一種智能家居遠程監控系統的解決方案

　　以智能家居遠程監控系統為例，設計了一種以Web 技術(shù)為核心的遠程監控系統解決方案， 并實(shí)施建立在基于S3C2440 微處理器和嵌入式Linux 操作系統的軟硬件平臺上。在嵌入式Linux操作系統中構建了Web 服務(wù)器和視頻服務(wù)器。在此基礎上使用CGI 技術(shù)處理HTML 表單，控制系統硬件，實(shí)現交互操作，完成用戶(hù)認證、門(mén)窗控制、照明控制、溫度監測、視頻監控等功能。遠程用戶(hù)可以通過(guò)IE瀏覽器進(jìn)行實(shí)時(shí)監視，并對監測系統設備實(shí)現管理。

　　智能家居又稱(chēng)為數字家庭， 一般是指以計算機接口技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)為基礎， 將各種家用數字化設備有機結合為一體的智能化的網(wǎng)絡(luò )系統。這些家用數字化設備包括電話(huà)、計算機、數字化的視聽(tīng)設備、數字化的家用電器及安全監控設備等， 通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)的方式將這些設備連接起來(lái)， 為家庭用戶(hù)提供簡(jiǎn)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 操作系統的軟硬件平臺上構建了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, 結合CGI 技術(shù)處理HTML 表單， 完成用戶(hù)認證， 門(mén)窗控制等家居監控功能。

　　1 系統總體結構設計

　　圖1 為智能家居遠程監控系統的總體結構圖。室內部分主要包括家電控制、防盜報警、遠程監控、防火報警等功能模塊， 這些功能模塊通過(guò)Web 服務(wù)器接入Internet 網(wǎng)， 用戶(hù)可通過(guò)計算機登錄因特網(wǎng)， 遠程監控室內情況， 同時(shí)室內如檢測到火、盜等異常情況可通過(guò)Internet 向用戶(hù)報警。

　　2 系統硬件設計

　　智能家居遠程監控系統的硬件系統由YC2440-F 開(kāi)發(fā)板、網(wǎng)絡(luò )接口、門(mén)窗控制、照明設備、溫度傳感器、USB攝像頭等組成。YC2440-F 開(kāi)發(fā)板作為整個(gè)系統的控制核心， 負責信息的采集和處理， 并控制各個(gè)模塊協(xié)調工作， 如圖2 所示。

　　控制核心采用YC2440-F 開(kāi)發(fā)板。該開(kāi)發(fā)板是使用三星S3C2440 處理器開(kāi)發(fā)的ARM9 開(kāi)發(fā)板。YC2440-F 開(kāi)發(fā)板采用核心板+擴展板的結構。

　　門(mén)窗控制模塊可以讓用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠程控制室內門(mén)窗的開(kāi)啟與關(guān)閉， 如有人以非正常方式通過(guò)門(mén)窗進(jìn)入室內， 可向用戶(hù)報警。在實(shí)驗中選用一個(gè)步進(jìn)電機來(lái)模擬門(mén)窗控制， 電機正轉表示門(mén)窗開(kāi)啟， 電機反轉表示門(mén)窗關(guān)閉， 步進(jìn)電機如強行被破壞則報警。步進(jìn)電機通過(guò)集成芯片ULN2003 驅動(dòng)，門(mén)窗控制電路如圖3 所示。

　　照明控制模塊可以讓用戶(hù)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)遠程控制室內照明系統的打開(kāi)與關(guān)閉。在實(shí)驗中使用4 個(gè)發(fā)光二極管來(lái)模擬照明系統， 圖4 為照明控制模塊硬件電路圖。

　　溫度監測模塊可以實(shí)時(shí)監測室內溫度， 如果檢測到室內溫度超過(guò)50℃則報警。溫度監測電路采用DS18B20溫度傳感器來(lái)實(shí)現。DS18B20 使用1-Wire 技術(shù)， 具有線(xiàn)路簡(jiǎn)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 為溫度監測模塊電路。視頻監控系統可以通過(guò)攝像頭實(shí)時(shí)監控室內情況， 用戶(hù)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)隨時(shí)觀(guān)察室內的情況。視頻監控采用用普通USB 攝像頭實(shí)現。

　　3 系統的軟件設計

　　3.1 智能家居遠程監控系統的軟件組成

　　智能家居遠程監控系統的軟件系統由設備驅動(dòng)程序、嵌入式Linux 操作系統和應用程序構成，如圖6所示。其中嵌入式Linux 操作系統采用2.6 版本的內核。

　　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(kāi)源軟件， 將源碼進(jìn)行適當修改就可以移植到嵌入式系統中。

　　3.2 驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)

　　用戶(hù)進(jìn)程是通過(guò)設備驅動(dòng)文件控制硬件， 對設備文件的操作方式就是系統調用， 如open 、read 、write 、close等。編寫(xiě)設備驅動(dòng)程序的主要工作就是編寫(xiě)子函數，并填充file_operations 結構體的各個(gè)域。步進(jìn)電機、LED 和溫度傳感器DS18B20 都是通過(guò)通用I/O 控制的，做為字符型設備。USB 攝像頭屬于USB 設備。下面以步進(jìn)電機驅動(dòng)程序為例說(shuō)明Linux 驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)過(guò)程，具體步驟如下：

　　(1 ) 編寫(xiě)驅動(dòng)程序源代碼， 將程序源文件motor.c , 添加到內核的drivers/char 目錄下。

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

　　(3 ) 在char 目錄下打開(kāi)Makefile , 添加obj -$ (CONFIG_MOTOR)+=motor.o

　　(4 ) 在內核目錄下執行make menuconfig 命令， 進(jìn)行內核配置： 在Device Driver -Character Driver 下將MOTOR 選為M, 模塊方式， 退出保存設置。

　　(5 ) 執行命令make modules , 編譯驅動(dòng)模塊。在char目錄下產(chǎn)生motor.ko 的文件， 即所需的步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊。通過(guò)NFS 方式傳到開(kāi)發(fā)板上。

　　(6) 加載驅動(dòng)模塊， 執行insmod motor.ko .

　　(7 ) 建立文件節點(diǎn)， 執行mknod/dev/MOTOR_Driver c228 0 .

　　3.3 實(shí)現基于Web 的遠程監控

　　智能家居遠程監控系統可以通過(guò)Web 服務(wù)器為用戶(hù)提供簡(jiǎn)潔， 美觀(guān)的操作界面。網(wǎng)絡(luò )控制部分包括登錄界面、用戶(hù)認證、主界面、門(mén)窗控制、照明控制、溫度監測及視頻監控。

　　用戶(hù)認證是通過(guò)CGI 程序實(shí)現的。首先在登錄界面中使用HTML 語(yǔ)言添加表單：

　　用戶(hù)名：

　　密碼：

　　參數action 指明處理該表單的CGI 程序， 此表單所填的內容會(huì )通過(guò)Web 服務(wù)器以name=value1&pwd=value2的方式傳給logon.cgi 程序處理， 該程序對用戶(hù)名和密碼進(jìn)行認證。用戶(hù)認證界面如圖7 所示， 門(mén)窗控制界面如圖8 所示。使用表單在網(wǎng)頁(yè)中添加2 個(gè)按鈕， 分別控制門(mén)窗的打開(kāi)和關(guān)閉。對應的CGI 程序調用步進(jìn)電機的驅動(dòng)程序， 控制電機轉動(dòng)， 模擬門(mén)窗控制。

　　照明控制界面如圖9 所示， 在網(wǎng)頁(yè)中添加4 個(gè)復選框， 分別配有4 個(gè)發(fā)光二極管。對應的CGI 程序調用LED 的驅動(dòng)程序， 控制發(fā)光二極管。溫度控制界面如圖10 所示。CGI 程序調用DS18B20 的驅動(dòng)程序， 讀取溫度傳感器的值， 然后計算溫度， 最后返回一個(gè)網(wǎng)頁(yè)顯示DS18B20 的信息和溫度。視頻監控界面如圖11 所示， 在網(wǎng)頁(yè)中添加Java 插件， 接收并顯示視頻服務(wù)器Servfox發(fā)送的視頻數據。添加2 個(gè)按鈕控制視頻服務(wù)器的打開(kāi)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的設計。實(shí)現了嵌入式Linux 操作系統在S3C2440 微處理器平臺上的移植。編寫(xiě)了步進(jìn)電機、發(fā)光二極管以及DS18B20 溫度傳感器的驅動(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(yǔ)言編寫(xiě)靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)， 完成基于Web 的智能家居遠程監控部分的主體框架。使用CGI 技術(shù)處理HTML 表單， 控制系統硬件， 實(shí)現交互操作， 完成用戶(hù)認證、門(mén)窗控制、照明控制、溫度監測、視頻監控等功能。