基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居主控制系統(tǒng)

引言
    隨著信息技術(shù)的發(fā)展，以PC為代表的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更高階段，以嵌入式智能設(shè)備為核心的后PC時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于嵌入式控制、消費(fèi)，教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)家庭智能化的需求越來(lái)越高。智能化正體現(xiàn)在人們生活的各個(gè)方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點(diǎn)，而這里提出的基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統(tǒng)正好滿足這一需求。

2 硬件設(shè)計(jì)
    智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求是PC機(jī)遵循802．3和HPPTD等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)主控制器的Web服務(wù)器，登錄主控制器，通過(guò)電力線構(gòu)成的家庭小型局域網(wǎng)絡(luò)或串口，發(fā)送指令給從控制器進(jìn)而控制家電，同時(shí)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(shè)計(jì)要求主控制器功耗低，占用空間小，可進(jìn)行可視化操作。

2．1 控制器選擇
    DSP數(shù)學(xué)信號(hào)處理器具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴(kuò)展較弱。而單片機(jī)系列的ARM920T具有5級(jí)指令流水線．處理速度為1．1 MHz，內(nèi)置MMU(Memory Management Unit)、獨(dú)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(jī)相比，它具有更全面的通用功能，具有60個(gè)中斷控制器，支持實(shí)時(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)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(jī)，與89S51單片機(jī)相比，它具有RISC(精簡(jiǎn)指令集)，功耗低，支持16位內(nèi)部總線，引入Flash型存儲(chǔ)器和JTAG技術(shù)，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(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或電力線進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，而Web服務(wù)器設(shè)計(jì)也必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)器件。該器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自動(dòng)切換功能，支持802．3x全雙工控制流標(biāo)準(zhǔn)，具有16 K字節(jié)的雙字SRAM，可以減輕CPU的負(fù)擔(dān)，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(duì)信號(hào)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(shè)計(jì)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(shí)，選擇數(shù)據(jù)端口，CMD為低電平時(shí)，選擇地址通道；IOR#為讀信號(hào)引腳；IOW#為寫信號(hào)引腳；CS#片選信號(hào)與ARM920T的片選信號(hào)線nGCS3相連。

2．3 串口接口設(shè)計(jì)
    智能家居系統(tǒng)需要串口控制家電信息，并進(jìn)行相應(yīng)通信，而且調(diào)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(gè)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(diǎn)就是采用電荷泵技術(shù)：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)，保持輸出對(duì)稱的5．5 V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內(nèi)，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(yùn)行。串口接口設(shè)計(jì)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(qǐng)求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當(dāng)RTS請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需經(jīng)CTS信號(hào)檢測(cè)，只有CTS信號(hào)允許才能發(fā)送數(shù)據(jù)。

2．4 存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)
    完整操作系統(tǒng)的啟動(dòng)離不開引導(dǎo)程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4 KB的內(nèi)部緩沖區(qū)可作為引導(dǎo)肩動(dòng)，系統(tǒng)啟動(dòng)后NAND Flash仍可作為外部存儲(chǔ)器繼續(xù)使用。Windows CE5．O引導(dǎo)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(nèi)存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統(tǒng)內(nèi)核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過(guò)nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時(shí)SDRAM還支持自動(dòng)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(jié)構(gòu)
    主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅(qū)動(dòng)電路的日立7寸屏，用于用戶可視化操作。
    傳感器信號(hào)線與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當(dāng)傳感器信號(hào)到來(lái)時(shí)，通過(guò)中斷引腳向ARM920T申請(qǐng)中斷服務(wù)程序，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)向用戶報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 內(nèi)核創(chuàng)建及裁剪
    Windows CE是一個(gè)開放的、可裁減的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統(tǒng)。因此要實(shí)現(xiàn)Web Server功能必須對(duì)內(nèi)核裁剪。除了實(shí)現(xiàn)基本的WINCE 5．0功能外，還需要在定制內(nèi)核時(shí)在Platform內(nèi)添加DM9000網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，串口驅(qū)動(dòng)，USB驅(qū)動(dòng)，MFC，SDK(標(biāo)準(zhǔn)工具集)、HTFPD和SOAP協(xié)議等系統(tǒng)必備驅(qū)動(dòng)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(jī)制是基于請(qǐng)求一應(yīng)答模式。[!--empirenews.page--]
    HTTP協(xié)議工作原理：數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到DM9000AEP的以太網(wǎng)控制器后，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部控制器的TCP／IP堆棧對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析，然后對(duì)其打包或解包，但這些數(shù)據(jù)包還必須經(jīng)Web服務(wù)器處理。
3．2 Web服務(wù)器設(shè)計(jì)
    HTTPD服務(wù)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(wù)器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想，其工作特點(diǎn)是為每個(gè)客戶機(jī)請(qǐng)求分配一個(gè)線程，即服務(wù)器在同時(shí)處理多人請(qǐng)求。由每個(gè)線程處理客戶機(jī)的請(qǐng)求。在請(qǐng)求處理完畢后，子線程退出。服務(wù)器接收子線程的退出信號(hào)為其他的客戶機(jī)請(qǐng)求分配資源。

    圖5中，HTTPD服務(wù)器由main()函數(shù)開始，首先配置文件，設(shè)置用戶ID函數(shù)和組ID函數(shù)，通過(guò)getopt(argc,argv，"s：f：p：u：g：")函數(shù)獲取配置選項(xiàng)，讀取配置。其中：s為standalone服務(wù)器運(yùn)行方式；f為config_fie即配置文件；p為端口號(hào)，HTTPD默認(rèn)端口號(hào)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(wù)器運(yùn)行方式上，如果是則運(yùn)行standalone_main()函數(shù)，如果不是則訪問(wèn)process request()函數(shù)。
    如果服務(wù)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(wù)器建立鏈接，建立socket套接字。監(jiān)聽鏈接，設(shè)置uid和gid，如果服務(wù)器沒(méi)接收到請(qǐng)求信息，繼續(xù)監(jiān)聽；如果接收到請(qǐng)求信息，則創(chuàng)建子線程。子線程調(diào)用process_request()處理客戶端請(qǐng)求，服務(wù)器繼續(xù)監(jiān)聽鏈接，如果客戶端請(qǐng)求信息，再創(chuàng)建子線程，調(diào)用process_request()處理客戶端請(qǐng)求，如此多線程并發(fā)處理客戶端請(qǐng)求。
    在process_request()函數(shù)中，首先初始化當(dāng)前時(shí)間，然后讀取并處理HTTP請(qǐng)求消息的方法Method字段，讀取HTTP請(qǐng)求消息的URL字段。主要通過(guò)strcpy_nocrlf()，getparents()，translate_name()這3個(gè)函數(shù)對(duì)HTIP請(qǐng)求消息的URL字段進(jìn)行解析，依據(jù)宏LDGGING決定是否打開日志。最后調(diào)用send_note()發(fā)送請(qǐng)求的文件給客戶端。
3．3 Web服務(wù)器通信方案設(shè)計(jì)
    在WINCE系統(tǒng)上開發(fā)Web服務(wù)器，并通過(guò)Web服務(wù)器與串口設(shè)備進(jìn)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(wú)需安裝客戶端就可訪問(wèn)系統(tǒng)。系統(tǒng)則采用該種方案。
    CSP方案就是將C語(yǔ)言編寫的網(wǎng)絡(luò)和串口通信程序嵌入到HTML當(dāng)中，這也是嵌入式網(wǎng)絡(luò)開發(fā)常用的方案。具體流程如下：
    (1)在定制內(nèi)核的過(guò)程中需要將HTTPD服務(wù)器添加到Platform builder中，遵守HTTP的請(qǐng)求-應(yīng)答規(guī)則。
    (2)編寫CSP通信程序，通過(guò)PC機(jī)訪問(wèn)Windows CE的Web服務(wù)器，打開串口，執(zhí)行串口控制或網(wǎng)絡(luò)通信。直接將C語(yǔ)言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shè)置DCB初始參數(shù)；打開串口函數(shù)open_serial()判斷是否打開設(shè)備串口、設(shè)置超時(shí)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(shè)備指令?？刂浦噶頿owcontrol_command()用于控制電源開關(guān)；微調(diào)函數(shù)adjcontrol_command()用于小幅調(diào)節(jié)設(shè)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(yùn)行庫(kù)，在VC6．0中編譯就可生成在Windows CE平臺(tái)運(yùn)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(jī)便可從PC機(jī)訪問(wèn)Windows CE系統(tǒng)，進(jìn)而了解傳感器信號(hào)，控制家電。
    該系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)庫(kù)為SQLite。SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)存放家電的基本信息、參數(shù)值、狀態(tài)信息以及傳感器當(dāng)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(lái)源。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的開發(fā)與研究，該智能家居系統(tǒng)能夠完成簡(jiǎn)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(kù)中。

5 結(jié)束語(yǔ)
    利用S3C2440定制Windows CE系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能家居的簡(jiǎn)單控制，綜合運(yùn)用了電子電路，Windows CE嵌入式系統(tǒng)，HTTP協(xié)議和CSP等技術(shù)。該系統(tǒng)可采用遵循802．11的遠(yuǎn)程無(wú)線來(lái)控制家電系統(tǒng)。