基于Internet遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)

摘要:家居控制中心是智能家居研究的一個(gè)重要方向，它同時(shí)是系統(tǒng)中用來管理智能化家用電器的關(guān)鍵部件。該文提出了以智能家居服務(wù)器作為家居控制中心的智能家居系統(tǒng)解決方案。

關(guān)鍵詞:智能家居;嵌入式系統(tǒng);Linux操作系統(tǒng)

中圖分類號(hào):TP237文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)25-7194-02

Intelligent Home Systems of Remote Control Based On Internet

CHAI Zheng1，2

(1.Information Engineering School of Nanchang University，Nanchang 330031，China; 2.Jiangxi University of Science and Technology， Nanchang 330013， China)

Abstract: Home smart home control center is an important direction of research， it is also the key components of the system used to manage intelligent home appliances. In this paper， intelligent home server as a home control system of intelligent home solutions.

Key words: smart home; embedded system; Linux operating system

智能建筑起源于美國聯(lián)合科技建筑集團(tuán)(United TechnologiesBuildingSystems，簡稱UTBS)所介紹的康涅格州市政府大樓(City Palace Building)。而智能住宅的發(fā)展幾乎與智能大廈同步，早在1979年，美國斯坦福研究所就提出了在建筑物內(nèi)將家用電器、電器設(shè)備的控制線統(tǒng)一為家庭總線的概念。之后，在美國成立了現(xiàn)代住宅研究會(huì)，專門從事這一領(lǐng)域的研究。1983年，美國電子工業(yè)協(xié)會(huì)開始制定家用電器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。1984年，第一幢智能建筑在美出現(xiàn)后美國住宅建筑者協(xié)會(huì)成立了現(xiàn)代住宅開發(fā)公司，開始有關(guān)基礎(chǔ)性研究工作，并在1989年推出了將電力供應(yīng)、空調(diào)控制和數(shù)據(jù)通信合成一個(gè)整體的布線系統(tǒng)示范單元。

由于我國的房地產(chǎn)、自動(dòng)化技術(shù)等起步較晚，對智能住宅的研究剛剛起步，但己經(jīng)引起了有關(guān)部門的高度重視?？偟膩碚f，我國智能家居信息化有著廣泛的市場前景，研究適合于中國國情的智能家居系統(tǒng)必然有著巨大的市場前景。

1 該文研究的主要內(nèi)容

以太網(wǎng)能與Internet進(jìn)行無縫連接，還有比較大的帶寬，能適應(yīng)家庭語音、視頻等數(shù)據(jù)量較大的通信場合。用以太網(wǎng)組建智能家居網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)具有其它網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)。嵌入式設(shè)備可以通過以太網(wǎng)口直接與Internet進(jìn)行交互，無需增加額外的設(shè)備如協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)等。

智能家居系統(tǒng)是為適應(yīng)現(xiàn)代家庭生活而設(shè)計(jì)的家庭網(wǎng)絡(luò)智能控制體系結(jié)構(gòu)，它集成了當(dāng)今的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)。整體來看，智能家居系統(tǒng)由家庭智能應(yīng)用終端、嵌入式家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)、和嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)組成。一方面，家庭內(nèi)部網(wǎng)可以通過內(nèi)部智能通信平臺(tái)在家庭內(nèi)部通過搖控板、按鍵操作等方式與用戶進(jìn)行交互，如無線控制設(shè)備的開關(guān)、異常事件如煤氣泄漏、漏電、漏水、火情的語音報(bào)警等。另一方面，家庭內(nèi)部網(wǎng)也可以通過網(wǎng)關(guān)與Internet進(jìn)行交互，用戶可以通過Web來訪問或控制家用電器設(shè)備(主動(dòng)訪問)，或者家電設(shè)備可以通過手機(jī)模塊進(jìn)行短信群發(fā)或郵件群發(fā)等方式向用戶報(bào)告家庭內(nèi)部狀況(被動(dòng)訪問)。

本文中著重討論了利用以太網(wǎng)口以嵌入式計(jì)算機(jī)為硬件平臺(tái)，開發(fā)家居控制中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

2 主要的創(chuàng)新點(diǎn)

1)由于采用的嵌入式WEB服務(wù)器BOA為單任務(wù)服務(wù)器，因此不具有并發(fā)性。通過采用Linux的內(nèi)核定時(shí)器機(jī)制使系統(tǒng)具有了并發(fā)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)的能力，同時(shí)提高了WEB頁面的響應(yīng)速度，改善了用戶的體驗(yàn)和系統(tǒng)的整體性能。

2) 系統(tǒng)所采用的用戶界面貫徹了“傻瓜化”思想，簡單易用。即使不會(huì)用電腦也能在幾分鐘內(nèi)輕松學(xué)會(huì)。同時(shí)系統(tǒng)的安全性也得到了改善。

3) “一鍵通”。即插上網(wǎng)線后打開電源就能使用。同樣貫徹了“傻瓜化”的思想。

3 開發(fā)平臺(tái)的選擇

開發(fā)平臺(tái)的選擇依據(jù)是最大限度地滿足目標(biāo)系統(tǒng)的功能需求。本課題研究的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)用現(xiàn)代嵌入式技術(shù)來解決智能家居的遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，并實(shí)現(xiàn)與Internet的無縫聯(lián)接。同時(shí)，在處理器速度、處理能力、價(jià)格、實(shí)時(shí)性需求等方面也是考慮的重點(diǎn)，如低端的控制設(shè)備可以選擇價(jià)格較便宜的處理器，這樣可以在滿足功能需求的前提下，最大限度地節(jié)約成本;在智能家居系統(tǒng)中，大多控制設(shè)備選擇ARM9核的微處理器比較合適，它是RISC 32位處理器，主頻最高可以達(dá)到200MHz，在處理流量不太大的家庭網(wǎng)關(guān)中也能夠很好滿足需求。

3.1 嵌入式開發(fā)硬件平臺(tái)

EL-ARM(DSP)-E100型教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)屬于一種綜合的教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了目前在國內(nèi)普遍認(rèn)同的ARM920T核，32位微處理器，實(shí)現(xiàn)了多模塊的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。它是集學(xué)習(xí)、應(yīng)用編程、開發(fā)研究于一體的ARM教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。用戶可以根據(jù)自己的需要選用不同的CPU適配板，包括ARM7、ARM9、DSP等。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的Tech_V總線能夠拓展較為豐富的實(shí)驗(yàn)接口板。除此之外，在實(shí)驗(yàn)板上有豐富的外圍擴(kuò)展資源(數(shù)字、模擬信號(hào)發(fā)生器，數(shù)字量IO輸入輸出，語音編解碼、控制對象、人機(jī)接口等單元)。

3.2 嵌入式開發(fā)軟件平臺(tái)

3.2.1 安裝交叉編譯環(huán)境

交叉編譯就是在一個(gè)平臺(tái)上生成可以在另一個(gè)平臺(tái)上執(zhí)行的代碼。這里的平臺(tái)，實(shí)際上包含兩個(gè)概念:體系結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)。同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)可以運(yùn)行不同的操作系統(tǒng);同樣，同一個(gè)操作系統(tǒng)也可以在不同的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)行。

就ARM而言，之所以使用交叉編譯是因?yàn)樵谠撚布蠠o法安裝我們所需的編譯器，只好借助于宿主機(jī)，在宿主機(jī)上對即將運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的應(yīng)用程序進(jìn)行編譯，生成可在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的代碼格式。

3.2.2 配置NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)

為什么要使用NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)?主要原因是為調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序提供方便，由于linux系統(tǒng)在編譯驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，可以用模塊的形式來動(dòng)態(tài)加載，這樣給實(shí)驗(yàn)、調(diào)試帶來極大的便利，通常的做法是:把編譯好的動(dòng)態(tài)模塊和應(yīng)用程序放在主機(jī)上的一個(gè)共享文件夾內(nèi)，啟動(dòng)主機(jī)的NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)服務(wù)，關(guān)閉系統(tǒng)的防火墻服務(wù)(如果系統(tǒng)安裝了該項(xiàng))，用交叉以太網(wǎng)線把主機(jī)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接。在終端下啟動(dòng)minicom，在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)起來之后，利用ifconfig eth0 xxx.xxx.xxx.xxx命令改變實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的IP地址，讓該地址的前三段和主機(jī)的前三段一致，最后的一段，可以選擇和主機(jī)不重復(fù)的小于255的任意值。之后把主機(jī)上的共享文件夾掛載到實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上的一個(gè)目錄上。通過相應(yīng)的命令進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或調(diào)試。

3.2.3 移植和編譯Linux內(nèi)核

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行的linux版本是針對2.4.18進(jìn)行移植的linux-2.4.18.-rm7-pxa1版本，由于移植內(nèi)核所涉及的內(nèi)容較多，且也較復(fù)雜，同時(shí)，在涉及到的中斷切換、內(nèi)存管理方面的復(fù)雜移植，一般也不必太過關(guān)心，網(wǎng)絡(luò)上有專門的非官方組織在完善該事情。我們所做的大多是把該移植好的內(nèi)核，讓它如何在自己的硬件系統(tǒng)上正常的運(yùn)轉(zhuǎn)起來。因此，我們所做的移植也偏重于應(yīng)用。

一般在每個(gè)目錄下，都有一個(gè).depend 文件和一個(gè) Makefile 文件，這兩個(gè)文件都是編譯時(shí)使用的輔助文件，仔細(xì)閱讀這兩個(gè)文件對弄清各個(gè)文件這間的聯(lián)系和依托關(guān)系很有幫助;而且，在有的目錄下還有Readme 文件，它是對該目錄下的文件的一些說明，同樣有利于我們對內(nèi)核源碼的理解。因此，移植工作的重點(diǎn)就是移植arch目錄下的文件。

4 智能家居控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用采用32位嵌入式系統(tǒng)作為控制終端和家中各種家電設(shè)備相連，完成數(shù)據(jù)采集和控制信號(hào)的傳輸。控制終端和Internet的互連和用戶的交互，則由控制終端嵌入式操作系統(tǒng)的Web服務(wù)器來完成，在嵌入式系統(tǒng)的存儲(chǔ)器中存放著我們設(shè)計(jì)好的控制頁面，該頁面位于服務(wù)器默認(rèn)的目錄下，當(dāng)控制終端配置好IP地址并運(yùn)行Web服務(wù)器后，遠(yuǎn)程用戶在網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)客戶機(jī)上輸入控制終端的IP地址，就可以訪問到服務(wù)器的監(jiān)控主頁。

圖1為嵌入式家庭遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

4.2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中采用了三個(gè)模塊模擬家電設(shè)備。用步進(jìn)電機(jī)模擬空調(diào)，直流電機(jī)模擬窗簾控制器，溫控模塊模擬電飯煲。為了便于直觀理解，下面給出窗簾的用戶界面為例，如圖2所示。

其中窗簾拉開程度在驅(qū)動(dòng)中反映為DCMotor_customizeOpen函數(shù)中的global_argument_ptr->running_time，即直流電機(jī)的運(yùn)行時(shí)間。

參考文獻(xiàn):

[1] 余永權(quán)，嵌入式智能家電的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]，電子世界，2003.

[2] 魏振春，韓江洪，張建軍，等.智能家居遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，7:751-754.

[3] 肖健華.智能家居系統(tǒng)中的家庭網(wǎng)站設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，8:206-208.

[4] 王圣強(qiáng)，劉鑫元，F(xiàn)ireworks4.0金典教程[M].北京:人民郵電出版社，2001.

[5] 袁方，杜軒華.Web開發(fā)技術(shù)[M].上海:上海大學(xué)出版社，2005.

[6] 秦貴和.ARM9嵌入式技術(shù)及Linux高級(jí)實(shí)踐教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)，2005.