基于OpenWRT的多功能智能家居網(wǎng)關實現(xiàn)

孫 宏，柯 捷

（桂林航天工業(yè)學院，廣西 桂林 541004）

0 引 言

智能家居網(wǎng)關用以實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡與Internet互聯(lián)，還可作為服務器，為用戶提供家居設備的遠程訪問服務。智能家居終端連網(wǎng)方式包括有線（以太網(wǎng)）和無線（WiFi）兩種[1]。用戶也可利用網(wǎng)關享受文件信息服務和安防功能。

自從Backf i re版本出現(xiàn)后，OpenWRT的功能趨于穩(wěn)定，且新版本持續(xù)更新，亦可在開發(fā)者論壇獲取豐富的信息。本文旨在應用簡單的方式實現(xiàn)網(wǎng)關的功能多樣化。

1 系統(tǒng)總體設計

本設計是一個軟硬件結合的產(chǎn)品，開發(fā)板通過移植OpenWRT系統(tǒng)對其進行編譯和配置，之后使用PPPOE方式實現(xiàn)與Internet交互的功能。用戶可使用手機或電腦通過網(wǎng)關連接到互聯(lián)網(wǎng)，獲取信息。還可使用瀏覽器控制家用電器和實現(xiàn)離線下載，進行遠程監(jiān)控。網(wǎng)關是整個智能家居系統(tǒng)的中樞，具有數(shù)據(jù)通信、業(yè)務處理、信息存儲等功能，可為用戶提供一個友好的操作界面。系統(tǒng)總體設計如圖1所示。

2 開發(fā)環(huán)境的搭建

2.1 硬件平臺

本文使用Linux系統(tǒng)進行開發(fā)。硬件使用聯(lián)發(fā)科技的MT7688主板搭配MT7628開發(fā)底板，其中底板集成了GPIO，TTL，RS 232串口，1個WAN接口及2個LAN接口，紅外發(fā)射與紅外接收器，4個USB接口等。

2.2 OS移植

本文移植的系統(tǒng)是OpenWRT。OpenWRT是一個高度可擴展嵌入式設備的GNU/Linux發(fā)行版本。由于它擁有眾多網(wǎng)絡組件和良好的擴展性，常常被應用于工業(yè)控制、機器人、智能家居等領域。OpenWRT項目的建立從零開始，可被視為一個全功能的、易于修改的路由操作系統(tǒng)[2]。

OpenWRT的開發(fā)需要宿主機，為便于開發(fā)，本設計使用Windows系統(tǒng)的主機作為宿主機，使用帶有圖形界面的串口工具和文件傳輸工具。并安裝一個Ubuntu系統(tǒng)的虛擬機，與OpenWRT同為Linux系統(tǒng)，便于編譯固件。

首先進行編譯環(huán)境的搭建，在宿主機的Linux環(huán)境下預裝一些軟件[3]。

2.3 編譯固件

（1）源碼下載之后，進入源碼的根目錄。運行make menuconf i g命令進入編譯管理器；

（2）選擇適配的CPU型號和子型號；

（3）添加Luci支持：Luci作為Lua和Uci（統(tǒng)一配置接口）的結合體，用于實現(xiàn)網(wǎng)關的網(wǎng)頁配置界面；

（4）添加Luci中文支持：在之后的Web界面上將英文自動替換為已設置好的中文；

（5）添加完上述幾項基礎固件之后運行make V=s命令進行固件的編譯，再將生成的固件通過燒錄器寫進開發(fā)板。

3 B/S架構

3.1 B/S工作框架

經(jīng)過燒錄之后的開發(fā)板已攜帶了Uhttpd服務器，以實現(xiàn)對Web的支持。B/S工作原理如圖2所示。

圖2 B/S工作原理

用戶通過Web瀏覽器以get或post方式向Uhttpd服務器提交請求，并將提交的數(shù)據(jù)發(fā)送給Uhttpd服務器，服務器為CGI應用程序Fork的一個子進程，并使用Setenv將固定格式的數(shù)據(jù)（如PATH_INFO）保存到環(huán)境變量[4]。另外的非固定格式數(shù)據(jù)由父進程通過w_pipe傳遞給Luci的Stdin。返回數(shù)據(jù)則由Luci輸出到Stdout上[5]，父進程通過r_pipe讀取。

3.2 Web的數(shù)據(jù)交互過程

Web交互過程如圖3所示。

圖3 Web交互過程

（1）開始時，服務器已將初始頁面定位到了www/index.html，此頁面通過href="cgi-bin/luci"自動跳轉[6]。

（2）第一次執(zhí)行Luci，會使用Entry中的Alise方法，定位到Admin（索引到一個根節(jié)點，并執(zhí)行Target方法），返回一個登錄界面。

（3）此時服務器已經(jīng)獲取到了登錄信息，并且使用Session保存了用戶信息。此時的索引不再是索引根節(jié)點，而是索引子節(jié)點，返回Admin/Status.html，此時進入網(wǎng)關的Web主頁面。

（4）此后的每個主頁面的按鈕都會帶一個由服務器生成的Stok值，放在URL中，并且之后的每一個請求都會帶有Session，與Stok一起對用戶進行聯(lián)合驗證。

3.3 MVC模式

MVC，即 Model，View，Controller。Luci從功能的實現(xiàn)上來講屬于MVC模式，使用WinSCP工具執(zhí)行 cd /usr/lib/lua/luci/ 可發(fā)現(xiàn)此路徑下有Model，View，Controller三個目錄。

Controller主要存放Lua文件，用于接收用戶的請求，調(diào)用相關函數(shù)模型來響應用戶的請求，在此目錄下，每一個Lua程序都以function index（）作為函數(shù)的起點，且通過調(diào)用entry（）函數(shù)創(chuàng)建子節(jié)點，選擇View文件進行顯示。其中entry有多種不同的調(diào)用方式[6]：

call（）方法可直接調(diào)用指定的函數(shù)，如通過點擊按鈕實現(xiàn)某種功能，可直接執(zhí)行簡短的腳本命令。

template（）方法可直接調(diào)用位于View文件夾中的html。

cbi（）方法主要用來配置頁面，往往用于調(diào)用Model文件夾中的子模塊Lua文件.

alias（）方法可實現(xiàn)網(wǎng)頁節(jié)點之間的鏈接。如用戶成功登錄路由器后，進入的網(wǎng)頁節(jié)點未定義內(nèi)容，可通過此方法自動鏈接到有內(nèi)容的Web頁面中[5]。

Model的作用是封裝應用程序狀態(tài)，響應來自Controller的請求，對來自用戶的請求做業(yè)務邏輯層面的處理，并通知視圖層進行更新。

View顯示當前的系統(tǒng)狀態(tài)，主要由html文件構成。

4 GPIO串口的控制

本節(jié)主要以控制照明工具為例，用詳細的代碼講解如何實現(xiàn)控制GPIO串口。

4.1 查看和更改GPIO狀態(tài)

MT7628 datasheet文件中定義了GPIO的復用關系。并在源碼目錄下的/target/linux/ramips/dts/mt7628an.dtsi中可查看GPIO的分組。

在 /build_dir/target-mipsel_24kec+dsp_uClibc-0.9.33.2/linux-ramips_mt7620n/linux-3.10.28/arch/mips/ralink/mt7620.c中可看到引腳復用定義。

在/target/linux/ramips/dts/WRTNODE.dts里可注冊通過GPIO接口控制的設備。使用GPIO接口首先要使能GPIO并釋放GPIO引腳復用功能：

GPIO2：gpio@660 {

//gpio2 和gpio3兩組GPIO引腳是處于使能GPIO的狀態(tài)

status = "okay"；

}；

GPIO3：GPIO@688 {

status = "okay"；

}；

結合mt7628an.dtsi文件將需要釋放的GPIO引腳復用釋放，如需要釋放GPIO#18和GPIO#19，需將“PWM1”和“PWM0”寫入到ralink，group中。重新編譯將固件刷入開發(fā)板。

pinctrl { //引腳復用釋放核心代碼

state_default： pinctrl0 {

default {

ralink，group = "ephy"，"wled"，"pa"，"i2c"，"wdt"，"uartf"，"PWM1"，"PWM0"；

ralink，function = "gpio"；

}；

}；

}；

4.2 shell腳本控制電流輸出

通過SecureCRT連接開發(fā)板，執(zhí)行cd/sys/class/gpio目錄。可看到export和unexport兩個文件。

export用于通知系統(tǒng)需要導出控制的GPIO引腳編號，此時的權限從用戶態(tài)過渡到內(nèi)核態(tài)運行以下命令：

echo 18 ＞ export

echo 19 ＞ export

再次查看當前目錄會發(fā)現(xiàn)多出GPIO18和GPIO19兩個目錄。

更改電流輸出方向，將兩個針腳都設置為電流輸出：

echo out ＞ GPIO18/direction

echo out ＞ GPIO19/ direction

為電流大小設置指定值，18號針腳設置為高電平，19號設置為低電平：

echo out ＞ 1 GPIO18/value

echo out ＞ 0 GPIO19/value

此時若上述命令都能正常運行，使用一個發(fā)光二極管連接這兩個針腳，會有電流通過該二極管。

4.3 前端按鈕控制shell腳本

在此使用Luci實現(xiàn)，首先打開Lua文件：

vi /usr/lib/lua/luci/controller/admin/

system.lua

在function index（）下添加GPIO控制選項：

entry（{"admin"，"system"，"test"}，cbi（"admin_system/test"），_（"GPIO Conf i gration"），3）.index = true其中：第一個{ }內(nèi)的內(nèi)容是定義菜單欄的顯示；第二個參數(shù)是target方式，此處采用cbi方式定位到admin_system/test.lua文件；第三個參數(shù)是菜單欄顯示名稱。3代表同級菜單下，此選項的顯示位置，從小到大。

再次進入Web頁面可看到系統(tǒng)菜單欄中有了GPIO Conf i guration選項。

編寫test.lua 實現(xiàn)按鈕控制腳本。

在/usr/lib/lua/luci/model/cbi/admin_system 路徑下創(chuàng)建一個test.lua文件。部分業(yè)務處理代碼如圖4所示。

在etc/conf i g/network文件的最后添加conf i g gpioset，保存后重啟開發(fā)板查看Web。點擊GPIO Conf i guration后會跳轉至新頁面，通過點擊網(wǎng)頁的“開燈”“關燈”兩個按鈕，并使用繼電器連接開發(fā)板和電燈的控制電路，可實現(xiàn)對220 V家庭電路的控制。

圖4 部分業(yè)務處理代碼

通過上述方式，實現(xiàn)對更多家用電器的控制。使用同樣的前后端交互模式實現(xiàn)紅外收發(fā)以控制空調(diào)等電器。安裝各類傳感器，編寫自動控制觸發(fā)條件實現(xiàn)更深層次的智能化。

5 文件信息服務

5.1 Samba服務器

在網(wǎng)關上添加文件信息服務功能，可實現(xiàn)文件共享。關鍵之處在于要先建立一個Samba文件服務器。它是一個開源實現(xiàn)SMB（Server Message Block，SMB）協(xié)議的軟件，客戶機可通過SMB協(xié)議訪問服務器上的共享文件系統(tǒng)。將Samba36-Server軟件編譯成ipk包安裝至開發(fā)板后，對配置文件Smb.conf作出修改才可讓服務器正常運行[7]。配置文件主要包含四個方面，分別是全局配置段、家目錄段、共享段、自定義段。對不同的段進行修改，可修改和添加用戶、密碼、共享文件夾目錄和訪問權限。

5.2 脫機下載功能

使用Transmission實現(xiàn)網(wǎng)關的脫機下載服務。此軟件具有多平臺、低功耗、支持Web界面、遠程控制等特點[5]。

因網(wǎng)關內(nèi)存較小，不適合大容量文件的保存。因此需要設置USB掛載，使大容量U盤能夠掛載到網(wǎng)關平臺上，實現(xiàn)邏輯上的內(nèi)存擴展。此過程需要安裝USB驅動和文件系統(tǒng)格式。

考慮到NTFS格式的文件系統(tǒng)并非Linux的原生態(tài)文件系統(tǒng)，因此將掛載的U盤格式化為ext4格式，有助于提高讀寫速度。

Transmission-Daemon是一個Transmission的后臺守護程序，本身不具備操作指令，通過Web來進行控制，因此需要再添加Transmission-Eeb安裝包。安裝成功之后首先需要運行一次以便生成相應的配置文件，在/var/lib/transmissiondaemon/info/setting.json 下設置配置下載名單，Password設置為明文，啟動Daemon后會自動檢查密碼設置，若密碼配置發(fā)生變動，Deamon會自動計算修改后的密碼hash值，并替換配置密碼中的明文密碼，這樣會使文件下載系統(tǒng)更加安全。此外還可進行上傳/下載速度限制，DHT配置，端口設置等。可在瀏覽器中輸入IP+端口號登錄Web界面，設置文件下載路徑和粘貼BT進行下載。

6 安防功能

6.1 視頻設備和驅動程序

MT7628開發(fā)板沒有專門的攝像頭接口，因此采用USB的UVC攝像頭，也稱作免驅攝像頭，在主流的操作系統(tǒng)中都提供有UVC設備驅動程序，而OpenWRT又是基于Linux內(nèi)核的系統(tǒng)，免去了驅動配置環(huán)節(jié)，便于開發(fā)。在Linux下，USB攝像頭通過UVC驅動捕捉圖像[8]。

需在OpenWRT中添加驅動支持，在編譯模式下，選擇Device Drivers---＞Kernel modules---＞Video Supinterface---＞[*]kmod-video-uvc，編譯之后將ipk寫入開發(fā)板。當攝像頭插入時會在/dev路徑下生成一個Video 0文件。

6.2 視頻采集過程

使用V4L2接口獲取并處理攝像頭采集的數(shù)據(jù)幀，V4L2（Video 4 Linux 2）為Linux訪問圖像采集設備提供了統(tǒng)一的接口，完成對硬件設備的驅動和圖像信息的獲取[9]。該接口驅動的攝像頭對用戶空間調(diào)用I/O通道管理函數(shù)和mmap映射內(nèi)存空間。V4L2和圖像采集設備以及用戶程序組合構成的三級結構如圖5所示。

圖5 視頻采集結構

攝像頭通過兩個內(nèi)存空間緩存圖像隊列交替覆蓋緩存進行采集，過程與上圖的層次結構相對應，如圖6所示。

圖6 圖像緩存過程

6.3 MJPEG-Streamer服務器

MJPEG-Streamer是一個開源的視頻服務器，源碼包括三部分：V4L2接口、Socket編程和多線程編程。

（1）V4L2接口定義了攝像頭采集的圖像信息，首先封裝一個結構體描述攝像頭的信息，定義圖像的像素大小、圖片格式等。其次I/O通道管理函數(shù)將此結構體寫入驅動中，按照約定初始化攝像頭，并通過mmap完成內(nèi)存的映射。使用ioct完成圖片的過濾，將獲取的數(shù)據(jù)寫入文件構成圖片，連續(xù)傳輸?shù)膱D片構成視頻。

（2）Socket編程中使用的是TCP套接字，當有連接請求時，創(chuàng)建一個線程單獨和此請求通信。將TCP/IP數(shù)據(jù)報的繁瑣操作抽象成一個簡單接口，提供給用戶層，以實現(xiàn)在網(wǎng)絡中通信。

（3）使用多線程的目的是為了同時響應多個客戶端的請求，每個請求建立一個連接，每個連接就是一個線程[10]。

MJPEG-Streamer的工作流程如圖7所示。箭頭方向代表圖像數(shù)據(jù)流向。

圖7 MJPEG-Streamer工作流程

同樣需要在Linux下編譯生成新的固件，重啟設備后通過瀏覽器查看視頻畫面。

7 結 語

本文基于OpenWRT系統(tǒng)實現(xiàn)了多功能智能家居網(wǎng)關，描述了前后端交互的工作原理、工作框架、交互流程。以實例的方式簡述了設備控制方法，并對文件服務器、視頻服務器作了簡明分析，實現(xiàn)了在網(wǎng)關平臺上集成多功能服務，為廣大開發(fā)者和電子愛好者提供了智能家居產(chǎn)品的開發(fā)思路。