基于嵌入式Web服務器的智能家居主控制系統(tǒng)

引言
    隨著信息技術的發(fā)展，以PC為代表的計算機網(wǎng)絡技術發(fā)展到一個更高階段，以嵌入式智能設備為核心的后PC時代已經(jīng)來臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點，廣泛應用于嵌入式控制、消費，教育類多媒體、DSP和移動式應用等領域。隨著生活質量的提高，人們對家庭智能化的需求越來越高。智能化正體現(xiàn)在人們生活的各個方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點，而這里提出的基于嵌入式Web服務器的智能家居系統(tǒng)正好滿足這一需求。

2 硬件設計
    智能家居系統(tǒng)設計需求是PC機遵循802．3和HPPTD等網(wǎng)絡協(xié)議，通過網(wǎng)絡訪問主控制器的Web服務器，登錄主控制器，通過電力線構成的家庭小型局域網(wǎng)絡或串口，發(fā)送指令給從控制器進而控制家電，同時利用監(jiān)控家電的傳感器將家電狀態(tài)返回至PC，如圖1所示。該系統(tǒng)設計要求主控制器功耗低，占用空間小，可進行可視化操作。

2．1 控制器選擇
    DSP數(shù)學信號處理器具有強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴展較弱。而單片機系列的ARM920T具有5級指令流水線．處理速度為1．1 MHz，內置MMU(Memory Management Unit)、獨立的16 KB數(shù)據(jù)Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)總線接口等功能。DSP和一般8位單片機相比，它具有更全面的通用功能，具有60個中斷控制器，支持實時時鐘(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、網(wǎng)卡接口等功能，還具有16／32位RISC體系結構和ARM指令集。因此該系統(tǒng)采用ARM公司的ARM920T作為主控制器。
    從控制器選用MSP430單片機，與89S51單片機相比，它具有RISC(精簡指令集)，功耗低，支持16位內部總線，引入Flash型存儲器和JTAG技術，編程開發(fā)非常方便。這里主要講述主控制系統(tǒng)。
2．2 網(wǎng)卡接口設計
    該系統(tǒng)需要通過互聯(lián)網(wǎng)或電力線進行網(wǎng)絡通信，而Web服務器設計也必須通過網(wǎng)絡收發(fā)數(shù)據(jù)，要求數(shù)據(jù)處理速度快。根據(jù)這些要求，該系統(tǒng)采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網(wǎng)卡的設計器件。該器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自動切換功能，支持802．3x全雙工控制流標準，具有16 K字節(jié)的雙字SRAM，可以減輕CPU的負擔，因此使系統(tǒng)更穩(wěn)定，處理和傳輸數(shù)據(jù)速度更快。
    RJ-45采用HanRun公司的可對信號濾波的HR911105A接口，這樣可節(jié)約印刷板，并有效地減小電磁干擾。ARM920T與網(wǎng)卡DM9000AEP接口設計如圖2所示。圖中16根數(shù)據(jù)線相連；命令選擇引腳CMD，為高電平時，選擇數(shù)據(jù)端口，CMD為低電平時，選擇地址通道；IOR#為讀信號引腳；IOW#為寫信號引腳；CS#片選信號與ARM920T的片選信號線nGCS3相連。

2．3 串口接口設計
    智能家居系統(tǒng)需要串口控制家電信息，并進行相應通信，而且調試系統(tǒng)同樣需要串口。為滿足要求，該系統(tǒng)采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿載120 Kb／s的最小傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個通道包含64 K字節(jié)的發(fā)送FIFO和接收FIFO。該器件最大特點就是采用電荷泵技術：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉換技術，保持輸出對稱的5．5 V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內，電荷泵仍可提供5．5 V穩(wěn)定電壓，這樣可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。有益于智能家居系統(tǒng)整體的良好運行。串口接口設計如圖3所示。圖3中TXD表示接收數(shù)據(jù)，RXD表示發(fā)送數(shù)據(jù)，RTS表示請求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當RTS請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，需經(jīng)CTS信號檢測，只有CTS信號允許才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

2．4 存儲器設計
    完整操作系統(tǒng)的啟動離不開引導程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4 KB的內部緩沖區(qū)可作為引導肩動，系統(tǒng)啟動后NAND Flash仍可作為外部存儲器繼續(xù)使用。Windows CE5．O引導加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開始執(zhí)行。完成硬件初始化，建立系統(tǒng)的內存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統(tǒng)內核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時SDRAM還支持自動更新和掉電模式，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
2．5 智能家居系統(tǒng)結構
    主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅動電路的日立7寸屏，用于用戶可視化操作。
    傳感器信號線與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當傳感器信號到來時，通過中斷引腳向ARM920T申請中斷服務程序，并通過網(wǎng)絡向用戶報警。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3 軟件設計
3．1 內核創(chuàng)建及裁剪
    Windows CE是一個開放的、可裁減的、32位的實時嵌入式窗口操作系統(tǒng)。因此要實現(xiàn)Web Server功能必須對內核裁剪。除了實現(xiàn)基本的WINCE 5．0功能外，還需要在定制內核時在Platform內添加DM9000網(wǎng)卡驅動，串口驅動，USB驅動，MFC，SDK(標準工具集)、HTFPD和SOAP協(xié)議等系統(tǒng)必備驅動和協(xié)議。Windows CE上Web Server的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，HTTP的消息機制是基于請求一應答模式。[!--empirenews.page--]
    HTTP協(xié)議工作原理：數(shù)據(jù)包經(jīng)過網(wǎng)絡傳送到DM9000AEP的以太網(wǎng)控制器后，經(jīng)系統(tǒng)內部控制器的TCP／IP堆棧對數(shù)據(jù)包進行解析，然后對其打包或解包，但這些數(shù)據(jù)包還必須經(jīng)Web服務器處理。
3．2 Web服務器設計
    HTTPD服務器的工作流程如圖5所示。系統(tǒng)采用HTTPD多線程并發(fā)服務器結構的設計思想，其工作特點是為每個客戶機請求分配一個線程，即服務器在同時處理多人請求。由每個線程處理客戶機的請求。在請求處理完畢后，子線程退出。服務器接收子線程的退出信號為其他的客戶機請求分配資源。

    圖5中，HTTPD服務器由main()函數(shù)開始，首先配置文件，設置用戶ID函數(shù)和組ID函數(shù)，通過getopt(argc,argv，"s：f：p：u：g：")函數(shù)獲取配置選項，讀取配置。其中：s為standalone服務器運行方式；f為config_fie即配置文件；p為端口號，HTTPD默認端口號為80；u為用戶ID即uid；g為組ID，即gid。
    然后判斷是否工作在standalone．服務器運行方式上，如果是則運行standalone_main()函數(shù)，如果不是則訪問process request()函數(shù)。
    如果服務器工作在standalone模式中，依據(jù)圖5的工作流程，首先客戶端與服務器建立鏈接，建立socket套接字。監(jiān)聽鏈接，設置uid和gid，如果服務器沒接收到請求信息，繼續(xù)監(jiān)聽；如果接收到請求信息，則創(chuàng)建子線程。子線程調用process_request()處理客戶端請求，服務器繼續(xù)監(jiān)聽鏈接，如果客戶端請求信息，再創(chuàng)建子線程，調用process_request()處理客戶端請求，如此多線程并發(fā)處理客戶端請求。
    在process_request()函數(shù)中，首先初始化當前時間，然后讀取并處理HTTP請求消息的方法Method字段，讀取HTTP請求消息的URL字段。主要通過strcpy_nocrlf()，getparents()，translate_name()這3個函數(shù)對HTIP請求消息的URL字段進行解析，依據(jù)宏LDGGING決定是否打開日志。最后調用send_note()發(fā)送請求的文件給客戶端。
3．3 Web服務器通信方案設計
    在WINCE系統(tǒng)上開發(fā)Web服務器，并通過Web服務器與串口設備進行通信的方案有ASP方案、CSP方案和Socket方案。綜合比較，通用WINCE5．0系統(tǒng)不支持ASP控件；Socket主要是C／S方式的，需要安裝客戶端；而CSP方案在不要求美觀的情況下，無需安裝客戶端就可訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)則采用該種方案。
    CSP方案就是將C語言編寫的網(wǎng)絡和串口通信程序嵌入到HTML當中，這也是嵌入式網(wǎng)絡開發(fā)常用的方案。具體流程如下：
    (1)在定制內核的過程中需要將HTTPD服務器添加到Platform builder中，遵守HTTP的請求-應答規(guī)則。
    (2)編寫CSP通信程序，通過PC機訪問Windows CE的Web服務器，打開串口，執(zhí)行串口控制或網(wǎng)絡通信。直接將C語言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如實驗結果所示。通信程序主要函數(shù)為建立鏈接函數(shù)SetupConnection()用于建立鏈接設置DCB初始參數(shù)；打開串口函數(shù)open_serial()判斷是否打開設備串口、設置超時數(shù)值、緩沖區(qū)大小、創(chuàng)建監(jiān)視線程等；讀數(shù)據(jù)命令read_respond()用于異步讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)并顯示；發(fā)送命令send command()用于給設備指令?？刂浦噶頿owcontrol_command()用于控制電源開關；微調函數(shù)adjcontrol_command()用于小幅調節(jié)設備功能，如光線明暗，溫度高低等；串口監(jiān)控API函數(shù)WINAPICommWatchProc()用于串口緩沖區(qū)監(jiān)控等。
    (3)編寫好CSP通信文件后，用eyBuild開發(fā)包提供的CSP2BIN工具將CSP源文件生成C程序的源文件，再鏈接上eyBuild提供的CGI運行庫，在VC6．0中編譯就可生成在Windows CE平臺運行的CGI程序。該系統(tǒng)生成的CGI為Intelligenthome．cgi。
    (4)將在＼website＼cgi-bin生成的Intelligenthome．cgi文件拷貝到Windows CE系統(tǒng)的＼windows＼www＼文件夾下面，連接PC機便可從PC機訪問Windows CE系統(tǒng)，進而了解傳感器信號，控制家電。
    該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫為SQLite。SQLite數(shù)據(jù)庫存放家電的基本信息、參數(shù)值、狀態(tài)信息以及傳感器當前狀態(tài)等，這些信息不但反映各種參數(shù)的歷史狀態(tài)，而且也是管理、決策的重要信息來源。

4 實驗結果
    經(jīng)過一段時間的開發(fā)與研究，該智能家居系統(tǒng)能夠完成簡單的指令與數(shù)據(jù)通信，并可將可控家電的信息保存在SQLite數(shù)據(jù)庫中。

5 結束語
    利用S3C2440定制Windows CE系統(tǒng)實現(xiàn)智能家居的簡單控制，綜合運用了電子電路，Windows CE嵌入式系統(tǒng)，HTTP協(xié)議和CSP等技術。該系統(tǒng)可采用遵循802．11的遠程無線來控制家電系統(tǒng)。