基于Wi-Fi及Web控制的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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，并越來越被人們所關(guān)注。與此同時，人們對 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，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，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)

整個系統(tǒng)分為3個部分，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)控制的可移動性，也避免了布線的復(fù)雜性。

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)終端是整個智能家居系統(tǒng)的核心，是實(shí)現(xiàn)對受控終 端傳遞命令的樞紐，實(shí)現(xiàn)對控制終端命令的處理，對受控終 端信號的采集和發(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 400 MHz(內(nèi)核電壓為1.3 V時)。同時，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。

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、門禁以及電動窗簾。以電燈控制 為例，當(dāng)GPIO 口發(fā)出高電平信號時，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)出低電平信號時，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)的代碼信號發(fā)送給相應(yīng)的I/O 口，以此 實(shí)現(xiàn)紅外遙控對服務(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控制出錯的情況下，實(shí)現(xiàn)對外部電器的控制，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 室內(nèi)外情況的觀察，在配合門禁系統(tǒng)使用時起到了“貓眼”的 作用。同時，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 成本和移動操作的目的，同時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。

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、移植Nand驅(qū)動并更改分區(qū)、移植yaffs2、 DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動和USB驅(qū)動的移植等操作，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zlmage。最后將內(nèi)核鏡像燒寫到NAND FLASH當(dāng)中。

QT圖形界面應(yīng)用程序及其與驅(qū)動的關(guān)系

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

下面以GPIO 口驅(qū)動為例來進(jìn)行說明：

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；

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

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)動程 序，返回一個文件句柄庫，進(jìn)而返回給應(yīng)用程序；

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；

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

內(nèi)核的異常處理函數(shù)根據(jù)這些參數(shù)調(diào)用驅(qū)動程序的相 關(guān)函數(shù)，驅(qū)動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，以及相應(yīng)的應(yīng)用程序，均遵循 以上過程編寫，同時也在Linux系統(tǒng)中穩(wěn)定運(yùn)行。

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，shell腳本將應(yīng)用程序采集到的信號 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。

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 服務(wù)終端，在LCD上顯示如圖4所示內(nèi)容。此時USB攝像頭 已經(jīng)正常工作。

MJPG Streamer Version. ; 2. 0

i: Using V4L2 dev ice. . /dev/vi deoO

i; UesI red Res。Iut i on: 640 x 480

i: Frames Per Second. . 5

i: Format: YUV

i; JPEG Quality; 80

format asked unavailable get width 160 height 120

o: wnw folder-path... : . ,■ www/

o: HTTP TCP port: 8080

o. username.password. . disabled

o: conmands:enabled

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所對應(yīng)的值即為網(wǎng)頁傳遞給 shell腳本的值。

綜上所述，在軟件部分，智能家居的基本工作過程如下：

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；

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)對網(wǎng)頁提交的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

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

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

4系統(tǒng)測試

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)中房間號以及 開關(guān)按鈕即可實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)電燈的控制，同時，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信號關(guān)閉，模 擬Wi-Fi信號出問題的情況，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)了在意外情況下對服務(wù)終端的控 制，方便了生活。

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)了跨平臺間的簡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。

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