基于Linux/Qt的智能家居系統設計

　　針對智能家居的特點(diǎn)及應用背景，設計了一種家庭多功能控制系統。該系統采用飛思卡爾公司ARM Cortex A8系列的i.MX51處理器作為MCU，在其上移植嵌入式Linux作為軟件開(kāi)發(fā)平臺，并利用Qt相關(guān)技術(shù)為基礎設計友好的用戶(hù)界面，實(shí)現了ARM板的各功能模塊與服務(wù)器端的交互。系統同時(shí)具備數字可視對講、信息收發(fā)、家電控制、安防報警、家庭娛樂(lè )等功能。

linux操作系統文章專(zhuān)題:linux操作系統詳解（linux不再難懂）

　　1 系統的架構和功能

　　家庭智能控制系統主要由室內分機、單元門(mén)口機、小區圍墻機、管理中心終端機、管理中心服務(wù)器以及附件組成。系統采用分布式網(wǎng)絡(luò )結構，可以根據住戶(hù)數量對系統的容量進(jìn)行擴充。

　　(1)室內機是用戶(hù)在室內進(jìn)行操作的主要平臺，其功能組成為：可視對講、信息服務(wù)、家電控制、安防報警、家庭娛樂(lè )等?？梢晫χv模塊主要實(shí)現雙向可視通話(huà)、視頻監控、留言/留影、開(kāi)鎖等功能;信息服務(wù)模塊主要用來(lái)收發(fā)物業(yè)信息和小區廣播，支持文本、圖片形式，并實(shí)現與可視對講模塊的影音共享;家電控制模塊包括對燈光、窗簾、空調、電梯等設施的無(wú)線(xiàn)控制，并預設了情境模式;安防報警模塊支持對煙感、門(mén)磁、煤氣泄漏檢測等的自動(dòng)報警，并可通過(guò)GPRS/3G技術(shù)將報警信息傳送到用戶(hù)手機上;家庭娛樂(lè )模塊支持常見(jiàn)格式的音視頻文件的播放(主要依靠硬件解碼)以及對常見(jiàn)格式的圖片的瀏覽(電子相框)。

　　(2)單元門(mén)口機的主要功能是完成與所在單元樓的任意住戶(hù)以及管理中心機的可視通話(huà)，除了具備留言/留影功能外，還提供觸摸屏校準、背光調節、密碼設置等功能。

　　(3)圍墻機的基本功能和單元門(mén)口機類(lèi)似，但可視對講、留言/留影功能是針對小區內所有住戶(hù)的。

　　(4)中心機是整個(gè)系統的神經(jīng)中樞，管理人員通過(guò)管理中心的控制設備管理各子系統的終端，其功能包括：可視對講、視頻監控、查看報警信息、排除設備故障、信息服務(wù)、系統設置、遠程管理等。

　　2 系統的實(shí)現方案

　　2.1 Qt的信號/槽機制

　　Qt是一個(gè)跨平臺的C++應用程序框架，完全面向對象、易于擴展且允許真正的組件編程。Qt的C++類(lèi)庫封裝了適應不同操作系統的訪(fǎng)問(wèn)細節，這使得它能夠快速地部署于各種桌面與嵌入式系統中[1]。

　　信號/槽機制是 Qt 的核心特性，這種機制真正實(shí)現了消息的封裝，完全可以取代原始的回調和消息機制。信號和槽的連接通過(guò)connect()函數完成，connect()函數是QObject類(lèi)中的靜態(tài)函數，其函數原型如下：

　　Bool QObject::connect(const QObject* sender,

　　const char*signal,const QObject* receiver,const char* member)

　　其中，sender和receiver是指向QObject的指針，signal和slot是不帶有參數的函數名。

　　2.2 基于XML格式的Socket多線(xiàn)程通信

　　Linux中的網(wǎng)絡(luò )編程主要通過(guò)Socket接口實(shí)現，在Qt環(huán)境里，對Socket進(jìn)行了封裝，并建立了相應的QTcpSocket類(lèi)來(lái)實(shí)現TCP客戶(hù)端和服務(wù)器的通信。QTcpSocket繼承了QIODevice，所以QTcpSocket可以使用QDataStream進(jìn)行數據的讀取和寫(xiě)入。

　　可擴展標記語(yǔ)言XML(eXtensible Markup Language)是一種用于數據交換和數據存儲的多用途文本格式。對于XML格式的數據，Qt中的QtXml模塊提供了DOM和SAX兩種處理方式。本文采用的DOM方式把XML文檔轉換成一個(gè)可以遍歷的樹(shù)形結構，這樣便可以隨意訪(fǎng)問(wèn)其中的節點(diǎn)，因此要明顯簡(jiǎn)潔得多。

　　室內機和中心機之間的通信采用多線(xiàn)程方式實(shí)現。多線(xiàn)程方式具有降低內存、提高程序響應速度等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于嵌入系統。系統中建立了三個(gè)主線(xiàn)程：(1)GUI線(xiàn)程：用于執行main()主函數，響應用戶(hù)的界面操作;(2)tcpServer偵聽(tīng)線(xiàn)程：用于對指定端口進(jìn)行監聽(tīng);(3)tcpSocket傳輸線(xiàn)程：負責消息的接收和回復。下面以用戶(hù)主動(dòng)更新小區廣播為例詳細說(shuō)明Socket通信的流程：(1)室內機首先啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)程，將用戶(hù)的更新請求結構轉化成標準的XML格式(如果是新設備第一次開(kāi)機，要先手動(dòng)進(jìn)行IP的設置)，(2)調用connectToHost()函數請求與中心機建立連接，處于監聽(tīng)狀態(tài)的中心機接到請求后，就會(huì )分配一個(gè)Socket套接字來(lái)處理連接：首先根據解析出來(lái)的XML的Type節點(diǎn)判斷請求類(lèi)型，如果是純文本則從數據庫的Text表讀取，如果是圖片則從硬盤(pán)讀取，然后調用QIODevice::write()函數發(fā)送;(3)室內機接到應答信號readyRead()后就開(kāi)始進(jìn)行信息的收取，根據消息的Type節點(diǎn)類(lèi)型分別寫(xiě)入數據庫和硬盤(pán)。Socket多線(xiàn)程通信流程如圖1所示。

　　2.3 并行數據庫設計

　　為了實(shí)現數據庫的并行操作，使GUI界面與數據庫相分離，從而讓界面能更快地響應用戶(hù)的一般操作，同樣要用到Qt的多線(xiàn)程編程。在系統啟動(dòng)時(shí)，首先要建立一個(gè)全局對象m_query，以便于各個(gè)實(shí)體類(lèi)與數據庫類(lèi)進(jìn)行連接。這樣，每當有數據庫操作請求時(shí)便會(huì )實(shí)例化一個(gè)m_query來(lái)創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程用于處理該請求。m_query對象中包含兩個(gè)類(lèi)：(1)QueryThread，用于為每個(gè)數據操作創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程;(2)Worker，用于實(shí)現數據庫的相關(guān)操作，如加載數據庫驅動(dòng)、進(jìn)行數據查詢(xún)/插入/刪除等。

　　圖2為數據庫的查詢(xún)操作流程。首先在實(shí)體類(lèi)里創(chuàng )建兩個(gè)connect連接，分別用于發(fā)送和接收查詢(xún)結果，并生成SQL語(yǔ)句向QueryThread提交查詢(xún)請求信號。QueryThread收到請求后為其創(chuàng )建一個(gè)線(xiàn)程，并交由Worker類(lèi)進(jìn)行具體數據庫查詢(xún)操作。Worker類(lèi)得出查詢(xún)結果后，先傳遞給QueryThread，再由其將查詢(xún)結果返回到實(shí)體類(lèi)。

　　關(guān)鍵代碼如下：

　　connect( this,SIGNAL(seek(const QString& ) ),m_query,

　　SIGNAL(seek_execute(const QString& )) );

　　connect( m_query,SIGNAL(seek(const QList

　　& ) ),this,SLOT( slotResult( const QList& ) ) );

　　…

　　void text:: database() {

　　QString sql = "select * from Text order by date desc ";

　　emit seek_execute (sql);

　　}

　　2.4 音視頻同步傳輸技術(shù)

　　i.MX51處理器包含了支持硬件視頻編解碼的VPU單元，并自帶了完整的多媒體解決方案。因此，系統中采用其自帶的多媒體軟件包進(jìn)行音視頻流的采集和編解碼[2]。

　　考慮到小區內可視通話(huà)時(shí)因并發(fā)數過(guò)大而可能導致的網(wǎng)絡(luò )擁塞情況，系統還需要提供一定的QoS機制來(lái)保證在網(wǎng)絡(luò )帶寬較低時(shí)也能達到音視頻的同步傳輸。本文采用基于時(shí)間戳的實(shí)時(shí)同步傳輸技術(shù)，通過(guò)設置可變大小的緩沖區機制，根據小區網(wǎng)絡(luò )情況自動(dòng)調節傳輸參數，以音頻質(zhì)量?jì)?yōu)先保證為原則，根據時(shí)間戳實(shí)時(shí)調節視頻數據的播放。具體實(shí)現過(guò)程如下[3]：

　　(1)發(fā)送端采用兩個(gè)獨立的進(jìn)程分別對音視頻信息進(jìn)行采樣和打包，然后放到各自的緩沖隊列中等待發(fā)送。

　　(2)音視頻數據通過(guò)同一個(gè)通道發(fā)送到網(wǎng)絡(luò )(采用信號量機制保證音視頻數據對通道的互斥訪(fǎng)問(wèn))。

　　(3)由于音視頻兩個(gè)數據包的長(cháng)度差別很大，所以將接收端收到的數據根據包的大小進(jìn)行區分。

　　(4)音視頻各自拆包組幀。由于人的聽(tīng)覺(jué)對聲音的不連續比視覺(jué)對圖像的不連續更敏感，所以采用音頻流作為主流，視頻流作為從流?？蛻?hù)端接收到音頻數據包后，不必與視頻數據包協(xié)調就可立即播放，而視頻幀到達時(shí)則根據時(shí)間戳進(jìn)行對比，從而進(jìn)行相應的同步處理。

　　(5)為保證音視頻的實(shí)時(shí)同步，采用多線(xiàn)程分別對音頻和視頻進(jìn)行播放。

　　3 i.MX51平臺移植

　　3.1 搭建LTIB開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　LTIB(Linux Target Image Builder)是飛思卡爾公司開(kāi)發(fā)的一個(gè)用于部署BSP的工具，含有U-Boot等引導加載程序，支持Bootloader和內核映像的構建。利用該工具，可以定制出符合GNU/Linux標準的跨平臺的根文件系統。本設計選擇使用飛思卡爾公司提供的L2.6.31_10.07.11_ER_source.tar.gz集成源碼包，在一臺安裝了Ubuntu 10.04操作系統的PC機上配置安裝LTIB[4]。其過(guò)程如下：

　　(1)解壓縮源碼包，執行./install進(jìn)入安裝LTIB的命令提示。

　　(2)執行./ltib進(jìn)入LTIB的配置界面。

　　(3)在LTIB配置Platform時(shí)選擇i.MX51平臺。

　　(4)配置Kernel時(shí)選擇CLAA WVGA Panel(LCD觸摸屏驅動(dòng))和SoC Audio support for IMX - SGTL5000(聲卡驅動(dòng))，其他保持默認。

　　(5)將交叉編譯工具arm-none-linux-gnueabi-gcc加入PATH環(huán)境變量，在ltib根目錄執行下述命令，交叉編譯Qt庫：

　　./ltib -m prep -p qt-embedded.spec

　　./ltib -m scbuild -p qt-embedded.spec

　　(6)執行make install，在ltib下的rootfs目錄就會(huì )生成相應的U-Boot、內核和文件系統，將將其復制到目標板的TF卡上。

　　3.2 架設NFS文件系統

　　為了簡(jiǎn)化調試過(guò)程和縮短開(kāi)發(fā)周期，在Linux主機上建立了NFS網(wǎng)絡(luò )文件系統，這樣就實(shí)現了宿主機與目標板的文件共享。開(kāi)發(fā)過(guò)程簡(jiǎn)化為：Linux主機編譯生成目標平臺的可執行文件→復制文件到NFS共享目錄→目標板運行程序，從而省去了重復制作鏡像、下載鏡像、重啟開(kāi)發(fā)板等步驟，節省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。目標板的NFS啟動(dòng)信息如圖3所示。

　　4 系統測試及結果

　　4.1 并發(fā)測試

　　并發(fā)測試主要用來(lái)測試多個(gè)用戶(hù)同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)同一個(gè)應用程序、同一個(gè)數據記錄時(shí)是否存在死鎖或其他問(wèn)題。由于本系統是面向一個(gè)小區的住戶(hù)，因此系統的并發(fā)測試尤為重要。

　　數據庫并發(fā)測試：室內機開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)中心機服務(wù)器，界面并不會(huì )因大量的數據操作而出現“凍結”現象，CPU占用穩定，數據庫返回結果顯示正常。

　　信息發(fā)布測試：中心機開(kāi)啟多個(gè)線(xiàn)程同時(shí)發(fā)送廣播信息，各室內機接收正常，不會(huì )出現顯示錯誤或“丟包”現象。

　　4.2 跨網(wǎng)段測試

　　考慮到小區用戶(hù)一般在幾百甚至上千，一個(gè)網(wǎng)段的IP地址不能滿(mǎn)足需求。為了檢測在不同網(wǎng)段下通信模塊能否正常工作，使用一臺華為S5300交換機(switch)和兩臺華為5200交換機搭建了一個(gè)小型的網(wǎng)絡(luò )環(huán)境進(jìn)行相關(guān)測試。如圖4所示，測試采用IPv4靜態(tài)路由，使不同網(wǎng)段的任意兩臺室內機之間能夠互通。測試表明，分屬不同網(wǎng)段的室內機之間，可視通話(huà)、信息互發(fā)等模塊均正常工作，從而驗證了本設計方案的可行性。

　　4.3 可視對講性能測試

　　可視對講性能測試主要是檢測室內機終端中音視頻的采集、編解碼、收發(fā)和顯示。對于音視頻的采集、收發(fā)和顯示，可通過(guò)揚聲器和LCD顯示直觀(guān)地檢測。而對編解碼的測試則比較復雜，本設計是從最長(cháng)時(shí)間、最短時(shí)間和平均時(shí)間三個(gè)方面來(lái)測試編解碼一幀音視頻所需要消耗的時(shí)間。i.MX51平臺上音視頻編解碼的性能測試如表1所示。

　　由表1可以看出，i.MX51平臺上能夠實(shí)時(shí)地完成音頻和視頻通信，且音頻清晰、視頻流暢、失真度小，達到了可視對講對音視頻編解碼器的實(shí)時(shí)性要求。

　　本文采用Linux和Qt相關(guān)技術(shù)，在飛思卡爾公司i.MX51平臺上設計了一種多功能的智能家居控制系統，實(shí)現了客戶(hù)端與服務(wù)器的Socke通信和音視頻同步傳輸等核心功能。下一步還需要擴展家電控制、安防控制等功能。