Linux平台智能家居的本地监控与远程监控

摘要：针对智能家居的应用需求和特点，对智能家居系统进行分析和研究，提出了一种智能家居系统的整体设计方案。以Cortex—A8为核心处理器，Linux嵌入式系统为智能家居控制系统，利用Android提供的各种资源建立智能家居远程控制软件，实现了家用电器的远程监控和本地监控相结合。
关键词：Linux智能家居；嵌入式系统；Android

引言
    随着社会电子信息化的不断发展，人们在家居中使用的电器也越来越多，由此带来的安全隐患也有了明显的增多。在这些电器中，一旦出现一些异常，便会给人们带来很大的损失。为了降低电器的不合理使用带来的异常情况，就要求在异常发生时用户能及时得到信息，并通过实时监控，采取一定的操作排除异常。因此，智能家居系统的作用是非常巨大的。
    在智能家居控制系统中，核心设备是家居智能控制终端。综合目前的研究现状，主要有以下几种方案：第一种是采用键盘、红外遥控器、触摸屏和LCD显示器等设备对家电进行控制。当前智能家居控制系统大都采用此种控制终端，使用此种方式需要分别对控制终端的软件与硬件进行设计，设计复杂，成本高。此外，使用此种控制终端只能进行本地控制，不能实现远程控制。第二种是采用家庭或者办公电脑作为智能家居控制系统的控制终端。使用这种控制方式的缺点是，只能用固定点对家居进行控制，控制终端不能移动，不够方便。第三种是采用手机作为控制终端，使用手机通过无线网络(WiFi、蓝牙、GSM等)对家居系统进行控制，可以真正做到方便、快捷、触手可及。但目前采用这种方式的智能家居系统还不是很多，而且大部分操作繁琐，没有良好的用户体验。
    本文解决了嵌入式智能家居系统、ZigBee无线通信、家居控制协议等相关技术难点，分析了各自的基本特点和所要实现的基本功能，并在此基础上提出了基于Linux平台的嵌入式智能家居系统的整体设计方案。

1 系统整体结构概述
    根据全面感知、可靠传递和智能处理的功能需求，可将智能家居系统划分为感知层(家电信息采集终端)、网络层(家庭网关)和应用层(包括PC机网页和手机客户端)3个部分，其整体框架结构如图1所示。

    其中，感知层的核心功能是实现数据的采集，主要通过各类传感器来完成数据的获取，最终将获取到的数据通过无线网络打包发送到网络层的家庭网关中。网络层需要实现一个基于嵌入式Web服务器的家庭网关，一方面，用来作为连接家庭内网与Internet外网的接口，实现家庭内网和Internet的数据通信功能；另一方面，用来统筹来自感知层的数据和来自应用层的命令。应用层则需要实现一个网页客户端和手机客户端界面，一方面用来加工处理来自服务器端的数据；另一方面，用来实现人机交互，通过客户端界面向服务器端发送控制命令。
1．1 硬件构成
    智能家居系统的硬件系统主要包括S5PC100平台(以下简称A8)、11C14平台(以下简称M0)和ZigBee模块3个部分。其中，S5PC100开发平台是基于三星公司Cortex—A8内核的S5PC100处理器设计而成的，支持多种格式的硬件编解码，如：MPEG-1／2／4、H．263／H．264等，该平台主要通过开发的系统软件实现对M0平台的控制。11C14平台基于LPC11C14微控制器(ARM Cortex—M0内核)，具有低功耗、低成本等优点。同时，该平台具有丰富的硬件资源，集成了传感器模块(包括三轴加速度传感器、光敏传感器、温度传感器、湿度传感器等)、RFID设备模块、ZigBee无线通信模块和OLED显示模块等。该平台主要用于模拟家庭中的信息采集和执行单元。ZigBee模块采用的是CEL公司的ZICM2410，带有USB转串口芯片，可以方便地连接PC机或其他带有USB主机接口的设备，实现组网通信。
1．2 软件环境
    (1)U—Boot移植
    U—Boot的功能是把内核放到DRAM(Dynamic Random Access Memory)中运行。网上下载的U—Boot对开发平台只有通用性代码，不支持和识别特定开发平台上的一些硬件和功能。因此，需要添加对这些硬件的识别、初始化及其相应功能的实现。
    U—Boot的移植过程可以分为两个阶段，其中，第一阶段主要完成基本的硬件设备初始化，准备RAM(Randtom Access Memory，随机存储器)空间加载第二阶段代码，复制第二阶段代码到RAM中，设置堆栈指针SP，跳转到第二阶段代码的C入口点；第二阶段主要完成汇编语言跳转到main()入口函数，初始化本阶段将要使用的硬件设备，检测系统的内存映射，加载内核映像文件和根文件系统映像文件，设置内核启动参数和调用内核。
    (2)Linux内核移植
    Linux内核是一种源码开放的操作系统，采用模块化的设计。在此只保留了必需的功能模块，删除了冗余的功能模块，并对内核重新编译，从而使系统运行所需的硬件资源显著减少。本设计中内核的移植主要包括：网卡驱动的添加、NAND Flash驱动的添加、添加对YAFFS2文件系统的支持、添加USB设备驱动、添加LCD设备驱动、添加SD卡设备驱动。
    (3)根文件系统制作
    如果没有根文件系统，其他的文件系统就不能进行加载。根文件系统包括Linux启动时所必须的目录和关键性文件，以及使其他文件系统得以挂载的必要文件。制作根文件系统主要包括：添加内核菜单选项、建立目录结构、添加命令程序、拷贝C库、编写系统启动文件、配置主机的NFS。

2 系统功能模块设计
    本系统是在A8、M0及PC等设备的基础上，基于互联网、物联网、传感器等技术并结合物联网新型概念设计的，使用户能够对家庭内部情况进行实时地掌握和控制。本系统主要由前端数据中心(A8)、远程监控终端(M0)和服务器端(PC)组成。
    首先，数据接收模块接收M0通过ZigBee传输上来的实时环境参数(如温度、湿度、光感数据等)，并通过接收端的ZigBee经USB转串口操作，把采集到的环境参数发送给A8，由M0的接收请求线程从串口读取消息，并交给数据处理模块。数据处理模块解码接收到信息后，激活数据库线程以保存数据，激活内存数据刷新线程以更新实时环境信息，并对环境参数进行判断处理，决定是否进行报警。另外，在构建的嵌入式Web服务器上，用户可以通过网络，利用PC机对家居信息进行监控；通过Web页面上的控制按钮，监控设备可以识别出用户指令并进行相应的动作。系统各模块进程间关系如图2所示。

3 关键算法设计
3．1 视频流服务器设计
    该服务器主要用于将摄像头采集的视频或者图片显示到网页和LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)上，这里采用MJPG—stream er作为视频流服务器。MIPG—streamer采用的是V4L2(Video 4 Linux 2)接口，可以通过文件或者是HTTP的方式访问Linux UVC兼容摄像头。视频流服务器将摄像头捕获的图像存入global buffer缓冲区，当客户端有访问请求时，服务器便将global buffer缓冲区中的图像数据连续地发送给客户端。该程序中的server_pthread函数使用多线程技术，为每一个连接请求的客户端创建一个线程。该线程独立地与客户端进行通信，发送图像数据。
    此外，MJPG—steamer还用来从网络摄像头采集图像，并将它们以流的形式通过基于IP的网络传输到浏览器的网页上。由于MJPG—steam er可以通过利用网络摄像机的硬件压缩功能来降低服务器CPU的开销，而无需为视频帧压缩浪费大量的资源，因此它为嵌入式设备和一些常规服务器提供了一个轻量级且较少CPU消耗的方案。MJPG—steamer功能强大，但为了符合本项目的需要，仍需对其进行修改，添加我们想要实现的功能。在本设计中，需要向MJPG—steamer视频流服务器的添加LCD输出插件，其代码如下：
   
   
3．2 家电物联网服务器设计
    该服务器主要负责为网页提供家电的实时状态信息，同时也为Android手机客户端提供服务，让Android手机客户端具有实时显示和远程控制家电的能力，其关系如图3所示。

    在网页上显示信息主要是通过．xml文件实现的。首先，网页通过BOA服务器，调用CGI(Common Gateway Interface，通用网关接口)程序控制网页线程，并发送命令给单板。然后，单板将采集到的数据发送给家电物联网服务器，服务器通过向．xml文件中写入采集到的数据，实现网页的实时信息动态显示。当网页客户端在浏览器中发送请求(如设置报警温度等)时，BOA服务器会调用CGI接口解码，区分提交过来的信息，然后把这个信息发送到单板，实现对单板的控制。Android手机客户端与家电物联网服务器的通信则主要是通过套接字进行的。
3．3 Android客户端软件设计
    Android是一个专门为移动电话而设计的开放源码的操作系统，它将开辟新的应用，使家居智能化运用于普通家庭。Android客户端控制系统采用模块化的设计思想，主要包括应用层UI(User Interface，用户界面)、JNI(Java Native Interface，Java本地接口)、HAL(Hardwa re Abstraction Layer，硬件抽象层)和底层驱动等的设计。Android应用程序由一个或多个组件构成，组件包括activity、service等，每个组件在应用程序中完成不同的任务，可以被单独激活，也可以由其他应用程序激活，其具体流程如图4所示。

    其中，HAL层包括LED灯、蜂鸣器和按键等设备，主要用于实现供JNI调用的接口。在函数实现中，HAL利用底层驱动提供的接口(即ioctl)来控制寄存器，实现对设备的控制操作。JNI层通过封装将Framework层调用的接口关联到JNI层，每个设备都有自己唯一的设备ID。应用层UI显示来自M0的模拟量，主要用于管理A8上各种设备的工作情况，可以实现LED控制、按键检测、蜂鸣器控制、A／D转换、温度传感器的数据读取和方向传感器模拟值的处理等功能，其控制程序客户端主界面如图5所示。图中，上侧为项目菜单栏，通过不同项目菜单下的信息和控制按钮，可以实现对家居设备的远程实时监控；中间部分是对不同设备的控制开关，通过这些开关可以实现对警报灯、电风扇和蜂鸣器等设备的控制，并可以根据需要对报警温度值进行设置；最后，通过对下侧不同测量点的选择，可以实现对不同位置房间的监控。

结语
    将设计的Android手机客户端软件安装后，经反复测试，手机可以通过无线网络实现对家居设备的控制。同时，也可以通过Internet远程监控网页实现对家居设备的控制。通过本系统，可以实现对家居设备的集中管理和控制，随时随地掌控家中的状态，得到家中的最新状况。
    此控制系统采用当前较新的控制方式——远程监控网页和智能手机软件控制，与其他终端控制方式相比优势明显。同时，设计开发的手机软件具有通用性强、易于移植、市场应用价值高、易于推广等特点。本系统的设计不仅涵盖了Linux系统开发的软硬件技术，同时也包含了嵌入式产品设计的各种综合素质和多项技能，具有一定的实用价值。