1 引言

隨著信息時代的到來和網絡技術的飛速發展, 實現家庭信息化、網絡化是當今智能家居設備系統發展的新趨勢。智能家居系統是將相對獨立的家用電器構成一個統一的系統, 進而實現對這些設備和家庭環境的智能管理、遠程監控和資源共享。其目的是為人們提供一個安全、舒適、高效和便利的生活環境。本文介紹一種基于嵌入式Web 和ZigBee 技術的網絡化智能家居系統的設計和實現方案。

2 系統結構和功能介紹

系統有遠端PC、嵌入式網關、USB 攝像頭和ZigBee 組成的家庭內部無線網絡四部分組成。設計思想是在每一個家庭設備上都裝上ZigBee 模塊和相應傳感器來組成一個終端節點,用來實時監控設備的狀態, 并且把采集到的數據以無線方式發給ZigBee 協調器,這樣就由ZigBee 協調器和各終端設備組成了一個無線連接的星型結構的家庭內部網絡。嵌入式網關是系統的中樞,可以把USB 攝像頭采集的視頻信息和來自協調器接收的終端節點信號傳送到Internet 上, 這樣就把內部網絡連接到互聯網上。特別是USB 攝像頭的使用,讓用戶可以直觀的看到家里的一切變化, 彌補了大部分智能家居系統只可以查看家庭設備數字信息的不足。用戶可以通過遠程PC 機訪問家庭內部網絡,查看家庭設備的數字信息和視頻信息,實現遠程監控的目的。

3 系統硬件設計

3.1 核心處理器模塊

本系統選用S3C2440A 作為核心控制器, 它是Samsung 公司推出的一款基于ARM920T 核的處理器, 采用了16/32 位RISC 處理器, 具有外部存儲器控制器,LCD 控制器,4 通道DMA控制器,三通道UART,兩通道SPI,兩路全速USB 主設備芯片,帶有MMU 虛擬存儲器單元,這一特性可以移植linux 系統和建立Web 服務器,主頻400MHz,有130 個I/O 端口和24 路外部中斷源,有多種通信接口,體積小,功耗和成本低,可靠性高,特別適合作為嵌入式微處理器。

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3.2 存儲模塊

NAND FLASH 存儲模塊選擇Samsung 公司生產的K9F1208U0M-YCB0 64M*8bits 的高性能存儲芯片。掉電后信息不會丟失,用于存儲啟動代碼、內核和文件系統。

SDRAM 是系統的內存, 它不具有掉電保持數據的特性,其存取速度大大高于Flash 存儲器, 在系統中主要作程序的運行空間、數據和堆棧區。系統中SDRAM 選用K4S561632C-TC75芯片。K4S561632C-TC75 的存儲容量為16M*16 位(32M 字節),數據寬度為16 位,由于S3C2440A 是32 位的,外部總線也是32位的, 為了最大限度發揮處理器的性能, 本系統選用兩片K4S561632C-TC75 芯片并聯起來,以構成32 位內存系統。

3.3 以太網接口

系統選用CS8900A 芯片建立網絡接口。CS8900A 是Cirrus公司生產的一款單芯片、全雙工、全面支持IEEE802.3 標準的高集成以太網控制器。在本系統中網絡控制器發揮著重要作用,它負責將監控數據發送到Internet, 并把來自Internet的控制指令傳送至底層。

3.4 攝像頭選擇

對于圖像采集傳感器,采用以中星微公司的ZC301 感光芯片為核心的USB 攝像頭作為圖像采集模塊。中星微301 系列高清芯片擁有影像光源自動增益補強技術,自動白平衡、邊緣增強以及伽馬矯正等先進的攝像控制技術。

3.5 ZigBee 模塊

無線收發芯片采用Chipcon (已于2006 年被TI 公司收購)公司生產的CC2430。CC2430 芯片除了整合ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器外, 還具有128KB 可編程內存和8KB 的RAM、模擬數字轉換器(ADC) 、定時器(Timer) 、AES-128協同處理器、看門狗定時器以及21 個可編程I/O 引腳等。因此選擇CC2430 做為無線收發部分, 使用起來非常容易上手。由于CC2430 的高度集成度, 外圍需要很少的器件可以組成最小系統。它結合Chipcon 公司全球先進的ZigBee 協議棧、工具包和參考設計,展示了領先的ZigBee 解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統、家居系統和無線傳感器網絡等領域。

4 系統軟件設計

系統軟件主要包括移植Linux 操作系統,USB 攝像頭驅動的編寫,ZigBee 協調器工作程序和終端設備的收發程序,嵌入式Web 服務器的移植等等。

4.1 移植Linux 操作系統

本系統選用2.6 版本的Linux 內核, 首先從ftp://ftp.kernel.org/pub/linux/kernel/下載內核源碼。在編譯內核前先要修改根目錄下的Makefile 文件,
ARCH=arm
CROSS COMPILE=arm-linux-gcc

然后運行make menuconfig 進入配置菜單, 選擇需要的選項, 配置完成后保存退出, 依次執行內核編譯命令:make dep ;make clean;make zImage 編譯成功后會在/linux/arch/arm/boot/下找到編譯好的內核鏡像文件zImage。然后可以用Bootloader 菜單命令把內核鏡像燒寫到NAND FLASH 中。

4.2 USB 攝像頭程序

在Linux kernel 源碼目錄中driver/usb/usb-skeleton.c 提供了一個基礎的USB 驅動程序。通過它僅需要修改極少的部分,就可以完成一個USB 設備的驅動。重新編譯內核生成攝像頭驅動文件,然后執行insmod 加載USB 攝像頭驅動,Linux 系統就在/dev 目錄下注冊了USB 視頻設備/dev/video0。

攝像頭驅動程序安裝好后為了進行視頻采集必須加入Video4Linux 模塊,Video4Linux 是Linux 中關于視頻設備的內核驅動,它為針對視頻設備的應用程序提供一系列接口函數。對于USB 口攝像頭, 其驅動程序中需要提供基本的I/O 操作接口函數open、close、read、write 等的實現。對中斷的處理實現,內存映射功能以及I/O 通道的控制接口函數ioctl 的實現等, 并把它們定義在struct file_operations 中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write 等系統調用函數時,Linux 內核將通過file_operations 結構體訪問驅動程序提供的函數。

4.3 ZigBee 協調器和設備節點程序

ZigBee 家庭無線網絡主要負責對現場各種信息的監控以及數據的采集, 并將內部處理過的數據經家庭網關傳送到外部網絡。本系統中ZigBee 協調器主要用于建立無線網絡,分配地址,向終端節點發送控制命令和接收終端節點的工作狀態,并將接收到的狀態數據全部上傳至Web 服務器, 最后通過Internet傳送到遠端的用戶端。終端設備節點主要有加入網絡,接收控制命令,以及發送狀態信息給協調器等。協調器主程序流程如圖2所示。

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4.4 Web 服務器

Web 服務器的作用是監聽用戶的服務請求, 并根據用戶的請求給出相應的服務。服務器和客戶端瀏覽器之間的通信協議是超文本傳輸協議HTTP。HTTP 協議規定了發送和請求的標準方式, 瀏覽器和服務器之間傳輸的消息格式及各種控制信息。Linux 支持boa、httpd、thttpd 等幾種Web 服務器, 其中boa 是一款單任務的Web 服務器軟件,源代碼開放,速度快,性能優秀,支持能夠實現動態Web 技術的CGI(Common Gateway Interface)技術,特別適合應用在嵌入式系統中。

CGI 提供了一個Web 服務器的外部程序通道,運行在服務器上,由瀏覽器輸入觸發,是Web 服務器和系統中其他程序連接的通道。CGI 程序就是符合這種接口的程序。服務器接收到用戶的請求,并將數據送給CGI 程序,CGI 程序接收到數據后,啟動編寫好的應用程序,并按照用戶提供的數據執行。應用程序執行完成后,返回執行結果,并通過Web 服務器傳送給用戶瀏覽器顯示。

本系統采用了CGI 來實現動態Web 技術,CGI 規定了Web服務器調用其他可執行程序(CGI 程序)的接口協議標準。Web服務器通過CGI 程序實現和瀏覽器的交互,也就是CGI 程序接受瀏覽器發送給Web 服務器的信息進行處理,將響應結果再回送給Web 服務器及瀏覽器。CGI 程序可以用多種程序設計語言編寫, 本系統選用C 語言編寫的CGI 程序。嵌入式Web 服務器工作流程如圖3 所示。

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5 系統測試

將服務器用網線和電腦主機相連, 服務器的地址設為192.168.1.6,電腦主機地址為192.168.1.8(只要主機IP 和服務器IP 處在同一個網段就可以)。

系統的網頁包括家電系統、安防系統和視頻畫面三個頁面,這三個畫面可以相互切換, 在瀏覽器輸入服務器IP 對系統進行測試,并選擇攝像頭遠程控制畫面,攝像頭采集的視頻畫面截圖如圖4 所示。

6 結論

本文設計的智能家居綜合控制系統,采用ZigBee 技術組建家庭內部無線網絡, 用USB 攝像頭實時采集家庭視頻信息,在S3C2440A 為控制核心的硬件平臺移植嵌入式Linux 操作系統和Web 服務器完成家庭網關的設計,經過實際測試,本系統達到了家庭信息網絡化的目的,實現了對家庭設備遠程監控的愿望。系統的功能強大,功耗低,實現簡單,具有廣闊的應用前景。

本文的創新點:(1)采用ZigBee 技術避免了傳統家庭監控系統的布線難問題。(2)USB 攝像頭的使用讓我們不但可以查看設備的數字信息,還可以直觀的看到動態畫面。(3)Web 服務器和CGI 技術的使用, 可以實現利用遠端PC 機操控家庭的設備,達到了遠程監控的目的。