1.簡介

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)展越來越快。雖然發(fā)展火熱，卻沒有統(tǒng)一的標準，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開發(fā)板作為開發(fā)環(huán)境，借助Linux操作系統(tǒng)來實現(xiàn)軟件上的需求，通過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，通過移植MJPG-streamer軟件采集攝像頭數(shù)據(jù)。用戶只需要在電腦或者手機上通過瀏覽器訪問集成控制系統(tǒng)頁面，可實現(xiàn)對攝像頭的實時監(jiān)控和對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，采用硬件結(jié)合，軟件設(shè)計和系統(tǒng)整體調(diào)試。根據(jù)開發(fā)的需要，各部分功能協(xié)調(diào)，交叉的進行，實現(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代的變化而不斷發(fā)展進步，尤其是萬物互聯(lián)使得智能家居進入千家萬戶成為可能。利用一個家庭網(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)，這是時代的進步也是科技給人們生活帶來的便捷。

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，同時對人們的生產(chǎn)生活方式的轉(zhuǎn)變也帶來很大的改變[1]。當沒人在家時，如果忘記了關(guān)掉家里的一些電器，此時只需要一臺能夠上網(wǎng)的電腦或者拿出手機，登錄智能家居遠程集控系統(tǒng)，就可以輕松的掌握家里的一切情況，同時控制各種電器的使用。如果需要時時觀察家里的情況，還可以打開攝像頭，看家里情況，這樣有利于照顧家里的老人和小孩。

從宏觀上來說，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，對于實現(xiàn)國家建設(shè)資源節(jié)約型，環(huán)境友好型社會有好處，同時可以預(yù)防火災(zāi)，小偷等突發(fā)事件的發(fā)生，維護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，也是未來發(fā)展的趨勢。

1.2 國內(nèi)外的發(fā)展趨勢

智能家居的概念第一次被提出是在1984年，當時在對一幢樓層進行改造，在該樓層里的各種設(shè)備進行智能家居的設(shè)計，達到能夠進行控制的效果。這樣，智能家居的概念就第一次被提出來了。智能家居從出現(xiàn)到現(xiàn)在，研究在不斷的進行，各個國家也在智能家居的概念上提出新的見解和思路，這個概念的總體目標是：將家庭的一切設(shè)備通過總線相連，然后交給一個智能控制系統(tǒng)，通過這個控制系統(tǒng)就能呢個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)細分領(lǐng)域發(fā)展較好的行業(yè)，有研究機構(gòu)發(fā)布報告預(yù)測，智能家居在未來幾年將迅速增長，特別是智能家居設(shè)備制造行業(yè)和服務(wù)行業(yè)。在這樣大市場下，全球很多的大型企業(yè)都將未來的戰(zhàn)略定在智能家居市場，包括谷歌、蘋果、三星以及國內(nèi)小米、華為、BAT等各大科技公司，都已瞄準智能家居這一新風(fēng)口。去年我國智能家居市場規(guī)模預(yù)計突破1200億，智能家居的發(fā)展形式十分樂觀，也將在不久的將來走進千家萬戶。目前國內(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，沒有統(tǒng)一的制定統(tǒng)一的標準，導(dǎo)致很多模塊不能在集中控制，同時，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王雄輝認為，在三年之內(nèi)智能家居將會有比較大的發(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，以及通過智能家居“服務(wù)云”的方式打通，這種方式將會淘汰很多小規(guī)模的生產(chǎn)廠商，最終形成統(tǒng)一的標準，達到一個集控系統(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，語音分析等技術(shù)的不斷發(fā)展，未來的智能家居交互將會越來越友好，越來越智能，物聯(lián)網(wǎng)資深人士楊劍勇也表示，在不久的將來，智能家居也會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)揮巨大價值，通過對大數(shù)據(jù)的處理，準確的分析出人們的需求，能夠在生活中替人們解決一些問題。

1.3 本系統(tǒng)的主要任務(wù)

本系統(tǒng)主要利用Exynos4412開發(fā)板搭建家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。通過適配硬件，移植軟件，設(shè)計網(wǎng)頁等三個方面進行設(shè)計。

（1）適配硬件

本文主要使用的是USB2.0的攝像頭，同時用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)需求來添加或者移除相應(yīng)的驅(qū)動。同時還包括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，編寫LED的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，來模擬家庭一些電器設(shè)備，最后是整體綜合分析。

（3）網(wǎng)頁設(shè)計

在網(wǎng)頁設(shè)計上采用html語言編寫靜態(tài)的網(wǎng)頁，在樣式上采用CSS3樣式，整體設(shè)計界面風(fēng)格看起來優(yōu)雅簡潔，美觀大方。同時為了實現(xiàn)動態(tài)交互的效果，還要應(yīng)該用到JavaScript。最后用cgi來編寫控制開發(fā)板上的LED的控制程序。

2. 總體方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

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，在開發(fā)板上搭載WIFI模塊，USB攝像頭模塊。同時移植BOA服務(wù)器作為網(wǎng)頁處理服務(wù)器。在MJPG-streamer上將攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)實時顯示在網(wǎng)頁上。總體設(shè)計方案如下圖2-1所示：

圖2-1 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的整體構(gòu)成

2.2 硬件方案

本系統(tǒng)硬件部分用Itop4412開發(fā)板為核心，外接WIFI模塊和USB攝像頭模塊，該開發(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，也讓本開發(fā)板有著更大的存儲空間，對視頻數(shù)據(jù)的保存和相關(guān)配置信息存儲具有重要作用。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發(fā)板的USB插座上，只需要將數(shù)據(jù)通過USB線傳輸?shù)紸RM芯片上，在處理器上進行數(shù)據(jù)的處理。與此同時，在開發(fā)板上的GND，GPJ1(3)，GPJ1(2)，GPJ0(7)，GPJ0(2)，GPJ0(3)，GPJ0(6)這七個引腳配置對應(yīng)的模式，由于輸出的電壓為1.7V，所以可以驅(qū)動LED。利用杜邦線連接到另一塊板子上，用來模擬家庭被控制的智能設(shè)備。

Exynos4412開發(fā)板簡介

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發(fā)平臺。

本系統(tǒng)采用Exynos4412的主芯片，該芯片功能強大，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合。對于智能家居監(jiān)控系統(tǒng)而言，用戶需要很好地體驗效果，所以就必須保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠。選用Exynos4412的芯片對于該課題而言是個很好地選擇。既滿足了設(shè)計上的要求，在價格方面也很合理。實物圖如下圖2-2所示：

圖2-2  Exynos4412核心板外觀圖

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上都可以看到這款芯片的使用。

該芯片的主要特點是采用三星自家的電源管理芯片，在測試過程中表現(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?。同時，該芯片還可以根據(jù)需求來適配各種硬件，外設(shè)擴展十分豐富。

無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、藍牙4.0+HS和802.11n Wi-Fi這四種功能，由于其性能強大，四合一的芯片MT6620在手機使用比較廣泛，與此同時在封裝尺寸以及低功耗方面的優(yōu)勢，讓開發(fā)產(chǎn)品的時間大大縮短。這樣讓很多便攜式設(shè)備，包括手機、平板、PAD、PSP等設(shè)備具有聯(lián)網(wǎng)的功能。
MT6620 模塊采用先進復(fù)雜的無線電共存算法，在硬件架構(gòu)的設(shè)計上也采用比較先進的技術(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。聯(lián)發(fā)科技獨家Symphony?軟件包，對于Android操作系統(tǒng)上先進的無線連接功能有很好的支持，這種良好的特性使得這個模塊具有很大的優(yōu)勢。
聯(lián)發(fā)科技MT6620支持很多無線連接標準，也對Wi-Fi標準支持特性很好，由于多種傳輸?shù)膮f(xié)議使得該芯片有著很高的性價比，在數(shù)據(jù)傳輸速度上也比較理想。與此同時，該芯片還支持藍牙和FM 無線電收發(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。實物圖如下圖2-3所示。

圖2-3  MT6620核心板外觀圖

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，通過這種攝像頭，可以將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)來傳輸，更重要的是，這種攝像頭使用起來十分簡單，將網(wǎng)絡(luò)攝像頭連接到電腦的USB端口，打開網(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)進行壓縮加密后傳到電腦上，電腦開啟服務(wù)器，將傳過來的信息通過局域網(wǎng)，因特網(wǎng)或者無線網(wǎng)絡(luò)傳遞到用戶終端上。遠程客戶端用戶在能上網(wǎng)移動設(shè)備或者PC上通過瀏覽網(wǎng)頁，就可以實現(xiàn)對現(xiàn)場狀況的時時監(jiān)控。在需要監(jiān)控錄像的場合用處較大。由于其使用簡單，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)攝像頭的實物圖。

圖2-4  網(wǎng)絡(luò)攝像頭實物圖

2.3 軟件方案

本設(shè)計的重點主要是軟件的編寫，軟件主要從以下幾個方面進行設(shè)計。首先是選用什么樣的操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，由于Linux具有開源而且功能強大的特點，更重要的是他的網(wǎng)絡(luò)功能十分強大，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，通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸出去，在手機或者電腦上訪問對應(yīng)的網(wǎng)頁，就可以檢測到攝像頭捕捉到的視頻畫面。也可以將用戶發(fā)過來的控制指令進行解析，通過ARM處理器控制外圍設(shè)備，達到遠程控制的目的。上位機采用前端開發(fā)語言和cgi來進行設(shè)計，用戶只需要點擊按鈕或者開關(guān)，就可以達到控制的目的。

Linux開發(fā)環(huán)境的搭建

Linux操作系統(tǒng)是由全世界Linux愛好者共同維護，并且將源碼開源在互聯(lián)網(wǎng)上，在網(wǎng)上由各種程序員進行維護和管理，目前已經(jīng)是最為流行的一款開放源代碼的操作系統(tǒng)。由于其開源的特點，越來越多的程序員自發(fā)的維護著這個系統(tǒng)。從1991年Linux的出現(xiàn)到現(xiàn)在，該系統(tǒng)的安全性和實用性正在不斷的加強，并且逐漸發(fā)展已經(jīng)成為一個有創(chuàng)造力的操作系統(tǒng)。在服務(wù)器市場上，Linux也越來越扮演著重要的作用。在中國市場上，Linux操作系統(tǒng)的作用也越來越重要，很多國產(chǎn)的操作系統(tǒng)也基于Linux內(nèi)核進行設(shè)計和修改。目前比較熱門Android手機也用到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目。

本系統(tǒng)采用的開發(fā)環(huán)境是Linux，所以必須在Linux的主機上進行相關(guān)軟件的開發(fā)工作。為了設(shè)計的方便，采用VMware Workstation 12 Player虛擬機上安裝一個ubuntu的操作系統(tǒng)來進行相關(guān)源代碼的編譯。

對于一個基本的Linux的體系結(jié)構(gòu)包括用戶層和內(nèi)核層，底層主要利用內(nèi)核驅(qū)動來控制硬件，上層利用函數(shù)庫連接內(nèi)核空間，然后通過應(yīng)用層來起到控制硬件的作用，Linux的體系結(jié)構(gòu)如下圖2-5所示：

圖 2-5  Linux的體系結(jié)構(gòu)

根據(jù)Linux操作系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的特點，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，所以將這兩個設(shè)備的驅(qū)動配置進Linux內(nèi)核之中。

首先先將網(wǎng)絡(luò)攝像頭V4L USB驅(qū)動加入到內(nèi)核中。在這個過程中，用cd命令進入到內(nèi)核源碼目錄，查找到相應(yīng)的目錄后，在控制臺窗口輸入make menuconfig 命令，可以進入一個圖形的配置界面，該界面可以直觀的配置內(nèi)核。然后根據(jù)需求選擇Device Drivers --->，點擊Mutimedia support --->進入多媒體支持選項，然后在Video capture adapters --->中然后選擇V4L USB devices  --->，進入到VL4 USB驅(qū)動的目錄，現(xiàn)在只需要將V4L USB devices  --->的前面設(shè)置成[*]，表示直接編譯進內(nèi)核。如圖2-7所示：

圖2-7 配置USB攝像頭驅(qū)動

然后將MT6620 WIFI模塊的驅(qū)動編譯進內(nèi)核。

選擇Device Drivers ---> 進入設(shè)備驅(qū)動選項，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)動編譯到內(nèi)核里面了，如下圖2-8所示：

圖2-8 配置WIFI模塊

按照上面的步驟裁剪好Linux內(nèi)核驅(qū)動硬件后，就可以返回到源碼目錄，用管理員root權(quán)限開始制作內(nèi)核文件。配置好驅(qū)動信息后就可以開始生成內(nèi)核文件了。最后將生成的zImage內(nèi)核鏡像文件下載到開發(fā)板上。這樣一個完整的內(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啟動時的一些配置信息，包括開發(fā)板的ip地址，或者一些開機自動啟動的一些進程等，無論是程序還是文件，都放在其對應(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，在開機啟動時，會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)核啟動的過程中執(zhí)行一些初始化的腳本。在系統(tǒng)啟動時會自動掛載一些操作文件夾。其中包括以下常見的文件夾。下圖2-9是一些常見目錄結(jié)構(gòu)。

圖2-9 常見的Linux根文件系統(tǒng)目錄結(jié)構(gòu)

BusyBox 是制作根文件系統(tǒng)有一個比較好的工具，它可以根據(jù)需求來配置根文件系統(tǒng)的文件和目錄。這個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，這些命令對于大多數(shù)的Linux系統(tǒng)操作都能夠滿足要求，除此之外還包括一些強大的工具軟件，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有著十分強大的功能，在制作根文件系統(tǒng)時利用這個工具就可以根據(jù)需求制作一個完整的根文件系統(tǒng)。在本文中，主要利用BusyBox來制作根文件系統(tǒng)，首先將BusyBox安裝在宿主機上，在控制臺輸入指令sudo apt-get install busybox。此時該程序安裝在/bin目錄下，然后安裝源目錄，源目錄的作用為了編譯這個根文件系統(tǒng)的一些源代碼，每一個指令實際上就是一段程序。最后安裝libncurses-dev，輸入指令sudo apt-get install libncurses-dev。進過這三步，一個完整的BusyBox文件系統(tǒng)就在宿主機上搭建起來了，接下來是配置BusyBox。

配置根文件系統(tǒng)時，如果要用圖形界面，就可以直觀的配置BusyBox。首先進入配置界面，如下圖2-10所示：

圖2-10 配置BusyBox

由于根文件系統(tǒng)是運行在開發(fā)板上，所以需要指定對應(yīng)的ARM交叉編譯器，配置交叉編譯器如下圖2-11所示：

圖2-11 選擇交叉編譯環(huán)境

然而，此時的根文件系統(tǒng)還不是很完整，需要增加幾個目錄才能稱為完整的根文件系統(tǒng)，必須的目錄有mnt，用來掛載外界的磁盤或者可移動的設(shè)備，還有l(wèi)ib目錄，用來存放系統(tǒng)必須的庫函數(shù)，還有專門存放配置的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上，解壓到指定的目錄，此時，宿主機上就能夠使用交叉編譯函數(shù)的庫。目的是讓開發(fā)板上的內(nèi)核、根文件系統(tǒng)以及可運行的程序都用同一種gcc來進行編譯。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。

本文的開發(fā)環(huán)境是利用虛擬機上搭載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，其功能比較強大，底層是由C語言來編寫服務(wù)端，所以占用資源比較少。功能上對于處理一般的問題是足夠的。在動態(tài)頁面的管理上也能很好的支持。當客戶通過瀏覽器來訪問時，就可以借助這個BOA服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)頁與硬件的交互，達到控制的目的。具體移植過程如下：

(1)BOA服務(wù)器官網(wǎng)上下載源碼壓縮包，將壓縮包進行解壓，然后進行編譯。

(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)頁源碼放在/www目錄下，動態(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部分的分工明確。

(4)修改配置文件，指定對應(yīng)的文件和網(wǎng)頁源碼文件對應(yīng)的目錄。

(5)將編譯好的BOA極其文件夾轉(zhuǎn)移到開發(fā)板上，然后開啟BOA服務(wù)即可。

可以通過手機或者可上網(wǎng)設(shè)備連接開發(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)頁的效果。具體的效果如下圖2-12所示：

圖2-12 BOA服務(wù)器效果展示

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，它的功能很強大，可以直接把網(wǎng)絡(luò)攝像頭的視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)或者有線網(wǎng)傳到客戶端的瀏覽器上，用戶只需要瀏覽網(wǎng)頁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)器的方式來實現(xiàn)遠程智能家居的監(jiān)視與控制。其具體移植過程如下：

首先在官網(wǎng)下在MJPG-streamer的源代碼，解壓到宿主機的指定的目錄。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ARM引腳的使用進行配置。然后在遠程監(jiān)控系統(tǒng)上進行控制。

首先，在內(nèi)核源碼目錄中對GPIO引腳進行申請，將沒有使用的GPIO引腳釋放，然后使用vim include/Linux/gpio.h打開文件。查找到該函數(shù)對應(yīng)的硬件引腳的連接，最后編寫對應(yīng)引腳的驅(qū)動程序。該程序主要使用的是開發(fā)板上的GND，GPJ1(3)，GPJ1(2)，GPJ0(7)，GPJ0(2)，GPJ0(3)，GPJ0(6)這八個引腳。在對ARM引腳使用時必須使用相應(yīng)的驅(qū)動程序來控制底層。所以先寫驅(qū)動程序來配置引腳。

驅(qū)動函數(shù)框架

對于智能家居控制系統(tǒng)而言，主要是利用弱電控制強電的方法，一般只需要操作引腳輸出一個比較小的電壓，然后通過繼電器來起到控制家庭電器開關(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)生一個輸出信號。本文主要是采用LED來模擬家庭里的各種電器設(shè)備。

Linux的驅(qū)動函數(shù)主要作用是連接硬件資源，然后將資源交給用戶空間來管理。應(yīng)用層主要的作用就是操作這些驅(qū)動函數(shù)，從而達到控制硬件的作用。Linux系統(tǒng)函數(shù)的整體特點如下圖2-13所示：

圖2-13 Linux系統(tǒng)函數(shù)的整體特點

在Linux操作系統(tǒng)中，其驅(qū)動函數(shù)主要包括入口函數(shù)，出口函數(shù)，內(nèi)核空間到用戶空間的映射函數(shù)這幾個方面，所以在明確功能的情況下來配置驅(qū)動函數(shù)。Linux系統(tǒng)函數(shù)的控制方式如下圖2-14所示：

圖2-14 Linux系統(tǒng)函數(shù)控制方式

驅(qū)動函數(shù)的入口函數(shù)

在Linux用insmod命令安裝一個驅(qū)動后，會在/dev目錄上創(chuàng)建一個節(jié)點，而這個節(jié)點的控制就是內(nèi)核空間到用戶空間的一種方式。當安裝驅(qū)動時，會自動進入驅(qū)動函數(shù)的入口處。入口函數(shù)主要的作用是注冊一個設(shè)備，并且分配設(shè)備號。進入到驅(qū)動函數(shù)入口函數(shù)時，首先要注冊設(shè)備，再在內(nèi)核空間創(chuàng)建設(shè)備號。本文采用的是字符設(shè)備驅(qū)動程序，所以借助雜項設(shè)備類即可實現(xiàn)，下面是GPIO驅(qū)動的入口函數(shù)。

/*函數(shù)的入口*/ static int my_dev_init(void) { /*注冊設(shè)備*/ major=register_chrdev(0,"mydev",&fops); //自動創(chuàng)建設(shè)備號 myclass=class_create(THIS_MODULE,"mydev"); if(IS_ERR(myclass)) 
 { /*錯誤的創(chuàng)建雜項設(shè)備的類*/ return -1; 
 } 
 mydevice=device_create(myclass,NULL,MKDEV(major,0),NULL,"mydev");
 printk("mydev ok!"); return 0;

}

驅(qū)動函數(shù)的框架

在注冊設(shè)備，調(diào)用register_chrdev函數(shù)時，分配一個fops結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體主要用來操作底層的硬件，并且和應(yīng)用層的函數(shù)一一對應(yīng)。所以先編寫出這個結(jié)構(gòu)體框架，然后再完善函數(shù)功能。

/*寫出驅(qū)動的框架*/ 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函數(shù)是my_open和my_write兩個函數(shù)。

/*打開設(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6個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，主要是申請使用這六個gpio引腳，然后將這六個引腳設(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)中將用戶空間傳遞過來的值進行判斷，不同的數(shù)字對應(yīng)著不同的操作，從而達到控制硬件的目的。

應(yīng)用層函數(shù)的編寫

應(yīng)用層主要是控制邏輯，不需要關(guān)心底層驅(qū)動如何控制。在Linux系統(tǒng)中只需要將設(shè)備當成文件操作即可。實際上編寫應(yīng)用函數(shù)只需要關(guān)心寫什么數(shù)據(jù)就可以達到什么效果，所以大大簡化了操作的難度。這也是Linux將驅(qū)動層和應(yīng)用層分開的一個好處。操作方式可以總結(jié)為為打開設(shè)備，向設(shè)備讀數(shù)據(jù)或者寫數(shù)據(jù)，關(guān)閉設(shè)備，這三個步驟。用open函數(shù)打開fd=open(LEDs,O_RDWR|O_RDONLY|O_NONBLOCK))，打開設(shè)備后就可以操作該文件的讀寫函數(shù)了，本文主要用到寫函數(shù)write中向設(shè)備里寫數(shù)據(jù)，這樣達到控制的目的，最后close(fd)關(guān)閉設(shè)備文件。

3.監(jiān)控系統(tǒng)平臺的客戶端

本文的控制平臺主要是利用瀏覽器，在電腦或者手機的瀏覽器上輸入相應(yīng)的ip地址就可以進入后臺管理系統(tǒng)。而用戶只需要操作網(wǎng)頁上的相應(yīng)的鏈接即可達到控制的目的。利用網(wǎng)頁的最大好處就是可以隨時隨地的利用各種能上網(wǎng)的平臺控制家庭的各種設(shè)備。Web前端采用html語言來展示，同時利用cgi對后端的服務(wù)器進行控制。

3.1 登錄界面的設(shè)計

對于一個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)的所有者才可以進入后臺管理系統(tǒng)，對設(shè)備進行控制和管理[18]。在這里需要輸入用戶名和密碼才能進入。登錄界面如下圖3-1所示：

圖3-1 遠程智能家居集控系統(tǒng)的登陸界面

3.2 客戶端管理的總體布局

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，在后臺控制上采用cgi來操作應(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。

圖3-2 遠程智能家居集控系統(tǒng)的照明系統(tǒng)

在網(wǎng)頁與服務(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)改變事件或者點擊事件就可以觸發(fā)交互。在本文中，當用戶點擊網(wǎng)頁上的開關(guān)按鈕時，會觸發(fā)相應(yīng)的事件。當BOA服務(wù)器接收到事件后，可以在后臺處理cgi程序。

4. 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)綜合調(diào)試分析

調(diào)試部分在整個項目的測試過程中有十分關(guān)鍵的作用，對于系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性和后期的評估和維護有著關(guān)鍵性的作用。為了防止后期出現(xiàn)問題，整體項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目重構(gòu)，只需要添加部分功能即可。所以這個項目必須是可更新的。本文主要在硬件，軟件，web這三個塊進行調(diào)試。在使用開發(fā)板時，必須搭建好相應(yīng)的開發(fā)環(huán)境，然后用特地的調(diào)試方法進行調(diào)試，將每個部分的問題降低到最小。而且要不斷的思考符合大眾的操作方式。讓不懂電路設(shè)計的用戶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，后期維護這三個方面。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。實際上設(shè)備只用操作GPIO即可，所以選擇ARM芯片的另一個好處是引腳資源豐富，便于后期的擴展。選擇網(wǎng)絡(luò)攝像頭好處是這種攝像頭是通用的，在市面上很容易購買到，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，這個也是難點。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)的開發(fā)環(huán)境是利用ubuntu系統(tǒng)來作為系統(tǒng)的開發(fā)平臺，在此基礎(chǔ)上搭建嵌入式的gcc進行uboot，內(nèi)核，根文件系統(tǒng)的編譯和制作。對制作好的完整的Linux進行查看，主要是將開發(fā)板通過串口連接到電腦就可以看到內(nèi)核的打印信息。然后在控制臺上進行各種命令的控制。如果系統(tǒng)正常運行。表示制作的Linux沒有問題，接下來只需要調(diào)試驅(qū)動程序和服務(wù)器即可。當開啟BOA服務(wù)器，同時在同一個局域網(wǎng)內(nèi)的電腦或者手機進行測試，輸入相應(yīng)的ip地址，就可以看到在www目錄下的的網(wǎng)頁了，一般而言，都會在配置文件中指定www目錄下的默認顯示文件。本文配置的是index.html表示默認文件，該網(wǎng)頁就是登錄界面。

4.3 系統(tǒng)網(wǎng)頁調(diào)試

系統(tǒng)網(wǎng)頁是給用戶來進行控制和操作的，力求簡潔，美觀，功能齊全[20]。在這個方面上需要設(shè)計，所以樣式表很重要，采用CSS3可以設(shè)計出很多的特效，讓網(wǎng)頁看上去更加的美觀。通過連接服務(wù)器，然后連接到同一WIFI，登錄開發(fā)板的ip，可以看下圖4-1所示的結(jié)果。

圖4-1 遠程智能家居網(wǎng)頁登錄界面

該網(wǎng)頁界面主要是來驗證登錄是否成功。在輸入帳號或者密碼之后，判斷該帳號密碼是否正確，如果正確則進入主控制界面，可以看到攝像頭采集到的視頻信息。如圖4-2所示：

圖4-2 遠程監(jiān)控采集攝像頭數(shù)據(jù)

4.4 系統(tǒng)整體聯(lián)接調(diào)試

進入系統(tǒng)時首先開啟WIFI模塊，在這里由于ip地址可變，所以這里直接用命令來連接WIFI。用shell腳本來開啟WIFI。Shell腳本的編寫如下面的代碼所示。

#!/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模塊正常開啟。開啟BOA服務(wù)器和MJPG-streamer。這里也用shell腳本來執(zhí)行。

當開啟這兩個服務(wù)后，就可以在手機或者電腦上修改和控制開發(fā)板上的硬件了，此時在手機上輸入開發(fā)板的ip地址可以看到可以進入服務(wù)器的網(wǎng)頁，如圖4-3所示：

圖4-3 手機登錄智能家居監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面

手機端的遠程集控系統(tǒng)也是以網(wǎng)頁的形式展示的，通過輸入用戶名和密碼，進入后臺管理系統(tǒng)。在該界面的操作即可遠程操作開發(fā)板上的硬件資源。手機端視頻展示效果如下圖4-4所示：

圖4-4 通過手機進入智能家居集控系統(tǒng)

5.實物及代碼

主要的客戶端代碼(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 (){
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6.總結(jié)

本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢，結(jié)合硬件和軟件，設(shè)計出智能家居控制系統(tǒng)的解決方案，同時搭載的系統(tǒng)和使用的硬件都是自由裁剪，使得適配性很強。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，讓操作更加簡潔明了。采用Linux操作系統(tǒng)作為開發(fā)系統(tǒng)的平臺除了占用內(nèi)存等資源比較少，用戶體驗性也很好。

科學(xué)技術(shù)的不斷進步，帶給人們很多好處，同時也促進了智能家居的發(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，由近幾年的車聯(lián)網(wǎng)可以看出，在不久的將來，人們的生活越來越智能化。雖然智能家居的概念近幾年很火熱，但是缺少統(tǒng)一的標準，使得各種方案沒法統(tǒng)一，讓管理變得復(fù)雜。相信在不久的未來，這些問題都會被克服。