曹夢(mèng)龍，鄒云東

(青島科技大學(xué)自動(dòng)化與電子工程學(xué)院，山東青島 266042)

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們生活水平的提高，人們開始追求高質(zhì)量的生活方式，物聯(lián)網(wǎng)、智能家居開始成為人們研究的熱點(diǎn)。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)和傳感器技術(shù)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，使家居生活更加舒適和安全［1］。

家庭網(wǎng)關(guān)的主要功能是通過Internet或者GSM網(wǎng)絡(luò)等外網(wǎng)連接家庭本地網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制終端，使用戶可以通過外網(wǎng)對(duì)家庭本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)大多為基于PC的方案和基于單片機(jī)的方案?；赑C方案的網(wǎng)關(guān)不僅靈活性差，不能滿足人們對(duì)家居現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且成本較高，不便于智能家居的推廣。而以單片機(jī)為控制核心的家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，由于單片機(jī)軟件資源有限，給系統(tǒng)的升級(jí)、維護(hù)及調(diào)試帶來極大的困難［1］。參考文獻(xiàn)［2］，以 ARM Cortex－M3為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了基于μC/OS－Ⅱ的小型 TCP/IP 協(xié)議棧的網(wǎng)關(guān)［2］，實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)的鏈接。但是這種小型的TCP/IP協(xié)議棧傳輸功能有限，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸，不能完成視頻監(jiān)控等任務(wù)。μC/OS－Ⅱ操作系統(tǒng)是一個(gè)基于優(yōu)先級(jí)的實(shí)施操作系統(tǒng)，只支持多任務(wù)，而不支持多線程。而智能家居中需要多個(gè)節(jié)點(diǎn)的并行控制，因此需要多進(jìn)程的編程，所以它并不適合智能家居的控制。

綜合以上考慮，本文采用ARM9 S3C2440處理器作為硬件平臺(tái)，并移植Linux操作系統(tǒng)，然后在其上搭建boa Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)。

1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

智能家居系統(tǒng)一般分為本地控制終端、家庭本地網(wǎng)絡(luò)、家庭網(wǎng)關(guān)、遠(yuǎn)程控制終端四部分。家庭本地網(wǎng)絡(luò)中各終端節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)，經(jīng)網(wǎng)關(guān)處理后發(fā)送給外網(wǎng)。用戶可以通過智能手機(jī)、計(jì)算機(jī)等遠(yuǎn)程控制終端實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭本地網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控。

本文設(shè)計(jì)的智能家居網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中家庭網(wǎng)關(guān)包括控制器 S3C2440、DM9000AE網(wǎng)卡、SIM300手機(jī)模組?？刂破魇褂玫腟3C2440是三星公司開發(fā)的一款基于ARM920T內(nèi)核和0.13 μm CMOS工藝的32位RISC微處理器，最高主頻為400 MHz，低成本、低功耗，能夠滿足智能家居的控制要求。網(wǎng)卡是設(shè)備連接互聯(lián)網(wǎng)的必備芯片，本文選用的網(wǎng)卡為DM9000AE。SIM300手機(jī)模組將重要的報(bào)警信息，以短信的形式發(fā)送給用戶手機(jī)。用戶也可以通過發(fā)送短信控制家庭本地網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)設(shè)備，其與控制器通過串口相連。

圖1 智能家居硬件結(jié)構(gòu)

DM9000AE與S3C2440芯片的連接電路圖如圖2所示。DM9000AE是16位總線寬度，連接在 S3C2440的bank2上，DM9000AE的第32腳CMD用來指示當(dāng)前數(shù)據(jù)總線Index端口還是Data端口，地址線A1接到此引腳，以區(qū)分讀寫的是命令/地址還是數(shù)據(jù)。DM9000AE的Index端口的地址是0x10000000，Data端口的地址是0x10000002。驅(qū)動(dòng)程序中只以兩個(gè)物理地址訪問DM9000AE。網(wǎng)卡使用中斷EINT2。

圖2 DM9000與S3C2440連接電路圖

2 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

本文采用免費(fèi)、開源的Linux作為ARM9 S3C2440平臺(tái)的操作系統(tǒng)，它的內(nèi)核可裁剪，易于移植，占用資源小，并支持多進(jìn)程，能夠滿足本文網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，并適于智能家居系統(tǒng)的整體控制。本文的網(wǎng)關(guān)要實(shí)現(xiàn)的通信功能具體有兩個(gè):家庭本地網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)的通信;家庭本地網(wǎng)絡(luò)與GSM手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的通信。

2.1 Internet通信

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種通過瀏覽器瀏覽網(wǎng)頁進(jìn)行智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控的控制方法。這種B/S(瀏覽器/服務(wù)器)模式，省去了C/S(客戶端/服務(wù)器)模式中客戶端軟件的設(shè)計(jì)，節(jié)省了客戶端軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)和維護(hù)成本。同時(shí)與C/S模式相比，更方便用戶對(duì)家居進(jìn)行控制，用戶可以在任意能上網(wǎng)的計(jì)算機(jī)或者手機(jī)上對(duì)家居進(jìn)行監(jiān)控，而不需要安裝控制軟件。

如圖3所示，用戶通過計(jì)算機(jī)或者手機(jī)瀏覽器訪問相應(yīng)的HTML格式的網(wǎng)頁，通過Javascript腳本程序?qū)⒖刂泼顐鬟f給家庭內(nèi)網(wǎng)S3C2440芯片上運(yùn)行的boa服務(wù)器，boa服務(wù)器通過CGI程序?qū)彝?nèi)網(wǎng)中的各硬件設(shè)施進(jìn)行控制。

圖3 Internet通信原理

由于嵌入式設(shè)備的資源有限，并且不需要能同時(shí)處理很多用戶的請(qǐng)求，因此本文沒有選用Apache等大型的服務(wù)器，而是選擇了boa服務(wù)器。boa服務(wù)器占用資源很小，可執(zhí)行代碼只有約60 k，是一個(gè)專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的Web服務(wù)器。它能很好地支持CGI程序。boa的設(shè)計(jì)目標(biāo)是速度和安全，在服務(wù)器站點(diǎn)公布的性能測(cè)試中，boa的性能要好于Apache服務(wù)器。而且，boa服務(wù)器為開源的免費(fèi)軟件，更節(jié)省了成本。

本文設(shè)計(jì)中，網(wǎng)頁采用HTML語言編寫。HTML語言即超文本標(biāo)記語言，它通過標(biāo)記符號(hào)來標(biāo)記要顯示網(wǎng)頁中的各個(gè)部分，它的主要功能就是顯示。Javascript是HTML網(wǎng)頁中的腳本語言，它是一種基于對(duì)象和事件驅(qū)動(dòng)并具有相對(duì)安全性的客戶端腳本語言。CGI是“公共網(wǎng)關(guān)接口”(Common Gateway Interface)的簡(jiǎn)稱，它運(yùn)行在服務(wù)器上，是服務(wù)器與系統(tǒng)中其他程序的橋梁。服務(wù)器接收到瀏覽器的請(qǐng)求后，通過CGI程序獲得家庭本地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，再轉(zhuǎn)發(fā)給瀏覽器網(wǎng)頁或者對(duì)家居進(jìn)行控制。

本文設(shè)計(jì)中使用的Javascript腳本語言中的AJAX，即Javascript及XML?？梢栽诓恢匦录虞d整個(gè)網(wǎng)頁的情況下，對(duì)網(wǎng)頁的某部分進(jìn)行更新。但是編寫常規(guī)的AJAX代碼并不容易，因?yàn)椴煌臑g覽器對(duì)AJAX的實(shí)現(xiàn)并不相同。這意味必須編寫額外的代碼對(duì)瀏覽器進(jìn)行測(cè)試。為了解決這個(gè)問題，本文中使用了jQuery。jQuery是一個(gè)寫得少，但做得多的輕量級(jí)Javascript庫。

本設(shè)計(jì)中通過jQuery AJAX從家庭內(nèi)網(wǎng)獲得溫度的Javascript腳本程序如下:

2.2 GSM 通信

對(duì)于一些重要的報(bào)警信息(如防火報(bào)警、防盜報(bào)警)，只是通過Internet發(fā)送給用戶，用戶將不能及時(shí)地接收到報(bào)警信息。在部分場(chǎng)合，用戶不能或者不方便使用Internet上網(wǎng)，這時(shí)用戶將不能通過Internet對(duì)家居進(jìn)行監(jiān)控。因此本文設(shè)計(jì)加入了手機(jī)短信的監(jiān)控方式。當(dāng)家庭本地網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生報(bào)警信息時(shí)，可以通過手機(jī)模組向用戶手機(jī)發(fā)送報(bào)警短信。用戶也可以發(fā)送相應(yīng)的短信對(duì)家居進(jìn)行監(jiān)控。因?yàn)橹皇鞘褂昧耸謾C(jī)的短信功能，GSM網(wǎng)絡(luò)完全可以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)功能并且成本更低，因此本系統(tǒng)沒有選用3G或者4G網(wǎng)絡(luò)。

手機(jī)通信程序結(jié)構(gòu)如圖4所示。main主程序創(chuàng)建gprsThread進(jìn)程。經(jīng)手機(jī)模塊初始化和串口初始化后，進(jìn)程進(jìn)入while(1)循環(huán)，循環(huán)檢測(cè)紅外、煙霧報(bào)警信息和從串口讀取短信控制命令。當(dāng)檢測(cè)到報(bào)警信息后，通過串口給手機(jī)模組發(fā)送命令，給用戶發(fā)送報(bào)警信息。

圖4 手機(jī)通信程序結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)從串口中讀取到“+CMTI:"SM"，1”時(shí)，說明GPRS模塊收到了短信。這時(shí)給GPRS模塊發(fā)送短信讀取命令“AT+CMGR=1”。在串口中可以讀取到如下形式的數(shù)據(jù)“+CMGR:"REC UNREAD"，"+861515420＊＊＊＊"，"13104122，10:57:50+32"CONTROL_LAMP ON”。上述字符串中“CONTROL_LAMP ON”為控制命令，將電燈打開。通過處理上述字符串，將控制命令解析出來，即可控制家庭內(nèi)網(wǎng)中的電器。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將本系統(tǒng)通過固定 IP(211.64.219.＊＊＊)接入 Internet，在室溫16℃，濕度70%環(huán)境下測(cè)試。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)家庭本地網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)的通信。通過瀏覽器，能夠接收家庭本地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)信息，也可以向家庭本地網(wǎng)絡(luò)發(fā)送控制信息，實(shí)現(xiàn)家居的遠(yuǎn)程控制。用戶可以通過手機(jī)短信對(duì)家居進(jìn)行監(jiān)控。瀏覽器訪問的監(jiān)控網(wǎng)頁如圖5所示。通過網(wǎng)頁打開電燈和熱水器開關(guān)后，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電燈和熱水器的遠(yuǎn)程開關(guān)控制。獲取溫度16.5℃，濕度70.6%。發(fā)送的短信控制命令和控制結(jié)果如表2所示。

圖5 智能家居控制網(wǎng)頁(截圖)

表2 短信控制結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于Internet和GSM的智能家居網(wǎng)關(guān)，在S3C2440為控制器的硬件平臺(tái)上移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)，結(jié)合手機(jī)模組SIM300，實(shí)現(xiàn)了家庭內(nèi)網(wǎng)與Internet網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)的通信。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)成本低、性能高，在智能家居領(lǐng)域?qū)?huì)有很高的應(yīng)用價(jià)值。另外在酒店管理、醫(yī)療自動(dòng)化等需要局域網(wǎng)通信的領(lǐng)域也有很廣闊的應(yīng)用前景。

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