智能家居安全监控系统设计
题目：智能家居安全监控系统设计姓名：
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2016年2月25日
毕业论文（设计）作者声明
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论文题目：智能家居安全监控系统设计
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目录
摘要2
1．绪论5
1.1课题研究背景及意义5
1.2国内外研究现状9
2．智能家居系统架构设计10
2.1智能家居系统需求分析10
2.2家庭内部数据采集及控制子系统11
2.3云服务器数据存储及警报子系统12
2.3家庭内部数据采集及控制子系统12
2.4网络摄像头12
3．网关通信13
3.1网关通信子系统13
3.2摄像头采集软件14
3.3传感器网络数据收集及控制15
4. 总结17
致18
参考文献19
智能家居安全监控系统设计
摘要：随着科学技术和经济的快速发展，在当下人们的生活水平有了显著的提高进步，物质生活也急速的丰富着，人们急切需要着更高级的物质生活体验，智能家居系统可以提供给人们更加舒适便捷和安全的居住环境。随着设备的小型化以及家庭网络的高速化，加上无线、和等通信技术的发展，人们已经可以随时随地的高速地接入。方便成熟的云计算技术以及物联网技术等也为智能家居的实现奠定了坚实的技术基础。一方面，中国的城镇化步伐正在一步步加快同时老龄化问题和空巢老人、留守儿童安全都是现代社会存在的问题，如何保证让年轻人好好工作同时也兼顾好家庭后方的安全，这样的矛盾越来越突出。
智能家居系统在当前的社会形态下意义重大，借助本系统，在外面工作的年轻人可以随时随地的照看家里的老人和孩子，免除了年轻人的后顾之忧，可以更好的创造价值服务社会。另一方面，通过智能家居系统对家庭进行实时监测保护，如果有火灾，入室盗窃等险情，用户可以在第一时间知道，并作出相应反应，减少损失。综上所述，本课题有着巨大的经济价值以及社会意义。
但是，现有的设备智能程度、舒适度远远不能满足人们的需求，例如：实时性偏差，安装操作较繁琐，信息资源利用率低和数据瓶颈较多等问题。本文通过研究基于家庭网关，实时监控以及云端服务的智能家居体系框架深入研究学习传感器网络技术、视频监控、新型展现技术，并利用了云计算的多服务性、高可用性、便捷性和便宜等优点，提出了一种远程且可实时控制的智能家居实现方案，从而为大家提供最优的服务。本文通过互联网资讯以及相关文献，调研了智能家居领域的国内的政策、资本领域的投资动态。了解了本行业的潜力及局限性，同时思考和实现这一系统的主要功能需求以及各种需求需要采用何种技术来实现，
如何实现的问题。本系统涉及的技术领域有传感器网络、视频监控技术、计算机网络通信技术等，通过对上述各种技术的调研以及学习，将各种技术的优点结合汇总到本系统。重点考虑系统的安全性、简用性以及扩展性，总体设计智能家居系统，将系统的功能需求进行了细化到各个子模块，并采用相应的技术进行设计以及实现，重点介绍室内及系统的设计。
关键字：智能家居，远程监控，安全，云服务器
Design of smart home security monitoring system Abstract:With the rapid development of science and technology and economy, moment in the people's living standards have improved significantly, material life is also rapidly rich, there is an urgent need for more advanced material life experience, the smart home system can provide people with more convenient and comfortable living environment. With the miniaturization of the equipment and the high speed of the home network, as well as the development of wireless, and other communication technology, people have access to. Easy to mature cloud computing technology and networking technology, etc. also for the realization of the smart home to lay a solid foundation. On the one hand, the pace of China's urbanization is being accelerated further, and aging problem and empty nesters, left behind children are now exist in society, how to ensure for young people to work hard, but also take into account the family behind the security problems are becoming more and more prominent.
Smart home system in the current society is of great significance, with the system, working in young people can anytime, anywhere to look after the home of the elderly
and children, eliminating the worries of young people, can better create value and social service. On the other hand, through the intelligent Home Furnishing system for real-time monitoring of the family, if there is a fire, burglary and other dangerous situations, the user can know in the first time, and react, reduce losses. In summary, there is a huge economic value and social significance of this topic.
But the existing equipment intelligence and comfort can not meet people's needs, such as: the problem of real-time installation deviation, complex operation, low utilization rate of resources and data bottleneck more etc.. The through study based on home gateway, real-time monitoring and cloud services of smart home system framework, in-depth study of learning sensor network technology, video surveillance technology, the new display technology, at the same time, using the advantages of cloud computing services, high availability and low, a remote real-time control of smart home is presented, so as to provide people with the best service. This article through the Internet information and related literature, the research of dynamic investment policy, the field of intelligent home Home Furnishing capital. To understand the potential and limitations of this industry, at the same time thinking to achieve the main function requirement and various needs of this system needs to achieve the use of the technology, how to realize the problem. The system involved in the technical field of a sensor network technology, video monitoring technology, network communication technology and computer technology, through the survey and study of these technologies, the technology combines the advantages of the system. We focus on the security of the system, Jane and the expansion of, the overall design of smart home
system, the system's functional requirements are refined to each sub module, and the corresponding technical design and implementation, focuses on the interior and system design.
Key words：Smart home, remote monitoring, security, cloud server
1．绪论
1.1课题研究背景及意义
随着科学技术和经济的快速发展，在当下人们的生活水平有了显著的提高进步，物质生活也急速的丰富着，人们急切需要着更高级的物质生活体验，智能家居系统可以提供给人们更加舒适便捷和安全的居住环境。随着设备的小型化以及
家庭网络的高速化，加上无线、和等通信技术的发展，人们已经可以随时随地的高速地接入。方便成熟的云计算技术以及物联网技术等也为智能家居的实现奠定了坚实的技术基础。一方面，中国的城镇化步伐正在一步步加快同时老龄化问题和空巢老人、留守儿童安全都是现代社会存在的问题，如何保证让年轻人好好工作同时也兼顾好家庭后方的安全，这样的矛盾越来越突出。
智能家居系统在当前的社会形态下意义重大，借助本系统，在外面工作的年轻人可以随时随地的照看家里的老人和孩子，免除了年轻人的后顾之忧，可以更好的创造价值服务社会。另一方面，通过智能家居系统对家庭进行实时监测保护，如果有火灾，入室盗窃等险情，用户可以在第一时间知道，并作出相应反应，减少损失。综上所述，本课题有着巨大的经济价值以及社会意义。
但是，现有的设备智能程度、舒适度远远不能满足人们的需求，例如：实时性偏差，安装操作较繁琐，信息资源利用率很低和数据瓶颈较多等问题。本文通过研究基于家庭网关，实时监控以及云端服务的智能家居体系框架深入研究学习传感器网络技术、视频监控、新型展现技术，并利用了云计算的多服务性、高可用性、便捷性和便宜等优点，提出了一种远程且可实时控制的智能家居实现方案，从而为大家提供最优的服务。本文通过互联网资讯以及相关文献，调研了智能家居领域的国内的政策、资本领域的投资动态。了解了本行业的潜力及局限性，同时思考和实现这一系统的主要功能需求以及各种需求需要采用何种技术来实现，如何实现的问题。本系统涉及的技术领域有传感器网络、视频监控技术、计算机网络通信技术等，通过对上述各种技术的调研以及学习，将各种技术的优点结合汇总到本系统。重点考虑系统的安全性、简用性以及扩展性，总体设计智能家居系统，将系统的功能需求进行了细化到各个子模块，并采用相应的技术进行设计
以及实现，重点介绍室内及系统的设计。
当下社会经济与科学技术飞速发展，显著的提高了人们的生活水平，不断的丰富人们的物质生活，人们对于居住的环境有了更高期望，智能家居生活理念也逐步进入人们的视野，并且，随着设备小型化、家庭网络高速化、方便成熟的云计算、物联网技术及无线、4G和WIFI等通信技术发展让人们已经可以随时随地高速的接入到网络，这为智能家居的实现奠定了坚实的基础。
智能家居又称家庭自动化，实质上是通过先进计算机技术将日常家居生活相关的各个子系统，有机地综合起来同时对其进行统筹管理而形成的高度智能化智慧家庭；这是基于住宅的建筑结构结、网络通信以及家电设备自动化，构建一个集管理、服务于一体的良好居住环境，为人们提供安全、舒适、便利以及环保的家居生活。具有智能家居系统的家庭和传统家居相比，同时具备一般家居所必须的功能，而且将具有自动化、能动指挥的智能得家居工具代替被动的静止家居设备，为家居生活提供了全方位的信息交互和设备控制的功能，从而保证了家庭内、外部之间的信息交互畅通，使得人们可以有效的安排时间，增强家居生活的安全性和便利性，可对各种家居资源进行合理配置，节约种能源费用，大大改善人们的生活方式提升了人们的生活质量。
智能家居系统实现家居智能化于子系统有效的融合，主要组成子系统有：智能家电控制系统、安防控制系统、环境监测系统和云端服务器系统等。优秀的智能家居系统要能够为用户提供以下几种智能化的服务。①随时在线的网络通信服务；智能家居所有基本功能都需要网络通信，要求系统和互联网始终相连，为各种设备应用提供通信条件；②智能的安全防范措施：视频监控可对非法的入侵、火灾、煤气泄漏及老人儿童的紧急呼救等危险事件进行实时监控，并可提供相应
的警报和应急处理措施；③家电设备的自我调整及远程控制实现对对家庭娱乐设备、照明设备、安防设备、温湿度调节以及各种网络家电设备进行整合，使用户可根据个人喜好进行不同场景的配置和控制、电器设备的智能控等；④友好的交互式控制：通过各种传感器（如光电、烟雾、温湿度、红外等）实现室内的信息主动上报；⑤家庭物业信息服务：能提供管理家庭信息和并与物业公司联系，例如通过楼宇对讲系统，进行语言、可视对讲等沟通，及时的获取到物业服务信息等；⑥在线健康服务：医疗设备监测家居化，把医疗监测场所从医院中心转移到家庭内部，实现用户自主检测和管理自己的健康状态，为用户提供方便、持续的身体医疗监测服务剛。
近几年以来，随着智能家居行业的高速发展和人们对家居智能化要求不断提高，智能家居行业的问题和挑战日益突出。第一、智能家居的技术规范及标准缺乏。虽然火热的智能家居概念推动了相关产品飞速发展，并很快进入市场，进入进入千家万户，但目前智能家居产品各自独立，无统一的技术规范标准可以遵循，使得各个厂家的设备很难相互兼容，给用户带来很大不便，从而极大地限制了智能家居市场的更进一步发展。第二，智能家居系统需要优秀的硬件提供基础支持，否则难以克服技术屏障，获得长足的可持续发展，例如，智能家居系统需要存储设备烦人容量足够大，假如存储设备的容量不足，就可能造成信息无法保存，更危险的是导致关键数据未保存，使得用户对家居的数据信息进行处理时原始的重要信息丢失而导致不可预测的损失。第三、当下智能家居设备消费门滥和价格偏高。由于当前软、硬件技术等的局限性，原始产品成本较高，售后投入的维修以及更新成本较高，使得当下的智能家居产品价格偏高，同时对用户的知识要求偏高使得消费群体主要集中在高高收入和高知识人群，由于智能家居服务是增值服
务，家居的本质是居住，在收入一般的普通家庭，用户觉得智能家居是可有可无的，不影响住房的居住本质，这就是智能家居普及推广较缓慢的原因之一。第四，智能家居的安全性与个人隐私问题受到大众的质疑和关注。在信息社会个人的信息安全安全与隐私问题是一个重大的隐患，信息的泄露可能被不法分子使用，已到达不可告人的目的，一旦智能家居的使用越广泛与普及，这种安全隐患便不断地放大。故，确实有效的保证用户的信息安全与隐私，使用户信息不泄露将是本行业面临的严峻的挑战之一。故，如何对现有资源的最大化利用、高速大容量的存储和数据信息处理、简化交互操作流程、提高设备性能降低成本、确保用户的信息安全和隐私等，将是智能家居行业继续高速发展亟需解决的技术难题与挑战。
1.2国内外研究现状
智能家居系统包括本地内部物联系统和云端服务器，要实现二者的结合，必须要对当前现有的智能家居系统及云计算的发展现状进行深入的分析研究，通过了解二者的发展现状和发展特点，将两者的技术优势进行互补和融合，使其各自的优势得到最大的发挥。下面将从智能家居及云计算这两个方面的国内外发展现状进行详细深入的阐述，再结合现有的智能家居产品和云服务器对接设备进行对比分析。
智能家居未来的市场潜力巨大，2014年1月份，Goggle以花巨资收购智能家居设备厂商Nest Labs和人工智能厂商Deep Mind,Goggle提出了Home Kit开发套件AandrHome等智能家居概念。从Goggle的研发和收购举措上看，Goggle非常看好这个市场。
2013年年底以来，我国就有超过200亿元资金流向智能家居这个行业，引
起公众对该行业的投资狂潮。根据我国的基本国情和城镇化不断加速，老年化的不断加剧，智能家居行业也必将迎来发展的黄金时期。通过调查的数据和结论可以看出:
一方面，全国不断推进的城镇化为智能家居市场提供更多的潜在用户，2013年我国城镇化率为53.7%，到2020年将升至60%以上。随着人们生活水平和生活质量的不断提高，普通民众对日常生活赋予了更多娱乐、便捷和个性化的需求，形成了数量巨大的潜在智能家居消费用户群。另一方面，我国老龄化的进程逐渐加速，居家养老的理念和需求逐日增加，对智能化的家居环境也与日剧增。截止于2013年底，我国在60岁以上的老年人数量已超过2亿人，占总人口的比例为14.9%，这个比例远高于联合国对传统老龄人社会的标准比例10%。预计在未来20年我国将进入老龄化社会的高峰期。调查报告显示，选择在家养老的老人超过了90%，而很多独生子女夫妇由于工作、生活、双方老人难以同时兼顾等诸多原因，很难时时刻刻伴随在父母身边，而智能家居系统的实时视频监控手段及智能化的生活方式为子女照顾老人，为提高老年人在家中的生活质量和安全提供了有效的保障。
2．智能家居系统架构设计
2.1智能家居系统需求分析
用智能家居系统要实现一个可以实时的监控室内环境，可通过远程控制室内设户使用友好的一个系统，同时要保证用户的信息安全，实现系统可配置可修改可扩展的特性。对这个主旨进行细化，本系统的主要需求应包括：①收集家庭内部的信息；②处理信息；③存储信息；④上报给主人；⑤主人对信息做出反应，家庭内部设备对用户的操作做出相应的动作；⑥实时监控。期间保证数据存储安
全，在家庭内部设备被物理销毁后还可以保留证据，用户体验好。通过上述的描述，家庭内部必须具备环境参数的采集，同时需要对数据进行处理，辨别危险信号数据，将数据保存到远端，用户可以和家庭内部设备进行交互。从上述分析中看出，系统可以分为四大部分，数据采集子系统，数据传输子系统，数据存储、数据分析及报警子系统，用户界面及交互逻辑分子系统等。
2.2家庭内部数据采集及控制子系统
家庭内部数据采集子系统的设计必须满足可扩展性好、易于布线、方便使用、设备安全性和节能性高。从可扩展性和易于布线上考虑，系统必须采用无线的采集数据方式，通过无线传感器网络来收集家庭内部各个区域的各种环境信息，例如烟雾信息，温度、湿度信息，光照信息等，因收集信息分布较远，且不易布线，故必须采用无线的通信手段，这样，既减少了布线的复杂性，也较容易扩展。传感器网络经过多年的发展，已经相当成熟，而且很多的电子芯片商家将微处理器结合了Zigbee协议，开发人员可以很容易对传感器网进行开发。较出名的芯片为TI公司出品的CC2430芯片，功耗极低，开发者可以通过让芯片进行体眠降低功耗，提高芯片电池的使用寿命。
系统需要对家庭内部进行图像监控，必须部署监控摄像头，而且摄像头需要通过远端控制实现自由转动以扩展视角，避免出现监控死角。需要构建一个可动的监控摄像头，包括了摄像头及控制摄像头的电机。电机可以通过用户界面进行控制调节。电动机转动的角度应该可控、可调。步进电机是一种可以通过电型号脉冲序列可控的电机，因此可以满足角度转速可控的需求。摄像头采用较简单的网络摄像头，通常采用USB摄像头即可，不需要即插即用，而且价格低廉，容易购买。
2.3云服务器数据存储及警报子系统
智能家居系统需要一个云服务器的原因，主要是考虑数据的异地存储，例如，假如将数据存储在本地容易被破坏，如火灾或者人为破坏。同时系统也可以考虑用户的需求，假如用户有多套房产，同时部署了本系统，那么系统应该为用户提供一个统一的入口，简化用户的操作。在云主机上需要部署网络服务器、数据库。该系统应提供数据分析功能，对数据进行比较和融合，提供监控报警的略，及时的将警报信息通知给用户，让用户的家庭在出现问题时，能及时处理以减少损失。当前国内主流的云服务器有阿里云主机，百度云主机、新浪云主机等云服务提供商，为个人和公司提供稳定安全的云服务。
2.3家庭内部数据采集及控制子系统
智能家居系统需要采集的主要环境信息有：温度、湿度、烟雾、火焰等信息，以及通过门窗的红外信号监控开关量等信息。由于采集点位置主要分布较远，不易布线，故对这些传感器釆用无线的接入方式，传感器简单部署即可，通过无线网络接入。以网关为中心釆用星型部署方式，集中将数据报告到网关。网关统一收集后传输至云端数据库存储，以便数据处理及历史数据查询。无线传感器节点既可以作为数据釆集，也可作为简单开关，通过继电器，可以采用弱电控制强电从而实现远程开关功能。在遇到紧急的事件时，可以实现远程关闭或打开某些设备。以达到远程控制的目的。
2.4网络摄像头
摄像头根据实现方式可分为数字和模拟两大类。模拟摄像头把视频采集设备上所产生的模拟的视频信号转换成为数字信号，然后将其储存到计算机内。其的工作流是:捕捉视频信号~将模拟信号转换成为数字模式一加以压缩一存储至计
算机上一加工运用。而数字摄像头的工作流程是:直接捕捉影像信号一通过串口、并口或USB接口一存储至计算机上一加工运用。可以看出，数字摄像头比模拟摄像头更为先进、便捷，而且数字摄像头的整体成本较低，故数字摄像头是现在电子市场上的主流摄录设备。同时，由于串口、并口的传输速率远小于USB接口的传输速率，故目前市场上可见的大部分产品以USB数字摄像头为主。
网络摄像头基本上是每家每户的必须品，且绝大部分摄像头为USB网络摄像头，为了使本系统的成本更低，故拟采用USB网络摄像头作为本系统的摄像设备。
3．网关通信
3.1网关通信子系统
网关是本系统的重点部位，其负责沟通室内设备和外部的云服务器，故网关必须有接入互联网功能，而且为了接入摄像头云台，必须带有USB接口，4个GPIO接口来控制步进电机。同时需要一个以上的串口和I2C接口等通信接口。同时处理能力上也需要能处理高清的视屏及音频数据等。总之，需要网关外部接口丰富，容易扩展。下面介绍两种创客使用最多的卡片是电脑Raspberry Pi 和BeagleBone BlackCBBB)。
1：Raspberry Pi：Raspberry Pi(中文名为“树毒派”，简写为RPi，或者RasPi/RPi)是为学生计算机编程教育而设计，只有银行卡大小的卡片式微型电脑，其基于Linux系统。自问世以来，受众多计算机发烧友和创客的追捧，曾经一“派”难求。别看其外表“娇小”，“心”却很强大，视频，音频等功能通通皆有，可谓是“麻雀虽小，五脏俱全”。
2：BeagleBone Black：Beaglebone可以在十秒之内加载Linux的DIY迷你主板，
BeagleBone Black也维持了同样的性能水准，但其售价却只有上代产品的一半。BeagleBone Black售价为45美元(约合人民币280元)，其硬件配置包括1 GHz ARM Cortex-A8处理器，3D图形加速器，一副PRU 32位RISC CPU，2GB ROM，MicroSD 卡槽和512MBRAM。同时，Beaglebone Black的接口也相当丰富，包括1个USB 接口、1以太网接口、Micro-HDMI接口和两个46针接口。
3.2摄像头采集软件
在监控领域内有很多的开源监控软件，例如ZoneMinder, iSpy, VLC和Mjpg-Streamer等开源软件。ZoneMinder是一套基于Li~操作系统的摄像机的视像数据监控的应用软件。应用范围广泛，包括商业或家居防盗等。ZoneMinder支持单一或多台视像镜头应用，包括摄取、分析、记录、和监视来源，要使ZoneMinder 正常运行起来必须首先配置好Li~下的PHP, MySQL环境，而且还有在系统上至少有一个摄像头能稳定工作，接下来就可以通过ZM的Web介面监控重要场所了。使用ZM最大好处是可以在摄像头监视的情况之下实现动态的图像识别，即判断某指定区域之内是否有外来人或物入侵，如果有的话则可以将相关的图像和视频保存起来，并通过网络使得你可以再然和可以连网的地方进行监视。iSpy和ZoneMinder类似，功能强大。VLC是一个视频播放器且也可以配置成为视频服务器，但是视频需要使用VLC播放器的插件才可以在网页上播放
MJPG-streamer是一款开源监控软件可从摄像头采集图像，把图像以数据流的形式通过基于HTTP协议将图像传输至浏览器，并展现给用户。它利用了某些Webcams的硬件图像压缩功能从而来降低了服务器的CPU开销，减少了视频帧压缩的大量计算资源，减轻了嵌入式设备和服务器的压力，是一个不可多得的轻量级的视频监控解决方案。软件通过插件(plugin)的形式在增加系统的灵活度，可
将一个input-plugin对应到多个output-plugins,输入的方式有inputee file.so(从文件输入)，input uvc.so(从摄像头输入)等，输出的方式有output file(将视频流存储到文件)、output http(通过http协议传输到浏览器)等，可见Mjpg Streamer配置灵活使用方便，可根据需要进行多种配置。同时也支持照片截取功能。故Mjpg-Streamer适合更适合本系统的需求。
本系统采用input uvc.so作为输入将outputee http.so作为输出来实现系统的直播
监控。下载最新的Mjpg-Streamer树墓派上，编译安装后，设置启动脚本start-mjpg streamer.sh为:
#!bin/sh
export LD_ LIBRARYse PATH=$(pwd)
./mjpg streamer -i ./input uvc.so -f 15 -o output http.so -p 1234 -w 'pwd'/ 启动脚本各个参数的意义:
-i input uvc.so表示input uvc.so从USB摄像头获取图像作为输入;
-f巧表示帧数为巧帧每秒;
一o output http.so表示以http作为输出;
一p 1234表示http服务器的端口号为1234;
一w’pwd'/www表示http的根目录为当前目录下的路径。
3.3传感器网络数据收集及控制
传感器网络负责采集室内各种环境数据，同时也作为室内其它设备的控制。网关也将室内无线传感器网络的数据汇聚点，由于无线传感器网络采集的数据量较小，网关通过串口控制与无线传感器网关的汇聚点进行交互，串口通信采用
SLIP协议进行封装。一方面从传感器网络获取到感知的数据，另一方面从用户接收控制指令，执行用户的命令。传感器网络是较大的课题，不再深入探讨，本项目仅仅是对其的一个简单的应用。每个传感器节点都有一个编号，即为该传感器的唯一标示。在ZigBee网络中通过该id进行寻址传输。网关的接收数据的程序流程如下图:
上图中串口监听线程负责接收传感器网络的数据，而网口监听线程负责接收来自云服务器的用户指令。网关需要调和这两者之间的通信交互。与之对应的好友网口发送线程和串口发送线程，串口接收线程与网口发送线程对应组成一组，之间通过对列交互，串口接收线程是生产者，网口发送线程为消费者，二者共享串口接收缓存对列，在开发时，采用锁机制对该对列进行保护、设计，如图所示：
信息下发流程与上报流程类似，不再赘述。主要的区别在于通信协议格式转换。
4. 总结
得益于通信技术发展，这为设备的通信打下了良好的基础，同时各种的开源硬件以及开源项目日益的丰富，致使各个领域都有了高速的发展，而当今社会已经不再满足于点对点的通信，进而推进到了智能家居的物物通信，此时提出了Iot C Internet of things的概念。物物联通，体现的最多的就是在家庭生活上，可以大大的改善人类的生活。
本文通过对智能家居的现状及国内政策导向的研究。认为智能家居在未来将有极大的发展前景。对我国的城镇化和人口老龄化这两大社会问题有极大的现实意义。因此选定该题目作为研究的内容。
通过对智能家居相关技术研究，包括传感器网络系统、嵌入式开发、云台监控及云端web开发等技术的研究，从底层的硬件选择到上层软件开发，学习了大量的知识，最终设计并开发了一个可行的原型系统。并且通过了测试，验证了系统设计的可行性、易用性、可扩展性，完全满足原有的设计设想。
致