中。

　　(4)軟件程序的操作

　　根據(jù)我們制定此系統(tǒng)的目的,減輕客戶端操作時間和空間。操作的主要步驟是客戶終端中,而功能的實現(xiàn)全部在網(wǎng)關中實現(xiàn)。預期目標是視頻數(shù)據(jù)的流暢傳輸和實時同步傳輸。操作步驟如下:

　　①啟動所有設備。②連接網(wǎng)絡,通過路由器自動分配給每個系統(tǒng)獨立的網(wǎng)址。③操縱客戶端軟件,打開門鈴系統(tǒng)的攝像機和麥克風,并且進行監(jiān)聽。④如果操作正常,可以同步流暢的觀察監(jiān)控現(xiàn)場的實時圖像。否則,返回相應的出錯提示。

　　三、結束語

　　本文通過將Wi-Fi標準和ARM芯片結合起來,形成一個以ARM芯片為載體,Wi-Fi標準為傳輸標準的一個家用無線智能門鈴系統(tǒng),本系統(tǒng)集門鈴、監(jiān)控、報警等功能于一身,具有很強的實用性能,也為以后家庭建立局域網(wǎng)做一個示范。在以后的應用中,不僅僅是家庭中的門鈴系統(tǒng),其他一切智能家電產(chǎn)品都可以納入到這個無線網(wǎng)絡中,因此具有良好的擴充性能。另外,由于Wi-Fi標準的實用性和ARM系統(tǒng)的穩(wěn)定性,本文中論述的系統(tǒng)還可以應用于商場、公共汽車等公共場合和交通工具中,成為以后公共局域網(wǎng)和移動局域網(wǎng)的一個發(fā)展方向。

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