入侵報警？火災報警？遠程監控？家電控制？這套智能家居系統全部實(shí)現

一、設計摘要

針對目前市場(chǎng)上家庭監控系統和智能家具控制的速度與穩定性的不足，本課題將利用FPGA可編程邏輯設計，提高系統控制速度和穩定性。目前的家庭監控與智能控制系統大多利用有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)設備組建以太網(wǎng)，將監控節點(diǎn)連接到監控中心，監控距離有限；部分監控系統還是模擬方式，視頻不壓縮或者使用MJpeg(Motion Joint Photographic Experts Group，MJpeg)、Mpeg(MovingPicture Experts Group，Mpeg)等一些早期標準，壓縮率低，網(wǎng)絡(luò )適應性差。這些系統基本不具備自動(dòng)報警功能和快速控制響應，需要人工值守，浪費人力物力，可靠性低。本課題所設計的系統利用FPGA和GPRS網(wǎng)絡(luò )傳輸視頻數據，同時(shí)采用高效的視頻壓縮算法，并設計和實(shí)現自動(dòng)報警和快速智能控制功能。

二、系統原理

（1）

本項目利用FPGA可編程邏輯器件和GPRS技術(shù)實(shí)現遠程的安防監控與智能控制，在有人入侵或火災發(fā)生時(shí)能發(fā)及時(shí)發(fā)送短消息給用戶(hù)，預警有人入侵或火災發(fā)生，用戶(hù)接到短消息預警后，通過(guò)現在網(wǎng)絡(luò )通過(guò)遠程登陸web服務(wù)器查看家中情況并作出相應處理，比如采集現場(chǎng)實(shí)時(shí)照片視頻，及時(shí)報警，遠程控制家電。

在本次設計中，系統網(wǎng)絡(luò )的結構包括了家庭智能控制系統、家庭子系統與外部網(wǎng)絡(luò )三大部分，其中家庭智能控制系統+家庭子系統構成家庭內部網(wǎng)絡(luò )。此次的設計以家庭內部網(wǎng)絡(luò )為主體。

系統分為兩個(gè)部分：家庭智能控制系統和家庭子系統。

1) 家庭智能控制系統部分，即主控制器：主要包含FPGA核心板設計。主要的模塊有：USB攝像頭；GPRS模塊；H.264視頻壓縮技術(shù)和其他相關(guān)的電源管理電路，LCD顯示器，按鍵等等；

2) 家庭子系統部分：包括紅外家電控制子模塊、電子門(mén)禁子模塊、溫度測試子模塊及開(kāi)關(guān)量控制子模塊四個(gè)部分，四個(gè)子模塊相互獨立，通過(guò)RS485總線(xiàn)構成家庭子系統網(wǎng)絡(luò )。

本系統設計主要分為五個(gè)大的模塊，分別是：嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺搭建模塊；攝像頭監控模塊；GPRS遠程通訊模塊；WEB服務(wù)器模塊；智能家電控制模塊。

1、嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺搭建模塊主要是實(shí)現交叉編譯工具的安裝，uboot的具體移植，文件系統的制作，內核的移植。

2、攝像頭監控模塊主要實(shí)現攝像頭的驅動(dòng)移植，遠程圖像采集的具體實(shí)現。圖像采集流程人具體分析。

3、GPRS遠程通訊模塊主要實(shí)現遠程信息的接收與發(fā)送。實(shí)現遠程報警的功能。并通過(guò)GPRS上網(wǎng)遠程監控家里情況。

4、WEB服務(wù)器模塊主要為提供遠程web服務(wù)，用戶(hù)可能通過(guò)internet或GPRS網(wǎng)絡(luò )接入互聯(lián)網(wǎng)，遠程監控家里情況。

5、智能家居控制模塊硬件上要完成RS485 總線(xiàn)設計以及家庭系統模塊（包括紅外家電控制，電子密碼鎖，溫度報警器等）硬件電路設計。

基于GPRS的智能家居控制系統從功能上分析，主要分為：入侵報警功能模塊，火災報警功能模塊，GPRS遠程接發(fā)消息模塊，攝像頭監控模塊，WEB服務(wù)器模塊，智能家電控制模塊。

2 技術(shù)特點(diǎn)

1、FPGA

FPGA(Field Programmable Gate Array)即現場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數有限的缺點(diǎn)。FPGA的使用非常靈活，同一片FPGA通過(guò)不同的編程數據可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA在通信、數據處理、網(wǎng)絡(luò )、儀器、工業(yè)控制、軍事和航空航天等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應用。隨著(zhù)功耗和成本的進(jìn)一步降低，FPGA還將進(jìn)入更多的應用領(lǐng)域。

2、GPRS技術(shù)

GPRS（General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)）是在現有的 GSM移動(dòng)通信系統基礎之上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數據業(yè)務(wù)。GPRS 通過(guò)在 GSM 數字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )中引入分組交換功能實(shí)體， 以支持采用分組方式進(jìn)行的數據傳輸。GPRS 系統可以看作是對原有的 GSM 電路交換系統進(jìn)行的業(yè)務(wù)擴充，以滿(mǎn)足用戶(hù)利用移動(dòng)終端接入 Internet 或其它分組數據網(wǎng)絡(luò )的需求。以 GSM、CDMA 為主的數字蜂窩移動(dòng)通信和以 Internet 為主的分組數據通信是目前信息領(lǐng)域增長(cháng)最為迅猛的兩大產(chǎn)業(yè)，正呈現出相互融合的趨勢。GPRS 可以看作是移動(dòng)通信和分組數據通信融合的第一步。 移動(dòng)通信在目前的話(huà)音業(yè)務(wù)繼續保持發(fā)展的同時(shí)， 對IP 和高速數據業(yè)務(wù)的支持已經(jīng)成為第二代移動(dòng)通信系統演進(jìn)的方向，而且也將成為第三代移動(dòng)通信系統的主要業(yè)務(wù)特征。

三、軟件流程

本項目采取嵌入式C語(yǔ)言為主要編程語(yǔ)言，FPGA與嵌入式系統相結合，由傳感器采集到的數據，通過(guò)FPGA處理后，傳送到嵌入式系統，由無(wú)線(xiàn)傳輸到PC端或者移動(dòng)終端，由PC端發(fā)出控制指令到家庭子網(wǎng)絡(luò )，PC界面用QT編程。

整個(gè)家庭智能系統的軟件主要分為三個(gè)部分，后臺軟件，主控制器軟件，及

各個(gè)子模塊軟件。三部分軟件的結構關(guān)系如圖。

用戶(hù)手機通過(guò)短信通道向主控制器發(fā)出指令進(jìn)行相應的控制。 PC端的后臺軟件通過(guò)Internet和移動(dòng)GPRS服務(wù)連接， 再由移動(dòng)GPRS服務(wù)器和主控制器進(jìn)行GPRS通訊。同時(shí)PC端軟件也可以通過(guò)本地的RS232接口和主控制器進(jìn)行通訊，不過(guò)這種方式一般只用于對主控器的本地調試及軟件升級等。

主控制器和家庭內的各個(gè)子模塊之間的連接通過(guò)RS485串行總線(xiàn)完成。