嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　隨著家庭網(wǎng)絡(luò)研究的興起，如何設(shè)計(jì)一種集家電管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換和家庭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控為一體的家庭網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)家用電器的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)程控制，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

　　本文以CGI原理為基礎(chǔ)，以嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)為后臺(tái)，用軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)用戶、Web服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序之間的動(dòng)態(tài)交互，提出了-一種新的基于SIP協(xié)議和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)家居遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制的解決方案。

　　2 總體方案

　　本系統(tǒng)包括信息家電、智能家庭網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程監(jiān)控端三個(gè)主要模塊。信息家電被作為SIP的智能終端接入家庭網(wǎng)關(guān)，以SIP消息形式向后者發(fā)送網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)申請(qǐng)幀和設(shè)備描述文件，完成注冊(cè);家庭網(wǎng)關(guān)基于SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和Web服務(wù)器，一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的認(rèn)證和管理，另一方面為遠(yuǎn)程監(jiān)控端提供服務(wù);用戶可通過PC瀏覽器和基于SIP用戶代理的監(jiān)控軟件兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的遠(yuǎn)程監(jiān)控。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，本文采用模塊化的方法，以中央處理單元為中心，

　　設(shè)計(jì)其他相關(guān)功能模塊。軟件設(shè)計(jì)方面，基于ARM7TDMI核的微處理器移植了嵌入式操作系統(tǒng)uCLinux，為實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議棧提供底層軟件支持?；赟IP協(xié)議棧完成SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了信息家電的注冊(cè)、認(rèn)證和管理。并通過移植Boa Web服務(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)到uCLinux系統(tǒng)中，以CGI原理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)Web技術(shù)。

　　圖1 嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 圖 2 家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　3 嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

　　在嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，需對(duì)大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，多樣化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理需要一個(gè)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來支撐。由于嵌入式系統(tǒng)軟硬件資源都有限，傳統(tǒng)的企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)如Oracle、Sybase等明顯臃腫，很難發(fā)揮作用，因此，本文選用了小型的開源嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite，并針對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)ARM-uCLinux平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行移植、裁減和應(yīng)用。

　　3.1 SQLite在ARM-uCLinux上的實(shí)現(xiàn)

　　SQLite是用C語言編寫的開源嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，占用資源非常低，在嵌入式設(shè)備中，只需要幾百K的內(nèi)存就夠了[1]。它能夠支持Windows/Linux等主流操作系統(tǒng)，其處理速度甚至令開源世界著名的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)Mysql、PostgreSQL望塵莫及[2]。SQLite 對(duì)SQL92 標(biāo)準(zhǔn)的支持包括索引、限制、觸發(fā)和查看，支持原子的、一致的、獨(dú)立和持久的(ACID)事務(wù)。

　　SQLite在ARM-uCLinux上的主要移植步驟如下：

　　(1) 下載并解壓軟件包至uCLinux-dist/user目錄下;

　　tar zxvf sqlite-2.8.16.tar.gz –C uCLinux-dist/user/

　　(2) 參照uClinux-dist/Documentation/Adding-User-Apps-HOWTO文檔;

　　添加SQLite作為uCLinux的一個(gè)用戶應(yīng)用程序

　　(3) 針對(duì)ARM-uCLinux修改SQLite;

　　修改sqlite/src/os.c、sqlite/src/shell.c等文件

　　并以sqlite/Makefile.linux-gcc文件為藍(lán)本，寫一個(gè)合適的Makefile

　　(4) 依次運(yùn)行make dep;make lib_only;make user_only;make romfs;make image

　　即在uClinux-dist/images下編譯生成了包含有sqlite的romfs文件系統(tǒng)。

　　(5) 下載romfs到ARM-uCLinux的可讀寫目錄，運(yùn)行sqlite即可。

　　3.2 SQLite的C程序設(shè)計(jì)

　　嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite與操作系統(tǒng)和具體應(yīng)用集成在一起，無須獨(dú)立運(yùn)行的數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，它由程序直接調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)去實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的存取操作。其中有三個(gè)核心API函數(shù)。sqlite_open()和sqlite_close()分別打開和關(guān)閉嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)文件即建立和釋放SQLite引擎，而sqlite_exec()可以執(zhí)行SQL語句并獲得結(jié)果，通過自行編寫回調(diào)函數(shù)可進(jìn)一步對(duì)執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行處理。

　　本系統(tǒng)通過現(xiàn)場(chǎng)總線由實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理模塊按照用戶設(shè)定的控制參數(shù)(如A/D采樣頻率等)，對(duì)信息家電信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)字濾波，然后調(diào)要API函數(shù)將數(shù)據(jù)存入SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)。SQLite對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行管理，并且支持查詢、修改等功能。

　　4 SIP協(xié)議在家庭網(wǎng)關(guān)中的應(yīng)用分析

　　SIP(Session Initiation Protocol)是由IETF(Internet 工程任務(wù)組)于1999年提出的基于IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信應(yīng)用的一種信令協(xié)議[3]。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于擴(kuò)展，提供良好的QoS支持。雖然主要為IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，但它也可以在ATM、幀中繼等承載網(wǎng)中工作，是下一代網(wǎng)絡(luò)VoIP的重要解決方案。

　　4.1 家庭網(wǎng)關(guān)中SIP各組件的功能設(shè)計(jì)

　　SIP協(xié)議包含兩類組件：用戶代理(User Agent)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器(Network Server)。用戶代理完成呼叫的發(fā)起和接收;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器主要為用戶代理提供注冊(cè)、認(rèn)證和路由等服務(wù)，它又分為代理服務(wù)器、重定位服務(wù)器和注冊(cè)服務(wù)器。

　　本系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的功能設(shè)計(jì)如下：

　　(1)注冊(cè)服務(wù)器接受用戶代理(信息家電)的注冊(cè)(REGISTER)請(qǐng)求，在SQLite中動(dòng)態(tài)建立家電的邏輯地址和其當(dāng)前聯(lián)系地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。從而不論在何處，都可以通過唯一的邏輯地址進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)家電移動(dòng)性的支持。返回狀態(tài)碼為200的成功響應(yīng)，完成信息家電的注冊(cè)。

　　(2)重定位服務(wù)器提供地址解析服務(wù)，功能類似于DNS，用于在需要時(shí)(如信息家電位置改變、實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分擔(dān)等)構(gòu)造一個(gè)重定向響應(yīng)消息，將新的目標(biāo)地址返回給監(jiān)控程序。

　　(3)代理服務(wù)器類似于HTTP的Proxy和SMTP的MTA(Message Transfer Agent)，負(fù)責(zé)接收用戶代理(監(jiān)控軟件)發(fā)來的請(qǐng)求，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)策略將請(qǐng)求發(fā)給相應(yīng)的信息家電，并根據(jù)收到的應(yīng)答對(duì)監(jiān)控端做出響應(yīng)。

　　4.2 SIP協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

　　SIP協(xié)議棧oSIP是第一個(gè)自由軟件項(xiàng)目，使用標(biāo)準(zhǔn)c編寫，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而小巧，速度特別快，支持線程安全，可以開發(fā)注冊(cè)服務(wù)器、代理服務(wù)器和用戶代理等[4]。oSIP開發(fā)庫(kù)主要是在uCLinux上實(shí)現(xiàn)SIP協(xié)議的語法解析和狀態(tài)機(jī)分析，為實(shí)現(xiàn)SIP服務(wù)器提供開發(fā)接口。

　　本文設(shè)計(jì)的SIP協(xié)議棧在oSIP開發(fā)庫(kù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改和二次開發(fā)，主要包括兩個(gè)方面的內(nèi)容：狀態(tài)機(jī)模塊和語法解析器模塊。前者完成對(duì)某個(gè)事務(wù)(注冊(cè)過程，呼叫過程等)的狀態(tài)記錄，并在特定狀態(tài)下觸發(fā)相應(yīng)的事件。后者主要完成對(duì)SIP消息結(jié)構(gòu)和URL結(jié)構(gòu)的剖析。下面是家庭網(wǎng)關(guān)接受信息家電注冊(cè)的部分源代碼:

　　(1) 初始化oSIP棧： Int osip_global_init();

　　(2) 包含SIP有限狀態(tài)機(jī)API的庫(kù)文件： #include

　　(3) 包含SIP語法分析API的庫(kù)文件： #include

　　(4) 部分函數(shù)聲明

　　void osip_setcb_rcvinvite(); /* 信息家電向SIP服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求 */

　　void osip_setcb_rcvregister(); /* SIP服務(wù)器完成信息家電的注冊(cè) */

　　void osip_setcb_rcvack(); /* SIP服務(wù)器向信息家點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答 */

　　5 基于SQLite和SIP的家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

　　作為智能家居的核心設(shè)施，家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。它為信息家電提供一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)，通過該平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)信息家電之間或信息家電與遠(yuǎn)程控制端之間的互連和信息交換。

　　5.1 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)與操作系統(tǒng)的選取

　　32位ARM嵌入式微處理器具有高性能、低功耗的特性，已被廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、無線通信和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，極其適合于對(duì)成本和功耗要求較苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合[5]。

　　因此，本文選取了一款三星公司生產(chǎn)的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C44B0X。并以此為中心，設(shè)計(jì)了其它功能模塊：FLASH接口模塊、SDRAM接口模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊以及其它外圍輔助電路模塊諸如時(shí)鐘電路、復(fù)位電路等。如圖2所示。

　　uCLinux在Linux的基礎(chǔ)上添加了對(duì)沒有MMU的微處理器的支持[6]，所以它一方面繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：例如穩(wěn)定性、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持以及不同類型的文件系統(tǒng)支持等等;另一方面，它廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)

　　uCLinux在Linux的基礎(chǔ)上添加了對(duì)沒有MMU的微處理器的支持[6]，所以它一方面繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)：例如穩(wěn)定性、各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的支持以及不同類型的文件系統(tǒng)支持等等;另一方面，它廣泛地應(yīng)用于嵌入式領(lǐng)域，內(nèi)核精簡(jiǎn)(一般小于512k)，并支持很多常用的嵌入式微控制器系列。正是出于對(duì)多任務(wù)控制、網(wǎng)絡(luò)功能和可移植性等方面的考慮，本設(shè)計(jì)選用嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，并完成在ARM微處理器上的移植。

　　5.2 Web服務(wù)器和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用

　　Boa是一個(gè)單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放、性能高，支持認(rèn)證，支持CGI。目前，uCLinux中已包含了boa的源代碼，因此在uCLinux中實(shí)現(xiàn)Boa非常簡(jiǎn)單，只需要在boa.conf 和mime.types 文件中修改網(wǎng)頁存放的路徑以及CGI程序存放的目錄。

　　SQLite中存放每個(gè)家電的基本信息、參數(shù)值以及狀態(tài)信息等，這些信息不但反映了各種參數(shù)的歷史狀態(tài)，而且也是管理、決策的重要信息來源，在需要的時(shí)候通過對(duì)嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的信息檢索和遠(yuǎn)程監(jiān)控。數(shù)據(jù)管理是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的部分。

　　本系統(tǒng)中SIP網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在SQLite中動(dòng)態(tài)建立家電的邏輯地址和其當(dāng)前聯(lián)系地址之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，完成信息家電的注冊(cè)。用戶可通過瀏覽器訪問家庭網(wǎng)關(guān)中的Web Server，并把參數(shù)提交給Web Server接收，Web Server再把此參數(shù)傳遞給CGI程序解析，CGI調(diào)入SQLite中家庭網(wǎng)關(guān)各種狀態(tài)參數(shù)，將結(jié)果轉(zhuǎn)化為web瀏覽器能識(shí)別的格式，作為Http應(yīng)答消息回送到客戶端，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信息家電的設(shè)置和信息交互。

　　6 總結(jié)

　　信息家電和家庭網(wǎng)絡(luò)的迅猛發(fā)展、家庭網(wǎng)關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，必將為我們目前的家居生活帶來新的驚喜。

　　ARM、uCLinux、SQLite的結(jié)合，體現(xiàn)了嵌入式的特點(diǎn)，提高了家庭網(wǎng)關(guān)的性能;標(biāo)準(zhǔn)SIP協(xié)議的使用，既解決了當(dāng)前家電設(shè)備所存在的管理、命名和移動(dòng)等一系列問題，也使遠(yuǎn)程控制程序設(shè)計(jì)者不必關(guān)心家庭網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需要按照SIP協(xié)議的規(guī)范和智能家庭網(wǎng)絡(luò)中的信息家電進(jìn)行交互，這樣就增加了家庭網(wǎng)關(guān)的通用性，簡(jiǎn)化和拓展了智能家庭網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。希望能給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究提供一些參考。