基于Web技術的智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)

韓增錕

（燕山大學 教務處，河北 秦皇島 066004）

智能家居又稱為數(shù)字家庭[1-2]，一般是指以計算機接口技術和網(wǎng)絡技術為基礎，將各種家用數(shù)字化設備有機結(jié)合為一體的智能化的網(wǎng)絡系統(tǒng)。這些家用數(shù)字化設備包括電話、計算機、數(shù)字化的視聽設備、數(shù)字化的家用電器及安全監(jiān)控設備等，通過有線或無線的方式將這些設備連接起來，為家庭用戶提供簡單、安全、可靠、智能化的綜合服務。本文以Web技術為核心，在基于S3C2440微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的軟硬件平臺上構(gòu)建了Web服務器和視頻服務器，Web服務器采用 Boa，視頻服務器采用 Servfox，結(jié)合 CGI技術處理HTML表單，完成用戶認證，門窗控制等家居監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

圖1為智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。室內(nèi)部分主要包括家電控制、防盜報警、遠程監(jiān)控、防火報警等功能模塊，這些功能模塊通過Web服務器接入Internet網(wǎng)，用戶可通過計算機登錄因特網(wǎng)，遠程監(jiān)控室內(nèi)情況，同時室內(nèi)如檢測到火、盜等異常情況可通過Internet向用戶報警。

2 系統(tǒng)硬件設計

智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由YC2440-F開發(fā)板、網(wǎng)絡接口、門窗控制、照明設備、溫度傳感器、USB攝像頭等組成。YC2440-F開發(fā)板作為整個系統(tǒng)的控制核心，負責信息的采集和處理，并控制各個模塊協(xié)調(diào)工作，如圖2所示。

控制核心采用YC2440-F開發(fā)板。該開發(fā)板是揚創(chuàng)科技公司使用三星S3C2440處理器開發(fā)的ARM9開發(fā)板。YC2440-F開發(fā)板采用核心板+擴展板的結(jié)構(gòu)。

門窗控制模塊可以讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制室內(nèi)門窗的開啟與關閉，如有人以非正常方式通過門窗進入室內(nèi)，可向用戶報警。在實驗中選用一個步進電機來模擬門窗控制，電機正轉(zhuǎn)表示門窗開啟，電機反轉(zhuǎn)表示門窗關閉，步進電機如強行被破壞則報警。步進電機通過集成芯片ULN2003驅(qū)動，門窗控制電路如圖3所示。

照明控制模塊可以讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠程控制室內(nèi)照明系統(tǒng)的打開與關閉。在實驗中使用4個發(fā)光二極管來模擬照明系統(tǒng)，圖4為照明控制模塊硬件電路圖。

溫度監(jiān)測模塊可以實時監(jiān)測室內(nèi)溫度，如果檢測到室內(nèi)溫度超過50℃則報警。溫度監(jiān)測電路采用DS18B20溫度傳感器來實現(xiàn)。DS18B20使用1-Wire技術，具有線路簡單，精度高、體積小、低功耗等特點。硬件電路只需將DS18B20連接到通用I/O端口GPB0端即可。圖5為溫度監(jiān)測模塊電路。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以通過攝像頭實時監(jiān)控室內(nèi)情況，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時觀察室內(nèi)的情況。視頻監(jiān)控采用用普通USB攝像頭實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件設計

3.1 智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件組成

智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由設備驅(qū)動程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應用程序構(gòu)成[3-4]，如圖6所示。其中嵌入式Linux操作系統(tǒng)采用2.6版本的內(nèi)核。Web服務器使用 Boa，視頻服務器使用 Servfox5，這是兩款Linux下的開源軟件，將源碼進行適當修改就可以移植到嵌入式系統(tǒng)中。

3.2 驅(qū)動程序的開發(fā)

用戶進程是通過設備驅(qū)動文件控制硬件，對設備文件的操作方式就是系統(tǒng)調(diào)用，如 open、read、write、close等。編寫設備驅(qū)動程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations結(jié)構(gòu)體的各個域。步進電機、LED和溫度傳感器DS18B20都是通過通用I/O控制的，做為字符型設備。USB攝像頭屬于USB設備。下面以步進電機驅(qū)動程序為例說明Linux驅(qū)動程序的開發(fā)過程，具體步驟如下：

（1）編寫驅(qū)動程序源代碼，將程序源文件 motor.c，添加到內(nèi)核的drivers/char目錄下。

（2）編輯 drivers/char目錄下的配置文件 Kconfig，添加如下內(nèi)容：config MOTOR tristate"Motor Driver"

（3）在char目 錄 下 打 開 Makefile， 添 加 obj-$（CONFIG_MOTOR）+=motor.o

（4）在內(nèi)核目錄下執(zhí)行 make menuconfig命令，進行內(nèi)核配置：在DeviceDriver-CharacterDriver下將MOTOR選為M，模塊方式，退出保存設置。

（5）執(zhí)行命令 make modules，編譯驅(qū)動模塊。在 char目錄下產(chǎn)生motor.ko的文件，即所需的步進電機驅(qū)動模塊。通過NFS方式傳到開發(fā)板上。

（6）加載驅(qū)動模塊，執(zhí)行 insmod motor.ko。

（7）建立文件節(jié)點，執(zhí)行 mknod/dev/MOTOR_Driver c 228 0。

3.3 實現(xiàn)基于Web的遠程監(jiān)控

智能家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以通過Web服務器為用戶提供簡潔，美觀的操作界面。網(wǎng)絡控制部分包括登錄界面、用戶認證、主界面、門窗控制、照明控制、溫度監(jiān)測及視頻監(jiān)控。

用戶認證是通過CGI程序?qū)崿F(xiàn)的。首先在登錄界面中使用HTML語言添加表單：

用戶名：＜input type="text"name="user"＞＜br＞

密碼： ＜input type="password"name="pwd"＞＜br＞   

參數(shù)action指明處理該表單的CGI程序，此表單所填的內(nèi)容會通過Web服務器以name=value1&pwd=value2的方式傳給logon.cgi程序處理，該程序?qū)τ脩裘兔艽a進行認證。用戶認證界面如圖7所示，門窗控制界面如圖8所示。使用表單在網(wǎng)頁中添加2個按鈕，分別控制門窗的打開和關閉。對應的CGI程序調(diào)用步進電機的驅(qū)動程序，控制電機轉(zhuǎn)動，模擬門窗控制。

照明控制界面如圖9所示，在網(wǎng)頁中添加4個復選框，分別配有4個發(fā)光二極管。對應的CGI程序調(diào)用LED的驅(qū)動程序，控制發(fā)光二極管。溫度控制界面如圖10所示。CGI程序調(diào)用DS18B20的驅(qū)動程序，讀取溫度傳感器的值，然后計算溫度，最后返回一個網(wǎng)頁顯示DS18B20的信息和溫度。視頻監(jiān)控界面如圖11所示，在網(wǎng)頁中添加Java插件，接收并顯示視頻服務器Servfox發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)。添加2個按鈕控制視頻服務器的打開與關閉。

以S3C2440微處理器為控制核心，完成了智能家居硬件平臺的設計。實現(xiàn)了嵌入式Linux操作系統(tǒng)在S3C2440微處理器平臺上的移植。編寫了步進電機、發(fā)光二極管以及DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動程序。完成了Web服務器Boa和視頻服務器Servfox的移植。使用HTML語言編寫靜態(tài)網(wǎng)頁，完成基于Web的智能家居遠程監(jiān)控部分的主體框架。使用CGI技術處理HTML表單，控制系統(tǒng)硬件，實現(xiàn)交互操作，完成用戶認證、門窗控制、照明控制、溫度監(jiān)測、視頻監(jiān)控等功能。

[1]王瑩.家居遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].大連：大連理工大學，2007.

[2]曹晉輝.基于ARM的家庭安防網(wǎng)關平臺底層構(gòu)建[D].成都：電子科技大學，2007.

[3]封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)完全入門與主流實踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]汪明虎，歐文盛.ARM嵌入式Linux應用開發(fā)入門[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]戴麗.基于Video4Linux的USB攝像頭圖像采集實現(xiàn)[M].合肥：合肥工業(yè)大學，2008.