CN108919711A - 一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，包括信息采集与设备控制系统、远程通讯系统和用户终端。该系统是基于三代树莓派开发，能够实时采集远端的音视频数据和传感器数据，既能通过无线网桥与用户终端直接通信，又可通过互联网与云服务器进行信息交互。终端设备显示远端环境信息和设备信息以供使用人员查看，进而制定正确的控制策略。本发明结合嵌入式技术、传感器技术和电子通讯技术，模块化设计便于用户扩展、维修和更换设备。

Description

一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统

技术领域

本发明涉及嵌入式技术领域，特别是涉及一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统。

背景技术

物联网技术快速发展和传感器技术在各行各样迅速普及、无线通信技术和信号处理技术日益增强以及信息存储与解析的云计算技术的广泛应用为信息采集终端行业提供了技术支持，我国高速增加的经济为信息采集终端行业提供了广阔的市场空间。树莓派三代开发板具有强大的运算性能、接口资源及开源硬件。设计一款以树莓派为核心处理器的远程信息交互系统可广泛应用在智能电网、公用能源计量、工业控制、智能家居和智慧农业等行业领域，可用作本地信息数据收集、传输的载体，实现人、机、云端无缝交互。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于嵌入式Linux远程信息交互系统，用以解决上述问题。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述系统包括信息采集与设备控制系统、远程通讯系统和用户终端三部分；

信息采集与设备控制系统包括树莓派开发板、传感器单元、设备驱动单元和音视频单元；

远程通讯系统包括无线网桥和云服务器，可直接或间接与用户终端进行信息交互；

用户终端包括音视频采集单元和个人终端，用于显示远端的环境信息及采集、发送本地的音视频数据和控制信号。

进一步的，所述树莓派开发板上集成了64位的1.2GHZ四核ARMCortex-A53,1GBRAM、板载了WIFI模块和蓝牙模块、拥有4个USB端口、1个CSI照相机端口、1个DSI显示端口、1个3.5mm耳机孔以及SD卡端口。其中4个USB端口分别用于外接信息采集汇结模块、控制信号分发模块、免驱声卡及4G无线网络模块，CSI照相机端口用于外接RaspiCam摄像头模块，3.5mm耳机孔用于外接扬声器设备，SD卡端口用于存放嵌入式Linux系统以及存储数据，板载WIFI模块可通过路由器接入互联网。

进一步的，所述的嵌入式Linux系统为Raspbian,该系统是基于Debian的Raspberry Pi官方操作系统。Raspbian的硬件驱动程序根据Raspberry Pi的硬件而优化，提供了多种软件包套件，同时这些软件包也针对Raspberry Pi进行了不同程度的优化，将RaspberryPi打造成一个稳定和快速的系统平台。

进一步的，所述的传感器单元由传感器模块和信息采集汇结模块组成，设备驱动单元由控制信号分发模块和继电器模块组成，都是采用cortex-m3架构的STM32F103为处理芯片而开发的单片机。其中单片机上都搭载了WIFI收发模块，便于各个传感器模块、继电器模块通过路由器组建的局域网向信息采集汇结模块发送数据以及从控制信号分发模块接收控制信号，使得各个传感器模块、继电器模块的安装在小范围内不受距离限制，但同时距离较近的场合也可通过串口、IIC或SPI直接接入信息采集汇结模块以及控制信号分发模块。信息采集汇结模块和控制信号分发模块都是通过USB转RS232串口线接入树莓派开发板。

进一步的，所述的单片机板载的WIFI模块为ESP82662.4G无线收发模块，通信距离最高可达100米，支持开机透传、掉线自动连接、串口透明传输。可进行模块内组网，可使用三种工作模式。一个AP模式下的模块最多连接3个STATION,即在网内最多拥有4个模块设备，在完成内组网条件下TCP Server可建立在任意模块上，余下三个可使用TCP Client与之进行通信。

进一步的，所述的传感器模块搭载了设备传感器和环境监测传感器，包括光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F、数字式温湿度传感器AM2301、人体红外传感器HC-SR501、压力传感器RFP-ZHII和气体传感器MQ-9等。数字式温湿度传感器AM2301内使用了电容式感湿元件和测温元件，并与一个8位单片机相连接，使用的单线制串行接口，可通过I2C接口和STM32单片机相连。光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F内集成了一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置监测空气中的灰尘反射光，输出的模拟电压正比于所测的粉尘浓度，敏感性为0.5V/0.1mg/m³,可外接至STM32单片机的模拟电压输入引脚。人体红外传感器HC-SR501基于红外线技术，感应距离高达7米，支持光敏控制、温度补偿、全自动感应，人进入其感应范围内则输出高电平，人离开感应范围则输出低电平，与STM32单片机的普通IO口相连接即可。压力传感器RFP-ZHII板载电阻-电压转换模块，将传感器的电阻信号转换成模拟电压或高低电平，可与STM32单片机的模拟电压输入引脚连接或与普通IO口连接。气体传感器MQ-9可用于探测一氧化碳、煤气和液化气，接至单片机的模拟电压输入引脚，气体浓度越高，模拟电压越高。

进一步的，所述的继电器模块是基于STM32单片机进行开发的，集成了ESP8266无线收发模块和小型继电器，通过无线网络接收控制信号分发模块的控制信号，可实现对多种类型的电器进行控制，如节能灯、电机、热水器、报警器、电闸等。

进一步的，本专利所述的继电器模块相当于设备的执行机构，在应用中并不局限于继电器模块，可根据设备类型选择合适的执行机构。

进一步的，所述的音视频单元包括树莓派摄像头模块RaspiCam、拾音器和扬声器。该RaspiCam摄像头的像素是500万，静态分辨率为1920像素*1080像素，视频为1080p,支持30帧每秒。该摄像头通过CSI排线连接至树莓派，可提供稳定、可靠的视频流。拾音器外接一个USB免驱声卡连接到树莓派的USB接口，树莓派声音输出可使用3.5mm的耳机音频接口，也可使用HDMI音频输出接口,本专利采用3.5mm耳机孔外接扬声器进行声音输出。

进一步的，所述的远程通讯系统包括两种实现方式：一是通过5.8GHZ无线网桥，采用TCP/IP通信协议实现树莓派和用户终端之间的端对端通信，适合应用于学校、工厂、庄园、牧场等小范围场合，二是采用云服务器进行信息交互，适合大范围、远距离传输使用。

进一步的，所述的利用5.8GHZ无线网桥通讯是基于TCP/IP通信协议，使用面向有连接的传输方式。进行信息交互之前，在树莓派与用户终端之间建立一条通信线路，在通信传输前后，专门进行建立和断开连接的处理。如果树莓派与用户终端之间无法建立稳定的连接链路，用户可切换通讯方式使用云服务器进行信息交互，保证信息传输的可靠性。

进一步的，所述的基于云服务器进行信息交互的通信方式是树莓派连接有线网络或无线网络推送数据流至云服务器，用户终端可通过外网访问云服务器，进而与树莓派开发板进行信息交互。无线网络包括可访问互联网的无线WIFI和4G无线网络。本专利使用华为ME909S-821Mini PCIe 4G全网通无线通信模块，支持下行150Mbps，上行50Mbps的传输速率，配装PCIE转USB开发板和天线转接线可访问运营商网络。

进一步的，所述的用户终端是基于QT开发的应用于个人PC的人机交互界面，可通过无线网桥或互联网与树莓派开发板之间建立信息链路进行交互。用户终端对远端的音视频数据进行播放，对传感器数据进行存储并实时显示以供使用人员查看，进而制定正确的控制策略，同时采集和发送本地的音视频数据。

进一步的，所述的服务器远程通信方案是通过安装在树莓派上的摄像头采集实时视频数据流并推送至RTMP监听服务器，用户端通过访问RTMP服务器进行拉流就可观看远端视频。树莓派作为推流服务端是使用nginx和nginx-rtmp-module模块进行开发。用户端基于LibVlc2.2.2开发，拉取服务器端的数据流。服务器端使用Socket监听端口，将接收到的数据存储于数据库中，供树莓派或用户访问。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、基于树莓派的远程信息交互系统，通用型和扩展性强，采用模块化设计，可靠性高且不受地域限制。

2、操作方便，可用性高，还可以灵活扩展至工厂监测、农业监控、智能家居等方面，从而形成系列产品。

3、远程通讯系统提供了两种交互方案，保证信息交互的高可靠性。

附图说明

图1是本发明系统的总体结构示意图。

图2是发明系统的传感器单元组成结构图。

图3是本发明系统的设备驱动单元组成结构图。

图4是本发明实施的无线网桥的远程通讯系统框架图。

图5是本发明实施的云服务器的远程通讯系统框架图。

具体实施方式

下面结合图1-图5具体描述本发明的实施方式，本专利可应用于智能家居、环境检测、远程控制、安防监控、生态农业等方面，通过参考附图描述的实施方式只是示例性的，仅用于解释本发明，不能认作是对本专利的限制。

如图1所示：基于Linux的远程信息交互系统由信息采集与设备控制、远程通讯、用户终端三个子系统组成。其中信息采集与设备控制包括树莓派开发板、音视频单元、传感器单元以及设备驱动单元。远程通讯系统可采用无线网桥或者云服务器中转。用户终端是个人PC及音视频输入设备。

其中树莓派开发板为Raspberry Pi 3代B+型，开发板上的RJ-45网线接口用于外接无线网桥或有线网络，4个USB端口分别外接音视频单元、传感器单元和设备驱动单元，40个普通GPIO口可用于外接STM32单片机和各种传感器，3.5mm耳机孔用于外接扬声器，摄像头模块RaspiCam通过CSI照相机端口接入树莓派中，拾音器通过外接的免驱声卡接入树莓派的USB端口。本发明使用此树莓派三代开发板可以保证整体系统运行稳定、开发简便、同时制作成本低、成产周期短、可扩展性强。

如图2所示为本发明的传感器单元组成结构图，其中各传感器模块以及信息采集汇结模块都是采用cortex-m3架构的STM32F103芯片而开发的单片机。该单片机上搭载了ESP8266无线收发模块，可根据传感器的通信要求预留串口通信USART接口、I2C接口、SPI串行外设接口、模数转换器ADC接口和普通IO口。本发明所使用的光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F外接至STM32单片机的模拟电压输入引脚，人体红外传感器HC-SR501与STM32单片机的普通IO口相连接即可，压力传感器RFP-ZHII可与STM32单片机的模拟电压输入引脚连接或与普通IO口连接，气体传感器MQ-9接至单片机的模拟电压输入引脚。各传感器模块通过路由器的无线WIFI与信息采集汇结模块之间数据传输，信息采集汇结模块对各个传感器数据按照预定的协议进行编码，通过USB转RS232串口线发送至树莓派。

如图3所示为本发明的设备驱动单元组成结构图，各个继电器模块与控制信号分发模块也是使用STM32F103芯片而开发的单片机，搭载了相同的ESP8266无线收发模块，各继电器模块也是通过路由器的无线WIFI接收控制信号分发模块的数据。控制信号分发模块通过USB转RS232串口线从树莓派接收控制信息，进而发送控制信号至相应的继电器模块，可用于控制节能灯、电机、热水器、报警器、电闸等。

如图4所示为本发明提供的基于5.8GHZ无线网桥的远程通讯系统是基于TCP/IP通信协议，使用面向有连接的传输方式，采用C/S模型。在任何数据传输之前，在树莓派与用户终端之间建立一条通信线路，树莓派开发板与用户终端进行通信传输前后，专门进行建立和断开连接的处理。如果之间无法进行通信，用户可切换通讯方式。采用本方案使用者也可在无线网桥之间扩展加入基站，从而延长传输距离。

如图5所示为本发明提供的基于云服务器的远程通讯系统，树莓派推送远端的音视频流数据、传感器数据至云服务器，并通过云服务器接收用户终端发送的音视频流数据和控制信号。用户终端通过访问云服务器接收远端的音视频流数据和传感器数据，并上传本地的各种数据。特别的无线网络可以使用无线路由器的WIFI信号，也可采用三大运营商的4G无线网络，从而进行数据交互。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述系统包括信息采集与设备控制系统、远程通讯系统和用户终端三部分；

信息采集与设备控制系统包括树莓派开发板、传感器单元、设备驱动单元和音视频单元；

远程通讯系统包括无线网桥和云服务器，可直接或间接与用户终端进行信息交互；

用户终端包括音视频采集单元和个人PC，用于显示远端的环境信息及采集、发送本地的音视频数据和控制信号。

2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述树莓派开发板为RaspberryPi 3代B+型，集成了64位的1.2GHZ四核ARM Cortex-A53,1GBRAM、板载了WIFI模块和蓝牙模块、拥有4个USB端口、1个CSI照相机端口、1个DSI显示端口、1个3.5mm耳机孔以及SD卡端口；其中4个USB端口分别用于外接信息采集汇结模块、控制信号分发模块、免驱声卡及4G无线网络模块，CSI照相机端口用于外接RaspiCam摄像头模块，3.5mm耳机孔用于外接扬声器设备，SD卡端口用于存放嵌入式Linux系统以及存储数据，板载WIFI模块可通过路由器接入互联网；

所述传感器单元包括各传感器模块和信息采集汇结模块；传感器模块采集环境、设备信息，通过路由器的无线WIFI与信息采集汇结模块进行数据通信；信息采集汇结模块对各个传感器模块发送的数据进行整合进而通过USB转RS232串口线发送数据至树莓派开发板；

所述设备驱动单元包括控制信号分发模块和各继电器模块；控制信号分发模块通过USB转RS232串口线从树莓派开发板接收控制信号，并通过无线WIFI分发至各继电器模块；各继电器模块可外接报警装置、电灯、电机；

所述音视频单元包括树莓派摄像头模块RaspiCam、拾音设备和扬声器；该摄像头模块通过CSI排线连接到树莓派开发板，拾音设备外接一个USB免驱声卡连接至树莓派开发板的USB接口，扬声器外接于树莓派开发板内置的3.5mm耳机孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述远程通讯系统包括两种实现方式：一是通过5.8GHZ无线网桥，采用TCP/IP通信协议实现树莓派和用户终端之间的端对端通信，二是采用云服务器进行信息交互；

所述利用5.8GHZ无线网桥通讯是基于TCP/IP通信协议，使用面向有连接的传输方式；进行信息交互之前，在树莓派与用户终端之间建立一条通信线路，在通信传输前后，专门进行建立和断开连接的处理；如果树莓派与用户终端之间无法建立稳定的连接链路，用户可切换通讯方式使用云服务器进行信息交互，保证信息传输的可靠性；

所述基于云服务器进行信息交互的通信方式是树莓派连接有线网络或无线网络推送数据流至云服务器，用户终端可通过互联网访问云服务器，进而与树莓派开发板进行信息交互；无线网络包括可访问互联网的无线WIFI和4G无线网络；服务器远程通信方案是通过安装在树莓派上的摄像头采集实时视频数据流并推送至RTMP监听服务器，用户端通过访问服务器进行拉流就可观看远端视频；树莓派作为推流服务端是使用nginx和nginx-rtmp-module模块进行开发；用户端是基于LibVlc2.2.2开发，拉取服务器端的数据流；服务器端使用Socket监听端口，将接收到的数据存储于数据库中，供树莓派或用户访问。

4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述的用户终端是基于QT开发的应用于个人PC终端的人机交互界面，并通过无线网桥或互联网与树莓派开发板之间建立通信链路进行信息交互；用户终端可对远端的音视频数据进行播放，对传感器数据进行存储并实时显示以供使用人员查看，进而制定正确的控制策略，同时采集和发送本地的音视频数据。

5.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述系统采用嵌入式Linux系统，所述嵌入式Linux系统为Raspbian,是基于Debian的Raspberry Pi官方操作系统。

6.根据权利要求2所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述各传感器模块、信息采集汇结模块、控制信号分发模块和各继电器模块都是基于STM32单片机开发的，都搭载了ESP82662.4G无线收发装置，在局域网下模块间可进行信号传输。

7.根据权利要求2所述的一种基于嵌入式Linux的远程信息交互系统，其特征在于：所述传感器模块搭载了设备传感器或环境监测传感器，包括光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F、数字式温湿度传感器AM2301、人体红外传感器HC-SR501、压力传感器RFP-ZHII和气体传感器MQ-9；

数字式温湿度传感器AM2301内使用了电容式感湿元件和测温元件，并与一个8位单片机相连接，使用的单线制串行接口，可通过I2C接口和STM32单片机相连；

光学灰尘传感器GP2Y1014AU0F内集成了一个红外发光二极管和光电晶体管，对角布置监测空气中的灰尘反射光，输出的模拟电压正比于所测的粉尘浓度，敏感性为0.5V/0.1mg/m³,可外接至STM32单片机的模拟电压输入引脚；

人体红外传感器HC-SR501基于红外线技术，感应距离达7米，支持光敏控制、温度补偿、全自动感应，人进入其感应范围内则输出高电平，人离开感应范围则输出低电平，与STM32单片机的普通IO口相连接即可；

压力传感器RFP-ZHII板载电阻-电压转换模块，将传感器的电阻信号转换成模拟电压或高低电平，可与STM32单片机的模拟电压输入引脚连接或与普通IO口连接；

气体传感器MQ-9可用于探测一氧化碳、煤气和液化气，接至单片机的模拟电压输入引脚，气体浓度越高，模拟电压越高。