嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

　　1 引言

　　隨著家庭網絡研究的興起，如何設計一種集家電管理、協(xié)議轉換和家庭網絡監(jiān)控為一體的家庭網關，實現(xiàn)家用電器的網絡化、智能化和遠程控制，已成為當前研究的熱點。

　　本文以CGI原理為基礎，以嵌入式數(shù)據庫為后臺，用軟件編程的方法實現(xiàn)用戶、Web服務器以及網關應用程序之間的動態(tài)交互，提出了-一種新的基于SIP協(xié)議和嵌入式數(shù)據庫實現(xiàn)家居遠程監(jiān)測和控制的解決方案。

　　2 總體方案

　　本系統(tǒng)包括信息家電、智能家庭網關和遠程監(jiān)控端三個主要模塊。信息家電被作為SIP的智能終端接入家庭網關，以SIP消息形式向后者發(fā)送網絡標識申請幀和設備描述文件，完成注冊;家庭網關基于SIP網絡服務器和Web服務器，一方面實現(xiàn)對信息家電的認證和管理，另一方面為遠程監(jiān)控端提供服務;用戶可通過PC瀏覽器和基于SIP用戶代理的監(jiān)控軟件兩種方式實現(xiàn)對信息家電的遠程監(jiān)控。其整體結構如圖1所示。

　　在家庭網關硬件平臺的設計過程中，本文采用模塊化的方法，以中央處理單元為中心，

　　設計其他相關功能模塊。軟件設計方面，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網絡服務器，實現(xiàn)了信息家電的注冊、認證和管理。并通過移植Boa Web服務器和SQLite數(shù)據庫到uCLinux系統(tǒng)中，以CGI原理為基礎實現(xiàn)動態(tài)Web技術。

　　圖1 嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)整體結構圖 圖 2 家庭網關硬件平臺結構設計

　　3 嵌入式數(shù)據庫在監(jiān)控系統(tǒng)中的應用

　　在嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，需對大量的實時數(shù)據進行采集和處理，多樣化的數(shù)據存儲和管理需要一個后臺數(shù)據庫來支撐。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)據庫如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)據庫SQLite，并針對家庭網關ARM-uCLinux平臺對其進行移植、裁減和應用。

　　3.1 SQLite在ARM-uCLinux上的實現(xiàn)

　　SQLite是用C語言編寫的開源嵌入式數(shù)據庫引擎，占用資源非常低，在嵌入式設備中，只需要幾百K的內存就夠了[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)據庫管理系統(tǒng)Mysql、PostgreSQL望塵莫及[2]。SQLite 對SQL92 標準的支持包括索引、限制、觸發(fā)和查看，支持原子的、一致的、獨立和持久的(ACID)事務。

　　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的一個用戶應用程序

　　(3) 針對ARM-uCLinux修改SQLite;

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

　　并以sqlite/Makefile.linux-gcc文件為藍本，寫一個合適的Makefile

　　(4) 依次運行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，運行sqlite即可。

　　3.2 SQLite的C程序設計

　　嵌入式數(shù)據庫SQLite與操作系統(tǒng)和具體應用集成在一起，無須獨立運行的數(shù)據庫引擎，它由程序直接調用相應的API函數(shù)去實現(xiàn)對數(shù)據的存取操作。其中有三個核心API函數(shù)。sqlite_open()和sqlite_close()分別打開和關閉嵌入式數(shù)據庫文件即建立和釋放SQLite引擎，而sqlite_exec()可以執(zhí)行SQL語句并獲得結果，通過自行編寫回調函數(shù)可進一步對執(zhí)行結果進行處理。

　　本系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線由實時數(shù)據采集、處理模塊按照用戶設定的控制參數(shù)(如A/D采樣頻率等)，對信息家電信號進行采集和數(shù)字濾波，然后調要API函數(shù)將數(shù)據存入SQLite數(shù)據庫。SQLite對設備信息進行管理，并且支持查詢、修改等功能。

　　4 SIP協(xié)議在家庭網關中的應用分析

　　SIP(Session Initiation Protocol)是由IETF(Internet 工程任務組)于1999年提出的基于IP網絡實現(xiàn)實時通信應用的一種信令協(xié)議[3]。它結構簡單、易于擴展，提供良好的QoS支持。雖然主要為IP網絡設計，但它也可以在ATM、幀中繼等承載網中工作，是下一代網絡VoIP的重要解決方案。

　　4.1 家庭網關中SIP各組件的功能設計

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

　　本系統(tǒng)中各網絡服務器的功能設計如下：

　　(1)注冊服務器接受用戶代理(信息家電)的注冊(REGISTER)請求，在SQLite中動態(tài)建立家電的邏輯地址和其當前聯(lián)系地址之間的對應關系。從而不論在何處，都可以通過唯一的邏輯地址進行通訊，實現(xiàn)對家電移動性的支持。返回狀態(tài)碼為200的成功響應，完成信息家電的注冊。

　　(2)重定位服務器提供地址解析服務，功能類似于DNS，用于在需要時(如信息家電位置改變、實現(xiàn)負荷分擔等)構造一個重定向響應消息，將新的目標地址返回給監(jiān)控程序。

　　(3)代理服務器類似于HTTP的Proxy和SMTP的MTA(Message Transfer Agent)，負責接收用戶代理(監(jiān)控軟件)發(fā)來的請求，根據網絡策略將請求發(fā)給相應的信息家電，并根據收到的應答對監(jiān)控端做出響應。

　　4.2 SIP協(xié)議棧的實現(xiàn)

　　SIP協(xié)議棧oSIP是第一個自由軟件項目，使用標準c編寫，結構簡單而小巧，速度特別快，支持線程安全，可以開發(fā)注冊服務器、代理服務器和用戶代理等[4]。oSIP開發(fā)庫主要是在uCLinux上實現(xiàn)SIP協(xié)議的語法解析和狀態(tài)機分析，為實現(xiàn)SIP服務器提供開發(fā)接口。

　　本文設計的SIP協(xié)議棧在oSIP開發(fā)庫的基礎上進行了修改和二次開發(fā)，主要包括兩個方面的內容：狀態(tài)機模塊和語法解析器模塊。前者完成對某個事務(注冊過程，呼叫過程等)的狀態(tài)記錄，并在特定狀態(tài)下觸發(fā)相應的事件。后者主要完成對SIP消息結構和URL結構的剖析。下面是家庭網關接受信息家電注冊的部分源代碼:

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

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

　　(3) 包含SIP語法分析API的庫文件： #include

　　(4) 部分函數(shù)聲明

　　void osip_setcb_rcvinvite(); /* 信息家電向SIP服務器發(fā)送請求 */

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

　　void osip_setcb_rcvack(); /* SIP服務器向信息家點發(fā)送應答 */

　　5 基于SQLite和SIP的家庭網關的設計

　　作為智能家居的核心設施，家庭網關的設計顯得尤為重要。它為信息家電提供一個統(tǒng)一的平臺，通過該平臺能實現(xiàn)信息家電之間或信息家電與遠程控制端之間的互連和信息交換。

　　5.1 硬件平臺的設計與操作系統(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，已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信和網絡通信等領域，極其適合于對成本和功耗要求較苛刻的應用場合[5]。

　　因此，本文選取了一款三星公司生產的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C44B0X。并以此為中心，設計了其它功能模塊：FLASH接口模塊、SDRAM接口模塊、網絡接口模塊以及其它外圍輔助電路模塊諸如時鐘電路、復位電路等。如圖2所示。

　　uCLinux在Linux的基礎上添加了對沒有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：例如穩(wěn)定性、各種網絡協(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，它廣泛地應用于嵌入式領

　　uCLinux在Linux的基礎上添加了對沒有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：例如穩(wěn)定性、各種網絡協(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，它廣泛地應用于嵌入式領域，內核精簡(一般小于512k)，并支持很多常用的嵌入式微控制器系列。正是出于對多任務控制、網絡功能和可移植性等方面的考慮，本設計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服務器和嵌入式數(shù)據庫的應用

　　Boa是一個單任務的http服務器，源代碼開放、性能高，支持認證，支持CGI。目前，uCLinux中已包含了boa的源代碼，因此在uCLinux中實現(xiàn)Boa非常簡單，只需要在boa.conf 和mime.types 文件中修改網頁存放的路徑以及CGI程序存放的目錄。

　　SQLite中存放每個家電的基本信息、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，在需要的時候通過對嵌入式數(shù)據庫的訪問實現(xiàn)對信息家電的信息檢索和遠程監(jiān)控。數(shù)據管理是遠程監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的部分。

　　本系統(tǒng)中SIP網絡服務器在SQLite中動態(tài)建立家電的邏輯地址和其當前聯(lián)系地址之間的對應關系，完成信息家電的注冊。用戶可通過瀏覽器訪問家庭網關中的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調入SQLite中家庭網關各種狀態(tài)參數(shù)，將結果轉化為web瀏覽器能識別的格式，作為Http應答消息回送到客戶端，從而實現(xiàn)對信息家電的設置和信息交互。

　　6 總結

　　信息家電和家庭網絡的迅猛發(fā)展、家庭網關技術的進步，必將為我們目前的家居生活帶來新的驚喜。

　　ARM、uCLinux、SQLite的結合，體現(xiàn)了嵌入式的特點，提高了家庭網關的性能;標準SIP協(xié)議的使用，既解決了當前家電設備所存在的管理、命名和移動等一系列問題，也使遠程控制程序設計者不必關心家庭網關的實現(xiàn)細節(jié)，只需要按照SIP協(xié)議的規(guī)范和智能家庭網絡中的信息家電進行交互，這樣就增加了家庭網關的通用性，簡化和拓展了智能家庭網絡的應用。希望能給遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究提供一些參考。