嵌入式智能家居監控系統的設計與實(shí)現

　　1 引言

　　隨著(zhù)家庭網(wǎng)絡(luò )研究的興起，如何設計一種集家電管理、協(xié)議轉換和家庭網(wǎng)絡(luò )監控為一體的家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現家用電器的網(wǎng)絡(luò )化、智能化和遠程控制，已成為當前研究的熱點(diǎn)。

　　本文以CGI原理為基礎，以嵌入式數據庫為后臺，用軟件編程的方法實(shí)現用戶(hù)、Web服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)應用程序之間的動(dòng)態(tài)交互，提出了-一種新的基于SIP協(xié)議和嵌入式數據庫實(shí)現家居遠程監測和控制的解決方案。

　　2 總體方案

　　本系統包括信息家電、智能家庭網(wǎng)關(guān)和遠程監控端三個(gè)主要模塊。信息家電被作為SIP的智能終端接入家庭網(wǎng)關(guān)，以SIP消息形式向后者發(fā)送網(wǎng)絡(luò )標識申請幀和設備描述文件，完成注冊;家庭網(wǎng)關(guān)基于SIP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器和Web服務(wù)器，一方面實(shí)現對信息家電的認證和管理，另一方面為遠程監控端提供服務(wù);用戶(hù)可通過(guò)PC瀏覽器和基于SIP用戶(hù)代理的監控軟件兩種方式實(shí)現對信息家電的遠程監控。其整體結構如圖1所示。

　　在家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺的設計過(guò)程中，本文采用模塊化的方法，以中央處理單元為中心，

　　設計其他相關(guān)功能模塊。軟件設計方面，基于A(yíng)RM7TDMI核的微處理器移植了嵌入式操作系統uCLinux，為實(shí)現SIP協(xié)議棧提供底層軟件支持?；赟IP協(xié)議棧完成SIP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，實(shí)現了信息家電的注冊、認證和管理。并通過(guò)移植Boa Web服務(wù)器和SQLite數據庫到uCLinux系統中，以CGI原理為基礎實(shí)現動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。

　　圖1 嵌入式智能家居監控系統整體結構圖 圖 2 家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺結構設計

　　3 嵌入式數據庫在監控系統中的應用

　　在嵌入式遠程監控系統中，需對大量的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行采集和處理，多樣化的數據存儲和管理需要一個(gè)后臺數據庫來(lái)支撐。由于嵌入式系統軟硬件資源都有限，傳統的企業(yè)數據庫如Oracle、Sybase等明顯臃腫，很難發(fā)揮作用，因此，本文選用了小型的開(kāi)源嵌入式數據庫SQLite，并針對家庭網(wǎng)關(guān)ARM-uCLinux平臺對其進(jìn)行移植、裁減和應用。

　　3.1 SQLite在A(yíng)RM-uCLinux上的實(shí)現

　　SQLite是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的開(kāi)源嵌入式數據庫引擎，占用資源非常低，在嵌入式設備中，只需要幾百K的內存就夠了[1]。它能夠支持Windows/Linux等主流操作系統，其處理速度甚至令開(kāi)源世界著(zhù)名的數據庫管理系統Mysql、PostgreSQL望塵莫及[2]。SQLite 對SQL92 標準的支持包括索引、限制、觸發(fā)和查看，支持原子的、一致的、獨立和持久的(ACID)事務(wù)。

　　SQLite在A(yíng)RM-uCLinux上的主要移植步驟如下：

　　(1) 下載并解壓軟件包至uCLinux-dist/user目錄下;

　　tar zxvf sqlite-2.8.16.tar.gz –C uCLinux-dist/user/

　　(2) 參照uClinux-dist/Documentation/Adding-User-Apps-HOWTO文檔;

　　添加SQLite作為uCLinux的一個(gè)用戶(hù)應用程序

　　(3) 針對ARM-uCLinux修改SQLite;

　　修改sqlite/src/os.c、sqlite/src/shell.c等文件

　　并以sqlite/Makefile.linux-gcc文件為藍本，寫(xiě)一個(gè)合適的Makefile

　　(4) 依次運行make dep;make lib_only;make user_only;make romfs;make image

　　即在uClinux-dist/images下編譯生成了包含有sqlite的romfs文件系統。

　　(5) 下載romfs到ARM-uCLinux的可讀寫(xiě)目錄，運行sqlite即可。

　　3.2 SQLite的C程序設計

　　嵌入式數據庫SQLite與操作系統和具體應用集成在一起，無(wú)須獨立運行的數據庫引擎，它由程序直接調用相應的API函數去實(shí)現對數據的存取操作。其中有三個(gè)核心API函數。sqlite_open()和sqlite_close()分別打開(kāi)和關(guān)閉嵌入式數據庫文件即建立和釋放SQLite引擎，而sqlite_exec()可以執行SQL語(yǔ)句并獲得結果，通過(guò)自行編寫(xiě)回調函數可進(jìn)一步對執行結果進(jìn)行處理。

　　本系統通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)由實(shí)時(shí)數據采集、處理模塊按照用戶(hù)設定的控制參數(如A/D采樣頻率等)，對信息家電信號進(jìn)行采集和數字濾波，然后調要API函數將數據存入SQLite數據庫。SQLite對設備信息進(jìn)行管理，并且支持查詢(xún)、修改等功能。

　　4 SIP協(xié)議在家庭網(wǎng)關(guān)中的應用分析

　　SIP(Session Initiation Protocol)是由IETF(Internet 工程任務(wù)組)于1999年提出的基于IP網(wǎng)絡(luò )實(shí)現實(shí)時(shí)通信應用的一種信令協(xié)議[3]。它結構簡(jiǎn)單、易于擴展，提供良好的QoS支持。雖然主要為IP網(wǎng)絡(luò )設計，但它也可以在A(yíng)TM、幀中繼等承載網(wǎng)中工作，是下一代網(wǎng)絡(luò )VoIP的重要解決方案。

　　4.1 家庭網(wǎng)關(guān)中SIP各組件的功能設計

　　SIP協(xié)議包含兩類(lèi)組件：用戶(hù)代理(User Agent)和網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器(Network Server)。用戶(hù)代理完成呼叫的發(fā)起和接收;網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器主要為用戶(hù)代理提供注冊、認證和路由等服務(wù)，它又分為代理服務(wù)器、重定位服務(wù)器和注冊服務(wù)器。

　　本系統中各網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器的功能設計如下：

　　(1)注冊服務(wù)器接受用戶(hù)代理(信息家電)的注冊(REGISTER)請求，在SQLite中動(dòng)態(tài)建立家電的邏輯地址和其當前聯(lián)系地址之間的對應關(guān)系。從而不論在何處，都可以通過(guò)唯一的邏輯地址進(jìn)行通訊，實(shí)現對家電移動(dòng)性的支持。返回狀態(tài)碼為200的成功響應，完成信息家電的注冊。

　　(2)重定位服務(wù)器提供地址解析服務(wù)，功能類(lèi)似于DNS，用于在需要時(shí)(如信息家電位置改變、實(shí)現負荷分擔等)構造一個(gè)重定向響應消息，將新的目標地址返回給監控程序。

　　(3)代理服務(wù)器類(lèi)似于HTTP的Proxy和SMTP的MTA(Message Transfer Agent)，負責接收用戶(hù)代理(監控軟件)發(fā)來(lái)的請求，根據網(wǎng)絡(luò )策略將請求發(fā)給相應的信息家電，并根據收到的應答對監控端做出響應。

　　4.2 SIP協(xié)議棧的實(shí)現

　　SIP協(xié)議棧oSIP是第一個(gè)自由軟件項目，使用標準c編寫(xiě)，結構簡(jiǎn)單而小巧，速度特別快，支持線(xiàn)程安全，可以開(kāi)發(fā)注冊服務(wù)器、代理服務(wù)器和用戶(hù)代理等[4]。oSIP開(kāi)發(fā)庫主要是在uCLinux上實(shí)現SIP協(xié)議的語(yǔ)法解析和狀態(tài)機分析，為實(shí)現SIP服務(wù)器提供開(kāi)發(fā)接口。

　　本文設計的SIP協(xié)議棧在oSIP開(kāi)發(fā)庫的基礎上進(jìn)行了修改和二次開(kāi)發(fā)，主要包括兩個(gè)方面的內容：狀態(tài)機模塊和語(yǔ)法解析器模塊。前者完成對某個(gè)事務(wù)(注冊過(guò)程，呼叫過(guò)程等)的狀態(tài)記錄，并在特定狀態(tài)下觸發(fā)相應的事件。后者主要完成對SIP消息結構和URL結構的剖析。下面是家庭網(wǎng)關(guān)接受信息家電注冊的部分源代碼:

　　(1) 初始化oSIP棧： Int osip_global_init();

　　(2) 包含SIP有限狀態(tài)機API的庫文件： #include

　　(3) 包含SIP語(yǔ)法分析API的庫文件： #include

　　(4) 部分函數聲明

　　void osip_setcb_rcvinvite(); /* 信息家電向SIP服務(wù)器發(fā)送請求 */

　　void osip_setcb_rcvregister(); /* SIP服務(wù)器完成信息家電的注冊 */

　　void osip_setcb_rcvack(); /* SIP服務(wù)器向信息家點(diǎn)發(fā)送應答 */

　　5 基于SQLite和SIP的家庭網(wǎng)關(guān)的設計

　　作為智能家居的核心設施，家庭網(wǎng)關(guān)的設計顯得尤為重要。它為信息家電提供一個(gè)統一的平臺，通過(guò)該平臺能實(shí)現信息家電之間或信息家電與遠程控制端之間的互連和信息交換。

　　5.1 硬件平臺的設計與操作系統的選取

　　32位ARM嵌入式微處理器具有高性能、低功耗的特性，已被廣泛應用于消費電子產(chǎn)品、無(wú)線(xiàn)通信和網(wǎng)絡(luò )通信等領(lǐng)域，極其適合于對成本和功耗要求較苛刻的應用場(chǎng)合[5]。

　　因此，本文選取了一款三星公司生產(chǎn)的基于A(yíng)RM7TDMI核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C44B0X。并以此為中心，設計了其它功能模塊：FLASH接口模塊、SDRAM接口模塊、網(wǎng)絡(luò )接口模塊以及其它外圍輔助電路模塊諸如時(shí)鐘電路、復位電路等。如圖2所示。

　　uCLinux在Linux的基礎上添加了對沒(méi)有MMU的微處理器的支持[6]，所以它一方面繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：例如穩定性、各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的支持以及不同類(lèi)型的文件系統支持等等;另一方面，它廣泛地應用于嵌入式領(lǐng)

　　uCLinux在Linux的基礎上添加了對沒(méi)有MMU的微處理器的支持[6]，所以它一方面繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：例如穩定性、各種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議棧的支持以及不同類(lèi)型的文件系統支持等等;另一方面，它廣泛地應用于嵌入式領(lǐng)域，內核精簡(jiǎn)(一般小于512k)，并支持很多常用的嵌入式微控制器系列。正是出于對多任務(wù)控制、網(wǎng)絡(luò )功能和可移植性等方面的考慮，本設計選用嵌入式操作系統uClinux，并完成在A(yíng)RM微處理器上的移植。

　　5.2 Web服務(wù)器和嵌入式數據庫的應用

　　Boa是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開(kāi)放、性能高，支持認證，支持CGI。目前，uCLinux中已包含了boa的源代碼，因此在uCLinux中實(shí)現Boa非常簡(jiǎn)單，只需要在boa.conf 和mime.types 文件中修改網(wǎng)頁(yè)存放的路徑以及CGI程序存放的目錄。

　　SQLite中存放每個(gè)家電的基本信息、參數值以及狀態(tài)信息等，這些信息不但反映了各種參數的歷史狀態(tài)，而且也是管理、決策的重要信息來(lái)源，在需要的時(shí)候通過(guò)對嵌入式數據庫的訪(fǎng)問(wèn)實(shí)現對信息家電的信息檢索和遠程監控。數據管理是遠程監控系統非常重要的部分。

　　本系統中SIP網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器在SQLite中動(dòng)態(tài)建立家電的邏輯地址和其當前聯(lián)系地址之間的對應關(guān)系，完成信息家電的注冊。用戶(hù)可通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)家庭網(wǎng)關(guān)中的Web Server，并把參數提交給Web Server接收，Web Server再把此參數傳遞給CGI程序解析，CGI調入SQLite中家庭網(wǎng)關(guān)各種狀態(tài)參數，將結果轉化為web瀏覽器能識別的格式，作為Http應答消息回送到客戶(hù)端，從而實(shí)現對信息家電的設置和信息交互。

　　6 總結

　　信息家電和家庭網(wǎng)絡(luò )的迅猛發(fā)展、家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，必將為我們目前的家居生活帶來(lái)新的驚喜。

　　ARM、uCLinux、SQLite的結合，體現了嵌入式的特點(diǎn)，提高了家庭網(wǎng)關(guān)的性能;標準SIP協(xié)議的使用，既解決了當前家電設備所存在的管理、命名和移動(dòng)等一系列問(wèn)題，也使遠程控制程序設計者不必關(guān)心家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)現細節，只需要按照SIP協(xié)議的規范和智能家庭網(wǎng)絡(luò )中的信息家電進(jìn)行交互，這樣就增加了家庭網(wǎng)關(guān)的通用性，簡(jiǎn)化和拓展了智能家庭網(wǎng)絡(luò )的應用。希望能給遠程監控系統的研究提供一些參考。