智能家居遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)方案思考
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1.簡(jiǎn)介
物聯(lián)網(wǎng)近幾年的發(fā)展非常的火熱，各種智能設(shè)備的出現(xiàn)使得智能家居的發(fā)展越來(lái)越快。雖然發(fā)展火熱，卻沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，所以智能家居監(jiān)控系統(tǒng)需要一種穩(wěn)定統(tǒng)一的解決方案。
本系統(tǒng)主要是利用Exynos4412開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，借助Linux操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件上的需求，通過(guò)WIFI連接互聯(lián)網(wǎng)，然后在嵌入式系統(tǒng)上搭建BOA服務(wù)器，通過(guò)移植MJPG-streamer軟件采集攝像頭數(shù)據(jù)。用戶(hù)只需要在電腦或者手機(jī)上通過(guò)瀏覽器訪問(wèn)集成控制系統(tǒng)頁(yè)面，可實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的實(shí)時(shí)監(jiān)控和對(duì)LED的控制。
本文完成了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，采用硬件結(jié)合，軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整體調(diào)試。根據(jù)開(kāi)發(fā)的需要，各部分功能協(xié)調(diào)，交叉的進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)一種高效穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的解決方案。
1.1 研究意義及背景
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和各種智能設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居也與隨著時(shí)代的變化而不斷發(fā)展進(jìn)步，尤其是萬(wàn)物互聯(lián)使得智能家居進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)成為可能。利用一個(gè)家庭網(wǎng)關(guān)可以控制家里的一切，而且還可以采集到用戶(hù)生活習(xí)慣的信息，結(jié)合大數(shù)據(jù)，提供更加人性化的服務(wù)，這是時(shí)代的進(jìn)步也是科技給人們生活帶來(lái)的便捷。
物聯(lián)網(wǎng)智能家居監(jiān)控系統(tǒng)研究的意義在于如何提高人們的生活水平，同時(shí)對(duì)人們的生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)變也帶來(lái)很大的改變[1]。當(dāng)沒(méi)人在家時(shí)，如果忘記了關(guān)掉家里的一些電器，此時(shí)只需要一臺(tái)能夠上網(wǎng)的電腦或者拿出手機(jī)，登錄智能家居遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，就可以輕松的掌握家里的一切情況，同時(shí)控制各種電器的使用。如果需要時(shí)時(shí)觀察家里的情況，還可以打開(kāi)攝像頭，看家里情況，這樣有利于照顧家里的老人和小孩。
從宏觀上來(lái)說(shuō)，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)可以幫助人們更好的生活，減少電量的損耗，對(duì)于實(shí)現(xiàn)國(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會(huì)有好處，同時(shí)可以預(yù)防火災(zāi)，小偷等突發(fā)事件的發(fā)生，維護(hù)公共安全有很大的好處。所以，智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的研究是很要必要的，也是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。
1.2 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)
智能家居的概念第一次被提出是在1984年，當(dāng)時(shí)在對(duì)一幢樓層進(jìn)行改造，在該樓層里的各種設(shè)備進(jìn)行智能家居的設(shè)計(jì)，達(dá)到能夠進(jìn)行控制的效果。這樣，智能家居的概念就第一次被提出來(lái)了。智能家居從出現(xiàn)到現(xiàn)在，研究在不斷的進(jìn)行，各個(gè)國(guó)家也在智能家居的概念上提出新的見(jiàn)解和思路，這個(gè)概念的總體目標(biāo)是：將家庭的一切設(shè)備通過(guò)總線相連，然后交給一個(gè)智能控制系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)控制系統(tǒng)就能呢個(gè)很好的掌控家里的一切環(huán)境，并且可感知外部環(huán)境的變化，讓居住環(huán)境和人更好的協(xié)調(diào)相處。
智能家居是物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分領(lǐng)域發(fā)展較好的行業(yè)，有研究機(jī)構(gòu)發(fā)布報(bào)告預(yù)測(cè)，智能家居在未來(lái)幾年將迅速增長(zhǎng)，特別是智能家居設(shè)備制造行業(yè)和服務(wù)行業(yè)。在這樣大市場(chǎng)下，全球很多的大型企業(yè)都將未來(lái)的戰(zhàn)略定在智能家居市場(chǎng)，包括谷歌、蘋(píng)果、三星以及國(guó)內(nèi)小米、華為、BAT等各大科技公司，都已瞄準(zhǔn)智能家居這一新風(fēng)口。去年我國(guó)智能家居市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)突破1200億，智能家居的發(fā)展形式十分樂(lè)觀，也將在不久的將來(lái)走進(jìn)千家萬(wàn)戶(hù)。目前國(guó)內(nèi)的智能家居發(fā)展主要的瓶頸在于各大廠商都只是生產(chǎn)單品，沒(méi)有統(tǒng)一的制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致很多模塊不能在集中控制，同時(shí)，智能家居的安全性也有待提高，解決這些難題是智能家居發(fā)展的必要之路。
ORVIBO的CEO王雄輝認(rèn)為，在三年之內(nèi)智能家居將會(huì)有比較大的發(fā)展，即使不同的產(chǎn)品也能相互聯(lián)通，形成一整套的集控解決方案，以及通過(guò)智能家居“服務(wù)云”的方式打通，這種方式將會(huì)淘汰很多小規(guī)模的生產(chǎn)廠商，最終形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到一個(gè)集控系統(tǒng)可以控制家庭各種設(shè)備的目的。隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，生物智能，指紋安全，人臉檢測(cè)，語(yǔ)音分析等技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)的智能家居交互將會(huì)越來(lái)越友好，越來(lái)越智能，物聯(lián)網(wǎng)資深人士楊劍勇也表示，在不久的將來(lái)，智能家居也會(huì)更加方便人們的生產(chǎn)生活，隨著電腦技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，人工智能應(yīng)用智能家居設(shè)備中將發(fā)揮巨大價(jià)值，通過(guò)對(duì)大數(shù)據(jù)的處理，準(zhǔn)確的分析出人們的需求，能夠在生活中替人們解決一些問(wèn)題。
1.3 本系統(tǒng)的主要任務(wù)
本系統(tǒng)主要利用Exynos4412開(kāi)發(fā)板搭建家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。通過(guò)適配硬件，移植軟件，設(shè)計(jì)網(wǎng)頁(yè)等三個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。
（1）適配硬件
本文主要使用的是USB2.0的攝像頭，同時(shí)用LED燈模擬家庭的照明和家電控制系統(tǒng)。
（2）軟件移植
該文的軟件部分主要包括Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制，根據(jù)需求來(lái)添加或者移除相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。同時(shí)還包括Linux根文件系統(tǒng)的制作與移植，移植BOA服務(wù)器，移植MJPG-streamer網(wǎng)絡(luò)攝像頭驅(qū)動(dòng)，編寫(xiě)LED的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，來(lái)模擬家庭一些電器設(shè)備，最后是整體綜合分析。
（3）網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)
在網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)上采用html語(yǔ)言編寫(xiě)靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè)，在樣式上采用CSS3樣式，整體設(shè)計(jì)界面風(fēng)格看起來(lái)優(yōu)雅簡(jiǎn)潔，美觀大方。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交互的效果，還要應(yīng)該用到JavaScript。最后用cgi來(lái)編寫(xiě)控制開(kāi)發(fā)板上的LED的控制程序。
2. 總體方案設(shè)計(jì)
2.1 總體設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)要求，本智能家居控制系統(tǒng)采用ARM Cortex-A9 處理器作為核心處理器，在開(kāi)發(fā)板上搭載WIFI模塊，USB攝像頭模塊。同時(shí)移植BOA服務(wù)器作為網(wǎng)頁(yè)處理服務(wù)器。在MJPG-streamer上將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在網(wǎng)頁(yè)上?？傮w設(shè)計(jì)方案如下圖2-1所示：
2.2 硬件方案
本系統(tǒng)硬件部分用Itop4412開(kāi)發(fā)板為核心，外接WIFI模塊和USB攝像頭模塊，該開(kāi)發(fā)板采用Exynos4412的主芯片，并且配置2GB雙通道DDR3的內(nèi)存，在系統(tǒng)的運(yùn)行速度上比較快，適合處理大量數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。加上配置16GB的存儲(chǔ)，也讓本開(kāi)發(fā)板有著更大的存儲(chǔ)空間，對(duì)視頻數(shù)據(jù)的保存和相關(guān)配置信息存儲(chǔ)具有重要作用。在攝像頭的選擇上采用免驅(qū)攝像頭，該攝像頭可以直接插在開(kāi)發(fā)板的USB插座上，只需要將數(shù)據(jù)通過(guò)USB線傳輸?shù)紸RM芯片上，在處理器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。與此同時(shí)，在開(kāi)發(fā)板上的GND，GPJ1(3)，GPJ1(2)，GPJ0(7)，GPJ0(2)，GPJ0(3)，GPJ0(6)這七個(gè)引腳配置對(duì)應(yīng)的模式，由于輸出的電壓為1.7V，所以可以驅(qū)動(dòng)LED。利用杜邦線連接到另一塊板子上，用來(lái)模擬家庭被控制的智能設(shè)備。
Exynos4412開(kāi)發(fā)板簡(jiǎn)介
為了保證USB攝像頭視頻采集的清晰度較高，也為了讓智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定。必須要采用性能比較高的處理器作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
本系統(tǒng)采用Exynos4412的主芯片，該芯片功能強(qiáng)大，性能好，適用于要求系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性，高可靠性和很好地處理性能的場(chǎng)合。對(duì)于智能家居監(jiān)控系統(tǒng)而言，用戶(hù)需要很好地體驗(yàn)效果，所以就必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。選用Exynos4412的芯片對(duì)于該課題而言是個(gè)很好地選擇。既滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)上的要求，在價(jià)格方面也很合理。實(shí)物圖如下圖2-2所示：
Exynos 4412芯片是三星發(fā)布的Cortex A9第二代中的其中一款，由于其性能比較高，也比較省電，所以在三星和魅族手機(jī)上都可以看到這款芯片的使用。
該芯片的主要特點(diǎn)是采用三星自家的電源管理芯片，在測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)非常好，不論是發(fā)熱的控制，還是電能的損耗都控制的非常合理。更重要的是可適配802.11b/g和802.11n的WIFI模塊，這樣可以讓數(shù)據(jù)傳輸?shù)母友杆俑咝АＭ瑫r(shí)，該芯片還可以根據(jù)需求來(lái)適配各種硬件，外設(shè)擴(kuò)展十分豐富。
無(wú)線連接四合一單芯片MT6620模塊
聯(lián)發(fā)科技MT6620在單芯片中整合了FM收發(fā)器、GPS、藍(lán)牙4.0+HS和802.11n Wi-Fi這四種功能，由于其性能強(qiáng)大，四合一的芯片MT6620在手機(jī)使用比較廣泛，與此同時(shí)在封裝尺寸以及低功耗方面的優(yōu)勢(shì)，讓開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的時(shí)間大大縮短。這樣讓很多便攜式設(shè)備，包括手機(jī)、平板、PAD、PSP等設(shè)備具有聯(lián)網(wǎng)的功能。
MT6620 模塊采用先進(jìn)復(fù)雜的無(wú)線電共存算法，在硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上也采用比較先進(jìn)的技術(shù)，在各種音頻，視頻，圖像數(shù)據(jù)的傳輸上占有很大的優(yōu)勢(shì)。聯(lián)發(fā)科技獨(dú)家Symphony?軟件包，對(duì)于Android操作系統(tǒng)上先進(jìn)的無(wú)線連接功能有很好的支持，這種良好的特性使得這個(gè)模塊具有很大的優(yōu)勢(shì)。
聯(lián)發(fā)科技MT6620支持很多無(wú)線連接標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)支持特性很好，由于多種傳輸?shù)膮f(xié)議使得該芯片有著很高的性?xún)r(jià)比，在數(shù)據(jù)傳輸速度上也比較理想。與此同時(shí)，該芯片還支持藍(lán)牙和FM 無(wú)線電收發(fā)器。本系統(tǒng)采用該模塊作為WIFI連接互聯(lián)網(wǎng)的模塊，可具有很高的性能。實(shí)物圖如下圖2-3所示。
Web攝像頭視頻采集模塊
本文選用的是網(wǎng)絡(luò)攝像頭，也叫WEBCAM ，WEB CAMERA是一種結(jié)合了攝像頭和網(wǎng)絡(luò)壓縮技術(shù)的一種新型攝像頭，通過(guò)這種攝像頭，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸，更重要的是，這種攝像頭使用起來(lái)十分簡(jiǎn)單，將網(wǎng)絡(luò)攝像頭連接到電腦的USB端口，打開(kāi)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器就可以瀏覽攝像頭采集到的圖像信息了。
網(wǎng)絡(luò)攝像頭主要是將采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮加密后傳到電腦上，電腦開(kāi)啟服務(wù)器，將傳過(guò)來(lái)的信息通過(guò)局域網(wǎng)，因特網(wǎng)或者無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶(hù)終端上。遠(yuǎn)程客戶(hù)端用戶(hù)在能上網(wǎng)移動(dòng)設(shè)備或者PC上通過(guò)瀏覽網(wǎng)頁(yè)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀況的時(shí)時(shí)監(jiān)控。在需要監(jiān)控錄像的場(chǎng)合用處較大。由于其使用簡(jiǎn)單，圖像清晰，所以在很多地方都使用這種攝像頭。下圖2-4是網(wǎng)絡(luò)攝像頭的實(shí)物圖。
2.3 軟件方案
本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是軟件的編寫(xiě)，軟件主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先是選用什么樣的操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，由于Linux具有開(kāi)源而且功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，更重要的是他的網(wǎng)絡(luò)功能十分強(qiáng)大，選擇Linux作為本文的系統(tǒng)非常合適。然后在Linux操作系統(tǒng)上搭載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸出去，在手機(jī)或者電腦上訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)，就可以檢測(cè)到攝像頭捕捉到的視頻畫(huà)面。也可以將用戶(hù)發(fā)過(guò)來(lái)的控制指令進(jìn)行解析，通過(guò)ARM處理器控制外圍設(shè)備，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的。上位機(jī)采用前端開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和cgi來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用戶(hù)只需要點(diǎn)擊按鈕或者開(kāi)關(guān)，就可以達(dá)到控制的目的。
Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建
Linux操作系統(tǒng)是由全世界Linux愛(ài)好者共同維護(hù)，并且將源碼開(kāi)源在互聯(lián)網(wǎng)上，在網(wǎng)上由各種程序員進(jìn)行維護(hù)和管理，目前已經(jīng)是最為流行的一款開(kāi)放源代碼的操作系統(tǒng)。由于其開(kāi)源的特點(diǎn)，越來(lái)越多的程序員自發(fā)的維護(hù)著這個(gè)系統(tǒng)。從1991年Linux的出現(xiàn)到現(xiàn)在，該系統(tǒng)的安全性和實(shí)用性正在不斷的加強(qiáng)，并且逐漸發(fā)展已經(jīng)成為一個(gè)有創(chuàng)造力的操作系統(tǒng)。在服務(wù)器市場(chǎng)上，Linux也越來(lái)越扮演著重要的作用。在中國(guó)市場(chǎng)上，Linux操作系統(tǒng)的作用也越來(lái)越重要，很多國(guó)產(chǎn)的操作系統(tǒng)也基于Linux內(nèi)核進(jìn)行設(shè)計(jì)和修改。目前比較熱門(mén)Android手機(jī)也用到Linux操作系統(tǒng)。Linux在嵌入式領(lǐng)域也起到舉足輕重的作用，由于其系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全，更重要的是需要的硬件資源配置要求不高，使得Linux操作系統(tǒng)很適合做一些嵌入式的項(xiàng)目。
本系統(tǒng)采用的開(kāi)發(fā)環(huán)境是Linux，所以必須在Linux的主機(jī)上進(jìn)行相關(guān)軟件的開(kāi)發(fā)工作。為了設(shè)計(jì)的方便，采用VMware Workstation 12 Player虛擬機(jī)上安裝一個(gè)ubuntu的操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行相關(guān)源代碼的編譯。
對(duì)于一個(gè)基本的Linux的體系結(jié)構(gòu)包括用戶(hù)層和內(nèi)核層，底層主要利用內(nèi)核驅(qū)動(dòng)來(lái)控制硬件，上層利用函數(shù)庫(kù)連接內(nèi)核空間，然后通過(guò)應(yīng)用層來(lái)起到控制硬件的作用，Linux的體系結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示：
根據(jù)Linux操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，Linux操作系統(tǒng)具有很好的耦合性，所以其底層的硬件可以根據(jù)內(nèi)核配置來(lái)裁剪。由于我們用到了MT6620模塊和網(wǎng)絡(luò)攝像頭的模塊，所以將這兩個(gè)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)配置進(jìn)Linux內(nèi)核之中。
首先先將網(wǎng)絡(luò)攝像頭V4L USB驅(qū)動(dòng)加入到內(nèi)核中。在這個(gè)過(guò)程中，用cd命令進(jìn)入到內(nèi)核源碼目錄，查找到相應(yīng)的目錄后，在控制臺(tái)窗口輸入make menuconfig 命令，可以進(jìn)入一個(gè)圖形的配置界面，該界面可以直觀的配置內(nèi)核。然后根據(jù)需求選擇Device Drivers --->，點(diǎn)擊Mutimedia support --->進(jìn)入多媒體支持選項(xiàng)，然后在Video capture adapters --->中然后選擇V4L USB devices --->，進(jìn)入到VL4 USB驅(qū)動(dòng)的目錄，現(xiàn)在只需要將V4L USB devices --->的前面設(shè)置成[*]，表示直接編譯進(jìn)內(nèi)核。如圖2-7所示：
然后將MT6620 WIFI模塊的驅(qū)動(dòng)編譯進(jìn)內(nèi)核。
選擇Device Drivers ---> 進(jìn)入設(shè)備驅(qū)動(dòng)選項(xiàng)，選擇MediaTek Connectivity Combo Chip Support 將MediaTek Connectivity Combo Chip Support前面設(shè)置成[*]，這樣就把WIFI模塊驅(qū)動(dòng)編譯到內(nèi)核里面了，如下圖2-8所示：
按照上面的步驟裁剪好Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)硬件后，就可以返回到源碼目錄，用管理員root權(quán)限開(kāi)始制作內(nèi)核文件。配置好驅(qū)動(dòng)信息后就可以開(kāi)始生成內(nèi)核文件了。最后將生成的zImage內(nèi)核鏡像文件下載到開(kāi)發(fā)板上。這樣一個(gè)完整的內(nèi)核就制作完成了。
Linux操作系統(tǒng)根文件系統(tǒng)的移植
根文件系統(tǒng)是一種文件系統(tǒng)，但是卻不同于普通的文件系統(tǒng)，它需要保存Linux啟動(dòng)時(shí)的一些配置信息，包括開(kāi)發(fā)板的ip地址，或者一些開(kāi)機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)的一些進(jìn)程等，無(wú)論是程序還是文件，都放在其對(duì)應(yīng)的目錄結(jié)構(gòu)之下。內(nèi)核文件的代碼也放在根文件系統(tǒng)中，在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)將初始化的腳本和一些重要的程序放在內(nèi)存中去執(zhí)行。
根文件系統(tǒng)在本中的作用十分重要，除了掛載BOA服務(wù)器外，很多程序和shell腳本都放在相應(yīng)的目錄中，對(duì)于后期程序的執(zhí)行有著十分關(guān)鍵的作用，并且在內(nèi)核啟動(dòng)的過(guò)程中執(zhí)行一些初始化的腳本。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)掛載一些操作文件夾。其中包括以下常見(jiàn)的文件夾。下圖2-9是一些常見(jiàn)目錄結(jié)構(gòu)。
BusyBox 是制作根文件系統(tǒng)有一個(gè)比較好的工具，它可以根據(jù)需求來(lái)配置根文件系統(tǒng)的文件和目錄。這個(gè)工具里集成了一些比較好用的工具，BusyBox 有一些常用的命令像ls、echo和vi等一些比較常用的命令，這些命令對(duì)于大多數(shù)的Linux系統(tǒng)操作都能夠滿(mǎn)足要求，除此之外還包括一些強(qiáng)大的工具軟件，像telnet、grep、find、mount等命令，這些命令豐富了嵌入式Linux的功能，使功能更加齊全。所以BusyBox有著十分強(qiáng)大的功能，在制作根文件系統(tǒng)時(shí)利用這個(gè)工具就可以根據(jù)需求制作一個(gè)完整的根文件系統(tǒng)。在本文中，主要利用BusyBox來(lái)制作根文件系統(tǒng)，首先將BusyBox安裝在宿主機(jī)上，在控制臺(tái)輸入指令sudo apt-get install busybox。此時(shí)該程序安裝在/bin目錄下，然后安裝源目錄，源目錄的作用為了編譯這個(gè)根文件系統(tǒng)的一些源代碼，每一個(gè)指令實(shí)際上就是一段程序。最后安裝libncurses-dev，輸入指令sudo apt-get install libncurses-dev。進(jìn)過(guò)這三步，一個(gè)完整的BusyBox文件系統(tǒng)就在宿主機(jī)上搭建起來(lái)了，接下來(lái)是配置BusyBox。
配置根文件系統(tǒng)時(shí)，如果要用圖形界面，就可以直觀的配置BusyBox。首先進(jìn)入配置界面，如下圖2-10所示：
由于根文件系統(tǒng)是運(yùn)行在開(kāi)發(fā)板上，所以需要指定對(duì)應(yīng)的ARM交叉編譯器，配置交叉編譯器如下圖2-11所示：
然而，此時(shí)的根文件系統(tǒng)還不是很完整，需要增加幾個(gè)目錄才能稱(chēng)為完整的根文件系統(tǒng)，必須的目錄有mnt，用來(lái)掛載外界的磁盤(pán)或者可移動(dòng)的設(shè)備，還有l(wèi)ib目錄，用來(lái)存放系統(tǒng)必須的庫(kù)函數(shù)，還有專(zhuān)門(mén)存放配置的etc目錄等。
交叉編譯環(huán)境的搭建
交叉編譯環(huán)境的搭建首先將交叉編譯工具移植到宿主機(jī)上，解壓到指定的目錄，此時(shí)，宿主機(jī)上就能夠使用交叉編譯函數(shù)的庫(kù)。目的是讓開(kāi)發(fā)板上的內(nèi)核、根文件系統(tǒng)以及可運(yùn)行的程序都用同一種gcc來(lái)進(jìn)行編譯。然后根據(jù)下載的交叉編譯的gcc設(shè)置系統(tǒng)的環(huán)境變量，將放置交叉編譯工具的目錄添加到系統(tǒng)環(huán)境之中。
本文的開(kāi)發(fā)環(huán)境是利用虛擬機(jī)上搭載ubuntu系統(tǒng)，在ubuntu系統(tǒng)上配置gcc4.4.1版本，然后將環(huán)境變量添加進(jìn)去，這樣就完成了交叉編譯環(huán)境的搭建。
BOA服務(wù)器的搭建
BOA是在嵌入式里比較常用的一種服務(wù)器，其功能比較強(qiáng)大，底層是由C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)服務(wù)端，所以占用資源比較少。功能上對(duì)于處理一般的問(wèn)題是足夠的。在動(dòng)態(tài)頁(yè)面的管理上也能很好的支持。當(dāng)客戶(hù)通過(guò)瀏覽器來(lái)訪問(wèn)時(shí)，就可以借助這個(gè)BOA服務(wù)器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)與硬件的交互，達(dá)到控制的目的。具體移植過(guò)程如下：
(1)BOA服務(wù)器官網(wǎng)上下載源碼壓縮包，將壓縮包進(jìn)行解壓，然后進(jìn)行編譯。
(2)將編譯好的配置文件復(fù)制到根文件系統(tǒng)的/etc目錄中。
(3)建立主要的文件結(jié)構(gòu)，不同的文件夾有著不同的功能，將網(wǎng)頁(yè)源碼放在/www目錄下，動(dòng)態(tài)的處理代碼和函數(shù)放在/www/cgi-bin目錄中，其他的文件就放在/var目錄中，這樣就能很好的保持程序各個(gè)部分的分工明確。
(4)修改配置文件，指定對(duì)應(yīng)的文件和網(wǎng)頁(yè)源碼文件對(duì)應(yīng)的目錄。
(5)將編譯好的BOA極其文件夾轉(zhuǎn)移到開(kāi)發(fā)板上，然后開(kāi)啟BOA服務(wù)即可。
可以通過(guò)手機(jī)或者可上網(wǎng)設(shè)備連接開(kāi)發(fā)板上的ip地址，就可以在設(shè)備上看到我們剛放在服務(wù)器上的網(wǎng)頁(yè)的效果。具體的效果如下圖2-12所示：
MJPG-streamer的移植
MJPG-streamer是網(wǎng)上的一種比較通用的網(wǎng)絡(luò)攝像頭的一種處理程序，它的功能很強(qiáng)大，可以直接把網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)或者有線網(wǎng)傳到客戶(hù)端的瀏覽器上，用戶(hù)只需要瀏覽網(wǎng)頁(yè)就可以看到采集到的視頻信息。本文采用的是MJPG-streamer結(jié)合BOA服務(wù)器的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能家居的監(jiān)視與控制。其具體移植過(guò)程如下：
首先在官網(wǎng)下在MJPG-streamer的源代碼，解壓到宿主機(jī)的指定的目錄。指定交叉編譯工具./configure --prefix=/home/vmuser --host=ARM-none-Linux-gnueabi，在完成上述操作后就可以進(jìn)行源碼的最后編譯了。
GPIO口的配置使用
該程序主要的部分是如何配置并且使用ARM板的硬件資源，通過(guò)配置GPIO口的使用方式，配置成輸出模式。該部分主要作用就是對(duì)ARM引腳的使用進(jìn)行配置。然后在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行控制。
首先，在內(nèi)核源碼目錄中對(duì)GPIO引腳進(jìn)行申請(qǐng)，將沒(méi)有使用的GPIO引腳釋放，然后使用vim include/Linux/gpio.h打開(kāi)文件。查找到該函數(shù)對(duì)應(yīng)的硬件引腳的連接，最后編寫(xiě)對(duì)應(yīng)引腳的驅(qū)動(dòng)程序。該程序主要使用的是開(kāi)發(fā)板上的GND，GPJ1(3)，GPJ1(2)，GPJ0(7)，GPJ0(2)，GPJ0(3)，GPJ0(6)這八個(gè)引腳。在對(duì)ARM引腳使用時(shí)必須使用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)控制底層。所以先寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序來(lái)配置引腳。
驅(qū)動(dòng)函數(shù)框架
對(duì)于智能家居控制系統(tǒng)而言，主要是利用弱電控制強(qiáng)電的方法，一般只需要操作引腳輸出一個(gè)比較小的電壓，然后通過(guò)繼電器來(lái)起到控制家庭電器開(kāi)關(guān)的作用。所以核心的功能是讓ARM引腳根據(jù)特定的環(huán)境產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。本文主要是采用LED來(lái)模擬家庭里的各種電器設(shè)備。
Linux的驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要作用是連接硬件資源，然后將資源交給用戶(hù)空間來(lái)管理。應(yīng)用層主要的作用就是操作這些驅(qū)動(dòng)函數(shù)，從而達(dá)到控制硬件的作用。Linux系統(tǒng)函數(shù)的整體特點(diǎn)如下圖2-13所示：
在Linux操作系統(tǒng)中，其驅(qū)動(dòng)函數(shù)主要包括入口函數(shù)，出口函數(shù)，內(nèi)核空間到用戶(hù)空間的映射函數(shù)這幾個(gè)方面，所以在明確功能的情況下來(lái)配置驅(qū)動(dòng)函數(shù)。Linux系統(tǒng)函數(shù)的控制方式如下圖2-14所示：
驅(qū)動(dòng)函數(shù)的入口函數(shù)
在Linux用insmod命令安裝一個(gè)驅(qū)動(dòng)后，會(huì)在/dev目錄上創(chuàng)建一個(gè)節(jié)點(diǎn)，而這個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制就是內(nèi)核空間到用戶(hù)空間的一種方式。當(dāng)安裝驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入驅(qū)動(dòng)函數(shù)的入口處。入口函數(shù)主要的作用是注冊(cè)一個(gè)設(shè)備，并且分配設(shè)備號(hào)。進(jìn)入到驅(qū)動(dòng)函數(shù)入口函數(shù)時(shí)，首先要注冊(cè)設(shè)備，再在內(nèi)核空間創(chuàng)建設(shè)備號(hào)。本文采用的是字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，所以借助雜項(xiàng)設(shè)備類(lèi)即可實(shí)現(xiàn)，下面是GPIO驅(qū)動(dòng)的入口函數(shù)。
/*函數(shù)的入口*/ static int my_dev_init(void) { /*注冊(cè)設(shè)備*/ major=register_chrdev(0,"mydev",&fops); //自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)備號(hào) myclass=class_create(THIS_MODULE,"mydev"); if(IS_ERR(myclass))
{ /*錯(cuò)誤的創(chuàng)建雜項(xiàng)設(shè)備的類(lèi)*/ return -1;
}
mydevice=device_create(myclass,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"mydev");
printk("mydev ok!"); return 0;
}
驅(qū)動(dòng)函數(shù)的框架
在注冊(cè)設(shè)備，調(diào)用register_chrdev函數(shù)時(shí)，分配一個(gè)fops結(jié)構(gòu)體，這個(gè)結(jié)構(gòu)體主要用來(lái)操作底層的硬件，并且和應(yīng)用層的函數(shù)一一對(duì)應(yīng)。所以先編寫(xiě)出這個(gè)結(jié)構(gòu)體框架，然后再完善函數(shù)功能。
/*寫(xiě)出驅(qū)動(dòng)的框架*/ struct file_operations fops=
{ .owner=THIS_MODULE,
.open=my_open,
.read=my_read,
.write=my_write,
.release=my_release,
};
在本文中，用到的比較重要的兩個(gè)函數(shù)是my_open和my_write兩個(gè)函數(shù)。
/*打開(kāi)設(shè)備*/ static ssize_t my_open(struct inode *inode, struct file *file) { int ret; int i; for(i=0; i<6; i++)
{ //申請(qǐng)6個(gè)gpio口 ret = gpio_request(my_gpios[i], "LED"); if (ret) { return ret;
}
s3c_gpio_cfgpin(my_gpios[i], S3C_GPIO_OUTPUT); //將引腳設(shè)置為輸出模式 gpio_set_value(my_gpios[i], 1);
} return 0;
}
在open函數(shù)中，主要是申請(qǐng)使用這六個(gè)gpio引腳，然后將這六個(gè)引腳設(shè)置成輸出模式，并且設(shè)置成高電平。
static ssize_t my_write(struct file *file, const char __user *in, size_t size, loff_t *off) { int abc;
copy_from_user(&abc,in,sizeof(abc)); switch(abc)
{ case 1:
gpio_set_value(my_gpios[0], 1); break; case 2:
gpio_set_value(my_gpios[0], 0); break; case 3:
gpio_set_value(my_gpios[1], 1); break; case 4:
gpio_set_value(my_gpios[1], 0); break; case 5:
gpio_set_value(my_gpios[2], 1); break; case 6:
gpio_set_value(my_gpios[2], 0); break; case 7:
gpio_set_value(my_gpios[3], 1); break; case 8:
gpio_set_value(my_gpios[3], 0); break; case 9:
gpio_set_value(my_gpios[4], 1); break; case 10:
gpio_set_value(my_gpios[4], 0); break; case 11:
gpio_set_value(my_gpios[5], 1); break; case 12:
gpio_set_value(my_gpios[5], 0); break; default: break;
} return size;
}
本函數(shù)中將用戶(hù)空間傳遞過(guò)來(lái)的值進(jìn)行判斷，不同的數(shù)字對(duì)應(yīng)著不同的操作，從而達(dá)到控制硬件的目的。
應(yīng)用層函數(shù)的編寫(xiě)
應(yīng)用層主要是控制邏輯，不需要關(guān)心底層驅(qū)動(dòng)如何控制。在Linux系統(tǒng)中只需要將設(shè)備當(dāng)成文件操作即可。實(shí)際上編寫(xiě)應(yīng)用函數(shù)只需要關(guān)心寫(xiě)什么數(shù)據(jù)就可以達(dá)到什么效果，所以大大簡(jiǎn)化了操作的難度。這也是Linux將驅(qū)動(dòng)層和應(yīng)用層分開(kāi)的一個(gè)好處。操作方式可以總結(jié)為為打開(kāi)設(shè)備，向設(shè)備讀數(shù)據(jù)或者寫(xiě)數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備，這三個(gè)步驟。用open函數(shù)打開(kāi)fd=open(LEDs,O_RDWR|O_RDONLY|O_NONBLOCK))，打開(kāi)設(shè)備后就可以操作該文件的讀寫(xiě)函數(shù)了，本文主要用到寫(xiě)函數(shù)write中向設(shè)備里寫(xiě)數(shù)據(jù)，這樣達(dá)到控制的目的，最后close(fd)關(guān)閉設(shè)備文件。
3.監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)的客戶(hù)端
本文的控制平臺(tái)主要是利用瀏覽器，在電腦或者手機(jī)的瀏覽器上輸入相應(yīng)的ip地址就可以進(jìn)入后臺(tái)管理系統(tǒng)。而用戶(hù)只需要操作網(wǎng)頁(yè)上的相應(yīng)的鏈接即可達(dá)到控制的目的。利用網(wǎng)頁(yè)的最大好處就是可以隨時(shí)隨地的利用各種能上網(wǎng)的平臺(tái)控制家庭的各種設(shè)備。Web前端采用html語(yǔ)言來(lái)展示，同時(shí)利用cgi對(duì)后端的服務(wù)器進(jìn)行控制。
3.1 登錄界面的設(shè)計(jì)
對(duì)于一個(gè)智能家居的控制管理系統(tǒng)，其安全性和保密性非常的重要，所以只能是智能家居系統(tǒng)的所有者才可以進(jìn)入后臺(tái)管理系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制和管理[18]。在這里需要輸入用戶(hù)名和密碼才能進(jìn)入。登錄界面如下圖3-1所示：
3.2 客戶(hù)端管理的總體布局
在集控系統(tǒng)中，主要集成數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)展示，還有集成控制。這里前端用CSS3和html，服務(wù)器采用BOA，在后臺(tái)控制上采用cgi來(lái)操作應(yīng)用函數(shù)。下圖3-2是智能家居集控系統(tǒng)的照明系統(tǒng)界面。
在網(wǎng)頁(yè)與服務(wù)器的交互上，采用的是ajax技術(shù)，該技術(shù)可以在不刷新網(wǎng)頁(yè)的情況下向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)。用按鈕及控件的數(shù)據(jù)改變事件或者點(diǎn)擊事件就可以觸發(fā)交互。在本文中，當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊網(wǎng)頁(yè)上的開(kāi)關(guān)按鈕時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的事件。當(dāng)BOA服務(wù)器接收到事件后，可以在后臺(tái)處理cgi程序。
4. 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)綜合調(diào)試分析
調(diào)試部分在整個(gè)項(xiàng)目的測(cè)試過(guò)程中有十分關(guān)鍵的作用，對(duì)于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和后期的評(píng)估和維護(hù)有著關(guān)鍵性的作用。為了防止后期出現(xiàn)問(wèn)題，整體項(xiàng)目的耦合性必須非常的好。然后在此基礎(chǔ)上添加功能才不用項(xiàng)目重構(gòu)，只需要添加部分功能即可。所以這個(gè)項(xiàng)目必須是可更新的。本文主要在硬件，軟件，web這三個(gè)塊進(jìn)行調(diào)試。在使用開(kāi)發(fā)板時(shí)，必須搭建好相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后用特地的調(diào)試方法進(jìn)行調(diào)試，將每個(gè)部分的問(wèn)題降低到最小。而且要不斷的思考符合大眾的操作方式。讓不懂電路設(shè)計(jì)的用戶(hù)也能很容易的操作這套系統(tǒng)。
4.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試
在硬件方面，前期的選材，中期的控制，后期維護(hù)這三個(gè)方面。在選擇器件方面要結(jié)合功能和現(xiàn)有的資源。ARM適合運(yùn)行操作系統(tǒng)，而且ARM的性能也比較高，適合像這種視頻處理這種大數(shù)據(jù)量的操作。智能家居也需要穩(wěn)定，不容易出現(xiàn)故障。智能家居還應(yīng)該包括各種設(shè)備，空調(diào)，電視，燈，等設(shè)備。實(shí)際上設(shè)備只用操作GPIO即可，所以選擇ARM芯片的另一個(gè)好處是引腳資源豐富，便于后期的擴(kuò)展。選擇網(wǎng)絡(luò)攝像頭好處是這種攝像頭是通用的，在市面上很容易購(gòu)買(mǎi)到，增加了系統(tǒng)的耦合性。系統(tǒng)硬件調(diào)試比較關(guān)鍵的部分是中期控制，這個(gè)也是難點(diǎn)。首先要了解Linux操作系統(tǒng)，然后在此基礎(chǔ)上操作ARM上的硬件資源。然后是知道如何操作WIFI模塊，網(wǎng)絡(luò)攝像頭，串口的通信協(xié)議，udp以及網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸方式。
4.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試
本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境是利用ubuntu系統(tǒng)來(lái)作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上搭建嵌入式的gcc進(jìn)行uboot，內(nèi)核，根文件系統(tǒng)的編譯和制作。對(duì)制作好的完整的Linux進(jìn)行查看，主要是將開(kāi)發(fā)板通過(guò)串口連接到電腦就可以看到內(nèi)核的打印信息。然后在控制臺(tái)上進(jìn)行各種命令的控制。如果系統(tǒng)正常運(yùn)行。表示制作的Linux沒(méi)有問(wèn)題，接下來(lái)只需要調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序和服務(wù)器即可。當(dāng)開(kāi)啟BOA服務(wù)器，同時(shí)在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)的電腦或者手機(jī)進(jìn)行測(cè)試，輸入相應(yīng)的ip地址，就可以看到在www目錄下的的網(wǎng)頁(yè)了，一般而言，都會(huì)在配置文件中指定www目錄下的默認(rèn)顯示文件。本文配置的是index.html表示默認(rèn)文件，該網(wǎng)頁(yè)就是登錄界面。
4.3 系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)調(diào)試
系統(tǒng)網(wǎng)頁(yè)是給用戶(hù)來(lái)進(jìn)行控制和操作的，力求簡(jiǎn)潔，美觀，功能齊全[20]。在這個(gè)方面上需要設(shè)計(jì)，所以樣式表很重要，采用CSS3可以設(shè)計(jì)出很多的特效，讓網(wǎng)頁(yè)看上去更加的美觀。通過(guò)連接服務(wù)器，然后連接到同一WIFI，登錄開(kāi)發(fā)板的ip，可以看下圖4-1所示的結(jié)果。
該網(wǎng)頁(yè)界面主要是來(lái)驗(yàn)證登錄是否成功。在輸入帳號(hào)或者密碼之后，判斷該帳號(hào)密碼是否正確，如果正確則進(jìn)入主控制界面，可以看到攝像頭采集到的視頻信息。如圖4-2所示：
4.4 系統(tǒng)整體聯(lián)接調(diào)試
進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)首先開(kāi)啟WIFI模塊，在這里由于ip地址可變，所以這里直接用命令來(lái)連接WIFI。用shell腳本來(lái)開(kāi)啟WIFI。Shell腳本的編寫(xiě)如下面的代碼所示。
#!/bin/sh wpa_passphrase abc “12345678”>> /etc/wap_supplicant.conf
/etc/init.d/mt6620
執(zhí)行該腳本程序，進(jìn)行控制啟WIFI后可以看到WIFI模塊上的LED燈閃爍，表示W(wǎng)IFI模塊正常開(kāi)啟。開(kāi)啟BOA服務(wù)器和MJPG-streamer。這里也用shell腳本來(lái)執(zhí)行。
當(dāng)開(kāi)啟這兩個(gè)服務(wù)后，就可以在手機(jī)或者電腦上修改和控制開(kāi)發(fā)板上的硬件了，此時(shí)在手機(jī)上輸入開(kāi)發(fā)板的ip地址可以看到可以進(jìn)入服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)，如圖4-3所示：
手機(jī)端的遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)也是以網(wǎng)頁(yè)的形式展示的，通過(guò)輸入用戶(hù)名和密碼，進(jìn)入后臺(tái)管理系統(tǒng)。在該界面的操作即可遠(yuǎn)程操作開(kāi)發(fā)板上的硬件資源。手機(jī)端視頻展示效果如下圖4-4所示：
5.實(shí)物及代碼
主要的客戶(hù)端代碼(主界面)
<html xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml"> <head> <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8" /> <title>智能家居管理界面title> <link rel="stylesheet" type="text/css" href="css/style.css" /> <script type="text/javascript" src="js/jquery-1.6.min.js">script> <script type="text/javascript" src="js/index.js">script> head> <body> <script language="Javascript" type="text/javascript"> setInterval("timer.innerHTML=new Date().toLocaleString()"); window.onload = function (){
setInterval("timer.innerHTML=new Date().toLocaleString()",1000);
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6.總結(jié)
本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合硬件和軟件，設(shè)計(jì)出智能家居控制系統(tǒng)的解決方案，同時(shí)搭載的系統(tǒng)和使用的硬件都是自由裁剪，使得適配性很強(qiáng)。不同于很多的物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，物聯(lián)網(wǎng)燈等單一的產(chǎn)品，采用統(tǒng)一集成管理的模式，讓操作更加簡(jiǎn)潔明了。采用Linux操作系統(tǒng)作為開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的平臺(tái)除了占用內(nèi)存等資源比較少，用戶(hù)體驗(yàn)性也很好。
科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶給人們很多好處，同時(shí)也促進(jìn)了智能家居的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)智能家居的崛起將是大勢(shì)所趨，在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著舉足輕重的作用。目前物聯(lián)網(wǎng)智能家居正在不斷發(fā)展，由近幾年的車(chē)聯(lián)網(wǎng)可以看出，在不久的將來(lái)，人們的生活越來(lái)越智能化。雖然智能家居的概念近幾年很火熱，但是缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得各種方案沒(méi)法統(tǒng)一，讓管理變得復(fù)雜。相信在不久的未來(lái)，這些問(wèn)題都會(huì)被克服。
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