摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人們的日常生活中。其中，智能家居的出現(xiàn)與發(fā)展給人們的生活方式帶來了巨大的變化。但目前智能家居技術(shù)產(chǎn)品沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且價格昂貴，難以實現(xiàn)真正的家居應(yīng)用。針對這一問題，提出一種以Android平臺為基礎(chǔ)的智能家居系統(tǒng)方案，該方案包括控制平臺搭建、終端 APP設(shè)計、智能電器仿真?，F(xiàn)場控制平臺設(shè)計是智能家居系統(tǒng)的核心，方案采用ARM9嵌入式開發(fā)板。主要設(shè)計內(nèi)容有現(xiàn)場控制平臺硬件搭建、現(xiàn)場控制平臺Android系統(tǒng)移植、智能家居電器模擬裝置、驅(qū)動程序移植、Android應(yīng)用軟件設(shè)計等。方案采用無線WiFi與硬件設(shè)備進(jìn)行通信，同時又作為服務(wù)器與手機(jī)終端實時通信。手機(jī)終端APP作為遠(yuǎn)程控制器對智能電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。該智能家居系統(tǒng)設(shè)計具有很強(qiáng)的可拓展性和靈活性，易于二次開發(fā)，控制穩(wěn)定性較高。

關(guān)鍵詞：智能家居；安卓系統(tǒng)；系統(tǒng)移植；驅(qū)動程序；應(yīng)用程序；遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）07-0-04

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)和人們的日常生活中。智能家居的出現(xiàn)使得人們的家庭生活方式發(fā)生了巨大的變化。與傳統(tǒng)的家居相比，智能家居為人們提供了一種能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程控制且更加智能、舒適的生活環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)智能家居具有智能化、實時性、多樣性、創(chuàng)新性等特點[1-2]。

我國智能家居發(fā)展起步相對較晚，但是發(fā)展前景和應(yīng)用市場非常廣泛。目前，現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)兼容性差、操作復(fù)雜、價格昂貴。另外，當(dāng)前智能家居沒有統(tǒng)一的規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。使得一些智能家居產(chǎn)品協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不兼容，維護(hù)困難，二次開發(fā)難度大[3]。針對這一困境，提出一種以ARM9嵌入式開發(fā)板為核心的智能家居系統(tǒng)方案。根據(jù)控制需求，只需要適當(dāng)添加外圍電路和設(shè)備，并編寫簡單的程序就可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。

1 現(xiàn)場控制平臺設(shè)計

1.1 控制平臺硬件設(shè)計

根據(jù)控制方案設(shè)計需求，控制芯片采用Exynos4412，Exynos4412芯片是基于ARM Cortex-A9架構(gòu)的高性能四核處理器[4]。核心板還包括外部內(nèi)存、存儲芯片和多個外部接口。Exynos4412核心板如圖1所示。

1.2 控制平臺操作系統(tǒng)

為了提高系統(tǒng)開發(fā)的兼容性和可拓展性，操作系統(tǒng)選用Android 5.0。該系統(tǒng)具有開放性、硬件選擇多樣性、開發(fā)便利性等特點。Android 5.0系統(tǒng)采用分層架構(gòu)方式。應(yīng)用層位于最上層，該層是為用戶提供服務(wù)的，例如手機(jī)終端APP等。應(yīng)用程序框架層用來提供API函數(shù)接口和組件，這些接口和組件包括：Views組件、Activity Manager、Content Provider、Service、Intent and Intent Filter等。系統(tǒng)庫是Android提供的內(nèi)部函數(shù)庫，只能通過上層的應(yīng)用程序框架層進(jìn)行調(diào)用。常用的函數(shù)庫有：Media Framework、Surface Manager、SGL、OpenGL ES 1.0、SQLite等。運行環(huán)境層包括兩部分：Android核心函數(shù)庫提供Java核心函數(shù)庫功能，Dalvik虛擬機(jī)提供Java運行環(huán)境。Linux內(nèi)核層用來提供各種系統(tǒng)服務(wù)和管理功能。Android 5.0系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 智能家居電器模擬裝置

智能家居電器模擬裝置采用S3C2416開發(fā)板資源[5]。S3C2416開發(fā)板提供各種功能接口，以供開發(fā)者使用。S3C2416開發(fā)板移植的是開源Linux 3.1.8操作系統(tǒng)，S3C2416開發(fā)板如圖3所示。

2 現(xiàn)場控制平臺Android系統(tǒng)移植

2.1 啟動引導(dǎo)程序

嵌入式操作系統(tǒng)通常用Bootloader作為啟動引導(dǎo)程序。內(nèi)核啟動前，Bootloader對硬件進(jìn)行重置，并定位至RAM程序，完成內(nèi)核啟動[6]。

Exynos4412啟動時序是完成Uboot加載的重要環(huán)節(jié)，直接決定系統(tǒng)啟動成功與否。Uboot的加載過程如圖4所示。

BL0是iROM中的一段初始化程序，包括一些基本系統(tǒng)指令。例如：重置DDR3、初始化Clock、重置Stack等。BL2根據(jù)OM值將Uboot.bin文件拷貝至DDR3中執(zhí)行。Uboot.bin將Android內(nèi)核定位至DDR3中，引導(dǎo)啟動Android內(nèi)核。

Uboot的工作過程分為兩部分：第一部分，設(shè)置CPU工作模式，設(shè)置異常向量表地址，清空流水線，設(shè)置時鐘，初始化SDRAM，初始化串口等；第二部分，初始化外設(shè)，進(jìn)入超循環(huán)，處理用戶指令，重置啟動內(nèi)核參數(shù)，內(nèi)核啟動。Uboot的工作流程如圖5所示。

2.2 Android Kernel移植

Android內(nèi)核具有將近兩萬個文件，分別位于頂層目錄下的17個子目錄中[7]。Android內(nèi)核代碼目錄如圖6所示。

移植Linux3.0.86內(nèi)核到Exynos4412平臺上時需要設(shè)置Makefile文件，執(zhí)行make menuconfig程序進(jìn)行參數(shù)配置。這里可以配置串口設(shè)備、WiFi驅(qū)動、網(wǎng)卡設(shè)備等。參數(shù)配置完畢后，執(zhí)行make命令即可生成內(nèi)核鏡像文件。Linux內(nèi)核圖形配置如圖7所示。

2.3 驅(qū)動程序移植

驅(qū)動程序是計算機(jī)與設(shè)備之間通信的程序，類似于軟硬件之間的接口。

溫度采集驅(qū)動程序：硬件設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器[8-9]。DS18B20驅(qū)動程序?qū)儆谧址停虼诵枰治鯠S18B20驅(qū)動結(jié)構(gòu)。DS18B20驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。

首先需要定義DS18B20驅(qū)動注冊函數(shù)和驅(qū)動卸載函數(shù)，用來訪問內(nèi)核。驅(qū)動注冊函數(shù)中包括注冊文件結(jié)構(gòu)體、創(chuàng)建類和創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點。這里創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點定位為ds18b20，在注冊文件操作結(jié)構(gòu)體中可以定義溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取和寫入函數(shù)，還可以對其進(jìn)行初始化設(shè)置。例如：read函數(shù)用來對DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取操作，write函數(shù)用來對DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫操作，reset函數(shù)用來對DS18B20進(jìn)行數(shù)據(jù)的初始化操作。

LCD驅(qū)動程序：硬件設(shè)計采用S702-AT070TN92型號7寸LCD電容屏[10]。LCD驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

首先，配置數(shù)組4412_lcd，定義4412_get_lcd函數(shù)用來獲取數(shù)組信息并進(jìn)行存儲。由S3cfb_set_platdata函數(shù)和S3c_fb截取數(shù)據(jù)發(fā)送至S3c數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體和S3c_fb_pd_win結(jié)構(gòu)體。經(jīng)過匹配函數(shù)，將S3c_fb_pd_win結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)送至fb_videomode結(jié)構(gòu)體中，結(jié)合幀緩存信息結(jié)構(gòu)體，并通過fb_videomode_to_var函數(shù)進(jìn)入屏蔽信息結(jié)構(gòu)體中。其次，由register_framebuffer函數(shù)將幀緩存信息結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)傳送至幀緩存信息結(jié)構(gòu)體數(shù)組中，由get_fb_info函數(shù)將獲取的數(shù)據(jù)傳送至幀緩存信息結(jié)構(gòu)體。最后由幀緩存結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)信息和文件操作結(jié)構(gòu)體信息打開幀緩存獲取數(shù)據(jù)。

WiFi驅(qū)動程序：在各種Android設(shè)備中幾乎都會嵌入WiFi芯片，這里Android WiFi系統(tǒng)采用WPA_supplicant。硬件選用RT3070 USB接口WiFi模塊，Android WiFi系統(tǒng)主要模塊包括：WiFi服務(wù)、WiFi監(jiān)聽器、WPA_supplicant、Linux WiFi驅(qū)動等。

Android WiFi系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括四層。最上層為Android架構(gòu)層，該層主要包括無線設(shè)置、WiFi設(shè)置、可接入點集、WiFi使能器、WiFi管理器、WiFi服務(wù)、WiFi監(jiān)聽器等。第二層為Java本地接口層，主要完成Android_net_WiFi_WiFi接口設(shè)置。第三層為WPA_supplicant層，用來完成WPA客服端和WPA服務(wù)器配置。第四層為內(nèi)核層，實現(xiàn)WiFi驅(qū)動功能。

Android WiFi系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖10所示。

3 Android應(yīng)用軟件設(shè)計

Android應(yīng)用軟件設(shè)計是人機(jī)交互界面設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。對于用戶而言，只需要對可視化界面進(jìn)行簡單的操作，即可使用智能控制平臺。應(yīng)用軟件設(shè)計過程中采用Android操作系統(tǒng)支持的接口函數(shù)和自定義接口函數(shù)相結(jié)合的方式。

3.1 溫度模塊軟件設(shè)計

溫度傳感器DS18B20將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制平臺，由控制平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過無線傳輸網(wǎng)絡(luò)連接手機(jī)終端APP，進(jìn)而完成溫度顯示。當(dāng)手機(jī)終端APP訪問服務(wù)器使用DS18B20時，會調(diào)用I18b20Service.aidl接口文件獲取18b20Service服務(wù)。在APP顯示窗口，使用組件TextView顯示溫度值。

DS18B20最高顯示精度為0.062 5，因此需要將采集到的數(shù)據(jù)乘以0.062 5才能得到真實值。在溫度顯示過程中，還要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制顯示。

3.2 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控軟件設(shè)計

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控模塊采用C/S架構(gòu)，服務(wù)器采集視頻流，并在應(yīng)用程序上顯示。服務(wù)器通過WiFi模塊聯(lián)網(wǎng)，可以在手機(jī)終端顯示。

硬件選用Z301攝像頭，V4L2驅(qū)動程序主要包括struct video_device、structv4l2_capability、structv4l2_format、structv4l2_pix_format、structv4l2_requestbuffers等結(jié)構(gòu)體。V4L2驅(qū)動程序通過調(diào)用video_register_device函數(shù)實現(xiàn)。視頻編碼采用MJPEG-streamer實現(xiàn)，它可以將視頻流轉(zhuǎn)換為MJPEG格式。視頻流通常是YUV格式，MJPEG是RGB格式。因此，需要進(jìn)行顯示格式轉(zhuǎn)換。YUV格式轉(zhuǎn)換為RGB格式的公式如下：

最后將編譯生成的input_uvc.so、output_http.so文件和可執(zhí)行程序mipg_streamer放至現(xiàn)場控制平臺根目錄lib中。通過運行命令mjpg_streamer-i來配置現(xiàn)場IP地址和端口號。至此，MJPEG-streamer工具移植完成。

3.3 手機(jī)終端應(yīng)用軟件設(shè)計

為增強(qiáng)開發(fā)平臺的通用性，遠(yuǎn)程控制終端采用市場較為廣泛的Android系統(tǒng)手機(jī)?；ヂ?lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸使用套接字Socket實現(xiàn)，協(xié)議為TCP/IP。用套接字Socket建立服務(wù)器和終端鏈接，用bind函數(shù)尋址端口，用connect函數(shù)發(fā)送鏈接，用accept函數(shù)監(jiān)聽。連接建立完成后，即可使用send函數(shù)和recv函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如在手機(jī)終端視頻監(jiān)控中，可以直接利用系統(tǒng)支持的API接口通過SurfaceView函數(shù)建立視頻播放平臺，這樣可以避免重新設(shè)計視頻播放程序。終端APP功能模塊設(shè)計和現(xiàn)場控制平臺設(shè)計具有類似的開發(fā)模式和流程，這里不再一一敘述。

4 結(jié) 語

本文對基于Android平臺的智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行了研究。設(shè)計了現(xiàn)場控制架構(gòu)，搭建了硬件平臺，完成了現(xiàn)場控制平臺Android系統(tǒng)移植、驅(qū)動程序移植、Android應(yīng)用軟件設(shè)計，并采用無線WiFi與硬件設(shè)備進(jìn)行通信。本文設(shè)計的智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、便于維護(hù)、成本較低、可拓展性強(qiáng)，易于二次開發(fā)。

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