在信息、通信、智能不斷發展的今天,人們對于門鈴的要求已經不僅僅是簡單的提醒功能,門鈴系統發展成為具提醒、防盜、安全等為一體的一個完整的智能系統。通過無線智能系統的管理,可以使我們能夠更輕松方便的使用門鈴及其附屬功能。無線智能系統是以無線網絡為主干,利用計算機、嵌入式系統和通信網絡技術,將門鈴系統與計算機等終端設備有機的結合起來。與普通的門鈴系統相比,無線智能系統不僅使門鈴系統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,形成以住宅為平臺,兼備建筑、網絡通信、信息家電、設備自動化,集系統、結構、服務、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環保的居住環境,也就是人們常說的智能家居(SmartHome)。無線智能系統的無線網絡可以大致分為數據網絡和控制網路兩大部分,本文針對它的控制網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據傳輸。

    2·Wi-Fi技術的優勢

    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。根據無線網卡使用的標準不同,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。現在計算機的無線網卡均是以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的穩定性是在無線網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

    1·總體設計方案本系統的結構(見圖1)

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

    室內網絡由監控現場和無線路由之間的IEEE802·11標準的無線網絡組成,家庭網關和計算機終端的有線或無線聯接。

    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網絡組成。

    系統工作原理:首先由摁下門鈴按鈕,門鈴震動或發出聲響,提醒戶主。戶主啟動監控服務終端,經由IEEE802·11b無線網絡,發送指令到確定的IP地址,即監控現場電源開關,監控現場開始工作。在監控現場,打開攝像機、麥克風等輸入終端,采集現場模擬信號。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,并且將數據送入緩沖區,等待家庭網關發來的聯接請求。當家庭網關調用聯接請求程序時,視頻服務器讀出緩沖區的音視頻數據,同時啟動發送模塊,發送時,采用RTP協議①打包。模塊讀取緩沖區的視頻流最好是以一幀為最小單位,如果數據比較長,在網絡中傳輸不穩定,可以在打包前將幀進行分割,再進行打包處理。數據按照RTP協議打包完成之后,通過UDP協議②傳送到家庭網關中進行傳送。數據經由家庭網關,繼續進行無線傳送至監控服務終端。監控服務終端接收數據之后,按照數據傳送的順序和標志,重新對數據進行解壓、組裝,形成完整的幀結構。通過監控服務終端中的相對應的視頻軟件,對數據進行MPEG-4③解碼,解碼后的數據就是視頻數據;同時對音頻數據也進行相應的操作,得到相應的音頻數據。通過監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,以達到實時監控的目的。

    2·監控現場的設計

    設計思路:監控現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,進行監控。視頻服務器是整個監控現場的關鍵,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:

監控現場無線接收裝置采用ARMLinux嵌入式系統。

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

    3·家庭網關的設置

    家庭網關是無線網絡的中繼傳輸裝置,可以由一個無線路由和一個配套的ARMLinux嵌入式系統組成。ARMLinux嵌入式系統的作用是設定監控現場無線路由的IP地址,并且接收監控現場的數據,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涉及的IP地址,并且將接收到的數據傳送給監控服務終端。

    4·監控服務終端的設置

    監控終端分為兩種:手機終端和計算機終端。

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

    (2)計算機終端設置分為兩種情況:室內進行監控和室外進行監控。

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

 室外監控:可以通過設定家庭網關,對監控現場實施監控。家庭網關是一個人機交互的Web界面,使用戶可以通過Internet了解監控現場信息,實施實時監控。

    5·軟件設計思路

    (1)網關設置,網關流程圖如圖3所示:

  網關設置涉及的函數大約有如下幾個:

    Main(); 主函數, 網關的入口地址

    CenterGateWay; 實例化的ClientManage和DeviceManage對象

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

    getDeviceManage;返 回DeviceManage對象,用于監管設備信息

    (2)監控現場設置,監控現場流程圖如圖4所示: 

 (3)監控服務端設置

    Configure類的主要作用:根據配置文件的信息,解析并提取相應的Socket連接參數。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文件中讀取數據

    (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數據庫中的設備信息,并把它轉化為便于網絡傳輸的xml文件,同時該類還有實現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,調用initDevice()方法

    initDevice();初始化設備信息;

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

    getAllDevices();從數據口中獲取設備

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

    AddDevice();添加設備到數據庫中

    DelDevice();從數據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Configure類返回Socket連接參數創建ServerSocket端口監聽,然后再根據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)發送設備信息以便客戶端進行UI初始化,同時監聽客戶端發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,用于開辟一個端口監聽客戶端的連接請求

    getServerManager();實例化類ServerManager

    startMonitorClinet();開始監聽客戶端的請求

    Run();該線程用于實現連接請求

    ClientThread用于向客戶端發送設備信息,同時調用analyzeAndExcuteCommand();

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

    6·軟件的使用

    (1)系統運行的軟件環境

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

    此類實現的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)軟件運行的硬件環境

    客戶端:對于手機平臺,要求該手機能支持JAVA平臺運行環境,并且需要手機有Wi-Fi網卡及其相關設備。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,并且安裝Wi-Fi網卡及其驅動設備。

    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支持JAVA系統,安裝JAVA虛擬機。

    網關程序的安裝就是把嵌入式系統模塊的可運行程序與CVM一起燒到嵌入式系統中的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

    根據我們制定此系統的目的,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,而功能的實現全部在網關中實現。預期目標是視頻數據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連接網絡,通過路由器自動分配給每個系統獨立的網址。③操縱客戶端軟件,打開門鈴系統的攝像機和麥克風,并且進行監聽。④如果操作正常,可以同步流暢的觀察監控現場的實時圖像。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,本系統集門鈴、監控、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做一個示范。在以后的應用中,不僅僅是家庭中的門鈴系統,其他一切智能家電產品都可以納入到這個無線網絡中,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系統的穩定性,本文中論述的系統還可以應用于商場、公共汽車等公共場合和交通工具中,成為以后公共局域網和移動局域網的一個發展方向。