基于嵌入式Web服務器的智能家居主控制系統(tǒng)設計

出處：電子設計工程發(fā)布于：2011-09-05 11:26:49

　　1 引言

　　隨著互聯網技術和信息通信技術向普通家庭生活的不斷普及，如何將消費電子、計算機和通信融為一體，已成為人們非常關心的一個問題。智能家電網絡管理系統(tǒng)能夠實現家用電器的網絡化、智能化管理。通過該系統(tǒng)將家中的網絡電器與互聯網和GPRS網絡相連，這樣無論何時何地，用戶都可以通過該系統(tǒng)遠程操縱家用電器；本文提出的基于嵌入式Web服務器的智能家居系統(tǒng)正好滿足這一需求。

　　2 硬件設計

　　智能家居系統(tǒng)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(fā)送指令給從控制器進而控制家電，同時利用監(jiān)控家電的傳感器將家電狀態(tài)返回至PC，如圖1所示。

智能家居需求圖

　　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，支持實時時鐘(RTC)、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。

　　2．2 網卡接口設計

　　該系統(tǒng)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(fā)數據，要求數據處理速度快。根據這些要求，該系統(tǒng)采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網卡的設計器件。

　　RJ-45采用HanRun公司的可對信號濾波的HR911105A接口，這樣可節(jié)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。

ARM920T與網卡DM9000AEP接口設計

　　2．3 串口接口設計

　為滿足要求，該系統(tǒng)采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿載120 Kb／s的傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個通道包含64 K字節(jié)的發(fā)送FIFO和接收FIFO。該器件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(wěn)定電壓，這樣可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。有益于智能家居系統(tǒng)整體的良好運行。串口接口設計如圖3所示。

串口接口設計

　　2．4 存儲器設計

　　完整操作系統(tǒng)的啟動離不開引導程序。Windows CE5．O引導加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開始執(zhí)行。完成硬件初始化，建立系統(tǒng)的內存空間映射圖，終BootLoader把操作系統(tǒng)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(tǒng)穩(wěn)定工作。

　　2．5 智能家居系統(tǒng)結構

　　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(tǒng)框圖如圖4所示。

智能家居系統(tǒng)結構

　　3 軟件設計

　　3．1 內核創(chuàng)建及裁剪

　　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(tǒng)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(tǒng)采用HTTPD多線程并發(fā)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。

HTTPD服務器的工作流程

　　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。

　　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。調用send_note()發(fā)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(tǒng)上開發(fā)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(tǒng)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(tǒng)。系統(tǒng)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(fā)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(guī)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(zhí)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。

　　(3)編寫好CSP通信文件后，用eyBuild開發(fā)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。

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

　　4 實驗結果

　　經過一段時間的開發(fā)與研究，該智能家居系統(tǒng)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。