嵌入式Web服務(wù)器在智能家居系統(tǒng)中的應(yīng)用

張彬彬

摘要：智能家居的控制系統(tǒng)是一種結(jié)合了計算機通信技術(shù)，自動控制技術(shù)對與生活相關(guān)的家居設(shè)備進行實時的監(jiān)控的系統(tǒng)。該文提出了一種智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，用戶可以通過瀏覽器IP地址訪問的形式訪問基于STM32f4微控制器和μC/OS-II操作系統(tǒng)搭建的嵌入式Web服務(wù)器，獲取家居設(shè)備的實時運行狀態(tài)，并對智能家居設(shè)備實時控制。此方案可以實現(xiàn)對智能家居設(shè)備的遠程監(jiān)控，有效節(jié)省用戶的時間成本。

關(guān)鍵詞：智能家居μC/OS-II實時操作系

；STM32；Web服務(wù)器

1背景

近些年來，智能終端設(shè)備的發(fā)展越來越快，人們在享受智能家居帶來的便捷的同時，遠程控制家居設(shè)備的狀態(tài)也成為人們提高生活效率的追求。由于人們對于手機，電腦等智能控制設(shè)備性能的高要求，在客戶端安裝應(yīng)用的方式顯然會增加客戶端的負擔。因此，在服務(wù)器端編寫好控制程序，當用戶需要的時候直接加載好運行程序，不需要的時候也不會影響用戶的設(shè)備性能，是一種解決此問題的好方案。

在智能家居控制系統(tǒng)中搭建好嵌入式web服務(wù)器，只要能連入Internet網(wǎng)，用戶就可以通過瀏覽器訪問IP地址的形式對智能家居設(shè)備的運行狀態(tài)進行實時的監(jiān)控，不僅可以節(jié)省用戶智能設(shè)備的負擔，而且了解智能家居實時狀態(tài)，可以遠程控制智能家居設(shè)備的運行，節(jié)省生活時間成本，提高生活效率。

2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1嵌入式Web服務(wù)器簡介

嵌入式Web服務(wù)器就是在嵌入式設(shè)備中實現(xiàn)的小型Web服務(wù)器，對硬件的要求相對較低，可以通過Inter-net網(wǎng)絡(luò)為用戶提供服務(wù)。

2.2總體框架設(shè)計

智能家居的控制系統(tǒng)是智能家居控制網(wǎng)絡(luò)的核心，是于互聯(lián)網(wǎng)通信的關(guān)鍵部位。該系統(tǒng)可以提供外部的物理接口與智能家居設(shè)備相連接，并提供智能家居設(shè)備與控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信。

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，該系統(tǒng)由嵌入式Web服務(wù)器、智能家居設(shè)備、用戶智能設(shè)備上的瀏覽器三個部分組成。用戶通過瀏覽器IP地址訪問的形式對嵌入式Web服務(wù)器進行訪問，嵌入式Web服務(wù)器把采集到的設(shè)備狀態(tài)返還給用戶，用戶可以根據(jù)實際需要進行實時操作。

3嵌入式Web服務(wù)器的設(shè)計

嵌入式Web服務(wù)器是智能家居系統(tǒng)的核心控制組件，是與外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁。本文提到的嵌入式Web是基于STM32和μC/OS-II操作系統(tǒng)開發(fā)的，該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

3.1μC/OS-H操作系統(tǒng)的移植

嵌入式實時操作系統(tǒng)的移植是嵌入式Web服務(wù)器開發(fā)的第一步，移植一個操作系統(tǒng)能使嵌入式Web服務(wù)器的開發(fā)更簡便，更有效的利用硬件的存儲空間。μC/OS-II操作系統(tǒng)是一款開源的，小巧的，可移植的實時操作系統(tǒng)，可進行多任務(wù)。在進行μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植時，需要對μC/OS-II操作系統(tǒng)進行適當?shù)男薷摹＆藽/OS-II操作系統(tǒng)的移植結(jié)構(gòu)如圖3所示：

從圖中可知μC/OS-II移植結(jié)構(gòu)的可知各部分的關(guān)系，μC/OS-II系統(tǒng)移植到硬件上的文件包括os_cpu.h、os_cup_c.c和os_cpu_a.asm這幾個文件。移植文件需要大改動的就是頭文件的修改，還有向量表中的PendSV_Handler和SysTick_Handler的改動。

3.2 TCP/IP協(xié)議棧的移植

TCP/IP協(xié)議是電子設(shè)備與Internet網(wǎng)絡(luò)連接以及進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴?，本文采用的是LwIP協(xié)議棧。LwlP是一款開源的TCP/IP協(xié)議棧，它的運行條件非常低，只需要10kb左右的RAM和40k左右的ROM，在嵌入式設(shè)備中使用不會占用太多的資源。LwlP考慮到移植的問題，把需要配置的文件放在了1wipl.4.1＼arch文件目錄下，在移植的時候需要對相關(guān)的設(shè)置進行修改。Lwip1.4.1＼src＼api文件中有操作系統(tǒng)調(diào)用應(yīng)用層的API函數(shù)。Lwipl.4.1＼src＼core是1wip協(xié)議棧對于通信協(xié)議的實現(xiàn)。Lwip1.4.1ksrc＼include＼netif保存的是與底層硬件結(jié)合比較緊密的函數(shù)。這些文件都是c語言寫的源文件，它們的頭文件也存在與include文件中。在實際的應(yīng)用過程中可根據(jù)實際的要求對這些文件進行修改。

3.3公共網(wǎng)關(guān)接口程序的開發(fā)

CGI（Common Gateway Interface）公共網(wǎng)關(guān)接口程序是運行在服務(wù)器上的外部程序與Web服務(wù)器之間的接口標準，是Web服務(wù)器與外部通信的關(guān)鍵。CGI可以處理網(wǎng)頁表單的輸入信息，服務(wù)器會產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng)，使網(wǎng)頁具有了交互功能。

CGI程序的運行過程：1）用戶通過瀏覽器訪問將頁面的表單信息提交給Web服務(wù)器。2）服務(wù)器接收到表單數(shù)據(jù)后交給CGI程序。3）CGI程序?qū)π畔⑦M行處理，把處理結(jié)果發(fā)送給服務(wù)器。4）服務(wù)器將結(jié)果返還給用戶，用戶通過瀏覽器查看結(jié)果。

4控制頁面的設(shè)計

CGI程序與用戶信息交換界面是嵌入在Web中的HTML文件，因此需要進行HTML文件的編程。考慮到頁面內(nèi)的信息將要對智能家居設(shè)備進行控制，HTML表單中提交的信息將以數(shù)值的形式將信息傳送給智能控制設(shè)備，控制設(shè)備對智能家居設(shè)備進行相應(yīng)的開關(guān)操作。

首先，在后臺對表單提交的用戶名進行校驗，若通過信息驗證，則返回html控制頁面。用戶提交表單信息后，獲取表單中的name屬性值，在后臺進行驗證。驗證通過后，用戶可以在控制界面對硬件進行控制，點擊按鈕，觸發(fā)頁面腳本文件，與后臺進行交互?？刂平缑嫒鐖D4所示。

用戶和服務(wù)器交互有三種方式：1）地址欄URL地址的方式；2）超鏈接的方式；3）表單提交的方式。用戶傳輸表單數(shù)據(jù)是form標簽中submit按鈕提交的，form上傳數(shù)據(jù)的方式有兩種，分別是form的get屬性和post屬性。Form的屬性method可以選擇提交的方式，action屬性指向后臺的地址。Get提交方式信息會直接出現(xiàn)在地址欄中，對提交信息一目了然，且地址欄存儲有限，不適合提交大量數(shù)據(jù)。Post提交方式提交信息不回出現(xiàn)在地址欄中，可以提交大體積數(shù)據(jù)，因此更安全?？紤]到用戶提交的信息量不是太大，用戶使用的設(shè)備也為個人私有設(shè)備，采用get提交方式就可以提交用戶操作的數(shù)據(jù)。該登錄控制系統(tǒng)是在局域網(wǎng)絡(luò)下面進行的，若要在Internet網(wǎng)絡(luò)下訪問，還必須申請一個代理IP地址，國內(nèi)的服務(wù)器代理阿里云與騰訊云都比較便宜，后續(xù)的外網(wǎng)訪問也可以實現(xiàn)。

5結(jié)束語

在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的今天，大部分行業(yè)都在向互聯(lián)網(wǎng)靠攏，都在發(fā)展互聯(lián)網(wǎng)+產(chǎn)品。因此，在如今人們生活節(jié)奏如此快的情況下，智能家居的遠程控制極大地減少了用戶的時間成本。伴隨著智能終端的快速發(fā)展，終端的出現(xiàn)形式也各不相同，有手機、電腦、平板、穿戴智能設(shè)備、VR設(shè)備等。無論智能終端的形式怎樣變化，只要有瀏覽器的地方鏈接Internet網(wǎng)絡(luò)就能訪問智能家居，這種方式的改變將極大提高人們的生活舒適度。在后續(xù)的功能擴展中，也可以加入更多的智能家居設(shè)備。