李 勇,傅成華,張乃川

（1.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川自貢,643000；2.青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東青島,266042）

0 引言

隨著電子技術(shù)的不斷向前發(fā)展，計(jì)算機(jī)硬件上的提升以及軟件編程語(yǔ)言的多樣化，借助電子、電器輔助設(shè)備，設(shè)計(jì)基于嵌入式操作系統(tǒng)的家居智能化控制系統(tǒng)是很有必要同時(shí)也是可實(shí)現(xiàn)得。所謂“智能家居”就是使用智能化的管理手段對(duì)家庭部分電器設(shè)備進(jìn)行的控制、管理，實(shí)現(xiàn)家庭住宅環(huán)境的高效、便利、舒適和安全。例如，你可以利用手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)電子設(shè)備或個(gè)人電腦對(duì)你所居住家庭中的電子、電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程式的交換管理。交換管理包括遠(yuǎn)程監(jiān)控家里的情況，遠(yuǎn)程控制家庭電器的使用以及與家人遠(yuǎn)距離互動(dòng)，家里的電器還可以與你進(jìn)行反向互動(dòng)。當(dāng)家里出現(xiàn)安全隱患的時(shí)候，智能家居總控制系統(tǒng)會(huì)通過自動(dòng)報(bào)警或者短信的形式與你聯(lián)系，如通過短信方式告知家庭成員“家居環(huán)境出現(xiàn)安全隱患，請(qǐng)注意”。你在家中可以通過情景模式的設(shè)定，可以一鍵式的獲得情景預(yù)設(shè)效果。比如開啟“視頻影音”模式后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉照明燈光，開啟電視，關(guān)閉窗簾后進(jìn)入影院情景，點(diǎn)擊睡眠模式后，安防系統(tǒng)開啟，燈光環(huán)境進(jìn)入夜間照明模式，夜里起床時(shí)，紅外感應(yīng)輔助的自動(dòng)照明系統(tǒng)為你帶來最大的便利和安全，起床模式會(huì)隨著你手機(jī)預(yù)設(shè)鬧鐘的鬧鈴自動(dòng)開啟燈光、窗簾等，送給你一個(gè)充滿清新活力的早晨，外出的時(shí)候，選擇離家情景，系統(tǒng)自動(dòng)切斷提前配置的設(shè)備電源，關(guān)閉窗簾，啟動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

智能家居解決的核心是對(duì)已有家用電器設(shè)備進(jìn)行智能化的控制和管理，包括照明系統(tǒng)，室溫系統(tǒng)、廚房系統(tǒng)、衛(wèi)浴系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、安防系統(tǒng)等。為滿足智能家居總控制平臺(tái)能夠響應(yīng)多客戶端（Android 客戶端、LCD 客戶端、WEB 客戶端）連接請(qǐng)求與數(shù)據(jù)交換，同時(shí)需對(duì)家居傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、攝像頭采集的視頻流信息進(jìn)行存儲(chǔ)要求。本論文中控制平臺(tái)硬件選用S5PC100平臺(tái)，該平臺(tái)是基于S5PC100 處理器并集成多個(gè)外圍模塊（RS232串口、DM9000 以太網(wǎng)控制器、URAT、WIFI、ZigBee、LCD 模塊、USB 攝像頭、存儲(chǔ)器、LED、晶振）組成，S5PC100 處理器的內(nèi)核是Cortex-A8。Cortex-A8 采用獨(dú)有的 L2 緩存，10 級(jí) NEON 媒體流水線（10- stage NEON media pipeline），Cortex-A8 內(nèi)核具有高性能、低功耗的處理核心并支持Cache、可配置64 位或者128 位AMBA 高速總線接口AXI。Cortex-A8 還擁有獨(dú)立的數(shù)據(jù)/指令MMU 支持ETM 的非侵入式調(diào)試。ARM 存儲(chǔ)器系統(tǒng)使用平板式地址映射機(jī)制，也可以用Cache 技術(shù)、寫緩存技術(shù)、虛擬內(nèi)存和I/O 地址映射技術(shù)。

1.1 通信接口

Cortex-A8 平臺(tái)是智能家居中心服務(wù)器，WIFI 模塊采用的是一對(duì)多的形式，即一臺(tái)服務(wù)器對(duì)應(yīng)多個(gè)終端，多個(gè)終端可以與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)于 PC 上位機(jī)，增加了以太網(wǎng)的通信方式，對(duì)于手機(jī)，則增加了短信通知的方式。通訊的主要任務(wù)包括兩點(diǎn)：第一總控制中心所獲取的全部信息都能被任意客戶端、應(yīng)用模塊實(shí)時(shí)獲取。第二客戶端模塊可實(shí)現(xiàn)相關(guān)反控操作，實(shí)時(shí)更改總控制中心配置。如LCD 客戶端可以通過WIFI 連接到服務(wù)器并獲取家居環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（如溫度、濕度、光照強(qiáng)度），Android 應(yīng)用客戶端可以依靠移動(dòng)3G網(wǎng)絡(luò)與Cortex-A8平臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

1.2 外設(shè)接口

智能家居系統(tǒng)服務(wù)器需要通過各種外設(shè)接口來獲取家居環(huán)境數(shù)據(jù)信息，也需要通過各外接設(shè)備來進(jìn)行相關(guān)響應(yīng)操作。這些外設(shè)包括：NRF905 模塊、溫度、濕度、煤氣、燃?xì)?、雨滴檢測(cè)裝置，PWM 驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器（用來實(shí)現(xiàn)家居自動(dòng)險(xiǎn)情報(bào)警）、Camera 攝像頭（采集家居圖像）、LED 顯示燈（服務(wù)器工作指示燈）、BTN 按鍵 、LCD 觸摸顯示屏（Qt 圖像界面）、智能遙控模塊（智能WIFI轉(zhuǎn)紅外射頻），智能遙控模塊用于遠(yuǎn)程對(duì)家居空調(diào)、TV 的操控。

2 軟件設(shè)計(jì)

Cortex-A8 服務(wù)器為整個(gè)智能家居系統(tǒng)的中樞部分也是最為關(guān)鍵的部分，負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)的總體調(diào)度、管理。Cortex-A8 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)如圖3-1

Cortex-A8 服務(wù)器主要分為對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的處理、對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制命令的中轉(zhuǎn)、對(duì)中斷事件的處理、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)庫(kù)更新等。Cortex-A8 服務(wù)器同時(shí)對(duì)環(huán)境信息采集數(shù)據(jù)的接收、響應(yīng)終端的信息請(qǐng)求（讀取采集到的信息、修改配置信息、進(jìn)行控制操作）、故障報(bào)警信息處理與發(fā)送，整個(gè)智能家居服務(wù)器采取C/S 架構(gòu)（即客戶端連接服務(wù)器）采用Linux 嵌入式多線程、多進(jìn)程編程并結(jié)合同步、互斥機(jī)制，同步、互斥機(jī)制來對(duì)臨界資源（內(nèi)存中的變量）的保護(hù)。

3 系統(tǒng)功能測(cè)試

本設(shè)計(jì)操作系統(tǒng)基于Linux2.6 內(nèi)核裁剪而成，采用3.4.5交叉編譯器，通過對(duì)Cortex-A8 服務(wù)器需求分析、軟件設(shè)計(jì)流程、網(wǎng)絡(luò)配置、文件系統(tǒng)制作并掛載成功后，利用Linux 多線程、多進(jìn)程以及進(jìn)程間通信中同步、互斥機(jī)制進(jìn)行編程、調(diào)試，并針對(duì)硬件平臺(tái)進(jìn)行量身定制，主要工作包括內(nèi)核定制與文件系統(tǒng)集成。調(diào)試完成將測(cè)試程序移植到S5PC100 開發(fā)板中，Cortex-A8 服務(wù)器成功運(yùn)行，Cortex-A8 服務(wù)器建立socket 并綁定成功，等待客戶端發(fā)起連接請(qǐng)求，連接成功后可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換與與控制命令的送發(fā)，Cortex-A8 服務(wù)器能夠在S5PC100 開發(fā)平臺(tái)穩(wěn)定運(yùn)行，若開發(fā)平臺(tái)突發(fā)性斷電，重新上電后，Cortex-A8 服務(wù)器可快速恢復(fù)。該系統(tǒng)具有高度集成性與可擴(kuò)展性，在不需要更換硬件條件下就可滿足用戶的不同功能需求，系統(tǒng)兼容性強(qiáng)，能整合其他功能模塊，可實(shí)現(xiàn)對(duì)住宅環(huán)境部分電器設(shè)備的遠(yuǎn)程操制和設(shè)備管理。

圖3-1 Cortex-A8 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)通過系統(tǒng)移植并安裝、掛載、調(diào)試、測(cè)試后系統(tǒng)可以通過網(wǎng)絡(luò)（socket）連接到Cortex-A8 服務(wù)器，客戶端可遠(yuǎn)程監(jiān)控家居實(shí)時(shí)情況，用戶也可以遠(yuǎn)程觸發(fā)軟件控制命令來操控家庭電器設(shè)備的開關(guān)任務(wù)，改變傳統(tǒng)手動(dòng)操縱開關(guān)的格局，也可以登錄網(wǎng)絡(luò)web 端進(jìn)行家居情景的查詢。使得我們的家居能使用普通PC、IPAD 等多種終端登錄設(shè)備平臺(tái)。智能家居系統(tǒng)逐步應(yīng)用于各城市小區(qū)以及工業(yè)監(jiān)控中，伴隨電子產(chǎn)業(yè)、軟件設(shè)計(jì)的漸進(jìn)改進(jìn)，未來家居智能化將邁向新的深層次領(lǐng)域。

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