基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)設(shè)計

南春輝，李 博，武 穎

（中北大學(xué)圖像處理與智能控制研究室，山西太原 030051）

基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)設(shè)計

南春輝，李 博，武 穎

（中北大學(xué)圖像處理與智能控制研究室，山西太原 030051）

根據(jù)人們對智能家居的需求，提出了一種嵌入式智能家居控制系統(tǒng)的解決方案。系統(tǒng)采用S3C6410微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為軟硬件平臺，通過構(gòu)建Web服務(wù)器實現(xiàn)對家居設(shè)備工作狀態(tài)的記錄和控制，Web客戶端利用瀏覽器即可登錄到服務(wù)器的監(jiān)控界面，完成用戶認(rèn)證、門窗控制、照明控制、濕度控制和視頻監(jiān)控等功能。通過對系統(tǒng)進行性能測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，實時性好，性價比高，具有一定的實用價值。

智能家居;嵌入式系統(tǒng);Web技術(shù);遠(yuǎn)程監(jiān)控

【本文獻信息】南春輝，李博，武穎.基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

近年來，隨著電子技術(shù)、智能控制技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)住宅已經(jīng)不能滿足人們的需要，人們對住宅的智能化和安全性的要求越來越高［1］。為此，本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于Web Service的遠(yuǎn)程智能家居系統(tǒng)。系統(tǒng)以Web技術(shù)為核心，在基于S3C6410微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的軟硬件平臺上構(gòu)建Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端通過調(diào)用Web服務(wù)方法即可實現(xiàn)對家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)分為3個部分，即現(xiàn)場監(jiān)控終端、本地控制終端（Web服務(wù)器端）和移動終端（Web客戶端）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的3個部分之間通過Web Service來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本地控制終端與現(xiàn)場監(jiān)控終端進行通信時，本地控制終端是客戶端，現(xiàn)場設(shè)備終端是服務(wù)器端;本地控制終端與移動終端進行通信時，本地控制終端是服務(wù)器端，移動終端是客戶端。所以在系統(tǒng)中，本地控制終端既擔(dān)當(dāng)客戶端的角色，也擔(dān)當(dāng)了服務(wù)器端的角色。

1）現(xiàn)場監(jiān)控終端

現(xiàn)場監(jiān)控終端包括對空調(diào)、濕度機、電飯鍋和視頻監(jiān)控設(shè)備的控制。通過接收監(jiān)控中心的控制數(shù)據(jù)，控制被監(jiān)控設(shè)備的狀態(tài)，同時，采集設(shè)備的相關(guān)信息，當(dāng)監(jiān)控中心請求這些數(shù)據(jù)時發(fā)送到監(jiān)控中心。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2）監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的中心部件，對系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行處理、存儲，完成數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)并監(jiān)視系統(tǒng)中各個設(shè)備的狀態(tài)，為進行故障診斷與維護作準(zhǔn)備。

3）移動終端

移動終端只對設(shè)備進行監(jiān)控，從監(jiān)控中心獲取現(xiàn)場設(shè)備信息并進行顯示，用戶根據(jù)這些信息，調(diào)節(jié)設(shè)備控制數(shù)據(jù)，發(fā)送至監(jiān)控中心控制、調(diào)節(jié)設(shè)備的運行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)中的現(xiàn)場監(jiān)控終端采用三星公司的S3C6410微處理器作為控制芯片，S3C6410是一款高性能的嵌入式處理器，基于ARM11內(nèi)核，可以穩(wěn)定運行在667 MHz主頻上，支持Mobile DDR和NAND Flash。并且監(jiān)控終端集成了多種外設(shè)接口，如以太網(wǎng)、攝像頭、USB等，并配備了溫濕度傳感器和紅外接收頭，這些接口完全可以滿足對家居設(shè)備的控制要求［2－5］。現(xiàn)場監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計

智能家居系統(tǒng)的3個主要組成部分即現(xiàn)場監(jiān)控終端、監(jiān)控中心與移動終端之間的通信，是實現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控的關(guān)鍵。軟件框架如圖3所示，移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控中心相連，用戶家居設(shè)備通過Socket技術(shù)與監(jiān)控中心相連，其中監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的核心。其通信過程如下:

1）用戶通過移動終端向監(jiān)控中心發(fā)送請求;

2）監(jiān)控中心對接收到的請求進行解析，并根據(jù)解析結(jié)果，向現(xiàn)場監(jiān)控終端發(fā)送相關(guān)操作命令;

3）現(xiàn)場監(jiān)控終端收到命令后對家居設(shè)備進行操作，并將操作結(jié)果提交給監(jiān)控中心;

4）監(jiān)控中心向用戶反饋操作結(jié)果。

圖3 軟件框圖

由此可見，監(jiān)控中心在通信過程中既是Web服務(wù)器端也是客戶端。其中，Web服務(wù)集和Web Socket分別負(fù)責(zé)監(jiān)測中心與現(xiàn)場監(jiān)測終端盒移動終端之間的通信。

3 通信過程設(shè)計

本系統(tǒng)通過Socket來實現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場監(jiān)控終端之間的通信。在通信過程中，現(xiàn)場監(jiān)控終端作為Socket服務(wù)端，監(jiān)控中心作為Socket客戶端，其通信流程如圖4所示。

圖4 Socket通信流程圖

1）在服務(wù)器端，首先建立服務(wù)器端的主套接字Socket，來偵聽整個網(wǎng)絡(luò)中的連接請求。當(dāng)檢測到客戶端的請求后，向客戶端發(fā)送收到請求的信息，并建立客戶端的連接。然后創(chuàng)建線程用于響應(yīng)客戶端的請求并作出響應(yīng)。處理完后，如果程序結(jié)束，則關(guān)閉主套接字，釋放資源，退出程序。

2）在客戶端，首先建立客戶端的套接字Socket，確定要連接的服務(wù)器的主機名和端口號。然后發(fā)送連接請求到服務(wù)器，并等待服務(wù)器的反饋。連接成功后，與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交互。數(shù)據(jù)處理完后，關(guān)閉自身的套接字。

3.1 Socket請求消息格式設(shè)計

智能家居系統(tǒng)涉及到各種各樣的終端設(shè)備，如攝像頭、燈、空調(diào)等。不同設(shè)備的控制方式和所需參數(shù)也各不相同。要實現(xiàn)對多種設(shè)備的操作，必須解決以下問題:監(jiān)控中心如何針對不同的設(shè)備發(fā)出特定的操作命令;現(xiàn)場監(jiān)控終端如何對命令進行解析，完成設(shè)備操作并提交設(shè)備相關(guān)的反饋信息。

系統(tǒng)采用如下解決方法:在程序中構(gòu)造兩個結(jié)構(gòu)體分別表示請求消息和響應(yīng)消息，這兩種消息中都包含了對設(shè)備類型的編碼及設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。

1）請求消息格式

請求消息的格式如圖5所示。

圖5 請求消息格式

圖5中各個域含義如下:

（1）二值參數(shù)表示設(shè)備狀態(tài)，占1 bit，取值為“1”表示打開設(shè)備，為“0”表示關(guān)閉設(shè)備。

（2）設(shè)備類型碼表示當(dāng)前請求操作的設(shè)備對象，由4位組合表示，如表1所示。

表1 設(shè)備類型表

（3）操作類型碼表示當(dāng)前請求操作的類型，由3位組合表示，如表2所示。

表2 操作類型表

（4）整型數(shù)組針對不同設(shè)備，不同操作具有不同的取值及含義。例如，在設(shè)備配置中表示新的配置參數(shù)等，占用4 byte。

2）請求消息結(jié)構(gòu)體

Socket請求消息格式是針對Socket客戶端與服務(wù)器端之間的信息傳輸而定義的，其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)體包含了消息中各個字段信息:

RequestMsg結(jié)構(gòu)體封裝了請求消息的各個域，在程序中通過對結(jié)構(gòu)體各個字段的讀寫即可完成對請求消息的編解碼。

3.2 Socket響應(yīng)消息格式設(shè)計

3.2.1 響應(yīng)消息格式

服務(wù)器端根據(jù)請求完成設(shè)備的操作之后，需要向客戶端發(fā)送響應(yīng)信息，響應(yīng)消息包括了操作設(shè)備的類型及返回的參數(shù)。客戶端（即監(jiān)控中心）將這些消息存入數(shù)據(jù)庫，以便用戶通過移動終端進行查詢。

響應(yīng)消息格式定義如圖6所示。

圖6 響應(yīng)消息格式

圖6中的各個域含義如下:

1）操作結(jié)果占1 byte，結(jié)果為真，表示設(shè)備操作成功，為假，表示失敗。

2）整型數(shù)據(jù)占4 byte，用于返回設(shè)備操作參數(shù)，包括設(shè)備狀態(tài)、配置等信息。

3）消息長度占4 byte，用于表示響應(yīng)消息的長度。

4）操作信息表示操作成功或失敗的消息。

5）整型參數(shù)保存系統(tǒng)配置參數(shù)值，第一個元素表示該數(shù)組的長度。

3.2.2 響應(yīng)消息結(jié)構(gòu)體

程序中定義了用于表示響應(yīng)消息的數(shù)據(jù)類型，結(jié)構(gòu)體及各字段對應(yīng)關(guān)系如下:

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 現(xiàn)場監(jiān)控終端設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)控終端除了要對監(jiān)控中心的命令進行識別和應(yīng)答，更主要的是完成對具體設(shè)備的硬件操作。包括配置設(shè)備、打開/關(guān)閉設(shè)備、查詢設(shè)備參數(shù)、調(diào)節(jié)設(shè)備等。下文具體介紹函數(shù)原型設(shè)計。

1）配置設(shè)備

相關(guān)程序段如下:

此函數(shù)配置由dev參數(shù)指定設(shè)備，配置信息包含在參數(shù)val和inf中，配置結(jié)果由res參數(shù)返回，函數(shù)執(zhí)行成功返回true，否則返回false。

2）設(shè)備開關(guān)操作

相關(guān)程序段如下:

此函數(shù)打開或關(guān)閉參數(shù)dev指定的設(shè)備，bstate為真打開，否則關(guān)閉。res用于返回響應(yīng)消息。函數(shù)執(zhí)行成功返回true，否則返回false。

3）查詢參數(shù)

相關(guān)程序段如下:

此函數(shù)查詢dev指定設(shè)備的參數(shù)，type代表參數(shù)類型，res代表查詢結(jié)果。

4）調(diào)節(jié)控制操作相關(guān)程序段如下:

此函數(shù)調(diào)節(jié)dev指定設(shè)備的參數(shù)，參數(shù)類型為type，新的參數(shù)值為val。

4.2 Web 服務(wù)器端

整個系統(tǒng)功能是客戶端通過對Web服務(wù)器提供的服務(wù)調(diào)用來實現(xiàn)的，其中所涉及的核心數(shù)據(jù)保存在Web服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中［6］。服務(wù)器端使用了SQL Server數(shù)據(jù)庫。根據(jù)本系統(tǒng)的功能需要，數(shù)據(jù)庫中包含9個表，分別是注冊用戶表、在線用戶表、財務(wù)信息表、物資信息表、菜譜信息表、健康信息表、事務(wù)信息表、配置表和日志表。服務(wù)器端以該數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)核心向客戶端提供了查詢、更新家庭各種信息等服務(wù)方法，如圖7所示。

圖7 Web服務(wù)方法

1）用戶登錄與注銷

為了提高系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)設(shè)置了用戶登錄功能。Web客戶端訪問Web服務(wù)器之前先要登錄，驗證合法后才能進行操作。登錄成功后，成為在線用戶，Web服務(wù)器通過唯一的字符串來標(biāo)識在線用戶。注銷即在服務(wù)器端刪除與客戶綁定的唯一標(biāo)識。

2）用戶管理

包含以下功能:注冊、增加和刪除用戶，修改用戶信息，設(shè)置用戶權(quán)限。

3）家庭管理

包括家庭財產(chǎn)和物品的管理，用戶必須具有特殊權(quán)限才能查看或者改變這些信息。

4）設(shè)備管理

Web服務(wù)器中的數(shù)據(jù)表包含了各種終端設(shè)備的工作狀態(tài)和配置參數(shù)，用戶登錄服務(wù)器即可查詢或修改設(shè)備信息。

5）系統(tǒng)配置

服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫包含了整個系統(tǒng)的配置信息，包括現(xiàn)場監(jiān)控終端和Web客戶端。用戶可以隨時監(jiān)控系統(tǒng)各個部分的工作狀態(tài)。

4.3 Web 客戶端

Web客戶端，也就是移動監(jiān)控終端，是一個采用無線通信的PPC手持設(shè)備，也可以通過本地PC機的瀏覽器來模擬。

家居設(shè)備信息的管理涉及對監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫的查詢與更新操作，系統(tǒng)將這些操作包含在Web服務(wù)器端的服務(wù)方法中，Web客戶端通過遠(yuǎn)程調(diào)用這些服務(wù)方法來實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)庫操作，從而實現(xiàn)對設(shè)備的開關(guān)控制以及狀態(tài)的監(jiān)控。Web客戶端界面如圖8所示。

圖8Web客戶端界面（截圖）

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于Web Service的嵌入式智能家居控制系統(tǒng)，以ARM11微處理器為核心，結(jié)合嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Web技術(shù)，實現(xiàn)了家居設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)過測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，且操作界面友好，滿足了設(shè)計要求。

【本文獻信息】郭宇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無線醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)

:

［1］任博，郭佳，張侃諭.基于ARM+MCU的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計［J］.自動化與儀表，2010（10）:34－37.

［2］許志飛，姚正林.基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微計算機信息，2010（9）:105－106.

［3］唐永彬，楊恢東.基于ARM11的嵌入式Web網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.電視技術(shù)，2011，35（9）:122－124.

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［5］王海燕，魏洪波.嵌入式WEB中TCP/IP協(xié)議棧的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2007（12）:75－77.

［6］楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

Application of Web Technology in Embedded Smart－h(huán)ome System

NAN Chunhui，LI Bo，WU Ying

（Image Processing and Intelligent Control Research Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In accordance with the requirement of smart－h(huán)ome，a solution for smart－h(huán)ome is proposed based on the embedded system.The hardware system is based on S3C6410 CPU，and the operation system is embedded Linux.By constructing a Web server，the system achieves the work state of the household equipments.Web client uses the browser to log in to the server monitoring interface，complete user authentication，door window control，lighting control，humidity control and video monitoring etc.Through the system performance testing，the results show that the system runs stably with good real－time，high performance/price ratio，and has a certain practical value.

smart home;embedded system;Web technique;remote monitoring

TN919.5

A

南春輝（1987— ），碩士生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)、總線技術(shù)。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－05－30