韓增錕

（燕山大學(xué) 教務(wù)處，河北 秦皇島 066004）

智能家居又稱為數(shù)字家庭[1-2]，一般是指以計(jì)算機(jī)接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，將各種家用數(shù)字化設(shè)備有機(jī)結(jié)合為一體的智能化的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這些家用數(shù)字化設(shè)備包括電話、計(jì)算機(jī)、數(shù)字化的視聽設(shè)備、數(shù)字化的家用電器及安全監(jiān)控設(shè)備等，通過有線或無線的方式將這些設(shè)備連接起來，為家庭用戶提供簡單、安全、可靠、智能化的綜合服務(wù)。本文以Web技術(shù)為核心，在基于S3C2440微處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)上構(gòu)建了Web服務(wù)器和視頻服務(wù)器，Web服務(wù)器采用 Boa，視頻服務(wù)器采用 Servfox，結(jié)合 CGI技術(shù)處理HTML表單，完成用戶認(rèn)證，門窗控制等家居監(jiān)控功能。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖。室內(nèi)部分主要包括家電控制、防盜報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控、防火報(bào)警等功能模塊，這些功能模塊通過Web服務(wù)器接入Internet網(wǎng)，用戶可通過計(jì)算機(jī)登錄因特網(wǎng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控室內(nèi)情況，同時(shí)室內(nèi)如檢測到火、盜等異常情況可通過Internet向用戶報(bào)警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)由YC2440-F開發(fā)板、網(wǎng)絡(luò)接口、門窗控制、照明設(shè)備、溫度傳感器、USB攝像頭等組成。YC2440-F開發(fā)板作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)信息的采集和處理，并控制各個(gè)模塊協(xié)調(diào)工作，如圖2所示。

控制核心采用YC2440-F開發(fā)板。該開發(fā)板是揚(yáng)創(chuàng)科技公司使用三星S3C2440處理器開發(fā)的ARM9開發(fā)板。YC2440-F開發(fā)板采用核心板+擴(kuò)展板的結(jié)構(gòu)。

門窗控制模塊可以讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制室內(nèi)門窗的開啟與關(guān)閉，如有人以非正常方式通過門窗進(jìn)入室內(nèi)，可向用戶報(bào)警。在實(shí)驗(yàn)中選用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)來模擬門窗控制，電機(jī)正轉(zhuǎn)表示門窗開啟，電機(jī)反轉(zhuǎn)表示門窗關(guān)閉，步進(jìn)電機(jī)如強(qiáng)行被破壞則報(bào)警。步進(jìn)電機(jī)通過集成芯片ULN2003驅(qū)動(dòng)，門窗控制電路如圖3所示。

照明控制模塊可以讓用戶通過互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程控制室內(nèi)照明系統(tǒng)的打開與關(guān)閉。在實(shí)驗(yàn)中使用4個(gè)發(fā)光二極管來模擬照明系統(tǒng)，圖4為照明控制模塊硬件電路圖。

溫度監(jiān)測模塊可以實(shí)時(shí)監(jiān)測室內(nèi)溫度，如果檢測到室內(nèi)溫度超過50℃則報(bào)警。溫度監(jiān)測電路采用DS18B20溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)。DS18B20使用1-Wire技術(shù)，具有線路簡單，精度高、體積小、低功耗等特點(diǎn)。硬件電路只需將DS18B20連接到通用I/O端口GPB0端即可。圖5為溫度監(jiān)測模塊電路。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以通過攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)控室內(nèi)情況，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)觀察室內(nèi)的情況。視頻監(jiān)控采用用普通USB攝像頭實(shí)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件組成

智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式Linux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序構(gòu)成[3-4]，如圖6所示。其中嵌入式Linux操作系統(tǒng)采用2.6版本的內(nèi)核。Web服務(wù)器使用 Boa，視頻服務(wù)器使用 Servfox5，這是兩款Linux下的開源軟件，將源碼進(jìn)行適當(dāng)修改就可以移植到嵌入式系統(tǒng)中。

3.2 驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)

用戶進(jìn)程是通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)文件控制硬件，對設(shè)備文件的操作方式就是系統(tǒng)調(diào)用，如 open、read、write、close等。編寫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的主要工作就是編寫子函數(shù)，并填充file_operations結(jié)構(gòu)體的各個(gè)域。步進(jìn)電機(jī)、LED和溫度傳感器DS18B20都是通過通用I/O控制的，做為字符型設(shè)備。USB攝像頭屬于USB設(shè)備。下面以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序?yàn)槔f明Linux驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程，具體步驟如下：

（1）編寫驅(qū)動(dòng)程序源代碼，將程序源文件 motor.c，添加到內(nèi)核的drivers/char目錄下。

（2）編輯 drivers/char目錄下的配置文件 Kconfig，添加如下內(nèi)容：config MOTOR tristate"Motor Driver"

（3）在char目 錄 下 打 開 Makefile， 添 加 obj-$（CONFIG_MOTOR）+=motor.o

（4）在內(nèi)核目錄下執(zhí)行 make menuconfig命令，進(jìn)行內(nèi)核配置：在DeviceDriver-CharacterDriver下將MOTOR選為M，模塊方式，退出保存設(shè)置。

（5）執(zhí)行命令 make modules，編譯驅(qū)動(dòng)模塊。在 char目錄下產(chǎn)生motor.ko的文件，即所需的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。通過NFS方式傳到開發(fā)板上。

（6）加載驅(qū)動(dòng)模塊，執(zhí)行 insmod motor.ko。

（7）建立文件節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行 mknod/dev/MOTOR_Driver c 228 0。

3.3 實(shí)現(xiàn)基于Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控

智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以通過Web服務(wù)器為用戶提供簡潔，美觀的操作界面。網(wǎng)絡(luò)控制部分包括登錄界面、用戶認(rèn)證、主界面、門窗控制、照明控制、溫度監(jiān)測及視頻監(jiān)控。

用戶認(rèn)證是通過CGI程序?qū)崿F(xiàn)的。首先在登錄界面中使用HTML語言添加表單：

用戶名：＜input type="text"name="user"＞＜br＞

密碼： ＜input type="password"name="pwd"＞＜br＞   

參數(shù)action指明處理該表單的CGI程序，此表單所填的內(nèi)容會(huì)通過Web服務(wù)器以name=value1&pwd=value2的方式傳給logon.cgi程序處理，該程序?qū)τ脩裘兔艽a進(jìn)行認(rèn)證。用戶認(rèn)證界面如圖7所示，門窗控制界面如圖8所示。使用表單在網(wǎng)頁中添加2個(gè)按鈕，分別控制門窗的打開和關(guān)閉。對應(yīng)的CGI程序調(diào)用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬門窗控制。

照明控制界面如圖9所示，在網(wǎng)頁中添加4個(gè)復(fù)選框，分別配有4個(gè)發(fā)光二極管。對應(yīng)的CGI程序調(diào)用LED的驅(qū)動(dòng)程序，控制發(fā)光二極管。溫度控制界面如圖10所示。CGI程序調(diào)用DS18B20的驅(qū)動(dòng)程序，讀取溫度傳感器的值，然后計(jì)算溫度，最后返回一個(gè)網(wǎng)頁顯示DS18B20的信息和溫度。視頻監(jiān)控界面如圖11所示，在網(wǎng)頁中添加Java插件，接收并顯示視頻服務(wù)器Servfox發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)。添加2個(gè)按鈕控制視頻服務(wù)器的打開與關(guān)閉。

以S3C2440微處理器為控制核心，完成了智能家居硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了嵌入式Linux操作系統(tǒng)在S3C2440微處理器平臺(tái)上的移植。編寫了步進(jìn)電機(jī)、發(fā)光二極管以及DS18B20溫度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序。完成了Web服務(wù)器Boa和視頻服務(wù)器Servfox的移植。使用HTML語言編寫靜態(tài)網(wǎng)頁，完成基于Web的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控部分的主體框架。使用CGI技術(shù)處理HTML表單，控制系統(tǒng)硬件，實(shí)現(xiàn)交互操作，完成用戶認(rèn)證、門窗控制、照明控制、溫度監(jiān)測、視頻監(jiān)控等功能。

[1]王瑩.家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].大連：大連理工大學(xué)，2007.

[2]曹晉輝.基于ARM的家庭安防網(wǎng)關(guān)平臺(tái)底層構(gòu)建[D].成都：電子科技大學(xué)，2007.

[3]封景剛，吳寶江.ARM嵌入式系統(tǒng)開發(fā)完全入門與主流實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]汪明虎，歐文盛.ARM嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)入門[M].北京：中國電力出版社，2008.

[5]戴麗.基于Video4Linux的USB攝像頭圖像采集實(shí)現(xiàn)[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2008.