基于Linux/Qt的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

針對智能家居的特點及應(yīng)用背景，設(shè)計了一種家庭多功能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用飛思卡爾公司ARM Cortex A8系列的i.MX51處理器作為MCU，在其上移植嵌入式Linux作為軟件開發(fā)平臺，并利用Qt相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計友好的用戶界面，實現(xiàn)了ARM板的各功能模塊與服務(wù)器端的交互。系統(tǒng)同時具備數(shù)字可視對講、信息收發(fā)、家電控制、安防報警、家庭娛樂等功能。

1 系統(tǒng)的架構(gòu)和功能

家庭智能控制系統(tǒng)主要由室內(nèi)分機(jī)、單元門口機(jī)、小區(qū)圍墻機(jī)、管理中心終端機(jī)、管理中心服務(wù)器以及附件組成。系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)住戶數(shù)量對系統(tǒng)的容量進(jìn)行擴(kuò)充。

(1)室內(nèi)機(jī)是用戶在室內(nèi)進(jìn)行操作的主要平臺，其功能組成為：可視對講、信息服務(wù)、家電控制、安防報警、家庭娛樂等?？梢晫χv模塊主要實現(xiàn)雙向可視通話、視頻監(jiān)控、留言/留影、開鎖等功能;信息服務(wù)模塊主要用來收發(fā)物業(yè)信息和小區(qū)廣播，支持文本、圖片形式，并實現(xiàn)與可視對講模塊的影音共享;家電控制模塊包括對燈光、窗簾、空調(diào)、電梯等設(shè)施的無線控制，并預(yù)設(shè)了情境模式;安防報警模塊支持對煙感、門磁、煤氣泄漏檢測等的自動報警，并可通過GPRS/3G技術(shù)將報警信息傳送到用戶手機(jī)上;家庭娛樂模塊支持常見格式的音視頻文件的播放(主要依靠硬件解碼)以及對常見格式的圖片的瀏覽(電子相框)。

(2)單元門口機(jī)的主要功能是完成與所在單元樓的任意住戶以及管理中心機(jī)的可視通話，除了具備留言/留影功能外，還提供觸摸屏校準(zhǔn)、背光調(diào)節(jié)、密碼設(shè)置等功能。

(3)圍墻機(jī)的基本功能和單元門口機(jī)類似，但可視對講、留言/留影功能是針對小區(qū)內(nèi)所有住戶的。

(4)中心機(jī)是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，管理人員通過管理中心的控制設(shè)備管理各子系統(tǒng)的終端，其功能包括：可視對講、視頻監(jiān)控、查看報警信息、排除設(shè)備故障、信息服務(wù)、系統(tǒng)設(shè)置、遠(yuǎn)程管理等。

2 系統(tǒng)的實現(xiàn)方案

2.1 Qt的信號/槽機(jī)制

Qt是一個跨平臺的C++應(yīng)用程序框架，完全面向?qū)ο?、易于擴(kuò)展且允許真正的組件編程。Qt的C++類庫封裝了適應(yīng)不同操作系統(tǒng)的訪問細(xì)節(jié)，這使得它能夠快速地部署于各種桌面與嵌入式系統(tǒng)中[1]。

信號/槽機(jī)制是 Qt 的核心特性，這種機(jī)制真正實現(xiàn)了消息的封裝，完全可以取代原始的回調(diào)和消息機(jī)制。信號和槽的連接通過connect()函數(shù)完成，connect()函數(shù)是QObject類中的靜態(tài)函數(shù)，其函數(shù)原型如下：

Bool QObject::connect(const QObject* sender,

const char*signal,const QObject* receiver,const char* member)

其中，sender和receiver是指向QObject的指針，signal和slot是不帶有參數(shù)的函數(shù)名。

2.2 基于XML格式的Socket多線程通信

Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程主要通過Socket接口實現(xiàn)，在Qt環(huán)境里，對Socket進(jìn)行了封裝，并建立了相應(yīng)的QTcpSocket類來實現(xiàn)TCP客戶端和服務(wù)器的通信。QTcpSocket繼承了QIODevice，所以QTcpSocket可以使用QDataStream進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。

可擴(kuò)展標(biāo)記語言XML(eXtensible Markup Language)是一種用于數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲的多用途文本格式。對于XML格式的數(shù)據(jù)，Qt中的QtXml模塊提供了DOM和SAX兩種處理方式。本文采用的DOM方式把XML文檔轉(zhuǎn)換成一個可以遍歷的樹形結(jié)構(gòu)，這樣便可以隨意訪問其中的節(jié)點，因此要明顯簡潔得多。

室內(nèi)機(jī)和中心機(jī)之間的通信采用多線程方式實現(xiàn)。多線程方式具有降低內(nèi)存、提高程序響應(yīng)速度等優(yōu)點，特別適用于嵌入系統(tǒng)。系統(tǒng)中建立了三個主線程：(1)GUI線程：用于執(zhí)行main()主函數(shù)，響應(yīng)用戶的界面操作;(2)tcpServer偵聽線程：用于對指定端口進(jìn)行監(jiān)聽;(3)tcpSocket傳輸線程：負(fù)責(zé)消息的接收和回復(fù)。下面以用戶主動更新小區(qū)廣播為例詳細(xì)說明Socket通信的流程：(1)室內(nèi)機(jī)首先啟動一個線程，將用戶的更新請求結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的XML格式(如果是新設(shè)備第一次開機(jī)，要先手動進(jìn)行IP的設(shè)置)，(2)調(diào)用connectToHost()函數(shù)請求與中心機(jī)建立連接，處于監(jiān)聽狀態(tài)的中心機(jī)接到請求后，就會分配一個Socket套接字來處理連接：首先根據(jù)解析出來的XML的Type節(jié)點判斷請求類型，如果是純文本則從數(shù)據(jù)庫的Text表讀取，如果是圖片則從硬盤讀取，然后調(diào)用QIODevice::write()函數(shù)發(fā)送;(3)室內(nèi)機(jī)接到應(yīng)答信號readyRead()后就開始進(jìn)行信息的收取，根據(jù)消息的Type節(jié)點類型分別寫入數(shù)據(jù)庫和硬盤。Socket多線程通信流程如圖1所示。

2.3 并行數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的并行操作，使GUI界面與數(shù)據(jù)庫相分離，從而讓界面能更快地響應(yīng)用戶的一般操作，同樣要用到Qt的多線程編程。在系統(tǒng)啟動時，首先要建立一個全局對象m_query，以便于各個實體類與數(shù)據(jù)庫類進(jìn)行連接。這樣，每當(dāng)有數(shù)據(jù)庫操作請求時便會實例化一個m_query來創(chuàng)建一個線程用于處理該請求。m_query對象中包含兩個類：(1)QueryThread，用于為每個數(shù)據(jù)操作創(chuàng)建一個線程;(2)Worker，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，如加載數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢/插入/刪除等。

圖2為數(shù)據(jù)庫的查詢操作流程。首先在實體類里創(chuàng)建兩個connect連接，分別用于發(fā)送和接收查詢結(jié)果，并生成SQL語句向QueryThread提交查詢請求信號。QueryThread收到請求后為其創(chuàng)建一個線程，并交由Worker類進(jìn)行具體數(shù)據(jù)庫查詢操作。Worker類得出查詢結(jié)果后，先傳遞給QueryThread，再由其將查詢結(jié)果返回到實體類。

關(guān)鍵代碼如下：

connect( this,SIGNAL(seek(const QString ) ),m_query,

SIGNAL(seek_execute(const QString )) );

connect( m_query,SIGNAL(seek(const QList

) ),this,SLOT( slotResult( const QList ) ) );

…

void text:: database() {

QString sql = select * from Text order by date desc ;

emit seek_execute (sql);