基于Wi-Fi的无线智能门铃系统设计

一、W i-Fi技术

1·W i-Fi概述

W i-Fi全称W ireless Fidelity,又称802·11b标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离可达100m,完全满足了无线门铃的数据传输。

2·W i-Fi技术的优势

第一, W i-Fi的覆盖范围广。在已应用的技术中,其有效半径可达100m。而一些新型交换机的覆盖范围更是要加倍。

第二, W i-Fi的速度快。根据无线网卡使用的标准不同, W i-Fi的速度也有所不同。其中IEEE802·11b最高为11Mbps (部分厂商在设备配套的情况下可以达到22Mbps),IEEE802·11a为54Mbps、IEEE802·11g也是54Mbps。

第四,安全性与稳定性。虽然W i-Fi有某些安全性的缺陷,但在智能无线门铃设计中,只要设定一系列的密钥,还是可以接受的。而W i-Fi的稳定性是在无线网络中比较有质量保证的,完全可以满足设计的需要。

二、基于W i-Fi的无线智能门铃系统

1·总体设计方案本系统的结构(见图1)

从图1可以看出,无线智能门铃系统主要由家庭网关、监控服务终端(包括计算机终端和手机终端)以及监控现场组成。网络主要分为两个部分,室内网络和室外网络。

室外部分由计算机终端和远程控制页面(即Web页面)之间的Internet网络组成。

系统工作原理:首先由摁下门铃按钮,门铃震动或发出声响,提醒户主。户主启动监控服务终端,经由IEEE802·11b无线网络,发送指令到确定的IP地址,即监控现场电源开关,监控现场开始工作。在监控现场,打开摄像机、麦克风等输入终端,采集现场模拟信号。采集后的信号送入视频服务器中,视频服务器对模拟信号进行压缩编码,并且将数据送入缓冲区,等待家庭网关发来的联接请求。当家庭网关调用联接请求程序时,视频服务器读出缓冲区的音视频数据,同时启动发送模块,发送时,采用RTP协议①打包。模块读取缓冲区的视频流最好是以一帧为最小单位,如果数据比较长,在网络中传输不稳定,可以在打包前将帧进行分割,再进行打包处理。数据按照RTP协议打包完成之后,通过UDP协议②传送到家庭网关中进行传送。数据经由家庭网关,继续进行无线传送至监控服务终端。监控服务终端接收数据之后,按照数据传送的顺序和标志,重新对数据进行解压、组装,形成完整的帧结构。通过监控服务终端中的相对应的视频软件,对数据进行MPEG-4③解码,解码后的数据就是视频数据;同时对音频数据也进行相应的操作,得到相应的音频数据。通过监控服务终端调用播放模块的软件,进行实时播放,并且调用存储模块进行存储,以达到实时监控的目的。

2·监控现场的设计

设计思路:监控现场是由一个普通门铃、摄像机、麦克风和视频服务器组成的。普通门铃的作用是提示户主,进行监控。视频服务器是整个监控现场的关键,它主要是负责讲摄像机和麦克风采集到的模拟信号进行编码压缩、网络传输,并且负责客户服务端对摄像机和麦克风的控制。其结构图如图2所示:

监控现场无线接收装置采用ARM Linux嵌入式系统。

3·家庭网关的设置

家庭网关是无线网络的中继传输装置,可以由一个无线路由和一个配套的ARM Linux嵌入式系统组成。ARMLinux嵌入式系统的作用是设定监控现场无线路由的IP地址,并且接收监控现场的数据,并传送给无线路由。无线路由是目前常用的一种无线传输装置,通过它分配所有系统涉及的IP地址,并且将接收到的数据传送给监控服务终端。

4·监控服务终端的设置

监控终端分为两种:手机终端和计算机终端。

(1)手机终端设置:调整手机W i-Fi网卡,设置IP,连接无线路由,调用相应的播放软件,对监控现场进行实时监控。并且可以进行互动交流。

(2)计算机终端设置分为两种情况:室内进行监控和室外进行监控。

室内监控:调整计算机W i-Fi网卡,对计算机设置无线IP,接收无线路由传送数据,调用相应的播放软件,即可实现对监控现场的实时监控。并且如果计算机终端附带麦克风和摄像机,还可以对监控现场进行双向交流。

室外监控:可以通过设定家庭网关,对监控现场实施监控。家庭网关是一个人机交互的Web界面,使用户可以通过Internet了解监控现场信息,实施实时监控。

5·软件设计思路

(1)网关设置,网关流程图如图3所示:

网关设置涉及的函数大约有如下几个:

Main();　　　　　主函数,网关的入口地址

CenterGateWay;　实例化的ClientManage和DeviceManage对象

getServerManage;　返回ServerManage对象,用于监听客户端的控制指令

getDeviceM anage;　返回DeviceM anage对象,用于监管设备信息

(2)监控现场设置,监控现场流程图如图4所示:

(3)监控服务端设置

Configure类的主要作用:根据配置文件的信息,解析并提取相应的Socket连接参数。该类所用的方法及其功能如下所示:

Configure();　该方法是类的构造,调用了readConfigureProp ertyFile()

getConfigure();　实例化的Configure类的对象

readConfigurePropertyFile( );　从Configure, Properties文件中读取数据

DeviceManager类的主要作用:提取存储在db4o数据库中的设备信息,并把它转化为便于网络传输的xml文件,同时该类还有实现添加和删除设备信息的功能。该类所用的方法及其功能如下所示:

DeviceM anager();　构造函数,调用initDevice()方法

initDevice();　初始化设备信息;

getDevicesM anager();实例化DeviceManager,用于网关类调用

getAllDevices();　从数据口中获取设备

DeviceObjeceToXM L();　把设备对象信息转化为XM L文件,用于设备传输

Add Device();　添加设备到数据库中

DelDevice();　从数据库中删除指定的设备

(5)服务器端程序ServerManager类的设计

ServerManager类的主要作用:根据Configure类返回Socket连接参数创建ServerSocket端口监听,然后再根据CenterGateWay调用DeviceManager类初始化设备信息返回的xml文件信息,向客户端(手机)发送设备信息以便客户端进行UI初始化,同时监听客户端发送的操作指令进行相应的设备操作,并返回反馈信息给客户端。该类所用的方法及其功能如下所示:

ServerM anager();构造函数,用于开辟一个端口监听客户端的连接请求

getServerM anager();实例化类ServerM anager

startM onitorClinet();开始监听客户端的请求

ClientThread　用于向客户端发送设备信息,同时调用analyzeAndExcuteCommand();

analyzeAndExcuteCommand( );用于解析客户端发送的控制指令

6·软件的使用

(1)系统运行的软件环境

对于此类嵌入式设备,需要JAVA虚拟机CVM。可以通过ARM-LINUX工具链来编译此虚拟机,也可以用现成的虚拟机。jdk1·4·2 (LINUX下的版本), CVM源代码等。

此类实现的CVM手册上有详细的介绍。同时嵌入式设备必须装载外围的驱动程序。

(2)软件运行的硬件环境

客户端:对于手机平台,要求该手机能支持JAVA平台运行环境,并且需要手机有W i-Fi网卡及其相关设备。对于计算机平台,要求其具有微软WINDOWS2000或其以上版本的操作系统,并且安装W i-Fi网卡及其驱动设备。

服务器:需要具有InterXscale Pxa270芯片的处理器或其高版本设备。

(3)软件安装

客户端程序是把手机模块的可执行程序装入能支持JAVA平台的手机中。计算机的需要确定操作系统支持JAVA系统,安装JAVA虚拟机。

网关程序的安装就是把嵌入式系统模块的可运行程序与CVM一起烧到嵌入式系统中的Flash中,同时也要把外围设备的驱动程序烧到32M的Flash中。

(4)软件程序的操作

根据我们制定此系统的目的,减轻客户端操作时间和空间。操作的主要步骤是客户终端中,而功能的实现全部在网关中实现。预期目标是视频数据的流畅传输和实时同步传输。操作步骤如下:

①启动所有设备。②连接网络,通过路由器自动分配给每个系统独立的网址。③操纵客户端软件,打开门铃系统的摄像机和麦克风,并且进行监听。④如果操作正常,可以同步流畅的观察监控现场的实时图像。否则,返回相应的出错提示。

本文通过将W i-Fi标准和ARM芯片结合起来,形成一个以ARM芯片为载体, W i-Fi标准为传输标准的一个家用无线智能门铃系统,本系统集门铃、监控、报警等功能于一身,具有很强的实用性能,也为以后家庭建立局域网做一个示范。在以后的应用中,不仅仅是家庭中的门铃系统,其他一切智能家电产品都可以纳入到这个无线网络中,因此具有良好的扩充性能。另外,由于W i-Fi标准的实用性和ARM系统的稳定性,本文中论述的系统还可以应用于商场、公共汽车等公共场合和交通工具中,成为以后公共局域网和移动局域网的一个发展方向。