基于Web技術(shù)的嵌入式智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)

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(duì)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(tái)，通過(guò)構(gòu)建Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，性價(jià)比高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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

【本文獻(xiàn)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(jì)［J］.電視技術(shù)，2013，37（3）.

近年來(lái)，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(duì)住宅的智能化和安全性的要求越來(lái)越高［1］。為此，本系統(tǒng)實(shí)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(tái)上構(gòu)建Web服務(wù)器，遠(yuǎn)程客戶端通過(guò)調(diào)用Web服務(wù)方法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分，即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、本地控制終端（Web服務(wù)器端）和移動(dòng)終端（Web客戶端）。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的3個(gè)部分之間通過(guò)Web Service來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。本地控制終端與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端進(jìn)行通信時(shí)，本地控制終端是客戶端，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備終端是服務(wù)器端;本地控制終端與移動(dòng)終端進(jìn)行通信時(shí)，本地控制終端是服務(wù)器端，移動(dòng)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(chǎng)監(jiān)控終端

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端包括對(duì)空調(diào)、濕度機(jī)、電飯鍋和視頻監(jiān)控設(shè)備的控制。通過(guò)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(shí)，采集設(shè)備的相關(guān)信息，當(dāng)監(jiān)控中心請(qǐng)求這些數(shù)據(jù)時(shí)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(gè)系統(tǒng)的中心部件，對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)，完成數(shù)據(jù)的路由和分發(fā)并監(jiān)視系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的狀態(tài)，為進(jìn)行故障診斷與維護(hù)作準(zhǔn)備。

3）移動(dòng)終端

移動(dòng)終端只對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，從監(jiān)控中心獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息并進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中的現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)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(duì)家居設(shè)備的控制要求［2－5］。現(xiàn)場(chǎng)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(jì)

智能家居系統(tǒng)的3個(gè)主要組成部分即現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端、監(jiān)控中心與移動(dòng)終端之間的通信，是實(shí)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(dòng)終端通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)控中心相連，用戶家居設(shè)備通過(guò)Socket技術(shù)與監(jiān)控中心相連，其中監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心。其通信過(guò)程如下:

1）用戶通過(guò)移動(dòng)終端向監(jiān)控中心發(fā)送請(qǐng)求;

2）監(jiān)控中心對(duì)接收到的請(qǐng)求進(jìn)行解析，并根據(jù)解析結(jié)果，向現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端發(fā)送相關(guān)操作命令;

3）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端收到命令后對(duì)家居設(shè)備進(jìn)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(jiàn)，監(jiān)控中心在通信過(guò)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(cè)中心與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)終端盒移動(dòng)終端之間的通信。

3 通信過(guò)程設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)Socket來(lái)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端之間的通信。在通信過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)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(lái)偵聽(tīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的連接請(qǐng)求。當(dāng)檢測(cè)到客戶端的請(qǐng)求后，向客戶端發(fā)送收到請(qǐng)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(qǐng)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(jī)名和端口號(hào)。然后發(fā)送連接請(qǐng)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(jìn)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(qǐng)求消息格式設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)對(duì)多種設(shè)備的操作，必須解決以下問(wèn)題:監(jiān)控中心如何針對(duì)不同的設(shè)備發(fā)出特定的操作命令;現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端如何對(duì)命令進(jìn)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(gè)結(jié)構(gòu)體分別表示請(qǐng)求消息和響應(yīng)消息，這兩種消息中都包含了對(duì)設(shè)備類型的編碼及設(shè)備相關(guān)的參數(shù)。

1）請(qǐng)求消息格式

請(qǐng)求消息的格式如圖5所示。

圖5 請(qǐng)求消息格式

圖5中各個(gè)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(kāi)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(qǐng)求操作的設(shè)備對(duì)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(qǐng)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(duì)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(qǐng)求消息結(jié)構(gòu)體

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

RequestMsg結(jié)構(gòu)體封裝了請(qǐng)求消息的各個(gè)域，在程序中通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)體各個(gè)字段的讀寫(xiě)即可完成對(duì)請(qǐng)求消息的編解碼。

3.2 Socket響應(yīng)消息格式設(shè)計(jì)

3.2.1 響應(yīng)消息格式

服務(wù)器端根據(jù)請(qǐng)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)?？蛻舳耍幢O(jiān)控中心）將這些消息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，以便用戶通過(guò)移動(dòng)終端進(jìn)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(gè)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(zhǎng)度占4 byte，用于表示響應(yīng)消息的長(zhǎng)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(gè)元素表示該數(shù)組的長(zhǎng)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(duì)應(yīng)關(guān)系如下:

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端除了要對(duì)監(jiān)控中心的命令進(jìn)行識(shí)別和應(yīng)答，更主要的是完成對(duì)具體設(shè)備的硬件操作。包括配置設(shè)備、打開(kāi)/關(guān)閉設(shè)備、查詢?cè)O(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(jì)。

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(kāi)關(guān)操作

相關(guān)程序段如下:

此函數(shù)打開(kāi)或關(guān)閉參數(shù)dev指定的設(shè)備，bstate為真打開(kāi)，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(gè)系統(tǒng)功能是客戶端通過(guò)對(duì)Web服務(wù)器提供的服務(wù)調(diào)用來(lái)實(shí)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(kù)中［6］。服務(wù)器端使用了SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)本系統(tǒng)的功能需要，數(shù)據(jù)庫(kù)中包含9個(gè)表，分別是注冊(cè)用戶表、在線用戶表、財(cái)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(kù)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(wèn)Web服務(wù)器之前先要登錄，驗(yàn)證合法后才能進(jìn)行操作。登錄成功后，成為在線用戶，Web服務(wù)器通過(guò)唯一的字符串來(lái)標(biāo)識(shí)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(shí)。

2）用戶管理

包含以下功能:注冊(cè)、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(cái)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(kù)包含了整個(gè)系統(tǒng)的配置信息，包括現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端和Web客戶端。用戶可以隨時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各個(gè)部分的工作狀態(tài)。

4.3 Web 客戶端

Web客戶端，也就是移動(dòng)監(jiān)控終端，是一個(gè)采用無(wú)線通信的PPC手持設(shè)備，也可以通過(guò)本地PC機(jī)的瀏覽器來(lái)模擬。

家居設(shè)備信息的管理涉及對(duì)監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫(kù)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(guò)遠(yuǎn)程調(diào)用這些服務(wù)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)庫(kù)操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開(kāi)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(jì)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(shí)現(xiàn)了家居設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控。經(jīng)過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，且操作界面友好，滿足了設(shè)計(jì)要求。

【本文獻(xiàn)信息】郭宇.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的無(wú)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(jì)［J］.自動(dòng)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(jì)［J］.微計(jì)算機(jī)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(jì)［J］.電視技術(shù)，2011，35（9）:122－124.

［4］黃倩，閔華松.基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（1）:148－152.

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

［6］楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)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?yàn)榍度胧较到y(tǒng)、總線技術(shù)。

責(zé)任編輯:許 盈

2012－05－30