嵌入式無(wú)線網(wǎng)絡(luò)智能家電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方秀娥

【摘 要】首先介紹新一代智能家電的發(fā)展前景，并介紹基于無(wú)線WIFI的嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)。重點(diǎn)闡述其嵌入式服務(wù)器軟硬件部分的設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)由終端設(shè)備、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)和嵌入式WEB服務(wù)器組成。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備采STM32F103ZET6微處理器、無(wú)線網(wǎng)卡、藍(lán)牙、藍(lán)牙控制燈，溫度傳感器、FREERTOS和嵌入式Web服務(wù)器。用戶通過(guò)瀏覽器便可查看Web服務(wù)器上的智能設(shè)備參數(shù)，并可根據(jù)需求向服務(wù)器發(fā)送對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制信號(hào)。

【關(guān)鍵詞】WIFI；嵌入式Web 服務(wù)器；智能家電；溫度傳感器；http；藍(lán)牙

1.基于嵌入式WEB技術(shù)的智能家電監(jiān)控系統(tǒng)概述

隨著物質(zhì)條件改善，人們不斷追求高品質(zhì)的生活方式，對(duì)家居自動(dòng)化的要求也日益提高，傳統(tǒng)有線智能家居已逐漸不能適應(yīng)新形勢(shì)下的需求。安裝簡(jiǎn)單、自動(dòng)組網(wǎng)、調(diào)試迅速等是未來(lái)智能家居發(fā)展的必備特點(diǎn)，WLAN作為新一代無(wú)線智能家居符合現(xiàn)代生活快節(jié)奏、高效率的基本需求?；谥悄芗译姛o(wú)線傳輸和控制的需求，嵌入式遠(yuǎn)程采集和控制設(shè)備，以逐步應(yīng)用到新一代智能家電設(shè)備中。結(jié)合不斷發(fā)展的隨著物聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)，智能家電將給人們的生活帶來(lái)方便快捷的服務(wù)體驗(yàn)，具有關(guān)闊的發(fā)展空間和市場(chǎng)前景[1]。

以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的智能家電監(jiān)控系統(tǒng)是新一代智能家電系統(tǒng)發(fā)展的主流，而隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò)智能家電系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注[2]，其主要原理是：智能家電系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，內(nèi)置嵌入式WEB服務(wù)器，將采集到的家電信息，傳送到內(nèi)置的WEB服務(wù)器。用戶可以直接通過(guò)瀏覽器查看WEB服務(wù)器上的家電狀態(tài)信息，授權(quán)用戶還可以根據(jù)需求對(duì)家電設(shè)置控制信息。本文所述的智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。

圖 1 嵌入智能家電監(jiān)控系統(tǒng)

嵌入式WEB服務(wù)器是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的核心，有硬件和軟件兩個(gè)部分，詳細(xì)結(jié)構(gòu)將在下文分別介紹。

2.嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。其主要由CPU芯片、Flash芯片、SDRAM內(nèi)存、EEROM（M24C02）、無(wú)線WIFI和帶藍(lán)牙控制的燈具組成。其中CPU采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103ZET6，STM32系芯片采用列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核。藍(lán)牙CSR的CSR8811無(wú)線芯片，WIFI采用CSR6030無(wú)線芯片。

其中藍(lán)牙設(shè)備之間采用藍(lán)牙協(xié)議進(jìn)行無(wú)線通信；CSR6030與無(wú)線AP相連接入以太網(wǎng)， CSR6030與CPU采用CSPI協(xié)議于SDIO接口通信；EERPOM和溫度傳感器使用IIC總線通信，空調(diào)模塊與主嵌入式CPU模塊采用UART通信。其中存儲(chǔ)管理模塊的主要功能分兩部分，第一是將用戶設(shè)置的進(jìn)行權(quán)限控制參數(shù)寫入EEROM，方便用戶管理。第二記錄用戶設(shè)置的設(shè)備參數(shù)，方便設(shè)備控制。

圖 2 嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

3.嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件

嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)，分為嵌入式操作系統(tǒng)與應(yīng)用軟件兩大部分。

3.1嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點(diǎn)的專用操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用嵌入式Free RTOS操作系統(tǒng)。Free RTOS是一個(gè)迷你操作系統(tǒng)內(nèi)核的小型嵌入式系統(tǒng)。作為一個(gè)輕量級(jí)的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要[3]。Free RTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的、具有源碼公開(kāi)、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的操作系統(tǒng)，方便地移植和裁剪適用于智能家電領(lǐng)域。

3.2智能家電系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

圖3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件整體架構(gòu)

嵌入式智能家電監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件整體架構(gòu)如圖3所示。其主要由BSP 驅(qū)動(dòng)層、HAL硬件接口抽象層、 WIFI 協(xié)議棧、藍(lán)牙協(xié)議棧、和應(yīng)用程序組成。其中應(yīng)用部分嵌入式WEB是本文的應(yīng)用的重點(diǎn)。藍(lán)牙主要用于傳輸和控制藍(lán)牙等的狀態(tài)，并與主CPU模塊上的藍(lán)牙通信。應(yīng)用程序部分，實(shí)現(xiàn)主CPU模塊上的WIFI模塊接收到的用戶控制命令或信息轉(zhuǎn)發(fā)給藍(lán)牙模塊或本地應(yīng)用模塊，同時(shí)調(diào)用WIFI、TCP/IP的接口將藍(lán)牙采集到的數(shù)據(jù)和本地采集的數(shù)據(jù)打包傳輸給客戶端。本文具體實(shí)例微藍(lán)牙采集和控制燈的狀態(tài)；本地應(yīng)用模塊為空調(diào)參數(shù)采集控制模塊和溫度傳感器。

3.2.1嵌入式web服務(wù)器的設(shè)計(jì)

嵌入式Web 服務(wù)器運(yùn)行的目標(biāo)系統(tǒng)大多是各類專用設(shè)備，內(nèi)存資源和存儲(chǔ)器資源非常有限，它通常作為一種監(jiān)控、管理手段去控制和配置各種電子設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和信息化。

嵌入式Web服務(wù)器的研究和應(yīng)用意義是重大的。它為我們管理、控制和監(jiān)測(cè)各種各樣設(shè)備提供了一個(gè)很好的途徑?？梢詰?yīng)用與資源的資源有限的嵌入式系統(tǒng)，為其提供用戶界面，并通過(guò)Internet連接到廣域網(wǎng)，使遠(yuǎn)程訪問(wèn)成為現(xiàn)實(shí)。

嵌入式 Web 服務(wù)器有httpd、Boa 和thttpd 等，其中httpd 最小，代碼量小，功能簡(jiǎn)單，但不支持CGI[4]；智能家電控制系統(tǒng)采用開(kāi)源的CGI源碼，并做相應(yīng)的裁剪。與系統(tǒng)的TCP/IP的接口結(jié)合，實(shí)現(xiàn)HTTP SERVER功能，實(shí)現(xiàn)嵌入式WEB功能，其結(jié)構(gòu)圖5所示。

裁剪的CGI處理程序主要實(shí)現(xiàn)的接口的功能，打包屬于應(yīng)用數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)WEB頁(yè)面數(shù)據(jù)，并調(diào)用TCP/IP的接口發(fā)送；對(duì)接收到的http協(xié)議數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并調(diào)用對(duì)應(yīng)的模塊接口，完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，控制等功能。

圖4 嵌入式 WEB 服務(wù)器的wifi軟件結(jié)構(gòu)圖

圖5 嵌入式 WEB 服務(wù)器應(yīng)用框圖

3.2.2嵌入式web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在監(jiān)控端使用瀏覽器對(duì)家電進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，瀏覽器的運(yùn)行不受平臺(tái)限制，與嵌入式WEB服務(wù)器所運(yùn)行的分離，瀏覽遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)不需要特意開(kāi)發(fā)第三方軟件，可跨平臺(tái)使用。使用本系統(tǒng)在監(jiān)控端web的界面實(shí)例如圖6所示。

圖 6 監(jiān)控端瀏覽視頻界面

4.結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一個(gè)基于嵌入式WEB技術(shù)的智能家電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于：服務(wù)器的設(shè)計(jì)基于嵌入式WEB技術(shù)；支持動(dòng)態(tài)IP，可以直接連入以太網(wǎng)，能為智能家電的發(fā)展提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。相信隨著無(wú)聯(lián)網(wǎng)和云技術(shù)的不斷發(fā)展，基于嵌入式WEB在智能家電系統(tǒng)必將有良好的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]市場(chǎng)細(xì)分化促智能家居行業(yè)成熟[D].物聯(lián)網(wǎng)在線，2010.

[2]王崇泉.嵌入式WEB服務(wù)器[D].浙江大學(xué)，2005.

[3]基于ATmega單片機(jī)RTOS的雙波長(zhǎng)激光治療儀控制系統(tǒng)研究[D].天津大學(xué)，2012.

[4]嵌入式WEB服務(wù)器中TCP/IP 協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].上海電力學(xué)院，2007.