袁曉磊，彭 鋼，馬 瑞，張福東，李帥華，李劍鋒

（國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021）

家居的智能化技術(shù)［1－2］涉及到現(xiàn)代信息、網(wǎng)絡(luò)、通信、計(jì)算機(jī)、自動控制等多項(xiàng)技術(shù)［3－6］。以下提出的智能家居系統(tǒng)是以ARM－Linux嵌入式架構(gòu)為核心主機(jī)［7－9］，對下通過無線射頻網(wǎng)絡(luò)或RS485網(wǎng)絡(luò)與各家居子系統(tǒng)通信，實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和報(bào)警信息的采集；對上通過Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS短信接收來自用戶智能手機(jī)或平板電腦上運(yùn)行的終端軟件所發(fā)出的控制指令，上傳報(bào)警信息，從而全面實(shí)現(xiàn)智能家居的燈光控制、家電控制、情景模式、安防報(bào)警等各項(xiàng)功能。在軟件實(shí)現(xiàn)上，基于Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)在一個進(jìn)程中多個線程并發(fā)運(yùn)行，按照功能劃分的不同，每個線程實(shí)現(xiàn)一種特定功能；線程間通過全局變量數(shù)組傳遞信息，通過互斥（Mutex）保護(hù)共享數(shù)據(jù)的完整性，實(shí)現(xiàn)了軟件功能的模塊化以及軟件運(yùn)行的高效性和實(shí)時性。

1 系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

智能家居主機(jī)共使用了3個CPU，主CPU采用基于ARM核的AT91SAM9263，運(yùn)行Linux 2.6.3操作系統(tǒng)；2個從CPU都采用PIC16F1829。

主CPU具有片上的以太網(wǎng)控制器和多個異步串行口，通過以太網(wǎng)口接收來自Internet的用戶控制指令；通過串口COM1將用戶的控制指令發(fā)給設(shè)備控制從CPU，進(jìn)而通過射頻網(wǎng)絡(luò)（如433 MHz）將控制命令傳給各智能控制單元（智能插座、智能開關(guān)、智能電動窗簾、智能電動開窗器等）；通過串口COM2與安防系統(tǒng)的從CPU通信，以接收來自射頻網(wǎng)絡(luò)（如315 MHz）的安防報(bào)警信息（門磁、紅外、煙感、煤氣泄露等）；通過COM3口與GPRS模塊通信，向用戶手機(jī)發(fā)送安防報(bào)警短信或安防照相機(jī)拍照彩信，同時接收設(shè)備控制短信；通過COM4口與安防照相機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)短信召喚拍照功能。智能家居主機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能家居主機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

2 Linux控制進(jìn)程架構(gòu)

基于以上ARM主CPU架構(gòu)，在Linux多任務(wù)操作系統(tǒng)上開發(fā)了智能家居控制軟件進(jìn)程，采用多線程并發(fā)運(yùn)行方式，共創(chuàng)建了5個線程：主線程（起始線程／433 MHz射頻控制命令發(fā)送）、433 MHz射頻設(shè)備狀態(tài)接收線程、315 MHz射頻安防報(bào)警接收線程、UDP控制命令接收／設(shè)備狀態(tài)更新線程、安防報(bào)警／短信控制線程。各線程通過進(jìn)程中定義的int型全局?jǐn)?shù)組變量交換數(shù)據(jù)，數(shù)組劃分為3個不同的數(shù)據(jù)區(qū)：控制命令區(qū)、設(shè)備狀態(tài)區(qū)、安防報(bào)警狀態(tài)區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)控制命令的下傳和報(bào)警信息向用戶終端（智能手機(jī)或平板電腦）的上傳。Linux控制進(jìn)程多線程軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 Linux控制進(jìn)程多線程軟件架構(gòu)

3 系統(tǒng)功能及實(shí)現(xiàn)

3.1 主線程

主線程是初始線程，由它完成所有硬件的初始化（包括COM1、COM2、COM3、COM4 4個串行口設(shè)置，UDP Socket的設(shè)置）、共享全局變量的初始化（包括控制命令區(qū)、設(shè)備狀態(tài)區(qū)、安防報(bào)警狀態(tài)區(qū)），然后創(chuàng)建其它4個線程，最后進(jìn)入主循環(huán)，負(fù)責(zé)通過433 MHz無線射頻網(wǎng)絡(luò)向智能控制單元（如智能插座、智能開關(guān)、智能開窗通風(fēng)設(shè)備等）發(fā)送控制指令，其軟件控制流程如圖3所示。

3.2 433 MHz射頻設(shè)備狀態(tài)接收線程

設(shè)備狀態(tài)接收線程不斷監(jiān)視并讀取COM1口的串口輸入緩沖區(qū)，如果有正確的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行解析，并將各設(shè)備狀態(tài)（如燈的開關(guān)狀態(tài)、智能插座的通斷狀態(tài)等）存入共享全局變量數(shù)組的設(shè)備狀態(tài)區(qū)，供UDP狀態(tài)上報(bào)線程讀取并發(fā)往用戶終端。線程的軟件流程如圖4所示。

3.3 315 MHz射頻安防報(bào)警接收線程

安防報(bào)警狀態(tài)接收線程不斷監(jiān)視并讀取COM2口的串口輸入緩沖區(qū)，如果有正確的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行解析，并將各安防報(bào)警狀態(tài)（如門磁、紅外、煙感、燃?xì)庑孤兜龋┐嫒牍蚕砣肿兞繑?shù)組的安防報(bào)警狀態(tài)區(qū)，供UDP狀態(tài)上報(bào)線程讀取并發(fā)往用戶終端。線程的軟件流程如圖5所示。

圖3 主線程軟件控制流程

圖4 433 MHz射頻設(shè)備狀態(tài)接收線程軟件流程

3.4 UDP控制命令接收／設(shè)備狀態(tài)更新線程

UDP控制命令接收線程不斷監(jiān)視并讀取UDP Socket的輸入緩沖區(qū)，如果有正確的數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行解析，并將控制命令存入共享全局變量數(shù)組的控制命令區(qū)，供主線程讀取并通過433 MHz射頻對各類家居設(shè)備實(shí)施控制；另外，每隔固定間隔，通過UDP Socket寫入設(shè)備狀態(tài)幀，由遠(yuǎn)方智能終端接收后完成用戶界面設(shè)備狀態(tài)的更新。線程的軟件流程如圖6所示。

圖5 315 MHz射頻安防報(bào)警接收線程軟件流程

圖6 UDP控制命令接收／設(shè)備狀態(tài)更新線程軟件流程

3.5 安防報(bào)警／短信控制線程

安防報(bào)警／短信控制線程定時讀取共享全局變量數(shù)組的安防報(bào)警狀態(tài)區(qū)，并通過GPRS調(diào)制解調(diào)模塊SIM900短信發(fā)往用戶智能終端；同時，該線程也讀取來自用戶終端的短信命令，寫入公共內(nèi)存的命令區(qū)，供主線程讀取、執(zhí)行，如用戶命令為彩信拍照，則通過COM4口啟動安防照相機(jī)拍照，將圖像數(shù)據(jù)通過SIM900以彩信的方式發(fā)往用戶手機(jī)。線程的軟件流程如圖7所示。

圖7 安防報(bào)警／短信控制線程軟件流程

3.6 線程間共享數(shù)據(jù)保護(hù)

在控制進(jìn)程中，多個線程有可能并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù)區(qū)，為了保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，采用了互斥（Mutex）機(jī)制保證同時只能有一個線程對共享數(shù)據(jù)區(qū)進(jìn)行讀寫操作。

在進(jìn)程中使用了靜態(tài)分配的互斥量，其定義及初始化代碼如下：

在各線程中，訪問共享數(shù)據(jù)前，首先調(diào)用pthread＿mutex＿lock函數(shù)，對互斥量加鎖，然后再對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，訪問結(jié)束，調(diào)用pthread＿mutex＿unlock函數(shù)，對互斥量解鎖，其它線程才可對共享區(qū)訪問，保證數(shù)據(jù)的完整性。

共享區(qū)訪問代碼如下：

4 應(yīng)用情況及效果

該軟件結(jié)構(gòu)構(gòu)成的核心主機(jī)，配套相應(yīng)的智能家居外圍設(shè)備，已在石家莊某樓盤實(shí)施應(yīng)用。實(shí)施規(guī)模為60套房（2個單元，每個單元30套），每套房安裝智能開關(guān)、智能插座等433 MHz射頻控制設(shè)備和門磁、紅外、煙氣、煤氣等315 MHz射頻安防報(bào)警模塊，每戶安裝安防彩信照相機(jī)一部，每戶配主機(jī)一部，通過路由器接入Internet。

為了測試運(yùn)行效果，在主機(jī)上運(yùn)行了測試程序用于統(tǒng)計(jì)設(shè)備控制、短信報(bào)警、彩信報(bào)警的成功率（對于設(shè)備控制，收到被控設(shè)備反饋為成功，否則為失?。粚τ诎卜缊?bào)警，報(bào)警信息發(fā)出后收到用戶終端反饋為成功，否則為失?。?。經(jīng)過1年的運(yùn)行，合并各主機(jī)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得出數(shù)據(jù)如下：設(shè)備控制成功率＞99.5%；短信報(bào)警成功率＞99.6%；彩信報(bào)警成功率＞99.1%。

由此可見，智能家居系統(tǒng)在該小區(qū)實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，設(shè)備控制、安防報(bào)警成功率高于99%，設(shè)備運(yùn)行可靠。

5 結(jié)論

智能家居控制軟件基于ARM－Linux構(gòu)架，充分利用了操作系統(tǒng)的多任務(wù)能力，采用多線程并發(fā)運(yùn)行方式，充分利用了CPU硬件資源，軟件運(yùn)行效率更高，對用戶命令的響應(yīng)以及狀態(tài)更新更加實(shí)時。Mutex機(jī)制保證了線程間共享數(shù)據(jù)的完整性，系統(tǒng)軟件運(yùn)行穩(wěn)定可靠。與當(dāng)前智能家居、安防同類產(chǎn)品相比，該軟件構(gòu)架有以下優(yōu)點(diǎn)：

a.軟件構(gòu)架在開發(fā)階段采用了統(tǒng)一可復(fù)用結(jié)構(gòu)［10］，無縫融合了包括射頻網(wǎng)絡(luò)、串口網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)在內(nèi)的各種不同網(wǎng)絡(luò)；軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性強(qiáng)，不同線程負(fù)責(zé)不同功能，不同設(shè)備的通信代碼按相同標(biāo)準(zhǔn)編寫成庫函數(shù)，可重復(fù)調(diào)用，設(shè)備信息、狀態(tài)信息在公共內(nèi)存區(qū)以關(guān)系數(shù)據(jù)庫形式存在，為用戶終端的客戶端界面進(jìn)行自由設(shè)備組態(tài)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

b.基于多線程的并發(fā)運(yùn)行機(jī)制，使用一個SIM卡完成了短信報(bào)警、短信控制、彩信報(bào)警等多種功能，減少了電信資費(fèi)，為用戶提供了方便。

c.該軟件結(jié)構(gòu)在智能家居控制的實(shí)際應(yīng)用中，性能穩(wěn)定、功能可靠、擴(kuò)展性強(qiáng)。

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