基于嵌入式Web服务器的智能家居主控制系统设计

　　1 引言

　　随着互联网技术和信息通信技术向普通家庭生活的不断普及，如何将消费电子、计算机和通信融为一体，已成为人们非常关心的一个问题。智能家电网络管理系统能够实现家用电器的网络化、智能化管理。通过该系统将家中的网络电器与互联网和GPRS网络相连，这样无论何时何地，用户都可以通过该系统远程操纵家用电器；本文提出的基于嵌入式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。

　　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、16 KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller Bus Architecture)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，支持实时时钟(RTC)、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。

　　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。

　　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

　  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的传输速率，可在中断或DMA两种模式下工作，每个通道包含64 K字节的发送FIFO和接收FIFO。该器件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5．5 V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5．5 V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。

　　2．4 存储器设计

　　完整操作系统的启动离不开引导程序。Windows CE5．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，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

　　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。

　　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。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Windows CE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。

　　(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Windows CE平台运行的CGI程序。

　　(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。

　　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。

  

参考文献:

[1]. GPRS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. ARM920T datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM920T_139814.html.
[3]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[4]. DM9000AEP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DM9000AEP_1402391.html.
[5]. HR911105A datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/HR911105A_1055027.html.
[6]. HY57V561620CTP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/HY57V561620CTP_1135969.html.
[7]. CSP datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CSP_2363263.html.