摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)不足之處，提出了基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由智能家居終端、智能家居控制中心、客戶端三部分組成，智能家居控制中心與終端之間是基于藍(lán)牙無線連接方式，與客戶端之間是基于GPRS和Internet連接方式。本系統(tǒng)基于B/S結(jié)構(gòu)，具有軟硬件資源豐富，成本低，功耗小，便于擴(kuò)展，升級(jí)及維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，具有一定實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：ARM；智能家居；遠(yuǎn)程監(jiān)控；GPRS；藍(lán)牙；Linux
隨著計(jì)算機(jī)、通信及微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對(duì)居住環(huán)境的要求，也向著追求精神內(nèi)涵、安全舒適、便捷智能化和自動(dòng)化為理想目標(biāo)，智能化的家居環(huán)境也逐漸備受人們的關(guān)注。目前，在智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，智能家居控制中心與終端(家電設(shè)備、安防設(shè)備、三表等)之間多采用基于總線的有線連接方式(RS 485，CAN，LonWorks等)，這種連接方式具有布線復(fù)雜、線路易腐蝕、維護(hù)不方便、影響室內(nèi)美觀等缺點(diǎn)；遠(yuǎn)程用戶與智能家居控制中心之間的通信多采用電話線和網(wǎng)線的通信方式，未能將目前日益成熟的移動(dòng)通信技術(shù)應(yīng)用其中，給用戶帶來極大的不便；智能家居控制中心多采用單片機(jī)作為控制核心，隨著用戶功能需求的增加，由于單片機(jī)軟硬件資源有限，給系統(tǒng)的升級(jí)、維護(hù)及調(diào)試帶來極大困難。鑒于此，本文提出了基于ARM的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。
l 智能家居無線技術(shù)概述
1．1 GPRS技術(shù)簡介
通用分組無線業(yè)務(wù)(Geneval Packet Radio Serv－ice,GPRS)以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，使現(xiàn)有GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)突破了最高速率為9.6 Kb/s的限制，最高數(shù)據(jù)速率可達(dá)171.2 Kb/s。GPRS具有永遠(yuǎn)在線、高速傳輸、按流量計(jì)費(fèi)、減少無線資源浪費(fèi)及通信成本低等優(yōu)點(diǎn)。
1.2 藍(lán)牙技術(shù)簡介
藍(lán)牙技術(shù)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它的主要目的是在全世界建立一個(gè)短距離的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。它使用2.4～2.5 GHz的ISM(Industry Scientific Medical)頻段傳送語音和數(shù)據(jù)。運(yùn)用成熟、實(shí)用、先進(jìn)的無線技術(shù)來代替電纜，它提供了低成本、低功耗的無線接口，使所有固定和移動(dòng)設(shè)備通過微微網(wǎng)PAN(Per2sonal Area Network)連接起來。這樣，人們可以通過手機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)對(duì)家中的任意電器(空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機(jī))進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
2 系統(tǒng)的主要功能和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.1 主要功能
用戶通過手機(jī)或Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)家電、燈光、窗簾、門禁、安防等基礎(chǔ)設(shè)施及室內(nèi)環(huán)境的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)視與控制，同時(shí)還可自動(dòng)完成三表(水、電、氣)的抄表工作。
2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
智能家居系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，系統(tǒng)集有線與無線兩種通信方式于一體，用戶可以通過手機(jī)或PC機(jī)登陸家中的嵌入式Web服務(wù)器，通過用戶名和密碼驗(yàn)證之后，便可以查看或控制家用電器、燈光、窗簾、門禁、安防等基礎(chǔ)設(shè)施；系統(tǒng)帶有LCD和鍵盤，具有良好的人機(jī)界面；用戶可以通過鍵盤設(shè)定系統(tǒng)所需要的參數(shù)；系統(tǒng)具有豐富的可擴(kuò)展接口，如A/D轉(zhuǎn)換接口、無線藍(lán)牙接口、RS 485接口、GPRS接口、以太網(wǎng)接口。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2，圖3所示。由圖2可知，智能終端以MCU為控制核心，外擴(kuò)藍(lán)牙從模塊及其他外設(shè)接口；由圖3可知，智能家居控制中心硬件由嵌入式微處理器、外部存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)通信接口、人機(jī)接口及調(diào)試接口五大部分組成。
3.2 系統(tǒng)控制中心硬件設(shè)計(jì)
3.2.1 嵌入式微處理器
本系統(tǒng)選用韓國三星電子的基于ARM920T內(nèi)核的32位嵌入式微處理器S3C2410作為系統(tǒng)的控制核心，該芯片本身集成了包括存儲(chǔ)器接口、通信接口(USB，RS 232)，A/D，JTAG等在內(nèi)的豐富的硬件資源，可簡化外圍設(shè)備與微處理器的硬件連接程度，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。
3.2.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器
由于S3C2410的存儲(chǔ)控制器提供了外部存儲(chǔ)器訪問所需要的控制信號(hào)，用戶只需要選擇合適的外部FLASH和SDRAM與其相連，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的存儲(chǔ)功能。本系統(tǒng)選用SAMSUNG公司的具有512 MB容量的K9F1208作為系統(tǒng)外部的NAND FLASH存儲(chǔ)器，用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。選用2片容量為32 MB的SAM-SUNG的K4S56163作為系統(tǒng)外部的SDRAM，用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。
3.2.3 以太網(wǎng)控制模塊
由于S3C2410本身沒有集成以太網(wǎng)控制模塊，所以需要一個(gè)與之相匹配的控制芯片來實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)擴(kuò)展接口。本系統(tǒng)選用CIRRUS LOGIC公司的CS8900A作為系統(tǒng)的以太網(wǎng)控制芯片。CS8900A是一個(gè)單芯片全雙工的以太網(wǎng)解決方案，所有的數(shù)字和模擬電路合成了完整的以太網(wǎng)電路。主要結(jié)構(gòu)包括ISA總線接口、802.3 MAC引擎、BUFFER、串行E2PROM接口和帶10BASE-T和AUI的模擬前端。CS8900A的10BASE-T接口通過變壓器HR601627與RJ 45網(wǎng)口連接。
3.2.4 GPRS通信模塊
GPRS通信模塊采用西門子公司的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC235i，支持?jǐn)?shù)據(jù)、短信、語音和傳真業(yè)務(wù)。MC35i是新一代GSM/GPRS雙模模塊，完全兼容上一代的MC35，TC35i；采用緊湊型設(shè)計(jì)，為用戶提供了簡單、內(nèi)嵌式的無線GPRS連接。MC35i與控制中心是通過UART接口1進(jìn)行硬件連接的。
3.2.5 藍(lán)牙模塊
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中藍(lán)牙模塊選用愛立信公司的ROK 101 007。該模塊是一款適合短距離無線通信的射頻/基帶模塊，且集成度高、功耗小，完全兼容藍(lán)牙協(xié)議Versionl.1，可嵌入任何需要藍(lán)牙功能的設(shè)備中。ROK 101 007包含5個(gè)功能塊：無線收發(fā)器、基帶控制器、閃存、電源管理模塊、時(shí)鐘，可提供高至HCI(主機(jī)控制接口)層的功能。ROK 101 007的UART口符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)16C450，支持以下波特率：300 b／s，600 b／s，900 b／s，1 200 b／s，1 800 b／s，2 400 b／s，4 800 b／s，9 600 b／s，19 200 b／s，38 400 b／s等。與該接口有關(guān)的管腳有4個(gè)：TxD(B5)，RxD(A5)，RTS(A6)，CTS(B6)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，ARM微處理器S3C2410通過UART接口2與ROK 101 007模塊連接。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括智能家居控制中心軟件設(shè)計(jì)和智能終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)兩大部分。智能家居控制中心是以ARM微處理器為控制核心，其軟件設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)軟件(嵌入式操作系統(tǒng)、硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、嵌入式數(shù)據(jù)庫、嵌入式Web服務(wù)器)設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件(網(wǎng)頁設(shè)計(jì)及CGI應(yīng)用程序)設(shè)計(jì)；智能終端的控制核心為單片機(jī)，其應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)控制程序。
4．1 系統(tǒng)控制中心的軟件設(shè)計(jì)
4．1．1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
(1)嵌入式操作系統(tǒng)的選擇及移植本系統(tǒng)采用Linux作為操作系統(tǒng)，并選用Linux2．6內(nèi)核在嵌入式微處理器S3C2410上移植，具體移植方法如下：
①準(zhǔn)備Linux 2．6內(nèi)核移植所必需的文件(內(nèi)核壓縮包linux-2．6．tar．bz2及交叉編譯器arm-linux-gcc-3．4．1．tar．bz2)，這些文件可到LinUX官方網(wǎng)站免費(fèi)下載。
②利用Linux命令(mkdir，tar，mv及export)安裝交叉編譯器arm-linux-gcc-3．4．1。
③修改Makefile文件及相關(guān)硬件文件。由于內(nèi)核的編譯是根據(jù)：Makefile文件的指示進(jìn)行的，Makefile文件來組織內(nèi)核的各模塊之間的關(guān)系，記錄了各個(gè)模塊之間的相互聯(lián)系和依賴關(guān)系。所以，開發(fā)人員要首先修改Linux 2．6根目錄下的Makfile文件，修改的主要內(nèi)容是目標(biāo)代碼的類型和為編譯內(nèi)核指定一個(gè)編譯器。
④運(yùn)用Make命令編譯內(nèi)核生成內(nèi)核鏡像文件zImage文件，通過相應(yīng)的固化軟件把這個(gè)文件固化在系統(tǒng)相應(yīng)的存儲(chǔ)器中，完成Linux 2．6內(nèi)核在ARM微處理器上的移植。
(2)驅(qū)動(dòng)程序的移植及設(shè)計(jì)
智能家居控制中心需要多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，而對(duì)于嵌入式系統(tǒng)而言很少有通用的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序可以使用。在本系統(tǒng)中，除了GPRS模塊和藍(lán)牙主模塊分別通過第一、第二個(gè)串口與S3C2410相連，可以直接使用標(biāo)準(zhǔn)的串口驅(qū)動(dòng)程序外，其余的如家電控制接口、傳感器接口及以太網(wǎng)接口等屬于非標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)，需要專門設(shè)計(jì)其驅(qū)動(dòng)程序。在驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)中，由于嵌入式Linux系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的框架，雖然這些接口工作原理不同，但其設(shè)計(jì)方法基本類似，即根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來“填寫”框架中的函數(shù)。主要的函數(shù)包括open()，read()，write()，ioctl()，release()，module_init()和module exit()等。
以太網(wǎng)接口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)雖然可以按照上述方法進(jìn)行，但是實(shí)現(xiàn)起來卻有一定的難度，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中使用一種更簡單的方法，即通過移植的方法實(shí)現(xiàn)CS8900以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序在S3C2410上運(yùn)行。具體移植方法如下：
①利用網(wǎng)絡(luò)工具從網(wǎng)上下載CS8900．C和CS8900．H，并把它們拷貝到內(nèi)核下的DRIVERS／NET目錄。
②修改配菜單，增加CS8900配置選項(xiàng)，使系統(tǒng)在配置ARCH SMDK2410時(shí)，可使用CS8900的配置選項(xiàng)。
③對(duì)網(wǎng)卡進(jìn)行初始化及相關(guān)文件(smdk2410．h，mach-smdk24 10．c，makefile)進(jìn)行修改工作。
④通過Make命令重新編譯，即可實(shí)現(xiàn)CS8900以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)程序的移植。
(3)嵌入式Web服務(wù)器的選擇及移植
在ARM+Linux開發(fā)平臺(tái)下，可以使用的web服務(wù)器主要有三個(gè)：Httpd，Thttpd和Boa。Httpd是較簡單的一個(gè)Web服務(wù)器，但其功能較弱，不支持認(rèn)證、CGI。Thttpd和Boa都支持認(rèn)證、CGI等，功能比較強(qiáng)。為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選擇了即支持CGI又較適合于嵌入式系統(tǒng)的Boa web服務(wù)器，并將其移植在該系統(tǒng)中，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)嵌人式Web服務(wù)器的功能。具體移植實(shí)現(xiàn)方法如下：
①下載Boa服務(wù)器源代碼boa-O．94．13．tar．gz，并將其解縮在／boa src／目錄下。
②編譯Boa源代碼，生成執(zhí)行文件Boa(大小約60 KB)。
③創(chuàng)建相關(guān)工作目錄。在／etc目錄下建立一個(gè)boa目錄，里面放人boa的主要配置文件boa．conf。還需要?jiǎng)?chuàng)建日志文件所在目錄／var／Iog／boa，創(chuàng)建HTML文檔的主目錄／var／www，創(chuàng)建CGI腳本所在目錄／var／www／cgi-bin／。
④對(duì)Boa作配置和修改。主要通過對(duì)defines．h，boa．eonf和mime．types文件進(jìn)行修改來實(shí)現(xiàn)。修改defines．h指定Web服務(wù)器的根目錄路徑(SERVER_ROOT)。boa．conf文件由一些規(guī)則組成，用于配置Boa服務(wù)器，指定相應(yīng)端口，服務(wù)器名稱，一些相關(guān)文件的路徑等。Boa服務(wù)器要想正確運(yùn)行，必須保證該文件是正確配置的，而且該文件和某些靜態(tài)網(wǎng)頁，CGI可執(zhí)行程序等都放于某特定目錄下。
⑥重新編譯內(nèi)核根文件系統(tǒng)。把該文件系統(tǒng)重新下載到控制中心硬件電路板，啟動(dòng)Boa Web Server，就可以通過IE訪問系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的網(wǎng)頁。
(4)嵌入式數(shù)據(jù)庫的選擇及移植
本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中選用SQLite數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫具有功能強(qiáng)大、接口簡單、速度快、占用空間小的優(yōu)點(diǎn)，使其比較適合應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了SQLire3在ARM微處理器上的移植。具體移植方法如下：
①在http：//www.sqlite.org/下載最新的源代碼包sqlite一3．3．8．tar．gz，并將其解壓后將生成SQLite目錄。
②安裝交叉編譯工具arm-linux-gcc。
③修改Makefile文件。Makefile的修改主要包括兩個(gè)方面：首先是將編譯器、歸檔工具等換成交叉工具鏈中的對(duì)應(yīng)工具，比如，gcc換成arm-linux-gcc，ar換成ar-linux-ar，ranlib換成arm-linux-ranlib等；其次是去掉與TCL相關(guān)的編譯選項(xiàng)，因?yàn)槟J(rèn)情況下，將會(huì)編譯SQLite3的Tcl語言綁定，但是在移植到ARM-Linux的時(shí)候并不需要，因此將兩個(gè)與TCL有關(guān)的行注釋掉。
④利用Make命令編譯生成目標(biāo)文件SQLite3。嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite的應(yīng)用開發(fā)主要是利用它所提供的C語言API函數(shù)來開發(fā)的，其核心的三個(gè)函數(shù)如下：
4．1．2 應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
智能家居控制中心的核心是一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器，其應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)包括網(wǎng)頁設(shè)計(jì)和CGI應(yīng)用程序設(shè)計(jì)兩部分。網(wǎng)頁設(shè)計(jì)采用設(shè)計(jì)工具Dreamweaver，F(xiàn)rongtPage，Photoshop，F(xiàn)lash來實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中考慮到系統(tǒng)硬件資源有限，故采用了CGI技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀏覽器與嵌入式Web服務(wù)器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互。把CGI程序保存在服務(wù)器端，當(dāng)Web頁面打開時(shí)，客戶端調(diào)用CGI應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)用戶的功能需求。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CGI應(yīng)用程序的編寫采用C語言，實(shí)現(xiàn)外部實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、與外部設(shè)備的通信與控制等。本系統(tǒng)控制中心的應(yīng)用軟件工作流程如圖4所示。
4．2 智能終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)
由于每一個(gè)獨(dú)立的智能家居終端實(shí)現(xiàn)的功能不同，所以針對(duì)不同的智能家居終端需要編寫不同的應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)家電實(shí)時(shí)狀態(tài)采樣及控制、三表實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣及安防設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)采樣等功能。此外，由于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中智能家居終端的控制核心為MCU，所以其應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)相對(duì)主控中心來說要簡單些。設(shè)計(jì)中應(yīng)用程序按照軟件設(shè)計(jì)流程圖進(jìn)行編寫，編寫完畢之后，對(duì)軟件進(jìn)行仿真、調(diào)試，最終固化應(yīng)用程序。下面以智能家電終端為例，說明智能終端應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)。智能家電終端的軟件工作流程如圖5和圖6所示。
5 結(jié) 語
與傳統(tǒng)智能家居系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)控制中心硬件采用ARM微處理器作為控制核心，軟件采用Linux 2.6內(nèi)核作為系統(tǒng)的嵌入式操作系統(tǒng)，采用Boa為嵌入式Web服務(wù)器，采用SQLite為系統(tǒng)嵌入式數(shù)據(jù)庫，使控制中心具有豐富的軟硬件資源和可擴(kuò)展接口，便于系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、維護(hù)、升級(jí)及擴(kuò)展，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。該系統(tǒng)控制中心與智能終端之間采用藍(lán)牙無線傳輸方式，避免了有線連接方式布線復(fù)雜、線路易腐蝕、維護(hù)不方便、影響室內(nèi)美觀等缺點(diǎn)。因此，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的借鑒意義。
