基于嵌入式Web服务器的智能家居主控制系统

2009年09月04日 10:09    贾延安
关键词: Web , 服务器 , 控制系统 , 嵌入式 , 智能
引言
  随着信息技术的发展,以PC为代表的计算机网络技术发展到一个更高阶段,以嵌入式智能设备为核心的后PC时代已经来临。ARM处理器以其性能高、成本低和功耗低的特点,广泛应用于嵌入式控制、消费,教育类多媒体、DSP和移动式应用等领域。随着生活质量的提高,人们对家庭智能化的需求越来越高。智能化正体现在人们生活的各个方面。其中家居的智能化正成为人们生活中追求的热点,而这里提出的基于嵌入式Web服务器的智能家居系统正好满足这一需求。
  2 硬件设计
  智能家居系统设计需求是PC机遵循802.3和HPPTD等网络协议,通过网络访问主控制器的Web服务器,登录主控制器,通过电力线构成的家庭小型局域网络或串口,发送指令给从控制器进而控制家电,同时利用监控家电的传感器将家电状态返回至PC,如图1所示。该系统设计要求主控制器功耗低,占用空间小,可进行可视化操作。

  2.1 控制器选择
  DSP数学信号处理器具有强大数据处理能力和高运行速度,但在音频、USB、SD卡等接口功能扩展较弱。而单片机系列的ARM920T具有5级指令流水线.处理速度为1.1 MHz,内置MMU(Memory Management Unit)、独立的16 KB数据Cache、16KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller BusArchitecture)总线接口等功能。DSP和一般8位单片机相比,它具有更全面的通用功能,具有60个中断控制器,支持实时时钟(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、网卡接口等功能,还具有16/32位RISC体系结构和ARM指令集。因此该系统采用ARM公司的ARM920T作为主控制器。
  从控制器选用MSP430单片机,与89S51单片机相比,它具有RISC(精简指令集),功耗低,支持16位内部总线,引入Flash型存储器和JTAG技术,编程开发非常方便。这里主要讲述主控制系统。
  2.2 网卡接口设计
  该系统需要通过互联网或电力线进行网络通信,而Web服务器设计也必须通过网络收发数据,要求数据处理速度快。根据这些要求,该系统采用DAVICOM公司的DM9000AEP作为网卡的设计器件。该器件具有10 Mbit/s和100Mbit/s的自动切换功能,支持802.3x全双工控制流标准,具有16K字节的双字SRAM,可以减轻CPU的负担,因此使系统更稳定,处理和传输数据速度更快。
  RJ-45采用HanRun公司的可对信号滤波的HR911105A接口,这样可节约印刷板,并有效地减小电磁干扰。ARM920T与网卡DM9000AEP接口设计如图2所示。图中16根数据线相连;命令选择引脚CMD,为高电平时,选择数据端口,CMD为低电平时,选择地址通道;IOR#为读信号引脚;IOW#为写信号引脚;CS#片选信号与ARM920T的片选信号线nGCS3相连。

  2.3 串口接口设计
  智能家居系统需要串口控制家电信息,并进行相应通信,而且调试系统同样需要串口。为满足要求,该系统采用Sipex的窄体SP3232串行通信器件。该器件支持满载120 Kb/s的最小传输速率,可在中断或DMA两种模式下工作,每个通道包含64K字节的发送FIFO和接收FIFO。该器件最大特点就是采用电荷泵技术:由4只外接电容组成,采用4相电压转换技术,保持输出对称的5.5V电压。即使输入电压VCC在3.0~5.5 V范围内,电荷泵仍可提供5.5V稳定电压,这样可以保证系统稳定工作。有益于智能家居系统整体的良好运行。串口接口设计如图3所示。图3中TXD表示接收数据,RXD表示发送数据,RTS表示请求发送,CTS表示清除发送。当RTS请求发送数据时,需经CTS信号检测,只有CTS信号允许才能发送数据。

  2.4 存储器设计
  完整操作系统的启动离不开引导程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作为NAND Flash,具有4KB的内部缓冲区可作为引导肩动,系统启动后NAND Flash仍可作为外部存储器继续使用。WindowsCE5.O引导加载程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000处开始执行。完成硬件初始化,建立系统的内存空间映射图,最终BootLoader把操作系统内核映像加载到RAM中;采用HY公司的两片HY57V561620CTP作为SDRAM,通过nGCS6连接到ARM920T引脚,起始地址为0x30038000.同时SDRAM还支持自动更新和掉电模式,保证系统稳定工作。
  2.5 智能家居系统结构
  主控制器还包括触摸屏接口。触摸屏采用带有驱动电路的日立7寸屏,用于用户可视化操作。
  传感器信号线与ARM920T的中断引脚EINT8相连。当传感器信号到来时,通过中断引脚向ARM920T申请中断服务程序,并通过网络向用户报警。系统框图如图4所示。

  3 软件设计
  3.1 内核创建及裁剪
  Windows CE是一个开放的、可裁减的、32位的实时嵌入式窗口操作系统。因此要实现WebServer功能必须对内核裁剪。除了实现基本的WINCE5.0功能外,还需要在定制内核时在Platform内添加DM9000网卡驱动,串口驱动,USB驱动,MFC,SDK(标准工具集)、HTFPD和SOAP协议等系统必备驱动和协议。Windows CE上Web Server的通信协议是HTTP协议,HTTP的消息机制是基于请求一应答模式。
  HTTP协议工作原理:数据包经过网络传送到DM9000AEP的以太网控制器后,经系统内部控制器的TCP/IP堆栈对数据包进行解析,然后对其打包或解包,但这些数据包还必须经Web服务器处理。
  3.2 Web服务器设计
  HTTPD服务器的工作流程如图5所示。系统采用HTTPD多线程并发服务器结构的设计思想,其工作特点是为每个客户机请求分配一个线程,即服务器在同时处理多人请求。由每个线程处理客户机的请求。在请求处理完毕后,子线程退出。服务器接收子线程的退出信号为其他的客户机请求分配资源。

  图5中,HTTPD服务器由main()函数开始,首先配置文件,设置用户ID函数和组ID函数,通过getopt(argc,argv,"s:f:p:u:g:")函数获取配置选项,读取配置。其中:s为standalone服务器运行方式;f为config_fie即配置文件;p为端口号,HTTPD默认端口号为80;u为用户ID即uid;g为组ID,即gid。
  然后判断是否工作在standalone.服务器运行方式上,如果是则运行standalone_main()函数,如果不是则访问process request()函数。
  如果服务器工作在standalone模式中,依据图5的工作流程,首先客户端与服务器建立链接,建立socket套接字。监听链接,设置uid和gid,如果服务器没接收到请求信息,继续监听;如果接收到请求信息,则创建子线程。子线程调用process_request()处理客户端请求,服务器继续监听链接,如果客户端请求信息,再创建子线程,调用process_request()处理客户端请求,如此多线程并发处理客户端请求。
  在process_request()函数中,首先初始化当前时间,然后读取并处理HTTP请求消息的方法Method字段,读取HTTP请求消息的URL字段。主要通过strcpy_nocrlf(),getparents(),translate_name()这3个函数对HTIP请求消息的URL字段进行解析,依据宏LDGGING决定是否打开日志。最后调用send_note()发送请求的文件给客户端。
  3.3 Web服务器通信方案设计
  在WINCE系统上开发Web服务器,并通过Web服务器与串口设备进行通信的方案有ASP方案、CSP方案和Socket方案。综合比较,通用WINCE5.0系统不支持ASP控件;Socket主要是C/S方式的,需要安装客户端;而CSP方案在不要求美观的情况下,无需安装客户端就可访问系统。系统则采用该种方案。
  CSP方案就是将C语言编写的网络和串口通信程序嵌入到HTML当中,这也是嵌入式网络开发常用的方案。具体流程如下:
  (1)在定制内核的过程中需要将HTTPD服务器添加到Platform. builder中,遵守HTTP的请求-应答规则。
  (2)编写CSP通信程序,通过PC机访问WindowsCE的Web服务器,打开串口,执行串口控制或网络通信。直接将C语言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如实验结果所示。通信程序主要函数为建立链接函数SetupConnection()用于建立链接设置DCB初始参数;打开串口函数open_serial()判断是否打开设备串口、设置超时数值、缓冲区大小、创建监视线程等;读数据命令read_respond()用于异步读取缓冲区数据并显示;发送命令sendcommand()用于给设备指令。控制指令powcontrol_command()用于控制电源开关;微调函数adjcontrol_command()用于小幅调节设备功能,如光线明暗,温度高低等;串口监控API函数WINAPICommWatchProc()用于串口缓冲区监控等。
  (3)编写好CSP通信文件后,用eyBuild开发包提供的CSP2BIN工具将CSP源文件生成C程序的源文件,再链接上eyBuild提供的CGI运行库,在VC6.0中编译就可生成在WindowsCE平台运行的CGI程序。该系统生成的CGI为Intelligenthome.cgi。

  (4)将在\website\cgi-bin生成的Intelligenthome.cgi文件拷贝到Windows CE系统的\windows\www\文件夹下面,连接PC机便可从PC机访问Windows CE系统,进而了解传感器信号,控制家电。

  该系统使用的数据库为SQLite。SQLite数据库存放家电的基本信息、参数值、状态信息以及传感器当前状态等,这些信息不但反映各种参数的历史状态,而且也是管理、决策的重要信息来源。
  4 实验结果
  经过一段时间的开发与研究,该智能家居系统能够完成简单的指令与数据通信,并可将可控家电的信息保存在SQLite数据库中。
  5 结束语
  利用S3C2440定制Windows CE系统实现智能家居的简单控制,综合运用了电子电路,Windows CE嵌入式系统,HTTP协议和CSP等技术。该系统可采用遵循802.11的远程无线来控制家电系统。
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张无忌1987 发表于 2010-11-23 10:59:35
好东东
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