基于Wi—Fi及Web控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

向少華+朱向東

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能家居生活也漸漸成為趨勢(shì)。然而，高成本、操作復(fù)雜的智能家居也僅僅在豪宅中應(yīng)用。鑒于此種情況，我們有必要設(shè)計(jì)一種低成本、易操作的智能家居系統(tǒng)。將基于Wi-Fi的Web控制方法應(yīng)用于智能家居中，其低成本、易操作和跨平臺(tái)控制等特點(diǎn)能較為理想地完善整個(gè)智能家居系統(tǒng)。同時(shí)使系統(tǒng)的可控制性與可維護(hù)性大幅提高，不僅簡(jiǎn)潔直觀而且方便后續(xù)功能的添加以及修改。此外，在本次設(shè)計(jì)的智能家居系統(tǒng)中，由于設(shè)備的簡(jiǎn)易性與可獲得性使得系統(tǒng)本身的成本較低。因此本設(shè)計(jì)使普通人享受智能家居生活不再是遙不可及的夢(mèng)想。

關(guān)鍵詞：智能家居；Wi-Fi；Web技術(shù)；跨平臺(tái)

中圖法分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2014）03-0036-03

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們生活水平的日益提高，智能家居生活逐漸成為一種趨勢(shì)，并越來越被人們所關(guān)注。與此同時(shí)，人們對(duì)智能家居的成本以及操作人性化方面的要求也越來越高。

所謂智能家居，是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和傳感控制將與家庭生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合起來，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活可以更加舒適和方便。

當(dāng)前，市場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)智能家居的方法很多，實(shí)現(xiàn)的功能也很多，在這當(dāng)中不乏一些經(jīng)典的方案，但是在這些方案當(dāng)中，大部分采用觸摸屏或電腦控制的方式，這帶來的問題將是操作地點(diǎn)的固定以及對(duì)一般收入家庭而言不必要的功能所造成的額外費(fèi)用。

當(dāng)今社會(huì)，無線路由器及智能手機(jī)、平板電腦等手持設(shè)備已經(jīng)得到了廣泛的普及，因此本設(shè)計(jì)將利用Wi-Fi這一載體通過智能手機(jī)、平板電腦實(shí)現(xiàn)Web對(duì)智能家居終端的控制，以此減少額外布線以及昂貴的設(shè)備費(fèi)用。同時(shí)，也將使用紅外遙控，方便不使用智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備的家庭成員享受智能家居帶來的便捷。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為3個(gè)部分，即受控終端、服務(wù)終端和控制終端。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在系統(tǒng)的3個(gè)部分之間，將控制終端與服務(wù)終端通過Wi-Fi連接，即可實(shí)現(xiàn)控制的可移動(dòng)性，也避免了布線的復(fù)雜性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 控制終端

控制終端由智能手機(jī)、平板電腦以及紅外遙控等手持終端組成。其中智能手機(jī)和平板電腦通過Wi-Fi實(shí)現(xiàn)與服務(wù)終端的連接，通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)在Web層面對(duì)服務(wù)終端發(fā)送數(shù)據(jù)和添加命令的功能。紅外遙控則直接發(fā)送命令給服務(wù)終端。

1.2 服務(wù)終端

服務(wù)終端是整個(gè)智能家居系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)對(duì)受控終端傳遞命令的樞紐，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制終端命令的處理，對(duì)受控終端信號(hào)的采集和發(fā)送。

1.3 受控終端

受控終端則是日常生活中的電器部分，本次設(shè)計(jì)中主要涉及的控制對(duì)象是生活中常用到的電燈和門禁。通過USB攝像頭實(shí)現(xiàn)對(duì)來客的觀察，通過繼電器實(shí)現(xiàn)電燈和門禁的控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，控制終端和受控終端為日常家居中的現(xiàn)成產(chǎn)品，它們只需通過適當(dāng)?shù)慕涌诩{入系統(tǒng)架構(gòu)中即可，因此本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是服務(wù)終端。系統(tǒng)中的服務(wù)終端采用三星公司的S3C2440微處理器作為控制芯片，S3C2440是一款高性能的嵌入式處理器，基于ARM9內(nèi)核，能穩(wěn)定運(yùn)行在400MHz（內(nèi)核電壓為1.3 V時(shí)）。同時(shí)，此款處理器具有支持更多分辨率液晶屏、AC97編解碼以及更多可用I/O端口等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)能夠很好地為智能家居系統(tǒng)服務(wù)，也為后續(xù)的升級(jí)提供了方便。不僅如此，服務(wù)終端部分還集成了多種外設(shè)接口，如以太網(wǎng)、攝像頭、USB、串口等，這些接口完全可以滿足對(duì)家居設(shè)備的控制要求。服務(wù)終端的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 服務(wù)終端框圖

2.1 GPIO接口

GPIO接口主要控制外部連接的繼電器，通過控制繼電器的導(dǎo)通與關(guān)斷控制相應(yīng)電燈、門禁以及電動(dòng)窗簾。以電燈控制為例，當(dāng)GPIO口發(fā)出高電平信號(hào)時(shí)，連接在相應(yīng)接口上的繼電器導(dǎo)通，電燈打開；當(dāng)GPIO口發(fā)出低電平信號(hào)時(shí)，連接在相應(yīng)接口上的繼電器關(guān)斷，電燈熄滅。

2.2 紅外接口

紅外接口主要用于接收紅外遙控發(fā)送的命令，通過處理器的處理后再生成相應(yīng)的代碼信號(hào)發(fā)送給相應(yīng)的I/O口，以此實(shí)現(xiàn)紅外遙控對(duì)服務(wù)終端的控制。其后續(xù)的控制方法和GPIO相同。

2.3 LCD接口

LCD接口外接7寸LCD觸摸屏，在系統(tǒng)設(shè)置階段以及Web控制出錯(cuò)的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)外部電器的控制，做到了直觀、快捷的操作。

2.4 網(wǎng)卡接口

網(wǎng)卡接口實(shí)現(xiàn)控制終端與家庭使用的無線路由進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)服務(wù)終端與控制終端的無線連接。

2.5 CAMERA USB接口

CAMERA USB接口主要用來外接USB攝像頭，用于對(duì)室內(nèi)外情況的觀察，在配合門禁系統(tǒng)使用時(shí)起到了“貓眼”的作用。同時(shí)，由于采用了USB接口，方便用戶自行更換鏡頭更好、像素更高的攝像頭來為自己的智能家居進(jìn)行服務(wù)。

總體而言，在本智能家居系統(tǒng)當(dāng)中，通過應(yīng)用無線路由、繼電器以及USB攝像頭等這些家庭生活常見設(shè)備，做到了低成本和移動(dòng)操作的目的，同時(shí)紅外遙控的采用以及LCD觸摸屏的使用，為不使用智能手機(jī)等手持設(shè)備的家庭成員提供了方便，也為在無線不能正常使用的情況下提供了另外一種選擇。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括移植Linux操作系統(tǒng)、mjpg-streamer的移植、QT圖形界面應(yīng)用程序、網(wǎng)頁html文件以及shell腳本的編寫等。

3.1 Linux操作系統(tǒng)的移植

系統(tǒng)選用了2.6.32.2版本的內(nèi)核，可以從官方網(wǎng)站上下載內(nèi)核源碼。然后依次進(jìn)行根目錄下的Makefile文件的修改、克隆自己的平臺(tái)、移植Nand驅(qū)動(dòng)并更改分區(qū)、移植yaffs2、DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和USB驅(qū)動(dòng)的移植等操作，最后執(zhí)行make menuconfig命令進(jìn)入配置菜單，配置相關(guān)選項(xiàng)并保存退出，執(zhí)行內(nèi)核編譯命令，編譯成功后將得到編譯好的內(nèi)核鏡像文件zImage。最后將內(nèi)核鏡像燒寫到NAND FLASH當(dāng)中。

3.2 QT圖形界面應(yīng)用程序及其與驅(qū)動(dòng)的關(guān)系

QT圖形界面應(yīng)用程序的編寫主要涉及到了應(yīng)用對(duì)內(nèi)核的調(diào)用、內(nèi)核對(duì)驅(qū)動(dòng)的調(diào)用以及驅(qū)動(dòng)對(duì)內(nèi)核的反饋的整個(gè)過程，它與內(nèi)核以及驅(qū)動(dòng)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 應(yīng)用程序工作原理

下面以GPIO口驅(qū)動(dòng)為例來進(jìn)行說明：

（1）應(yīng)用程序使用庫提供的open函數(shù)打開代表GPIO的設(shè)備文件；

（2）庫根據(jù)open函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，這條指令會(huì)引起CPU異常，進(jìn)入內(nèi)核；

（3）內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)這些參數(shù)找到相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，返回一個(gè)文件句柄庫，進(jìn)而返回給應(yīng)用程序；

（4）應(yīng)用程序得到文件句柄后，使用庫提供的write函數(shù)發(fā)出控制命令；

（5）庫根據(jù)write函數(shù)傳入的參數(shù)執(zhí)行“swi”指令，這條指令會(huì)引起CPU異常，進(jìn)入內(nèi)核；

（6）內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)這些參數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序的相關(guān)函數(shù)，驅(qū)動(dòng)I/O接口。

在本次設(shè)計(jì)的智能家居方案中，我們用到了LCD、GPIO、DM9000網(wǎng)卡等驅(qū)動(dòng)，以及相應(yīng)的應(yīng)用程序，均遵循以上過程編寫，同時(shí)也在Linux系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 shell腳本

Web與應(yīng)用程序間通信的橋梁靠shell腳本完成。Web將命令發(fā)送給shell腳本后，腳本經(jīng)過相應(yīng)的switch語句處理，將從Web得到的結(jié)果轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的參數(shù)傳遞給相應(yīng)的應(yīng)用程序，從而實(shí)現(xiàn)了Web與應(yīng)用程序間的通信，以此達(dá)到了Web控制硬件的目的。同時(shí)，shell腳本將應(yīng)用程序采集到的信號(hào)返回給相應(yīng)的Web程序，實(shí)現(xiàn)讀取受控終端狀態(tài)的效果。

3.4 mjpg-streamer的移植

從官網(wǎng)下載相應(yīng)的源碼，解壓后修改頂層目錄下的Makefile文件以及plugins目錄下的各級(jí)Makefile文件，完成后放到服務(wù)終端Linux目錄下的相應(yīng)目錄下，并通過修改start_uvc_yuv.sh等文件，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的開機(jī)自啟，當(dāng)我們啟動(dòng)服務(wù)終端，在LCD上顯示如圖4所示內(nèi)容。此時(shí)USB攝像頭已經(jīng)正常工作。

圖4 串口終端輸出內(nèi)容

3.5 網(wǎng)頁html文件

網(wǎng)頁html文件作為本次智能家居跨平臺(tái)控制的載體，我們運(yùn)用Macromedia Dreamweaver 8軟件進(jìn)行編寫。此軟件做到了圖形界面和代碼編寫的雙重功能，方便一般用戶實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單網(wǎng)頁文件的設(shè)計(jì)。在這當(dāng)中，通過賦予不同按鈕不同的值，以及網(wǎng)頁通過QUERY_STRING來實(shí)現(xiàn)向shell腳本的命令傳輸。基本代碼如圖5所示。其中value所對(duì)應(yīng)的值即為網(wǎng)頁傳遞給shell腳本的值。

圖5 html文件代碼

綜上所述，在軟件部分，智能家居的基本工作過程如下：

（1）用戶通過瀏覽器連接網(wǎng)絡(luò)后，通過網(wǎng)頁發(fā)送指令，進(jìn)行控制；

（2）網(wǎng)頁提交后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給shell腳本，shell腳本中相應(yīng)的函數(shù)對(duì)網(wǎng)頁提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

（3）shell腳本將處理后的結(jié)果發(fā)送給相應(yīng)的應(yīng)用程序；

（4）應(yīng)用程序調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序完成用戶的操作。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)研制成功后，已在實(shí)驗(yàn)室做了充分的實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠。圖6為從瀏覽器上看到的實(shí)驗(yàn)室的監(jiān)控畫面。圖7則為手機(jī)端控制界面，通過點(diǎn)擊界面當(dāng)中房間號(hào)以及開關(guān)按鈕即可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)電燈的控制，同時(shí)，提交按鈕的增加，可以做到防止用戶誤觸。而且，我們也將Wi-Fi信號(hào)關(guān)閉，模擬Wi-Fi信號(hào)出問題的情況，紅外遙控和LCD觸摸屏做到了相應(yīng)的控制作用，很好地彌補(bǔ)了在意外情況下對(duì)服務(wù)終端的控制，方便了生活。

圖6 視頻采集圖像 圖7 手機(jī)控制端截圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種基于Wi-Fi和Web控制的智能家居系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的整體框架以及軟件的實(shí)現(xiàn)方法。與其他智能家居系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)降低了用戶的成本、減小了系統(tǒng)的操作難度、實(shí)現(xiàn)了跨平臺(tái)間的簡(jiǎn)單操作以及紅外遙控和LCD的加入使得系統(tǒng)操作更加靈活。我們有理由相信，采用Wi-Fi以及Web控制的智能家居系統(tǒng)，將受到廣大普通收入家庭的歡迎，使得智能家居生活真正進(jìn)入尋常百姓家。

參 考 文 獻(xiàn)

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[2]關(guān)永，張杰，張聰霞，等. ARM嵌入式微處理器體系結(jié)構(gòu)與匯編語言程序設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[3]拉芙. Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M]. 陳莉君，康華，譯. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[4]魏永明.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2006.

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[8]袁云華. Dreamweaver CS4中文版基礎(chǔ)教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[9]王振朝，王藝衡，王竹毅.基于家庭基站技術(shù)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電視技術(shù)，2013（21）：60-62.

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Design of Web controlled smart home system based on Wi-Fi

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform