Linux平臺智能家居的本地監控與遠程監控

楊威，高文華

（太原科技大學 電子信息工程學院，太原 030024）

引 言

隨著社會電子信息化的不斷發展，人們在家居中使用的電器也越來越多，由此帶來的安全隱患也有了明顯的增多。在這些電器中，一旦出現一些異常，便會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，就要求在異常發生時用戶能及時得到信息，并通過實時監控，采取一定的操作排除異常。因此，智能家居系統的作用是非常巨大的。

在智能家居控制系統中，核心設備是家居智能控制終端。綜合目前的研究現狀，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顯示器等設備對家電進行控制。當前智能家居控制系統大都采用此種控制終端，使用此種方式需要分別對控制終端的軟件與硬件進行設計，設計復雜，成本高。此外，使用此種控制終端只能進行本地控制，不能實現遠程控制。第二種是采用家庭或者辦公電腦作為智能家居控制系統的控制終端。使用這種控制方式的缺點是，只能用固定點對家居進行控制，控制終端不能移動，不夠方便。第三種是采用手機作為控制終端，使用手機通過無線網絡（WiFi、藍牙、GSM等）對家居系統進行控制，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還不是很多，而且大部分操作繁瑣，沒有良好的用戶體驗[1]。

本文解決了嵌入式智能家居系統、ZigBee無線通信[2]、家居控制協議等相關技術難點，分析了各自的基本特點和所要實現的基本功能，并在此基礎上提出了基于Linux平臺的嵌入式智能家居系統的整體設計方案。

1 系統整體結構概述

根據全面感知、可靠傳遞和智能處理的功能需求，可將智能家居系統劃分為感知層（家電信息采集終端）、網絡層（家庭網關）和應用層（包括PC機網頁和手機客戶端）3個部分，其整體框架結構如圖1所示[3]。

其中，感知層的核心功能是實現數據的采集，主要通過各類傳感器來完成數據的獲取，最終將獲取到的數據通過無線網絡[4]打包發送到網絡層的家庭網關中。網絡層需要實現一個基于嵌入式Web服務器的家庭網關，一方面，用來作為連接家庭內網與Internet外網的接口，實現家庭內網和Internet的數據通信功能；另一方面，用來統籌來自感知層的數據和來自應用層的命令。應用層則需要實現一個網頁客戶端和手機客戶端界面，一方面用來加工處理來自服務器端的數據；另一方面，用來實現人機交互，通過客戶端界面向服務器端發送控制命令。

圖1 系統整體框架結構圖

1.1 硬件構成

智能家居系統的硬件系統[5]主要包括S5PC100平臺（以下簡稱A8）、11C14平臺（以下簡稱 M0）和ZigBee模塊3個部分。其中，S5PC100開發平臺是基于三星公司Cortex－A8內核的S5PC100處理器設計而成的，支持多種格式的硬件編解碼，如：MPEG－1／2／4、H.263／H.264等，該平臺主要通過開發的系統軟件實現對M0平臺的控制。11C14平臺基于LPC11C14微控制器 （ARM Cortex－M0內核），具有低功耗、低成本等優點。同時，該平臺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設備模塊、ZigBee無線通信模塊和OLED顯示模塊等。該平臺主要用于模擬家庭中的信息采集和執行單元。ZigBee模塊采用的是CEL公司的ZICM2410，帶有USB轉串口芯片，可以方便地連接PC機或其他帶有USB主機接口的設備，實現組網通信。

1.2 軟件環境

（1）U-Boot移植

U－Boot的功能是把內核放到DRAM（Dynamic Random Access Memory）中運行。網上下載的U－Boot對開發平臺只有通用性代碼，不支持和識別特定開發平臺上的一些硬件和功能。因此，需要添加對這些硬件的識別、初始化及其相應功能的實現[6]。

U－Boot的移植過程可以分為兩個階段，其中，第一階段主要完成基本的硬件設備初始化，準備RAM（Random Access Memory，隨機存儲器）空間加載第二階段代碼，復制第二階段代碼到RAM中，設置堆棧指針SP，跳轉到第二階段代碼的C入口點；第二階段主要完成匯編語言跳轉到main（）入口函數，初始化本階段將要使用的硬件設備，檢測系統的內存映射，加載內核映像文件和根文件系統映像文件，設置內核啟動參數和調用內核。

（2）Linux內核移植

Linux內核是一種源碼開放的操作系統，采用模塊化的設計。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對內核重新編譯，從而使系統運行所需的硬件資源顯著減少[7]。本設計中內核的移植主要包括：網卡驅動的添加、NAND Flash驅動的添加、添加對YAFFS2文件系統的支持、添加USB設備驅動、添加LCD設備驅動、添加SD卡設備驅動。

（3）根文件系統制作

如果沒有根文件系統，其他的文件系統就不能進行加載。根文件系統包括Linux啟動時所必須的目錄和關鍵性文件，以及使其他文件系統得以掛載的必要文件。制作根文件系統主要包括：添加內核菜單選項、建立目錄結構、添加命令程序、拷貝C庫、編寫系統啟動文件、配置主機的NFS。

2 系統功能模塊設計

本系統是在A8、M0及PC等設備的基礎上，基于互聯網、物聯網、傳感器等技術并結合物聯網新型概念[8]設計的，使用戶能夠對家庭內部情況進行實時地掌握和控制。本系統主要由前端數據中心（A8）、遠程監控終端（M0）和服務器端（PC）組成。

首先，數據接收模塊接收M0通過ZigBee傳輸上來的實時環境參數（如溫度、濕度、光感數據等），并通過接收端的ZigBee經USB轉串口操作，把采集到的環境參數發送給A8，由M0的接收請求線程從串口讀取消息，并交給數據處理模塊。數據處理模塊解碼接收到信息后，激活數據庫線程以保存數據，激活內存數據刷新線程以更新實時環境信息，并對環境參數進行判斷處理，決定是否進行報警。另外，在構建的嵌入式Web服務器上，用戶可以通過網絡，利用PC機對家居信息進行監控；通過Web頁面上的控制按鈕，監控設備可以識別出用戶指令并進行相應的動作。系統各模塊進程間關系如圖2所示。

3 關鍵算法設計

3.1 視頻流服務器設計

圖2 系統各模塊進程間關系圖

該服務器主要用于將攝像頭采集的視頻或者圖片顯示到網頁和LCD（Liquid Crystal Display，液晶顯示器）上，這里采用 MJPG－streamer作為視頻流服務器[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。視頻流服務器將攝像頭捕獲的圖像存入global buffer緩沖區，當客戶端有訪問請求時，服務器便將global buffer緩沖區中的圖像數據連續地發送給客戶端。該程序中的server＿pthread函數使用多線程技術，為每一個連接請求的客戶端創建一個線程。該線程獨立地與客戶端進行通信，發送圖像數據。

此外，MJPG－steamer還用來從網絡攝像頭采集圖像，并將它們以流的形式通過基于IP的網絡傳輸到瀏覽器的網頁上。由于MJPG－steamer可以通過利用網絡攝像機的硬件壓縮功能來降低服務器CPU的開銷，而無需為視頻幀壓縮浪費大量的資源，因此它為嵌入式設備和一些常規服務器提供了一個輕量級且較少CPU消耗的方案。MJPG－steamer功能強大，但為了符合本項目的需要，仍需對其進行修改，添加我們想要實現的功能。在本設計中，需要向MJPG－steamer視頻流服務器的添加LCD輸出插件，其代碼如下：

3.2 家電物聯網服務器設計

該服務器主要負責為網頁提供家電的實時狀態信息，同時也為Android手機客戶端提供服務，讓Android手機客戶端具有實時顯示和遠程控制家電的能力，其關系如圖3所示。

圖3 家電物聯網服務器整體關系圖

在網頁上顯示信息主要是通過.xml文件實現的。首先，網頁通過BOA服務器，調用CGI（Common Gateway Interface，通用網關接口）程序控制網頁線程，并發送命令給單板。然后，單板將采集到的數據發送給家電物聯網服務器，服務器通過向.xml文件中寫入采集到的數據，實現網頁的實時信息動態顯示。當網頁客戶端在瀏覽器中發送請求（如設置報警溫度等）時，BOA服務器會調用CGI接口解碼，區分提交過來的信息，然后把這個信息發送到單板，實現對單板的控制。Android手機客戶端與家電物聯網服務器的通信則主要是通過套接字進行的。

3.3 Android客戶端軟件設計

Android是一個專門為移動電話而設計的開放源碼的操作系統[10]，它將開辟新的應用，使家居智能化運用于普通家庭。Android客戶端控制系統采用模塊化的設計思想，主要包括應用層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）和底層驅動等的設計。Android應用程序由一個或多個組件構成，組件包括activity、service等，每個組件在應用程序中完成不同的任務，可以被單獨激活，也可以由其他應用程序激活，其具體流程如圖4所示。

圖4 應用層UI程序流程圖

其中，HAL層包括LED燈、蜂鳴器和按鍵等設備，主要用于實現供JNI調用的接口。在函數實現中，HAL利用底層驅動提供的接口（即ioctl）來控制寄存器，實現對設備的控制操作。JNI層通過封裝將Framework層調用的接口關聯到JNI層，每個設備都有自己唯一的設備ID。應用層UI顯示來自M0的模擬量，主要用于管理A8上各種設備的工作情況，可以實現LED控制、按鍵檢測、蜂鳴器控制、A／D轉換、溫度傳感器的數據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，上側為項目菜單欄，通過不同項目菜單下的信息和控制按鈕，可以實現對家居設備的遠程實時監控；中間部分是對不同設備的控制開關，通過這些開關可以實現對警報燈、電風扇和蜂鳴器等設備的控制，并可以根據需要對報警溫度值進行設置；最后，通過對下側不同測量點的選擇，可以實現對不同位置房間的監控。

結 語

將設計的Android手機客戶端軟件安裝后，經反復測試，手機可以通過無線網絡實現對家居設備的控制。同時，也可以通過Internet遠程監控網頁實現對家居設備的控制。通過本系統，可以實現對家居設備的集中管理和控制，隨時隨地掌控家中的狀態，得到家中的最新狀況。

此控制系統采用當前較新的控制方式——遠程監控網頁和智能手機軟件控制，與其他終端控制方式相比優勢明顯。同時，設計開發的手機軟件具有通用性強、易于移植、市場應用價值高、易于推廣等特點。本系統的設計不僅涵蓋了Linux系統開發的軟硬件技術，同時也包含了嵌入式產品設計的各種綜合素質和多項技能，具有一定的實用價值。

圖5 客戶端主界面

[1] 王朝華，陳德艷，黃國宏，等.基于Android的智能家居系統的研究與實現[J].計算機技術與發展，2012，22（6）：225－228.

[2] 顧牧君.智能家居設計與施工[M].上海：同濟大學出版社，2004.

[3] 俞文俊，凌志浩.一種物聯網智能家居系統的研究[J].自動化儀表，2011，32（8）：56－59.

[4] 花鐵森.智能家居系統核心技術探討[J].智能建筑電氣技術，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應用開發完全手冊[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.傳感網與物聯網的進展與趨勢[J].微型電腦應用，2010，26（1）：1－3.

[9] 李崗，糜元根.一種支持B／S模式的網絡攝像機的實現[J].計算機工程與科學，2012，34（3）：108－112.

[10] 楊豐盛.Android應用開發揭秘[M].北京：機械工業出版社，2010.