基于Wi—Fi及Web控制的智能家居系統設計

向少華+朱向東

摘 要：隨著科學技術的發展，智能家居生活也漸漸成為趨勢。然而，高成本、操作復雜的智能家居也僅僅在豪宅中應用。鑒于此種情況，我們有必要設計一種低成本、易操作的智能家居系統。將基于Wi-Fi的Web控制方法應用于智能家居中，其低成本、易操作和跨平臺控制等特點能較為理想地完善整個智能家居系統。同時使系統的可控制性與可維護性大幅提高，不僅簡潔直觀而且方便后續功能的添加以及修改。此外，在本次設計的智能家居系統中，由于設備的簡易性與可獲得性使得系統本身的成本較低。因此本設計使普通人享受智能家居生活不再是遙不可及的夢想。

關鍵詞：智能家居；Wi-Fi；Web技術；跨平臺

中圖法分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）03-0036-03

0 引 言

隨著計算機技術、智能控制技術、通信技術和微電子技術的飛速發展以及人們生活水平的日益提高，智能家居生活逐漸成為一種趨勢，并越來越被人們所關注。與此同時，人們對智能家居的成本以及操作人性化方面的要求也越來越高。

所謂智能家居，是指利用先進的計算機網絡通信技術、嵌入式技術和傳感控制將與家庭生活有關的各種子系統有機地結合起來，通過統籌管理，使家居生活可以更加舒適和方便。

當前，市場上實現智能家居的方法很多，實現的功能也很多，在這當中不乏一些經典的方案，但是在這些方案當中，大部分采用觸摸屏或電腦控制的方式，這帶來的問題將是操作地點的固定以及對一般收入家庭而言不必要的功能所造成的額外費用。

當今社會，無線路由器及智能手機、平板電腦等手持設備已經得到了廣泛的普及，因此本設計將利用Wi-Fi這一載體通過智能手機、平板電腦實現Web對智能家居終端的控制，以此減少額外布線以及昂貴的設備費用。同時，也將使用紅外遙控，方便不使用智能手機、平板電腦等設備的家庭成員享受智能家居帶來的便捷。

1 系統結構

整個系統分為3個部分，即受控終端、服務終端和控制終端。系統結構如圖1所示。

在系統的3個部分之間，將控制終端與服務終端通過Wi-Fi連接，即可實現控制的可移動性，也避免了布線的復雜性。

圖1 系統結構示意圖

1.1 控制終端

控制終端由智能手機、平板電腦以及紅外遙控等手持終端組成。其中智能手機和平板電腦通過Wi-Fi實現與服務終端的連接，通過瀏覽器實現在Web層面對服務終端發送數據和添加命令的功能。紅外遙控則直接發送命令給服務終端。

1.2 服務終端

服務終端是整個智能家居系統的核心，是實現對受控終端傳遞命令的樞紐，實現對控制終端命令的處理，對受控終端信號的采集和發送。

1.3 受控終端

受控終端則是日常生活中的電器部分，本次設計中主要涉及的控制對象是生活中常用到的電燈和門禁。通過USB攝像頭實現對來客的觀察，通過繼電器實現電燈和門禁的控制。

2 系統硬件設計

在本系統中，控制終端和受控終端為日常家居中的現成產品，它們只需通過適當的接口納入系統架構中即可，因此本系統的設計重點是服務終端。系統中的服務終端采用三星公司的S3C2440微處理器作為控制芯片，S3C2440是一款高性能的嵌入式處理器，基于ARM9內核，能穩定運行在400MHz（內核電壓為1.3 V時）。同時，此款處理器具有支持更多分辨率液晶屏、AC97編解碼以及更多可用I/O端口等特點，這些特點能夠很好地為智能家居系統服務，也為后續的升級提供了方便。不僅如此，服務終端部分還集成了多種外設接口，如以太網、攝像頭、USB、串口等，這些接口完全可以滿足對家居設備的控制要求。服務終端的結構如圖2所示。

圖2 服務終端框圖

2.1 GPIO接口

GPIO接口主要控制外部連接的繼電器，通過控制繼電器的導通與關斷控制相應電燈、門禁以及電動窗簾。以電燈控制為例，當GPIO口發出高電平信號時，連接在相應接口上的繼電器導通，電燈打開；當GPIO口發出低電平信號時，連接在相應接口上的繼電器關斷，電燈熄滅。

2.2 紅外接口

紅外接口主要用于接收紅外遙控發送的命令，通過處理器的處理后再生成相應的代碼信號發送給相應的I/O口，以此實現紅外遙控對服務終端的控制。其后續的控制方法和GPIO相同。

2.3 LCD接口

LCD接口外接7寸LCD觸摸屏，在系統設置階段以及Web控制出錯的情況下，實現對外部電器的控制，做到了直觀、快捷的操作。

2.4 網卡接口

網卡接口實現控制終端與家庭使用的無線路由進行連接，實現服務終端與控制終端的無線連接。

2.5 CAMERA USB接口

CAMERA USB接口主要用來外接USB攝像頭，用于對室內外情況的觀察，在配合門禁系統使用時起到了“貓眼”的作用。同時，由于采用了USB接口，方便用戶自行更換鏡頭更好、像素更高的攝像頭來為自己的智能家居進行服務。

總體而言，在本智能家居系統當中，通過應用無線路由、繼電器以及USB攝像頭等這些家庭生活常見設備，做到了低成本和移動操作的目的，同時紅外遙控的采用以及LCD觸摸屏的使用，為不使用智能手機等手持設備的家庭成員提供了方便，也為在無線不能正常使用的情況下提供了另外一種選擇。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括移植Linux操作系統、mjpg-streamer的移植、QT圖形界面應用程序、網頁html文件以及shell腳本的編寫等。

3.1 Linux操作系統的移植

系統選用了2.6.32.2版本的內核，可以從官方網站上下載內核源碼。然后依次進行根目錄下的Makefile文件的修改、克隆自己的平臺、移植Nand驅動并更改分區、移植yaffs2、DM9000網卡驅動和USB驅動的移植等操作，最后執行make menuconfig命令進入配置菜單，配置相關選項并保存退出，執行內核編譯命令，編譯成功后將得到編譯好的內核鏡像文件zImage。最后將內核鏡像燒寫到NAND FLASH當中。

3.2 QT圖形界面應用程序及其與驅動的關系

QT圖形界面應用程序的編寫主要涉及到了應用對內核的調用、內核對驅動的調用以及驅動對內核的反饋的整個過程，它與內核以及驅動的關系如圖3所示。

圖3 應用程序工作原理

下面以GPIO口驅動為例來進行說明：

（1）應用程序使用庫提供的open函數打開代表GPIO的設備文件；

（2）庫根據open函數傳入的參數執行“swi”指令，這條指令會引起CPU異常，進入內核；

（3）內核的異常處理函數根據這些參數找到相應的驅動程序，返回一個文件句柄庫，進而返回給應用程序；

（4）應用程序得到文件句柄后，使用庫提供的write函數發出控制命令；

（5）庫根據write函數傳入的參數執行“swi”指令，這條指令會引起CPU異常，進入內核；

（6）內核的異常處理函數根據這些參數調用驅動程序的相關函數，驅動I/O接口。

在本次設計的智能家居方案中，我們用到了LCD、GPIO、DM9000網卡等驅動，以及相應的應用程序，均遵循以上過程編寫，同時也在Linux系統中穩定運行。

3.3 shell腳本

Web與應用程序間通信的橋梁靠shell腳本完成。Web將命令發送給shell腳本后，腳本經過相應的switch語句處理，將從Web得到的結果轉換成相應的參數傳遞給相應的應用程序，從而實現了Web與應用程序間的通信，以此達到了Web控制硬件的目的。同時，shell腳本將應用程序采集到的信號返回給相應的Web程序，實現讀取受控終端狀態的效果。

3.4 mjpg-streamer的移植

從官網下載相應的源碼，解壓后修改頂層目錄下的Makefile文件以及plugins目錄下的各級Makefile文件，完成后放到服務終端Linux目錄下的相應目錄下，并通過修改start_uvc_yuv.sh等文件，實現相應的開機自啟，當我們啟動服務終端，在LCD上顯示如圖4所示內容。此時USB攝像頭已經正常工作。

圖4 串口終端輸出內容

3.5 網頁html文件

網頁html文件作為本次智能家居跨平臺控制的載體，我們運用Macromedia Dreamweaver 8軟件進行編寫。此軟件做到了圖形界面和代碼編寫的雙重功能，方便一般用戶實現簡單網頁文件的設計。在這當中，通過賦予不同按鈕不同的值，以及網頁通過QUERY_STRING來實現向shell腳本的命令傳輸。基本代碼如圖5所示。其中value所對應的值即為網頁傳遞給shell腳本的值。

圖5 html文件代碼

綜上所述，在軟件部分，智能家居的基本工作過程如下：

（1）用戶通過瀏覽器連接網絡后，通過網頁發送指令，進行控制；

（2）網頁提交后，將數據發送給shell腳本，shell腳本中相應的函數對網頁提交的數據進行處理；

（3）shell腳本將處理后的結果發送給相應的應用程序；

（4）應用程序調用相應的驅動程序完成用戶的操作。

4 系統測試

系統研制成功后，已在實驗室做了充分的實驗與驗證，系統工作穩定可靠。圖6為從瀏覽器上看到的實驗室的監控畫面。圖7則為手機端控制界面，通過點擊界面當中房間號以及開關按鈕即可實現對室內電燈的控制，同時，提交按鈕的增加，可以做到防止用戶誤觸。而且，我們也將Wi-Fi信號關閉，模擬Wi-Fi信號出問題的情況，紅外遙控和LCD觸摸屏做到了相應的控制作用，很好地彌補了在意外情況下對服務終端的控制，方便了生活。

圖6 視頻采集圖像 圖7 手機控制端截圖

5 結 語

本文設計了一種基于Wi-Fi和Web控制的智能家居系統，詳細介紹了系統的整體框架以及軟件的實現方法。與其他智能家居系統不同，本系統降低了用戶的成本、減小了系統的操作難度、實現了跨平臺間的簡單操作以及紅外遙控和LCD的加入使得系統操作更加靈活。我們有理由相信，采用Wi-Fi以及Web控制的智能家居系統，將受到廣大普通收入家庭的歡迎，使得智能家居生活真正進入尋常百姓家。

參 考 文 獻

[1]孫鑫，余安萍.VC++深入講解[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[2]關永，張杰，張聰霞，等. ARM嵌入式微處理器體系結構與匯編語言程序設計[M]. 北京：電子工業出版社，2010.

[3]拉芙. Linux內核設計與實現[M]. 陳莉君，康華，譯. 北京：機械工業出版社，2011.

[4]魏永明.Linux設備驅動程序[M]. 北京：中國電力出版社，2006.

[5]霍亞飛.Qt Creater快速入門[M]. 北京：北京航天航空大學出版社，2012.

[6]韋東山.嵌入式Linux應用完全開發手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[7]羅賓，比伯.Shell腳本學習指南[M]. 北京：機械工業出版社，2009.

[8]袁云華. Dreamweaver CS4中文版基礎教程[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[9]王振朝，王藝衡，王竹毅.基于家庭基站技術的智能家居系統設計[J]. 電視技術，2013（21）：60-62.

[10]黃濤，褚淑杰. 基于紅外通信的智能家居系統[J]. 微計算機信息，2005（1）：141-142.

Design of Web controlled smart home system based on Wi-Fi

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform

XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2

（1. College of Electrical and Control Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）

Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an unreachable dream to everyman.

Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform