基于嵌入式Web服务器的智能家居主控制系统

引言
    随着信息技术的发展，以PC为代表的计算机网络技术发展到一个更高阶段，以嵌入式智能设备为核心的后PC时代已经来临。ARM处理器以其性能高、成本低和功耗低的特点，广泛应用于嵌入式控制、消费，教育类多媒体、DSP和移动式应用等领域。随着生活质量的提高，人们对家庭智能化的需求越来越高。智能化正体现在人们生活的各个方面。其中家居的智能化正成为人们生活中追求的热点，而这里提出的基于嵌入式Web服务器的智能家居系统正好满足这一需求。

2 硬件设计
    智能家居系统设计需求是PC机遵循802．3和HPPTD等网络协议，通过网络访问主控制器的Web服务器，登录主控制器，通过电力线构成的家庭小型局域网络或串口，发送指令给从控制器进而控制家电，同时利用监控家电的传感器将家电状态返回至PC，如图1所示。该系统设计要求主控制器功耗低，占用空间小，可进行可视化操作。

2．1 控制器选择
    DSP数学信号处理器具有强大数据处理能力和高运行速度，但在音频、USB、SD卡等接口功能扩展较弱。而单片机系列的ARM920T具有5级指令流水线．处理速度为1．1 MHz，内置MMU(Memory Management Unit)、独立的16 KB数据Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)总线接口等功能。DSP和一般8位单片机相比，它具有更全面的通用功能，具有60个中断控制器，支持实时时钟(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、网卡接口等功能，还具有16／32位RISC体系结构和ARM指令集。因此该系统采用ARM公司的ARM920T作为主控制器。
    从控制器选用MSP430单片机，与89S51单片机相比，它具有RISC(精简指令集)，功耗低，支持16位内部总线，引入Flash型存储器和JTAG技术，编程开发非常方便。这里主要讲述主控制系统。
2．2 网卡接口设计
    该系统需要通过互联网或电力线进行网络通信，而Web服务器设计也必须通过网络收发数据，要求数据处理速度快。根据这些要求，该系统采用DAVICOM公司的DM9000AEP作为网卡的设计器件。该器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自动切换功能，支持802．3x全双工控制流标准，具有16 K字节的双字SRAM，可以减轻CPU的负担，因此使系统更稳定，处理和传输数据速度更快。
    RJ-45采用HanRun公司的可对信号滤波的HR911105A接口，这样可节约印刷板，并有效地减小电磁干扰。ARM920T与网卡DM9000AEP接口设计如图2所示。图中16根数据线相连；命令选择引脚CMD，为高电平时，选择数据端口，CMD为低电平时，选择地址通道；IOR#为读信号引脚；IOW#为写信号引脚；CS#片选信号与ARM920T的片选信号线nGCS3相连。

2．3 串口接口设计
    智能家居系统需要串口控制家电信息，并进行相应通信，而且调试系统同样需要串口。为满足要求，该系统采用Sipex的窄体SP3232串行通信器件。该器件支持满载120 Kb／s的最小传输速率，可在中断或DMA两种模式下工作，每个通道包含64 K字节的发送FIFO和接收FIFO。该器件最大特点就是采用电荷泵技术：由4只外接电容组成，采用4相电压转换技术，保持输出对称的5．5 V电压。即使输入电压VCC在3．0~5．5 V范围内，电荷泵仍可提供5．5 V稳定电压，这样可以保证系统稳定工作。有益于智能家居系统整体的良好运行。串口接口设计如图3所示。图3中TXD表示接收数据，RXD表示发送数据，RTS表示请求发送，CTS表示清除发送。当RTS请求发送数据时，需经CTS信号检测，只有CTS信号允许才能发送数据。

2．4 存储器设计
    完整操作系统的启动离不开引导程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作为NAND Flash，具有4 KB的内部缓冲区可作为引导肩动，系统启动后NAND Flash仍可作为外部存储器继续使用。Windows CE5．O引导加载程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000处开始执行。完成硬件初始化，建立系统的内存空间映射图，最终BootLoader把操作系统内核映像加载到RAM中；采用HY公司的两片HY57V561620CTP作为SDRAM，通过nGCS6连接到ARM920T引脚，起始地址为0x30038000．同时SDRAM还支持自动更新和掉电模式，保证系统稳定工作。
2．5 智能家居系统结构
    主控制器还包括触摸屏接口。触摸屏采用带有驱动电路的日立7寸屏，用于用户可视化操作。
    传感器信号线与ARM920T的中断引脚EINT8相连。当传感器信号到来时，通过中断引脚向ARM920T申请中断服务程序，并通过网络向用户报警。系统框图如图4所示。

3 软件设计
3．1 内核创建及裁剪
    Windows CE是一个开放的、可裁减的、32位的实时嵌入式窗口操作系统。因此要实现Web Server功能必须对内核裁剪。除了实现基本的WINCE 5．0功能外，还需要在定制内核时在Platform内添加DM9000网卡驱动，串口驱动，USB驱动，MFC，SDK(标准工具集)、HTFPD和SOAP协议等系统必备驱动和协议。Windows CE上Web Server的通信协议是HTTP协议，HTTP的消息机制是基于请求一应答模式。[!--empirenews.page--]
    HTTP协议工作原理：数据包经过网络传送到DM9000AEP的以太网控制器后，经系统内部控制器的TCP／IP堆栈对数据包进行解析，然后对其打包或解包，但这些数据包还必须经Web服务器处理。
3．2 Web服务器设计
    HTTPD服务器的工作流程如图5所示。系统采用HTTPD多线程并发服务器结构的设计思想，其工作特点是为每个客户机请求分配一个线程，即服务器在同时处理多人请求。由每个线程处理客户机的请求。在请求处理完毕后，子线程退出。服务器接收子线程的退出信号为其他的客户机请求分配资源。

    图5中，HTTPD服务器由main()函数开始，首先配置文件，设置用户ID函数和组ID函数，通过getopt(argc,argv，"s：f：p：u：g：")函数获取配置选项，读取配置。其中：s为standalone服务器运行方式；f为config_fie即配置文件；p为端口号，HTTPD默认端口号为80；u为用户ID即uid；g为组ID，即gid。
    然后判断是否工作在standalone．服务器运行方式上，如果是则运行standalone_main()函数，如果不是则访问process request()函数。
    如果服务器工作在standalone模式中，依据图5的工作流程，首先客户端与服务器建立链接，建立socket套接字。监听链接，设置uid和gid，如果服务器没接收到请求信息，继续监听；如果接收到请求信息，则创建子线程。子线程调用process_request()处理客户端请求，服务器继续监听链接，如果客户端请求信息，再创建子线程，调用process_request()处理客户端请求，如此多线程并发处理客户端请求。
    在process_request()函数中，首先初始化当前时间，然后读取并处理HTTP请求消息的方法Method字段，读取HTTP请求消息的URL字段。主要通过strcpy_nocrlf()，getparents()，translate_name()这3个函数对HTIP请求消息的URL字段进行解析，依据宏LDGGING决定是否打开日志。最后调用send_note()发送请求的文件给客户端。
3．3 Web服务器通信方案设计
    在WINCE系统上开发Web服务器，并通过Web服务器与串口设备进行通信的方案有ASP方案、CSP方案和Socket方案。综合比较，通用WINCE5．0系统不支持ASP控件；Socket主要是C／S方式的，需要安装客户端；而CSP方案在不要求美观的情况下，无需安装客户端就可访问系统。系统则采用该种方案。
    CSP方案就是将C语言编写的网络和串口通信程序嵌入到HTML当中，这也是嵌入式网络开发常用的方案。具体流程如下：
    (1)在定制内核的过程中需要将HTTPD服务器添加到Platform builder中，遵守HTTP的请求-应答规则。
    (2)编写CSP通信程序，通过PC机访问Windows CE的Web服务器，打开串口，执行串口控制或网络通信。直接将C语言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如实验结果所示。通信程序主要函数为建立链接函数SetupConnection()用于建立链接设置DCB初始参数；打开串口函数open_serial()判断是否打开设备串口、设置超时数值、缓冲区大小、创建监视线程等；读数据命令read_respond()用于异步读取缓冲区数据并显示；发送命令send command()用于给设备指令。控制指令powcontrol_command()用于控制电源开关；微调函数adjcontrol_command()用于小幅调节设备功能，如光线明暗，温度高低等；串口监控API函数WINAPICommWatchProc()用于串口缓冲区监控等。
    (3)编写好CSP通信文件后，用eyBuild开发包提供的CSP2BIN工具将CSP源文件生成C程序的源文件，再链接上eyBuild提供的CGI运行库，在VC6．0中编译就可生成在Windows CE平台运行的CGI程序。该系统生成的CGI为Intelligenthome．cgi。
    (4)将在＼website＼cgi-bin生成的Intelligenthome．cgi文件拷贝到Windows CE系统的＼windows＼www＼文件夹下面，连接PC机便可从PC机访问Windows CE系统，进而了解传感器信号，控制家电。
    该系统使用的数据库为SQLite。SQLite数据库存放家电的基本信息、参数值、状态信息以及传感器当前状态等，这些信息不但反映各种参数的历史状态，而且也是管理、决策的重要信息来源。

4 实验结果
    经过一段时间的开发与研究，该智能家居系统能够完成简单的指令与数据通信，并可将可控家电的信息保存在SQLite数据库中。

5 结束语
    利用S3C2440定制Windows CE系统实现智能家居的简单控制，综合运用了电子电路，Windows CE嵌入式系统，HTTP协议和CSP等技术。该系统可采用遵循802．11的远程无线来控制家电系统。