Linux平臺智能家居的本地監(jiān)控與遠程監(jiān)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(fā)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(xiàn)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(fā)生時用戶能及時得到信息，并通過實時監(jiān)控，采取一定的操作排除異常。因此，智能家居系統(tǒng)的作用是非常巨大的。

在智能家居控制系統(tǒng)中，核心設備是家居智能控制終端。綜合目前的研究現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(wǎng)絡（WiFi、藍牙、GSM等）對家居系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)、ZigBee無線通信[2]、家居控制協(xié)議等相關技術難點，分析了各自的基本特點和所要實現(xiàn)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(tǒng)的整體設計方案。

1 系統(tǒng)整體結構概述

根據(jù)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(tǒng)劃分為感知層（家電信息采集終端）、網(wǎng)絡層（家庭網(wǎng)關）和應用層（包括PC機網(wǎng)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(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，主要通過各類傳感器來完成數(shù)據(jù)的獲取，最終將獲取到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡[4]打包發(fā)送到網(wǎng)絡層的家庭網(wǎng)關中。網(wǎng)絡層需要實現(xiàn)一個基于嵌入式Web服務器的家庭網(wǎng)關，一方面，用來作為連接家庭內網(wǎng)與Internet外網(wǎng)的接口，實現(xiàn)家庭內網(wǎng)和Internet的數(shù)據(jù)通信功能；另一方面，用來統(tǒng)籌來自感知層的數(shù)據(jù)和來自應用層的命令。應用層則需要實現(xiàn)一個網(wǎng)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(shù)據(jù)；另一方面，用來實現(xiàn)人機交互，通過客戶端界面向服務器端發(fā)送控制命令。

圖1 系統(tǒng)整體框架結構圖

1.1 硬件構成

智能家居系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)[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(fā)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(fā)的系統(tǒng)軟件實現(xiàn)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(yōu)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(zhí)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(xiàn)組網(wǎng)通信。

1.2 軟件環(huán)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(wǎng)上下載的U－Boot對開發(fā)平臺只有通用性代碼，不支持和識別特定開發(fā)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(xiàn)[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(shù)，初始化本階段將要使用的硬件設備，檢測系統(tǒng)的內存映射，加載內核映像文件和根文件系統(tǒng)映像文件，設置內核啟動參數(shù)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(tǒng)，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(tǒng)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(wǎng)卡驅動的添加、NAND Flash驅動的添加、添加對YAFFS2文件系統(tǒng)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(tǒng)制作

如果沒有根文件系統(tǒng)，其他的文件系統(tǒng)就不能進行加載。根文件系統(tǒng)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(tǒng)得以掛載的必要文件。制作根文件系統(tǒng)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(tǒng)啟動文件、配置主機的NFS。

2 系統(tǒng)功能模塊設計

本系統(tǒng)是在A8、M0及PC等設備的基礎上，基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術并結合物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)主要由前端數(shù)據(jù)中心（A8）、遠程監(jiān)控終端（M0）和服務器端（PC）組成。

首先，數(shù)據(jù)接收模塊接收M0通過ZigBee傳輸上來的實時環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光感數(shù)據(jù)等），并通過接收端的ZigBee經(jīng)USB轉串口操作，把采集到的環(huán)境參數(shù)發(fā)送給A8，由M0的接收請求線程從串口讀取消息，并交給數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊解碼接收到信息后，激活數(shù)據(jù)庫線程以保存數(shù)據(jù)，激活內存數(shù)據(jù)刷新線程以更新實時環(huán)境信息，并對環(huán)境參數(shù)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(wǎng)絡，利用PC機對家居信息進行監(jiān)控；通過Web頁面上的控制按鈕，監(jiān)控設備可以識別出用戶指令并進行相應的動作。系統(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)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(qū)，當客戶端有訪問請求時，服務器便將global buffer緩沖區(qū)中的圖像數(shù)據(jù)連續(xù)地發(fā)送給客戶端。該程序中的server＿pthread函數(shù)使用多線程技術，為每一個連接請求的客戶端創(chuàng)建一個線程。該線程獨立地與客戶端進行通信，發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。

此外，MJPG－steamer還用來從網(wǎng)絡攝像頭采集圖像，并將它們以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡傳輸?shù)綖g覽器的網(wǎng)頁上。由于MJPG－steamer可以通過利用網(wǎng)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(guī)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(xiàn)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(lián)網(wǎng)服務器設計

該服務器主要負責為網(wǎng)頁提供家電的實時狀態(tài)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(lián)網(wǎng)服務器整體關系圖

在網(wǎng)頁上顯示信息主要是通過.xml文件實現(xiàn)的。首先，網(wǎng)頁通過BOA服務器，調用CGI（Common Gateway Interface，通用網(wǎng)關接口）程序控制網(wǎng)頁線程，并發(fā)送命令給單板。然后，單板將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給家電物聯(lián)網(wǎng)服務器，服務器通過向.xml文件中寫入采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)網(wǎng)頁的實時信息動態(tài)顯示。當網(wǎng)頁客戶端在瀏覽器中發(fā)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(qū)分提交過來的信息，然后把這個信息發(fā)送到單板，實現(xiàn)對單板的控制。Android手機客戶端與家電物聯(lián)網(wǎng)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(tǒng)[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(tǒng)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(xiàn)供JNI調用的接口。在函數(shù)實現(xiàn)中，HAL利用底層驅動提供的接口（即ioctl）來控制寄存器，實現(xiàn)對設備的控制操作。JNI層通過封裝將Framework層調用的接口關聯(lián)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(xiàn)LED控制、按鍵檢測、蜂鳴器控制、A／D轉換、溫度傳感器的數(shù)據(jù)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(xiàn)對家居設備的遠程實時監(jiān)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(xiàn)對警報燈、電風扇和蜂鳴器等設備的控制，并可以根據(jù)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(xiàn)對不同位置房間的監(jiān)控。

結 語

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

此控制系統(tǒng)采用當前較新的控制方式——遠程監(jiān)控網(wǎng)頁和智能手機軟件控制，與其他終端控制方式相比優(yōu)勢明顯。同時，設計開發(fā)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(tǒng)的設計不僅涵蓋了Linux系統(tǒng)開發(fā)的軟硬件技術，同時也包含了嵌入式產(chǎn)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(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2012，22（6）：225－228.

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