Linux平台智能家居的本地监控与远程监控.pdf

《Linux平台智能家居的本地监控与远程监控.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《Linux平台智能家居的本地监控与远程监控.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、 i 警 。薯 蔓 j i 蠹 蔓 嚣 曩 。i镬 i 露 A P P L fc A o E s 匝夏 圃 L i n u x平台智能家居 的本地监控与远程监控 杨威。高文华(太 原科技大学电子信息工程学院，太原 0 3 0 0 2 4)摘要：针对智能 家居 的应 用需求和特 点，对智能 家居 系统进行 分析 和研 究，提 出 了一种 智能 家居 系统 的整体 设计 方案。以 C o r t e xA8为核 心处理 器，Li n u x嵌入 式 系统为智能 家居控制 系统，利 用 An d r o i d提供 的各种 资源建立智能 家居远 程 控 制 软 件，实现 了 家 用 电器 的 远 程

2、 监 控 和 本 地 监 控 相 结 合。关键 词：L i n u x；智能家居；嵌入 式 系统；An d r o i d 中图分类号：TP 3 9 3 文献标识码：A Lo c al an d Re mo t e Mo n i t or i n g o f Sma r t Ho me Sy s t em Bas ed o n L i n u x PI a t f Or m Ya n g W e i，Ga o W e n h u a (I n s t i t u t e o f E l e c t r o n i c a n d I n f o r ma t i o n En g i n e

3、e r i n g，Ta i y u a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4，Ch i n a)Abs t r a c t：Ai m i n g a t a ppl i c a t i on r e qu i r e me n t s a n d f e a t ur e s of s ma r t h ome，t he pa p e r a na l y z es a n d r e s e a r c h e s t h e s ma r t h o

4、 m e s y s t e m，a n d t h e o v e r a l l d e s i g n o f s ma r t h o me s y s t e m i s p r o p o s e d Ta k i n g C o r t e x-AS a s t h e c o r e p r o c e s s o r a n d a d o p t i n g Li n u x e mb e d d e d s y s t e m a s s ma r t h o me c o n t r o l s y s t e m，t h e d e s i g n u s e s v

5、 a r i o u s s o u r c e s p r o v i d e d b y An d r o i d t o b u i l d s ma r t h o me r e mo t e mo n i t o r i n g s o f t wa r e Th e s y s t e m r e a l i z e s t h e c o m b i n a t i o n o f r e mo t e c o n t r o l o f h o u s e h o l d a p p l i a n c e s a n d l o c a l mo n i t o r i n

6、g K e y wo r d s：Li n u x；s ma r t h o me；e mb e d d e d s y s t e m；An d r o i d 引 言 随着社会电子信息化 的不断发展，人们在家居 中使 用 的电器也越来越 多，由此带来 的安全隐患也有 了明显 的增 多。在这些 电器中，一旦 出现一 些异 常，便会 给人 们带 来 很 大的损失。为了降低 电器 的不 合理使 用带 来 的异常 情 况，就要求 在异 常发生时用 户能及 时得 到信 息，并 通过 实 时监控，采取一定 的操作 排 除异常。因此，智 能家 居系 统 的作用是非 常巨大的。在智能 家居控制 系统 中，

7、核 心设备 是家居智能控制终 端。综合 目前 的研究 现状，主要有 以下 几种方 案：第 一种 是采用键盘、红外遥控器、触摸屏 和 L C D显示器 等设备对 家 电进行控制。当前智 能家居 控制 系统 大都采 用此 种控 制终端，使用此种方式需要分别对控制 终端的软件与硬件 进行设计，设计复杂，成本高。此外，使用此种控制 终端 只 能进行本地控制，不能实 现远程控 制。第 二种 是采用家庭 或者办公 电脑作为智 能家 居控制 系统 的控制 终端。使用 这种控制方式 的缺点 是，只能 用 固定点对 家居 进行控 制，控制终端不能移动，不够方便。第三种是采用手机作 为控 制终端，使用 手机 通过

8、无 线 网络(wi F j、蓝牙、G S M 等)对 家居系统进行控 制，可以真 正做 到方 便、快捷、触 手可及。但 目前采用这种方式 的智能家居系统还不是很 多，而且大 部分操作繁琐，没有 良好的用户体验 。本 文 解 决 了 嵌 入 式 智 能 家 居 系 统、Z i g Be e无 线 通 信_ 2 、家居 控制协议等 相关 技术难 点，分析 了各 自的 基本 特点和所要 实现 的基 本 功 能，并 在此 基 础上 提 出 了基 于 L i n u x平台的嵌入式智能家居 系统的整体设计方案。1 系统 整体 结构概述 根据全面感知、可 靠传递 和智 能处 理 的功能 需求，可 将 智能

9、家居系统划分 为感 知层(家电信息采集终端)、网络 层(家庭 网关)和应用层(包括 P C机 网页 和手机客 户端)3 个 部分，其整体框架结构 如图 1 所示 。其 中，感知层 的核 心功能 是 实现数 据 的采集，主要 通 过各类 传感器来完成数据 的获取，最 终将 获取到的数据 通 过无线 网络 打包发 送到 网络 层 的家庭 网关 中。网络 层 需 要实现一个基 于嵌 入式 We b服务 器 的家庭 网关，一 方 面，用 来作为连接 家庭 内 网与 I n t e r n e t 外 网 的接 口，实 现 家庭 内网和 I n t e r n e t的数 据 通信 功能；另 一方 面，

10、用 来统 筹来 自感 知层 的数据 和来 自应 用层 的命 令。应 用层 则需 要实现一个 网页客户端 和手机客户端界 面，一方 面用来 加 工处理来 自服务器端 的数 据；另 一方 面，用来 实现 人机 交 敬 请 登录 网 站 在线 投稿 2 0 1 3 年第1 期 牟疗 机 藏 入式 系 碗应 用 6 3 腿 匝 医 A P P LfC 胴 o j 秘 j。一 囊 图 1 系统 整 体 框 架 结 构 图 互，通过客户端界面向服务器端发送控制命令。1 1 硬 件构成 智能家居系统的硬件 系统 主要包 括 S 5 P C 1 0 0平 台(以下简称 A8)、1 1 C 1 4平 台(以下简

11、 称 M0)和 Z i g B e e模 块 3个 部分。其 中，S 5 P C1 0 0开 发平 台 是基 于 三 星公 司 Co r t e xA8内核 的 S 5 P C1 0 0处 理器设 计 而成 的，支 持多 种 格式 的硬 件 编解码，如：MP E G一1 2 4、H 2 6 3 H 2 6 4 等，该平 台主要通 过开发的系统软件实现对 M0平 台 的控 制。l 1 C1 4平 台基 于 L P C1 1 C 1 4微控制 器(ARM C o r t e x M0内核)，具有低功耗、低成本 等优点。同时，该平 台具 有 丰富的硬件资源，集成 了传感器 模块(包括 三轴加 速度

12、传 感器、光敏传感 器、温度 传感 器、湿度传 感器 等)、R F I D 设 备模 块、Z i g B e e 无 线 通 信 模块 和 O L E D 显示 模 块 等。该平台 主 要 用 于 模 拟 家 庭 中 的 信 息 采 集 和 执 行 单 元。Z i g B e e模块采用 的是 CE L公 司的 Z I CM2 4 1 0，带 有 US B 转 串 口芯片，可以方便地连接 P C机或其 他带有 U S B主机 接 口的设备，实现组网通信。1 2 软件环境(1)UB o o t 移植 UB o o t的功能是把 内核放到 DRAM(Dy n a mi c R a n d o m

13、Ac c e s s Me mo r y)中运行。网上下载 的 UB o o t 对开 发平 台只有通用性代码，不支持和识 别特定开发平台上 的 一些硬件和功能。因此，需 要添 加对这 些硬 件 的识 别、初 始化及其相应功能 的实现 。U B o o t 的移植过 程可 以分 为两个 阶 段，其 中，第 一 阶段 主要完 成基 本 的硬 件设 备初 始化，准 备 R A M(R a n d o m Ac c e s s Me mo r y，随 机存储 器)空 间加 载第 二 阶段 代 码，复制第 二阶段 代码 到 RAM 中，设 置堆栈 指 针 S P，跳 转到第二阶段代 码 的 C入 口点

14、；第 二阶段 主 要完 成 ：编 语言跳转到 ma i n()入 口函数，初 始化 本阶 段将要 使 用 的 硬件设备，检测系统的 内存 映射，加 载 内核 映像 文件 和根 文件系统映像文件，设 置内核启 动参数 和调用 内核。(2)L i n u x内核移 植 I i n u x内核是一种 源码 开放 的操 作系统，采用模块 化 的设计。在此只保 留了必 需的功能模块，删除了冗余 的功 能模 块，并 对 内核重新编译，从 而使 系统运 行所 需 的硬 件 资源显著减 少 。本设计 中内核的移植主要包括：网卡驱 动的添加、NAND F l a s h驱 动 的添加、添加 对 YAF F S

15、2文 件系统的支持、添加 US B设备驱动、添加 I C D设备 驱动、添加 S D卡设备驱动。(3)根文件 系统制作 如果没有根文件系统，其他 的文件 系统就不能进 行加 载。根文件系统包 括 Li n u x启 动时所 必须 的 目录和关 键 性文件，以及使其他文件系统得以挂载的必要 文件。制作 根文件系统主要包括：添加 内核菜单选项、建立 目录结构、添加命令程序、拷 贝 C库、编写 系统 启 动文 件、配 置 主机 的 NF S。2 系统功能模块设计 本系统 是在 A8、M0及 P C等 设备 的基础 上，基 于互 联网、物联网、传感 器 等技术 并结合 物联 网新 型概 念 设 计的，

16、使用户能 够对 家 庭 内部 情 况进 行实 时 地掌握 和控 制。本系统 主要 由前 端 数 据 中 心(A8)、远 程 监 控 终 端(M0)和服务器端(P C)组成。首先，数 据 接收模 块接 收 M0 通 过 Z i g B e e 传输 上 来 的实时环境参数(如温度、湿度、光感数 据等)，并通过 接收 端的 Z i g Be e经 US B转串 口操作，把 采集到 的环境参 数发 送给 A8，由 M0的接收请求线 程从 串 口读取消 息，并 交给 数据处理模块。数据处理模块解码接收到信息后，激活数 据库线程 以保存数据，激活 内存数据刷新线程以更新 实时 环境信息，并对环境参数 进

17、行判 断处理，决定 是否进 行报 警。另外，在构建的嵌入式 We b服务 器上，用 户可以通过 网络，利用 P C机对家居 信息进行监 控；通 过 We b页 面上 的控制按钮，监控设备可以识别 出用户 指令并进行相应 的 动作。系统各模块进程间关系如图 2 所示。3 关键算法设计 3 1 视频流服务器设计 该 服务器 主要 用于将 摄像 头采集 的视频 或者 图片显 示到网页和 L C D(L i q u i d Cr y s t a l Di s p l a y，液 晶显示器)上，这里采用 MJ P Gs t r e a me r作 为视频流 服务 器。MJ P G 6 4 Mi c r

18、o c o n t r o l l e r s E mb e d d e d S y s t e ms 2 0 1 3年第 7期 WW w m e s n e t c o rn c n 内存数据刷新线程 p t h r e a d_r e ff e s h 0 藤 数据处理线程 p t h r e a d_a n a l y s i s 0 Co r t e x M 0 信息接收线程 p t h r e a d_tr a n s f e r 0 -薯 C GI 进程 消息队列 接收请求线程 a d_c l i e n t_r e q u e s t 0 (主 进 程)C o d e x M0

19、控制命令发送线程 p t h r e a d u a r t c md()A#I-(按键)监测线 p t h r e a d in f r a r e d 0 L E D控制线程 p t h r e a d_l e d 0 C o r t e x-M0 模块 图 2 系统 各 模 块 进 程 间关 系 图 一s t r e a me r 采用的是 V4 L 2(Vi d e o 4 L i n u x 2)接 口，可 以通 过文件或者 是 HT T P的方 式访 问 L i n u x U VC兼 容 摄像 头。视频流服务器将摄像头捕 获的图像 存人 g l o b a l b u f f e

20、 r 缓 冲 区，当客户端有访 问请求 时，服务 器便将 g l o b a l b u f f e r 缓 冲区中的图像数据 连续地 发送 给客 户端。该 程序 中的 serv erp t h r e a d函数使 用多 线程 技术，为每一 个连 接请 求 的客户端 创建一个线程。该线程 独立 地与 客户 端进 行通 信，发送 图像 数据。此外，MJ P Gs t e a me r 还 用来 从 网络 摄像 头 采 集 图 像，并将 它们 以流的形式 通过 基于 I P的 网络传输 到浏 览 器 的网页上。由于 MJ P Gs t e a me r 可 以通 过利 用 网络摄 像机 的硬件压

21、缩 功能来 降低服 务器 C P U 的开销，而无 需 为视频帧压缩浪 费大量 的资源，因此它为嵌入式设备 和一 些 常规 服务 器提供 了一个 轻量 级且 较少 C P U 消耗 的方 案。MJ P Gs t e a me r 功 能强 大，但为 了符合 本项 目的需 要，仍需对其进行修 改，添 加我们 想要 实现 的功 能。在本 设计 中，需 要 向 MJ P Gs t e a me r视 频 流 服 务 器 的添 加 L C D输出插件，其代码如下：wh i l e(o k)一0 !p g l o b a l-s t o p)DB G(”wa i t i n g f o r f r e

22、s h f r a me n”)；p t h r e a d_c o n d_wa it(&p g l o b a l-d bu p d a t e，p g l o b a l-d b)；f r a mes i z e：p gl ob a l-s i z e；me mc p y(f r a me，p g l o b a l-b u f f r a mes i z e)；读缓 冲 p t hr e a dm ut exu n l o c k(5 L p g l o b a l-d b)；L o a d J p e g F i l e(f r a me，b p p b u f f e r)；格式转

23、换 b u f f e r 一(u n s ig n e d c h a r*)b p p b u f f e r+(u n s i g n e d c h a r)5 4；去掉 5 4字节头部 f o r(y=y r e s；y O；y-一)f o r(x 一0；x 一 3；g 一*b u f f e r；b u f f e r+；g 一 2；r 一*b u f f e r；b u f f e r+；r 一 3；r g b 一(u n s i g n e d s h o r t)(r 1 1)l(g 5)b)；*(u n s i g n e d s h o r t*)f b p+(Y x r

24、 e s+x)一 r g b；b u f f e r b u f f e r+3*(6 4 0 2 4 0)：)3 2家电物联 网服务器设计 该服务器 主要 负责为网页提供家 电的实 时状 态信息，同时也 为 A n d r o i d 手机客 户端提 供服务，让 A n d r o i d手机 客户端具有 实 时显示 和 远 程控 制 家 电的 能力，其关 系 如 图 3所 示。图 3家电物联网服务 器整体关 系图 在 网页上显示 信息主要是通过 x ml 文件 实现 的。首 先，网 页通 过 B OA 服 务 器，调 用 CGI(C o mmo n Ga t e wa y I n t e

25、r f a c e，通用 网关接 口)程 序控 制网页线 程，并 发送命 令 给单板。然后，单板将采集 到的数据发送给家 电物联 网服 务器，服务器通过 向 x ml 文件中写入采 集到 的数据，实 现 网页 的实时信息动 态显示。当 网页客户 端在 浏览 器 中发 送请 求(如设置 报警 温 度等)时，B 0 A 服务 器会 调用 C G I 接 口解码，区分提交过 来 的信息，然 后把 这个 信息发 送 到 单 板，实现对单板 的控制。An d r o i d手机 客户端 与 家 电物 联 网服务器的通信则主要是通过套接 字进行的。3 3 A n d r o i d客户端软件设计 An d

26、 r o i d是一个 专 门为移 动 电话 而 设计 的开放 源 码 的操作 系统，它将开辟新 的应 用，使 家居智 能化运 用 于 普通 家庭。An d r o i d客 户端 控制 系统采 用 模块 化 的设 计 思想，主要包 括应 用层 UI(Us e r I n t e r f a c e，用户界 面)、J NI (J a v a Na t i v e I n t e r f a c e，J a v a本地 接 口)、HAL(Ha r d wa r e Ab s t r a c t i o n La y e r，硬 件 抽 象 层)和 底 层 驱 动 等 的 设 计。An d r o i d应 用 程 序 由 一 个 或 多 个 组 件 构 成，组 件 包 括 a c t i v i t y、s e r v i c e 等，每个组 件在应用 程 序 中完 成不 同的任 务，可 以被单独激 活，也可 以由其 他应用程序激活，其具 体 流程如 图 4所示。其 中，H AL层包括 L E D灯、蜂 鸣器和按键 等设备，主 要 用于实现供 J NI 调用 的接 口。在 函数实 现 中，HA L利 敬 请登录网 站在线 投 稿 2 0 1 3#-g 7 期 平 机 嵌 入式 系 皖 应 固 6 5 一一一一一一