楊威，高文華

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，太原 030024）

引 言

隨著社會(huì)電子信息化的不斷發(fā)展，人們?cè)诩揖又惺褂玫碾娖饕苍絹碓蕉啵纱藥淼陌踩[患也有了明顯的增多。在這些電器中，一旦出現(xiàn)一些異常，便會(huì)給人們帶來很大的損失。為了降低電器的不合理使用帶來的異常情況，就要求在異常發(fā)生時(shí)用戶能及時(shí)得到信息，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)控，采取一定的操作排除異常。因此，智能家居系統(tǒng)的作用是非常巨大的。

在智能家居控制系統(tǒng)中，核心設(shè)備是家居智能控制終端。綜合目前的研究現(xiàn)狀，主要有以下幾種方案：第一種是采用鍵盤、紅外遙控器、觸摸屏和LCD顯示器等設(shè)備對(duì)家電進(jìn)行控制。當(dāng)前智能家居控制系統(tǒng)大都采用此種控制終端，使用此種方式需要分別對(duì)控制終端的軟件與硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高。此外，使用此種控制終端只能進(jìn)行本地控制，不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。第二種是采用家庭或者辦公電腦作為智能家居控制系統(tǒng)的控制終端。使用這種控制方式的缺點(diǎn)是，只能用固定點(diǎn)對(duì)家居進(jìn)行控制，控制終端不能移動(dòng)，不夠方便。第三種是采用手機(jī)作為控制終端，使用手機(jī)通過無線網(wǎng)絡(luò)（WiFi、藍(lán)牙、GSM等）對(duì)家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，可以真正做到方便、快捷、觸手可及。但目前采用這種方式的智能家居系統(tǒng)還不是很多，而且大部分操作繁瑣，沒有良好的用戶體驗(yàn)[1]。

本文解決了嵌入式智能家居系統(tǒng)、ZigBee無線通信[2]、家居控制協(xié)議等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，分析了各自的基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux平臺(tái)的嵌入式智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)概述

根據(jù)全面感知、可靠傳遞和智能處理的功能需求，可將智能家居系統(tǒng)劃分為感知層（家電信息采集終端）、網(wǎng)絡(luò)層（家庭網(wǎng)關(guān)）和應(yīng)用層（包括PC機(jī)網(wǎng)頁(yè)和手機(jī)客戶端）3個(gè)部分，其整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

其中，感知層的核心功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，主要通過各類傳感器來完成數(shù)據(jù)的獲取，最終將獲取到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)[4]打包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)層的家庭網(wǎng)關(guān)中。網(wǎng)絡(luò)層需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基于嵌入式Web服務(wù)器的家庭網(wǎng)關(guān)，一方面，用來作為連接家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet外網(wǎng)的接口，實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)網(wǎng)和Internet的數(shù)據(jù)通信功能；另一方面，用來統(tǒng)籌來自感知層的數(shù)據(jù)和來自應(yīng)用層的命令。應(yīng)用層則需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)客戶端和手機(jī)客戶端界面，一方面用來加工處理來自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)；另一方面，用來實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，通過客戶端界面向服務(wù)器端發(fā)送控制命令。

圖1 系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件構(gòu)成

智能家居系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)[5]主要包括S5PC100平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱A8）、11C14平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱 M0）和ZigBee模塊3個(gè)部分。其中，S5PC100開發(fā)平臺(tái)是基于三星公司Cortex－A8內(nèi)核的S5PC100處理器設(shè)計(jì)而成的，支持多種格式的硬件編解碼，如：MPEG－1／2／4、H.263／H.264等，該平臺(tái)主要通過開發(fā)的系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)M0平臺(tái)的控制。11C14平臺(tái)基于LPC11C14微控制器 （ARM Cortex－M0內(nèi)核），具有低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，該平臺(tái)具有豐富的硬件資源，集成了傳感器模塊（包括三軸加速度傳感器、光敏傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等）、RFID設(shè)備模塊、ZigBee無線通信模塊和OLED顯示模塊等。該平臺(tái)主要用于模擬家庭中的信息采集和執(zhí)行單元。ZigBee模塊采用的是CEL公司的ZICM2410，帶有USB轉(zhuǎn)串口芯片，可以方便地連接PC機(jī)或其他帶有USB主機(jī)接口的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)通信。

1.2 軟件環(huán)境

（1）U-Boot移植

U－Boot的功能是把內(nèi)核放到DRAM（Dynamic Random Access Memory）中運(yùn)行。網(wǎng)上下載的U－Boot對(duì)開發(fā)平臺(tái)只有通用性代碼，不支持和識(shí)別特定開發(fā)平臺(tái)上的一些硬件和功能。因此，需要添加對(duì)這些硬件的識(shí)別、初始化及其相應(yīng)功能的實(shí)現(xiàn)[6]。

U－Boot的移植過程可以分為兩個(gè)階段，其中，第一階段主要完成基本的硬件設(shè)備初始化，準(zhǔn)備RAM（Random Access Memory，隨機(jī)存儲(chǔ)器）空間加載第二階段代碼，復(fù)制第二階段代碼到RAM中，設(shè)置堆棧指針SP，跳轉(zhuǎn)到第二階段代碼的C入口點(diǎn)；第二階段主要完成匯編語(yǔ)言跳轉(zhuǎn)到main（）入口函數(shù)，初始化本階段將要使用的硬件設(shè)備，檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)存映射，加載內(nèi)核映像文件和根文件系統(tǒng)映像文件，設(shè)置內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)和調(diào)用內(nèi)核。

（2）Linux內(nèi)核移植

Linux內(nèi)核是一種源碼開放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少[7]。本設(shè)計(jì)中內(nèi)核的移植主要包括：網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)的添加、NAND Flash驅(qū)動(dòng)的添加、添加對(duì)YAFFS2文件系統(tǒng)的支持、添加USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)、添加LCD設(shè)備驅(qū)動(dòng)、添加SD卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

（3）根文件系統(tǒng)制作

如果沒有根文件系統(tǒng)，其他的文件系統(tǒng)就不能進(jìn)行加載。根文件系統(tǒng)包括Linux啟動(dòng)時(shí)所必須的目錄和關(guān)鍵性文件，以及使其他文件系統(tǒng)得以掛載的必要文件。制作根文件系統(tǒng)主要包括：添加內(nèi)核菜單選項(xiàng)、建立目錄結(jié)構(gòu)、添加命令程序、拷貝C庫(kù)、編寫系統(tǒng)啟動(dòng)文件、配置主機(jī)的NFS。

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在A8、M0及PC等設(shè)備的基礎(chǔ)上，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)新型概念[8]設(shè)計(jì)的，使用戶能夠?qū)彝?nèi)部情況進(jìn)行實(shí)時(shí)地掌握和控制。本系統(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)中心（A8）、遠(yuǎn)程監(jiān)控終端（M0）和服務(wù)器端（PC）組成。

首先，數(shù)據(jù)接收模塊接收M0通過ZigBee傳輸上來的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光感數(shù)據(jù)等），并通過接收端的ZigBee經(jīng)USB轉(zhuǎn)串口操作，把采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給A8，由M0的接收請(qǐng)求線程從串口讀取消息，并交給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊解碼接收到信息后，激活數(shù)據(jù)庫(kù)線程以保存數(shù)據(jù)，激活內(nèi)存數(shù)據(jù)刷新線程以更新實(shí)時(shí)環(huán)境信息，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行判斷處理，決定是否進(jìn)行報(bào)警。另外，在構(gòu)建的嵌入式Web服務(wù)器上，用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)，利用PC機(jī)對(duì)家居信息進(jìn)行監(jiān)控；通過Web頁(yè)面上的控制按鈕，監(jiān)控設(shè)備可以識(shí)別出用戶指令并進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)各模塊進(jìn)程間關(guān)系如圖2所示。

3 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

3.1 視頻流服務(wù)器設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)各模塊進(jìn)程間關(guān)系圖

該服務(wù)器主要用于將攝像頭采集的視頻或者圖片顯示到網(wǎng)頁(yè)和LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）上，這里采用 MJPG－streamer作為視頻流服務(wù)器[9]。MJPG－streamer采用的是V4L2（Video 4Linux 2）接口，可以通過文件或者是HTTP的方式訪問Linux UVC兼容攝像頭。視頻流服務(wù)器將攝像頭捕獲的圖像存入global buffer緩沖區(qū)，當(dāng)客戶端有訪問請(qǐng)求時(shí)，服務(wù)器便將global buffer緩沖區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)連續(xù)地發(fā)送給客戶端。該程序中的server＿pthread函數(shù)使用多線程技術(shù)，為每一個(gè)連接請(qǐng)求的客戶端創(chuàng)建一個(gè)線程。該線程獨(dú)立地與客戶端進(jìn)行通信，發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

此外，MJPG－steamer還用來從網(wǎng)絡(luò)攝像頭采集圖像，并將它們以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器的網(wǎng)頁(yè)上。由于MJPG－steamer可以通過利用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的硬件壓縮功能來降低服務(wù)器CPU的開銷，而無需為視頻幀壓縮浪費(fèi)大量的資源，因此它為嵌入式設(shè)備和一些常規(guī)服務(wù)器提供了一個(gè)輕量級(jí)且較少CPU消耗的方案。MJPG－steamer功能強(qiáng)大，但為了符合本項(xiàng)目的需要，仍需對(duì)其進(jìn)行修改，添加我們想要實(shí)現(xiàn)的功能。在本設(shè)計(jì)中，需要向MJPG－steamer視頻流服務(wù)器的添加LCD輸出插件，其代碼如下：

3.2 家電物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器設(shè)計(jì)

該服務(wù)器主要負(fù)責(zé)為網(wǎng)頁(yè)提供家電的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，同時(shí)也為Android手機(jī)客戶端提供服務(wù)，讓Android手機(jī)客戶端具有實(shí)時(shí)顯示和遠(yuǎn)程控制家電的能力，其關(guān)系如圖3所示。

圖3 家電物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器整體關(guān)系圖

在網(wǎng)頁(yè)上顯示信息主要是通過.xml文件實(shí)現(xiàn)的。首先，網(wǎng)頁(yè)通過BOA服務(wù)器，調(diào)用CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關(guān)接口）程序控制網(wǎng)頁(yè)線程，并發(fā)送命令給單板。然后，單板將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給家電物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，服務(wù)器通過向.xml文件中寫入采集到的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的實(shí)時(shí)信息動(dòng)態(tài)顯示。當(dāng)網(wǎng)頁(yè)客戶端在瀏覽器中發(fā)送請(qǐng)求（如設(shè)置報(bào)警溫度等）時(shí)，BOA服務(wù)器會(huì)調(diào)用CGI接口解碼，區(qū)分提交過來的信息，然后把這個(gè)信息發(fā)送到單板，實(shí)現(xiàn)對(duì)單板的控制。Android手機(jī)客戶端與家電物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器的通信則主要是通過套接字進(jìn)行的。

3.3 Android客戶端軟件設(shè)計(jì)

Android是一個(gè)專門為移動(dòng)電話而設(shè)計(jì)的開放源碼的操作系統(tǒng)[10]，它將開辟新的應(yīng)用，使家居智能化運(yùn)用于普通家庭。Android客戶端控制系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，主要包括應(yīng)用層UI（User Interface，用戶界面）、JNI（Java Native Interface，Java本地接口）、HAL（Hardware Abstraction Layer，硬件抽象層）和底層驅(qū)動(dòng)等的設(shè)計(jì)。Android應(yīng)用程序由一個(gè)或多個(gè)組件構(gòu)成，組件包括activity、service等，每個(gè)組件在應(yīng)用程序中完成不同的任務(wù)，可以被單獨(dú)激活，也可以由其他應(yīng)用程序激活，其具體流程如圖4所示。

圖4 應(yīng)用層UI程序流程圖

其中，HAL層包括LED燈、蜂鳴器和按鍵等設(shè)備，主要用于實(shí)現(xiàn)供JNI調(diào)用的接口。在函數(shù)實(shí)現(xiàn)中，HAL利用底層驅(qū)動(dòng)提供的接口（即ioctl）來控制寄存器，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制操作。JNI層通過封裝將Framework層調(diào)用的接口關(guān)聯(lián)到JNI層，每個(gè)設(shè)備都有自己唯一的設(shè)備ID。應(yīng)用層UI顯示來自M0的模擬量，主要用于管理A8上各種設(shè)備的工作情況，可以實(shí)現(xiàn)LED控制、按鍵檢測(cè)、蜂鳴器控制、A／D轉(zhuǎn)換、溫度傳感器的數(shù)據(jù)讀取和方向傳感器模擬值的處理等功能，其控制程序客戶端主界面如圖5所示。圖中，上側(cè)為項(xiàng)目菜單欄，通過不同項(xiàng)目菜單下的信息和控制按鈕，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；中間部分是對(duì)不同設(shè)備的控制開關(guān)，通過這些開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)警報(bào)燈、電風(fēng)扇和蜂鳴器等設(shè)備的控制，并可以根據(jù)需要對(duì)報(bào)警溫度值進(jìn)行設(shè)置；最后，通過對(duì)下側(cè)不同測(cè)量點(diǎn)的選擇，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置房間的監(jiān)控。

結(jié) 語(yǔ)

將設(shè)計(jì)的Android手機(jī)客戶端軟件安裝后，經(jīng)反復(fù)測(cè)試，手機(jī)可以通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。同時(shí)，也可以通過Internet遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的控制。通過本系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的集中管理和控制，隨時(shí)隨地掌控家中的狀態(tài)，得到家中的最新狀況。

此控制系統(tǒng)采用當(dāng)前較新的控制方式——遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)和智能手機(jī)軟件控制，與其他終端控制方式相比優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)，設(shè)計(jì)開發(fā)的手機(jī)軟件具有通用性強(qiáng)、易于移植、市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值高、易于推廣等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅涵蓋了Linux系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件技術(shù)，同時(shí)也包含了嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各種綜合素質(zhì)和多項(xiàng)技能，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

圖5 客戶端主界面

[1] 王朝華，陳德艷，黃國(guó)宏，等.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（6）：225－228.

[2] 顧牧君.智能家居設(shè)計(jì)與施工[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

[3] 俞文俊，凌志浩.一種物聯(lián)網(wǎng)智能家居系統(tǒng)的研究[J].自動(dòng)化儀表，2011，32（8）：56－59.

[4] 花鐵森.智能家居系統(tǒng)核心技術(shù)探討[J].智能建筑電氣技術(shù)，2009，3（1）：92－98.

[5] Wayne W.Computers as Components：Principles of Embedded Computing System Design[M].San Fransisco：Morgan Kaufmann，2001.

[6] 韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊(cè)[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[7] W Richard Stevens，Stephen A Rago.Advanced Programming in the UNIX Environment[M].2版.北京：人民郵電出版社，2006.

[8] 朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)展與趨勢(shì)[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26（1）：1－3.

[9] 李崗，糜元根.一種支持B／S模式的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34（3）：108－112.

[10] 楊豐盛.Android應(yīng)用開發(fā)揭秘[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.