基于嵌入式Web服務器的智能家居主控制系統

　隨著信息技術的發展，以PC為代表的計算機網絡技術發展到一個更高階段，以嵌入式智能設備為核心的后PC時代已經來臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點，廣泛應用于嵌入式控制、消費，教育類多媒體、DSP和移動式應用等領域。隨著生活質量的提高，人們對家庭智能化的需求越來越高。智能化正體現在人們生活的各個方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點，而這里提出的基于嵌入式Web服務器的智能家居系統正好滿足這一需求。

　　2 硬件設計

　　智能家居系統設計需求是PC機遵循802．3和HPPTD等網絡協議，通過網絡訪問主控制器的Web服務器，登錄主控制器，通過電力線構成的家庭小型局域網絡或串口，發送指令給從控制器進而控制家電，同時利用監控家電的傳感器將家電狀態返回至PC，如圖1所示。該系統設計要求主控制器功耗低，占用空間小，可進行可視化操作。

　　2．1 控制器選擇

　　DSP數學信號處理器具有強大數據處理能力和高運行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴展較弱。而單片機系列的ARM920T具有5級指令流水線．處理速度為1．1 MHz，內置MMU(Memory Management Unit)、獨立的16 KB數據Cache、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)總線接口等功能。DSP和一般8位單片機相比，它具有更全面的通用功能，具有60個中斷控制器，支持實時時鐘(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、網卡接口等功能，還具有16／32位RISC體系結構和ARM指令集。因此該系統采用ARM公司的ARM920T作為主控制器。

　　從控制器選用MSP430單片機，與89S51單片機相比，它具有RISC(精簡指令集)，功耗低，支持16位內部總線，引入Flash型存儲器和JTAG技術，編程開發非常方便。這里主要講述主控制系統。

　　2．2 網卡接口設計

　　該系統需要通過互聯網或電力線進行網絡通信，而Web服務器設計也必須通過網絡收發數據，要求數據處理速度快。根據這些要求，該系統采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網卡的設計器件。該器件具有10 Mbit／s和100 Mbit／s的自動切換功能，支持802．3x全雙工控制流標準，具有16 K字節的雙字SRAM，可以減輕CPU的負擔，因此使系統更穩定，處理和傳輸數據速度更快。

　　RJ-45采用HanRun公司的可對信號濾波的HR911105A接口，這樣可節約印刷板，并有效地減小電磁干擾。ARM920T與網卡DM9000AEP接口設計如圖2所示。圖中16根數據線相連；命令選擇引腳CMD，為高電平時，選擇數據端口，CMD為低電平時，選擇地址通道；IOR#為讀信號引腳；IOW#為寫信號引腳；CS#片選信號與ARM920T的片選信號線nGCS3相連。

　　2．3 串口接口設計

　　智能家居系統需要串口控制家電信息，并進行相應通信，而且調試系統同樣需要串口。為滿足要求，該系統采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿載120 Kb／s的最小傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個通道包含64 K字節的發送FIFO和接收FIFO。該器件最大特點就是采用電荷泵技術：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉換技術，保持輸出對稱的5．5 V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內，電荷泵仍可提供5．5 V穩定電壓，這樣可以保證系統穩定工作。有益于智能家居系統整體的良好運行。串口接口設計如圖3所示。圖3中TXD表示接收數據，RXD表示發送數據，RTS表示請求發送，CTS表示清除發送。當RTS請求發送數據時，需經CTS信號檢測，只有CTS信號允許才能發送數據。

　　2．4 存儲器設計

　　完整操作系統的啟動離不開引導程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4 KB的內部緩沖區可作為引導肩動，系統啟動后NAND Flash仍可作為外部存儲器繼續使用。Windows CE5．O引導加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開始執行。完成硬件初始化，建立系統的內存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統內核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時SDRAM還支持自動更新和掉電模式，保證系統穩定工作。

　　2．5 智能家居系統結構

　　主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅動電路的日立7寸屏，用于用戶可視化操作。

　　傳感器信號線與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當傳感器信號到來時，通過中斷引腳向ARM920T申請中斷服務程序，并通過網絡向用戶報警。系統框圖如圖4所示。

　　3 軟件設計

　　3．1 內核創建及裁剪

　　Windows CE是一個開放的、可裁減的、32位的實時嵌入式窗口操作系統。因此要實現Web Server功能必須對內核裁剪。除了實現基本的WINCE 5．0功能外，還需要在定制內核時在Platform內添加DM9000網卡驅動，串口驅動，USB驅動，MFC，SDK(標準工具集)、HTFPD和SOAP協議等系統必備驅動和協議。Windows CE上Web Server的通信協議是HTTP協議，HTTP的消息機制是基于請求一應答模式。

　　HTTP協議工作原理：數據包經過網絡傳送到DM9000AEP的以太網控制器后，經系統內部控制器的TCP／IP堆棧對數據包進行解析，然后對其打包或解包，但這些數據包還必須經Web服務器處理。

　　3．2 Web服務器設計

　　HTTPD服務器的工作流程如圖5所示。系統采用HTTPD多線程并發服務器結構的設計思想，其工作特點是為每個客戶機請求分配一個線程，即服務器在同時處理多人請求。由每個線程處理客戶機的請求。在請求處理完畢后，子線程退出。服務器接收子線程的退出信號為其他的客戶機請求分配資源。

　　圖5中，HTTPD服務器由main()函數開始，首先配置文件，設置用戶ID函數和組ID函數，通過getopt(argc,argv，"s：f：p：u：g：")函數獲取配置選項，讀取配置。其中：s為standalone服務器運行方式；f為config_fie即配置文件；p為端口號，HTTPD默認端口號為80；u為用戶ID即uid；g為組ID，即gid。

　　然后判斷是否工作在standalone．服務器運行方式上，如果是則運行standalone_main()函數，如果不是則訪問process request()函數。

　　如果服務器工作在standalone模式中，依據圖5的工作流程，首先客戶端與服務器建立鏈接，建立socket套接字。監聽鏈接，設置uid和gid，如果服務器沒接收到請求信息，繼續監聽；如果接收到請求信息，則創建子線程。子線程調用process_request()處理客戶端請求，服務器繼續監聽鏈接，如果客戶端請求信息，再創建子線程，調用process_request()處理客戶端請求，如此多線程并發處理客戶端請求。

　　在process_request()函數中，首先初始化當前時間，然后讀取并處理HTTP請求消息的方法Method字段，讀取HTTP請求消息的URL字段。主要通過strcpy_nocrlf()，getparents()，translate_name()這3個函數對HTIP請求消息的URL字段進行解析，依據宏LDGGING決定是否打開日志。最后調用send_note()發送請求的文件給客戶端。

　　3．3 Web服務器通信方案設計

　　在WINCE系統上開發Web服務器，并通過Web服務器與串口設備進行通信的方案有ASP方案、CSP方案和Socket方案。綜合比較，通用WINCE5．0系統不支持ASP控件；Socket主要是C／S方式的，需要安裝客戶端；而CSP方案在不要求美觀的情況下，無需安裝客戶端就可訪問系統。系統則采用該種方案。

　　CSP方案就是將C語言編寫的網絡和串口通信程序嵌入到HTML當中，這也是嵌入式網絡開發常用的方案。具體流程如下：

　　(1)在定制內核的過程中需要將HTTPD服務器添加到Platform builder中，遵守HTTP的請求-應答規則。

　　(2)編寫CSP通信程序，通過PC機訪問Windows CE的Web服務器，打開串口，執行串口控制或網絡通信。直接將C語言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如實驗結果所示。通信程序主要函數為建立鏈接函數SetupConnection()用于建立鏈接設置DCB初始參數；打開串口函數open_serial()判斷是否打開設備串口、設置超時數值、緩沖區大小、創建監視線程等；讀數據命令read_respond()用于異步讀取緩沖區數據并顯示；發送命令send command()用于給設備指令。控制指令powcontrol_command()用于控制電源開關；微調函數adjcontrol_command()用于小幅調節設備功能，如光線明暗，溫度高低等；串口監控API函數WINAPICommWatchProc()用于串口緩沖區監控等。

　　(3)編寫好CSP通信文件后，用eyBuild開發包提供的CSP2BIN工具將CSP源文件生成C程序的源文件，再鏈接上eyBuild提供的CGI運行庫，在VC6．0中編譯就可生成在Windows CE平臺運行的CGI程序。該系統生成的CGI為Intelligenthome．cgi。

　　(4)將在＼website＼cgi-bin生成的Intelligenthome．cgi文件拷貝到Windows CE系統的＼windows＼www＼文件夾下面，連接PC機便可從PC機訪問Windows CE系統，進而了解傳感器信號，控制家電。

　　該系統使用的數據庫為SQLite。SQLite數據庫存放家電的基本信息、參數值、狀態信息以及傳感器當前狀態等，這些信息不但反映各種參數的歷史狀態，而且也是管理、決策的重要信息來源。

　　4 實驗結果

　　經過一段時間的開發與研究，該智能家居系統能夠完成簡單的指令與數據通信，并可將可控家電的信息保存在SQLite數據庫中。

　　5 結束語

　　利用S3C2440定制Windows CE系統實現智能家居的簡單控制，綜合運用了電子電路，Windows CE嵌入式系統，HTTP協議和CSP等技術。該系統可采用遵循802．11的遠程無線來控制家電系統。