基于WEB的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

唐衛(wèi)斌，宋亞峰

（商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院，陜西商洛 726000）

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用網(wǎng)絡(luò)通信、自動(dòng)控制、安全防范、綜合布線、音視頻等技術(shù)將有關(guān)家居生活的設(shè)施進(jìn)行集成的高效住宅設(shè)施與家庭日常事務(wù)管理系統(tǒng)，能夠提升家居舒適性、便利性、安全性和藝術(shù)性，打造環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境[1]。智能家居雖實(shí)現(xiàn)了人性化、舒適便捷的全新家居生活理念[2]。但隨著人們生活水平的不斷提高和住宅智能化的迅速發(fā)展，智能家居系統(tǒng)功能更加完善，涵蓋范圍更廣，性能更加優(yōu)化，系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜?；ヂ?lián)網(wǎng)、云服務(wù)的迅速發(fā)展為智能家居提供了技術(shù)上的支持，構(gòu)建智能家居系統(tǒng)，通過(guò)它控制和管理家居設(shè)備和外部通信，并集數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化于一體，已成為建設(shè)新型住宅的一個(gè)研究熱點(diǎn)[3]。本文主要是對(duì)基于WEB的智能家居系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)。在智能家居系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的基本功能是：通過(guò)WEB瀏覽器登陸家庭IP實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)信息查看、設(shè)備控制管理、防盜功能以及攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可在系統(tǒng)的LCD上顯示環(huán)境信息。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要是用戶(hù)在PC或手機(jī)上通過(guò)瀏覽器登陸IP地址訪問(wèn)WEB服務(wù)器上的HTML頁(yè)面，點(diǎn)擊相應(yīng)界面按鈕通過(guò)boa服務(wù)器去獲取家居系統(tǒng)狀況信息以及控制相關(guān)家居系統(tǒng)。具體系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)分為Cortex A9 Exynos4412處理器模塊、DDR 1G RAM、2G Emmc flash 存儲(chǔ)、RGB接口LCD模塊、USB接口Camera模塊、溫濕度模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、繼電器模塊、燈光控制模塊等，如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)總體框圖

其中Exynos 4412處理器模塊采用友善之臂開(kāi)發(fā)板Tiny 4412，LCD觸摸屏采用RGB接口和Exynos 4412相連，溫濕度模塊采用ds18b20和dht11，Camera為USB接口可直接插在底板上。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式處理器主控板

Exynos 4412是32位ARM V7架構(gòu)低功耗，性能優(yōu)化Cortex-A9系列四核三星微處理器，Cortex-A9處理器基于最先進(jìn)的推測(cè)型八級(jí)流水線所設(shè)計(jì)的，支持64位的NEON操作，32位的數(shù)據(jù)運(yùn)算，能夠很好地提升系統(tǒng)音頻、視頻、圖像處理的性能，支持DDR3內(nèi)存訪問(wèn)。Exynos 4412主頻 1.5 GHz，128/64 位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32 KB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，1 024 KB的二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)每秒2億指令集的高性能運(yùn)算能力[3]。

Tiny 4412是由友善之臂研發(fā)的高性能四核Cortex-A9核心板。它采用三星Exynos 4412作為主處理器，運(yùn)行主頻可以高達(dá)1.5 GHz。具有豐富的硬件資源[4]。

2.2 其它模塊

LCD顯示模塊采用INNOLUX S702 7寸標(biāo)清電容顯示屏，分辨率是800×480，顯示模式常白，透射，RGB接口與主控處理器exynos 4412相接，并且支持電容觸摸，支持5點(diǎn)觸控[5]。

Camera模塊采用最經(jīng)典穩(wěn)定的中芯微301P方案，色彩逼真。速率30 fps·s-1,硬件像素30萬(wàn)，USB接口。感光器件是高品質(zhì)CMOS 1/3 inch，支持 VGA、CIF 格式。

溫濕度傳感模塊中的溫度傳感器選用DS18B20進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，并且此溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)傳輸，精度高、電路連接比較簡(jiǎn)單。濕度傳感器采用DHT11溫濕度傳感器進(jìn)行濕度數(shù)據(jù)采集，考慮到精度不高，用它只是探測(cè)濕度。但其也具有響應(yīng)快，抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

ULN2003是一種高電流驅(qū)動(dòng)器陣列，多芯片，智能儀表，PLC，數(shù)字輸出卡控制電路，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器等負(fù)載。輸入5V TTL電平，輸出可達(dá)500 mA/50 V[6]。本系統(tǒng)采用ULN2003來(lái)驅(qū)動(dòng)4相8拍的步進(jìn)電機(jī)模擬窗簾的升降。

本系統(tǒng)防盜功能主要采用基于紅外技術(shù)的HC-SR501自動(dòng)控制模塊，熱釋電元件對(duì)人體發(fā)出特定波長(zhǎng)10 μm左右的紅外輻射比較敏感，而且靈敏度較高，可靠性強(qiáng)，模塊本身不發(fā)任何類(lèi)型的輻射，器件功耗比較小，隱蔽性好，價(jià)格低[7]。

本系統(tǒng)中為了控制家用220 V用電器，這里采用帶光耦隔離的繼電器模塊。常開(kāi)接口最大負(fù)載：交流250 V/10 A，直流30 V/10 A，采用貼片光耦隔離，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)

設(shè)備底層驅(qū)動(dòng)采用platform平臺(tái)總線機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)設(shè)備所占用的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理。其中DS18B20、DHT11、步進(jìn)電機(jī)等外接傳感器采用混雜設(shè)備的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了9種設(shè)備的底層驅(qū)動(dòng)。

3.2 嵌入式WEB服務(wù)器

選用一些運(yùn)行占用內(nèi)存少并且能夠處理少量用戶(hù)請(qǐng)求的WEB服務(wù)器如boa。boa誕生于1991年，是開(kāi)源的，能耗很小，內(nèi)存占用非常少，是使用最多的嵌入式WEB服務(wù)器。廣泛應(yīng)用在嵌入式設(shè)備中，功能較為強(qiáng)大，支持CGI、HTTP認(rèn)證等，可以配置成SSL/HTTPS和IPv6，單任務(wù)程序處理快速，支持虛擬主機(jī)功能[9]。

CGI全稱(chēng)通用網(wǎng)關(guān)接口（Common Gateway Interface），它是運(yùn)行在服務(wù)器上的一段程序，提供同客戶(hù)端HTML頁(yè)面的接口，將網(wǎng)頁(yè)和WEB服務(wù)器中的執(zhí)行程序聯(lián)系起來(lái)，它把HTML接收的指令傳遞給服務(wù)器，再把服務(wù)器執(zhí)行的結(jié)果返還給HTML頁(yè)。

服務(wù)器和CGI程序之間是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞的，在此過(guò)程同時(shí)需要配合環(huán)境變量來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先服務(wù)器將URL指向一個(gè)應(yīng)用程序（這個(gè)應(yīng)用程序即CGI程序 *.cgi），然后服務(wù)器為應(yīng)用程序執(zhí)行做準(zhǔn)備，執(zhí)行應(yīng)用程序后讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入和相關(guān)環(huán)境變量的值，最后應(yīng)用程序進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)輸出[10]。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

軟件系統(tǒng)采用B/S模式即瀏覽器服務(wù)器模式，它是對(duì)C/S模式應(yīng)用的進(jìn)一步擴(kuò)展和改進(jìn)，主要包含三個(gè)部分：瀏覽器、WEB服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。本系統(tǒng)暫且沒(méi)有使用數(shù)據(jù)庫(kù)，B/S模式最大的特點(diǎn)就是操作簡(jiǎn)便，用戶(hù)的主要工作都是通過(guò)瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)。維護(hù)時(shí)也很方便，只需修改服務(wù)器端的頁(yè)面，所有用戶(hù)即可實(shí)現(xiàn)同步更新。具體軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件流程圖主要介紹了應(yīng)用層創(chuàng)建多線程并接收消息隊(duì)列后調(diào)用內(nèi)核各模塊驅(qū)動(dòng)的流程圖，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果與分析

通過(guò)瀏覽器登陸智能家居網(wǎng)關(guān)IP地址192.168.1.186可見(jiàn)到注冊(cè)登錄頁(yè)面，進(jìn)入系統(tǒng)控制主頁(yè)面，如圖5所示。

通過(guò)主頁(yè)面可以看到，智能家居系統(tǒng)的五大功能窗簾控制（curtain）、環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)（environment）、用電器控制（application）、燈光（light）、視頻監(jiān)控（camera）和安全監(jiān)控（safety），點(diǎn)擊相關(guān)按鈕可控制和獲取相應(yīng)信息。通過(guò)測(cè)試以上功能均正常工作。

本文根據(jù)智能家居系統(tǒng)的具體需求，選擇了合理的嵌入式硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，搭建了系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和環(huán)境，包括linux 3.5內(nèi)核的移植和編譯、根文件系統(tǒng)的搭建等工作，再根據(jù)系統(tǒng)外設(shè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了linux底層硬件的驅(qū)動(dòng)，最后設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和軟件框架，在嵌入式WEB服務(wù)器boa的平臺(tái)上，通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)CGI程序與應(yīng)用層進(jìn)行數(shù)據(jù)通信進(jìn)行視頻監(jiān)控和管理，最后還實(shí)現(xiàn)了在WEB界面上對(duì)窗簾、燈、防盜等設(shè)備的控制功能和獲取環(huán) 境信息的功能。

圖5 系統(tǒng)控制主頁(yè)面

5 結(jié)論

對(duì)搭建的智能家居系統(tǒng)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用多種智能傳感器及繼電器，實(shí)現(xiàn)了多種家用電器和設(shè)施的智能控制。借助基于Linux的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使得該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前狀態(tài)，監(jiān)控室內(nèi)狀況，且具有較低的待機(jī)功耗。由于合理的軟硬件結(jié)合，該系統(tǒng)體積小且便于安裝調(diào)試，具有性能強(qiáng)、靈活可擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)，因而有較強(qiáng)的應(yīng)用和推廣價(jià)值。