基于嵌入式的智能家居

基于嵌入式的智能家居

摘要 21世纪是智能的时代，是互联网的时代，随着Internet后PC 时代的到来，这个时代的主要特征是以计算机作为作为组成成分融入消费品之中。依赖于嵌入式技术的后PC时代使得传统IT设备逐渐过渡到嵌入式设备并融入到生活的各个方面。本系统采用嵌入式技术，将在系统内移植嵌入式web服务器，用户可以通过互联网对家居进行操作与监控。

关键词嵌入式智能家居Linux 远程监测

Abstract In the 21st century is the era of intelligence, is the age of the Internet, with the advent of Internet post-pc era, the era as computers as the main characteristics of the components into consumer goods. Rely on the embedded technology after traditional PC era makes IT equipment gradually transition to the embedded devices and integrated into all aspects of life. This system adopts the embedded technology, transplanted in the system of embedded web server, the user can through the Internet for household operation and monitoring. Keyword: ARM smart home Linux Remote monitoring

1 绪论

随着生活水平与生活质量的提高，人们对于生活水平要求日益提高，对于生活的便捷性与对信息需求的及时性也越发看重，以嵌入式为核心的智能家居以其便捷性与实时性逐渐走入了我们的视野。目前随着

网络技术的迅速发展，传统的PC完全可以通过内嵌web服务器的ARM 进行功能替代，并且由于嵌入式系统价格偏低，使得智能家居发展越发成为可能，但是我国目前智能家居发展仍然有限，发展速度与发达国家相比偏慢，并且发展水平较低，因此智能家居发展前景广阔。本文将采用ARM9作为CPU进行嵌入式开发。

2.嵌入式

2.1嵌入式系统简介

嵌入式系统是一种非PC系统但但有计算机功能，以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用于应用系统的一种专用计算机系统，它的主要特点是嵌入和专用。

从20世纪70年代起，微型机以小型、低廉、高速数值计算等特点迅速走向市场，它所具备的智能化水平在工业控制领域发挥了作用，常被组装成各种形状，“嵌入”到一个对象体系中，进行某类智能化的控制。与通用型的计算机系统相比，嵌入式系统的功耗低、功能强大、实时性强打、占用空间小、效率高等有点尤为突出。它的主要特点是嵌入与专用。

2.2 ARM处理器介绍

ARM（Advanced RISC Machine）,即可以认为是一个公司的名字，也可以当成一类微处理器的统称，还可以认为是一种技术的统称。ARM体系架构的版本就是它所使用的指令集的版本。ARM架构支持32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，后者所使用的代码的存储空间大大减少。还提供了一些扩展功能。

本文所使用的ARM9系列处理器是英国ARM公司设计的主流嵌入式处理器，主要包括ARM920T和ARM922T等系列。ARM9采用哈佛体系结构，指令和数据分属不同的总线，可以并行处理。他的指令执行效率较ARM7有较大提高，最高可达到300MIPS。

2.3嵌入式Linux

嵌入式 Linux是以Linux为基础的嵌入式系统，他广泛应用于我们生活的方方面面。Linux系统遵循GPL协议，是完全免费的OS,既继承了Internet上无限的开放源代码资源，又具有嵌入式操作系统支持任意裁剪的特性。并且他的内核小、效率高，内核更新速度很快，支持几乎所有的32位或者64位系统。并且嵌入式Linux与PCLinux 使用的是同一套内核代码，这就是的原本PC上的程序重新编译调整之后可以直接用于嵌入式Linux，大大增加了便捷性。

3整体模块设计

本系统的设计目的就是为了实现远程监测并进行远程操作，总体思路就是以基于嵌入式系统与web系统结合开发，其主要有USB摄像头模块、WEB服务器模块、视频客户端以及远程电器控制端组成。其中通过CGI方式实现WEB服务器对远程电器的控制。本系统采用三星公司的S3C2410作为主机，系统采用Linux系统。模块之间流程图具体见下图1。

图1

3.1 USB摄像头模块设计

USB摄像头使用中星微ZC301，该系列高清芯片拥有影像光源自动增益补强技术，自动白平衡、边缘增强以及伽马矫正等先进的影像控制技术。

具体移植过程如下

1.下载USB补丁文件。本人使用的USB-

2.6.12.patch.rar.在https://www.360docs.net/doc/268770269.html,

网站上能找到。

2.打补丁。

在drivers/usb/media目录下建立spca5xx目录，mkdir spca5xx,

返回/driver/usb目录下，把补丁文件也放在此目录下，执行 patch –p1 2.6.12.patch,就会在 usb/media/spca5xx目录下产生如下文件：

cs2102.h

hdcs2020.h

hv7131b.h

hv7131c.h

icm105a.h

Makefile

Makefile.2.4

https://www.360docs.net/doc/268770269.html,

pas106b.h

pb0330.h

sn9cxxx.h

sp5xxfw2.dat

sp5xxfw2.h

spca5xx.h

spcaCompat.h

spca_core.c

spcadecoder.c

spcadecoder.h

spcausb.h

tas5130c.h

zc3xx.h

3. 修改drivers/usb/Makefile文件，在

Obj-$(CONFIG_USB_W9968CF) += media/

之后添加一行：

obj-$(CONFIG_USB_SPCA5XX) += media/

4. 修改drivers/usb/media/Kconfig文件，在最后添加

config USB_SPCA5XX

tristate "USB SPCA5XX Sunplus/Vimicro/Sonix jpeg Cameras"

depends on USB && VIDEO_DEV

---help---

Say Y or M here if you want to use one of these webcams:

The built-in microphone is enabled by selecting USB Audio support.

This driver uses the Video For Linux API. You must say Y or M to

"Video For Linux" (under Character Devices) to use this driver.

Information on this API and pointers to "v4l" programs may be found

at .

To compile this driver as a module, choose M here: the

module will be called spca5xx.

5. 配置内核 make menuconfig

(1)Multimedia drivers à

Video For Linux

(2) USB support à

Support for Host-side USB

-- USB Host Controller Drivers

OHCI HCD support

(3) --USB Mulltimedia devices

USB SPCA5XX

Sunplus/Vimicro/sonix jpeg Cameras

6. 编译内核及模块 ,在源码根目录下执行 make ；make modules就行。当然你得指定交叉编译环境，可以在顶层的Makefile 里面修改。

7. 拷贝模块文件至开发板目录下

cp drivers/media/video/v4l1-compat.ko /home/yuaf/root _nfs/

cp drivers/media/video/v4l2-common.ko

/home/yuaf/root_nfs/

cp drivers/media/video/videodev.ko/ /home/yuaf/ro ot_nfs/

cp

drivers/usb/core/usbcore.ko /home/yuaf/roo t_nfs/

cp drivers/usb/media/spca5xx/spca5xx.ko /home/yuaf/ro ot_nfs/

8. 9、将USB摄像头插入开发板（注：必须先插入摄像头才能插入模块文件，否则系统会出现kernel oops

9. 重新启动开发板

10. 插入模块文件（注：这里必须注意模块的插入顺序，这是因为模块的依赖关系）

Insmod usbcore.ko

Insmod ohci-hcd.ko

Insmod v4l1-compat.ko

Insmod v4l2-common.ko

Insmod videodev.ko

Insmod spca5xx.ko

插入以上模块之后，建议设备文件

Cd /dev

Mknod video0 c 81 0

也可以将以上语句写到 /etc/init.d/rcS文件中，当开发板启动时自动加载模块。加载过程中出现如下信息。

usbcore: registered new driver usbfs

usbcore: registered new driver hub

Using ohci-hcd.ko

Set S3C2410 UPLLCON!

s3c2410-ohci s3c2410-ohci: S3C24XX OHCI

s3c2410-ohci s3c2410-ohci: new USB bus registered, assigned bus number 1

s3c2410-ohci s3c2410-ohci: irq 42, io mem 0x49000000

usb usb1: Product: S3C24XX OHCI

usb usb1: Manufacturer: Linux 2.6.15.1 ohci_hcd

usb usb1: SerialNumber: s3c24xx

hub 1-0:1.0: USB hub found

hub 1-0:1.0: 2 ports detected

Using v4l1-compat.ko

Using v4l2-common.ko

usb 1-1: new full speed USB device using s3c2410-ohci and address 2

Using videodev.ko

usb 1-1: Product: PC Camera

usb 1-1: Manufacturer: Vimicro Corp.

Linux video capture interface: v1.00

Using spca5xx.ko

drivers/usb/media/spca5xx/spca_core.c: USB SPCA5XX camera found. Type Vimicro Zc301P 0x301b

usbcore: registered new driver spca5xx

drivers/usb/media/spca5xx/spca_core.c: spca5xx driver

00.57.06LE registered

这样这个驱动就移植完成了。

11. 用命令测试

Cat /dev/video0 > /tmp/a.jpg.

进入tmp目录可以看见有此文件。

也可以用servfox 和 spcaview 进行数据的采集和查看，在嵌入式Linux版块中对此有相关的介绍。

总结：在整个过程中要还是要注意编译器的问题，若生成模块，你也可以用modinfo 查看一下模块的信息。内核版本要一致等。

3.2 WEB服务器模块设计

直接采用Internet网络连接嵌入式设备进行远程监控：必须在嵌入式设备上安装web服务器，使其支持远程PC或移动终端通过浏览器来访问该设备。常见的嵌入式web服务器：boa，httpd和thttpd。Httpd是最简单的一种web服务器，功能也最弱，不支持认证和CGI。thttpd web服务器和boa web服务器都支持认证和CGI等，功能都比较全。Boa 作为一种典型的web服务器，它和Apache 等高性能的 Web 服务器主要的区别在于它们一般是单进程服务器，当有连接请求来到市，他并不为每个连接单独创造进程，也不通过复制自身进程来处理多连接，而是通过建立HTTP请求列表处理多路连接请求。Boa只有在完成了一次响应之后才能进行下一次响应，无法同时处理两次响应，但这种缺点对于本系统来说是没关系的。Boa 是一个很精巧的 Web 服务器，可执行代码只有约 60KB，占用资源小，速度快。它是一个单任务 Web 服务器，只能依次完成用户的请求，而不会

fork 出新的进程来处理并发连接请求。并且Boa 支持 CGI功能，能够为 CGI 程序 fork 出一个进程来执行。 Boa 的设计目标是速度和安全，在其站点公布的性能测验中， Boa 的性能要好于 Apache 服务器。经过上述的对比和判断，选择 Boa 作为系统的嵌入式服务器。

3.2.1Boa功能的实现

Boa服务器的移植主要分为以下步骤进行：

2 .boa移植

1) 设置编译环境

boa 的官方网站是：https://www.360docs.net/doc/268770269.html,，下载地址：

https://https://www.360docs.net/doc/268770269.html,/project/ showfiles.php?group_id=78，目前最新的版本为：boa-0.94.13 版。

下载完毕后，解压到"/opt/my2410/"目录下，会生成目录

boa-0.94.13：

#tar xzvf boa-0.94.13.tar.gz -C /opt/ my2410

2) 配置编译条件

配置 boa：进入src目录，编译源代码。解压后src目录下有Makefile.in文件，但没有Makefile文件，为了编译源代码，需要先生成Makefile文件，在src目录下运行configure命令即可。 #cd /opt/ my2410/boa-0.94.13/src

#chmod 755 configure

#./configure

生成的Makefile文件是针对X86平台的，为了生成能够在ARM

上运行的boa，需要修改Makefile文件。

将Makefile的31~32行内容：CC = gcc 和 CPP = gcc -E，然后改成：CC = arm-linux-gcc 和 CPP =arm-linux-gcc -E，然后输入make命令进行编译，在src目录下就会生成boa文件。

$ make 然后将该文件添加到文件系统中，重新下载文件系统。如果不幸出现“icky Linux kernel bug!”的错误，请将src下boa.c的第226行注释掉，重新编译下载即可。

#vi boa.c //修改 boa.c 文件, 在行 225 到行 227 间有如下内容，注释掉。

225 if(setuid(0) != -1) {

226 // DIE(“icky Linux kernel bug!”);

227 }

保存退出。

3) 安装boa服务器

主要是配置boa服务器。boa启动时需要一个配置文件

boa.conf，该文件的缺省目录由src/defines.h文件的SERVER_ROOT 定义，或者在启动boa的时候通过参数“-c”指定。其中指定的默认目录是：

/etc/boa/。

4) 编译并优化

编译后，将在 boa-0.94.13 目录下生成 boa 的可执行文件（大小 232K 左右）：

#make

#arm-linux-strip boa

这里的优化就是去除boa中的调试信息。经过此操作，boa 会由232K 变成 62K 左右，这个优化是比较常用的做法。

到此，移植 boa 就完成了。

3.2 CGI设计与实现

3.2.1 CGI介绍

CGI(Common Gateway Interface，CGI)是通用网关接口的简称，它是一种通用的接口标准。其主要功能是在 WWW 环境下，从客户端传递一些信息给Web服务器，再由Web服务器去启动所指定的程序来完成特定的工作。

CGI 可以为我们提供许多HTML（HyperText Markup Language，超文本标记语言）无法做到的功能。

用HTML是没有办法记住客户的任何信息的。要把顾客的信息记录在服务器的硬盘上，就要用到CGI。

3.3.2 CGI 库的移植：

（1）设置编译环境

cgic 库的具体下载站点是：

https://www.360docs.net/doc/268770269.html,/cgic/cgic205.tar.gz，目前最新版本为cgic205版。

下载后，解压到"/opt/my2410目录下，会生成目录 cgic205。#tar xzvf cgic205.tar.gz -C /opt/ my2410

（2）配置编译条件

进入 cgic205 目录，修改 Makefile 文件：

#cd /opt/EmbedSky/cgic205

#vi Makefile

下面是修改后的文件内容：

CFLAGS=-g -Wall

CC=arm-linux-gcc //原来是CC = gcc

AR=arm-linux-ar //原来是AR = ar RANLIB=arm-linux-ranlib //原来是RANLIB = ranlib LIBS=-L./ -lcgic

all: libcgic.a cgictest.cgi capture

install: libcgic.a

cp libcgic.a /usr/local/lib

cp cgic.h /usr/local/include

@echo libcgic.a is in /usr/local/lib. cgic.h is in /usr/local/include.

libcgic.a: cgic.o cgic.h

rm -f libcgic.a

$(AR) rc libcgic.a cgic.o

$(RANLIB) libcgic.a

#mingw32 and cygwin users: replace .cgi with .exe cgictest.cgi: cgictest.o libcgic.a

$(CC) $(CFLAGS) cgictest.o -o cgictest.cgi ${LIBS} //由gcc改成了：$(CC) $(CFLAGS)

capture: capture.o libcgic.a

$(CC) $(CFLAGS) capture.o -o capture ${LIBS} //由gcc改成了：$(CC) $(CFLAGS)

clean:

rm -f *.o *.a cgictest.cgi capture

修改后保存退出。

（3）编译并优化

编译，会在目录下生成 capture 的可执行文件和测试用的cgictest.cgi 文件。

#make

优化：

#arm-linux-strip capture

上述命令会把capture由原来的100K 左右变成现在的29K

左右。

3.4 配置 Web 服务器

做完前面的移植工作后，需配置Web服务器。这里以NFS文件系统为例介绍。

1）配置 boa

在文件系统里面新建一个名为web/的目录，在文件系统的etc/目录下面新建一个boa/目录：

#cd /opt/root_nfs

#mkdir web etc/boa

然后拷贝刚才移植的boa到文件系统的"sbin/"目录下：

#cp /opt/boa-0.94.13/src/boa /opt/root_nfs/sbin 拷贝boa-0.94.13目录下面的boa的配置文件boa.conf到文件系统的etc/boa/目录下：

#cp /opt/boa-0.94.13/boa.conf /opt/root_nfs/etc/boa 修改 boa.conf 文件，这里只给出修改的内容以及大概的行数：

#cd /opt/root_nfs/etc/boa

#vi boa.conf

下面是修改内容：

Port 80 //行25，监听的端口号，缺省都是80，一般无需修改。

#Listen 211.69.201.157 //行43，bind调用的IP 地址，一般注释掉，表明绑定到INADDR_ANY，通配于服务器的所有IP地址。

User root //行48

Group root //行49，作为哪个用户组运行，即它拥有该用户组的权限，一般都是root，需要在/etc/group文件中有root组。

#ServerAdmin root@localhost //行55，当服务器发生

问题时发送报警的email地址，现在没有使用，注释掉。

ErrorLog /dev/console //行62，错误日志文件。如果没有以/xxx开始，则表示从服务器的根路径开始。如果不需要错误日志，则用/dev/null。系统启动后看到的boa的打印信息就是由

/dev/console得到的。

#VirtualHost //行107，是否启动虚拟主机功能，即设备可以有多个网络接口，每个接口都可以拥有一个虚拟的Web服务器。一般注释掉，即不需要启动。

DocumentRoot /web //行112，非常重要，这个就是存放HTML文档的主目录。如果没有以/xxx开始，则表示从服务器的根路径开始。

#UserDir public_html //行117，如果收到一个用户请求的话，在用户主目录后再增加的目录名。

DirectoryIndex index.html //行124，HTML目录索引的文件名，也是没有用户只指明访问目录时返回的文件名。

KeepAliveMax 1000 //行145，一个连接所允许的HTTP 持续作用请求最大数目，注释或设为0都将关闭HTTP持续作用。

KeepAliveTimeout 10 //行149，HTTP持续作用中服务器在两次请求之间等待的时间数，以秒为单位，超时将关闭连接MimeTypes /etc/mime.types //行156，指明mime.types文件位置。如果没有以/开始，则表示从服务器的根路径开始。可以注释掉避免使用mime.types文件，此时需要用AddType在本文件里指明。

DefaultType text/plain //行161，文件扩展名没有或未知的话，使用的缺省MIME类型。

CGIPath /bin:/usr/bin:/usr/sbin:/sbin //行165，提供CGI程序的PATH环境变量值。

#AddType application/x-httpd-cgi cgi //行174，将文件扩展名和MIME类型关联起来，和mime.types文件作用一样。如果用mime.types文件，则注释掉，如果不使用mime.types文件，则必须使用。

#Alias /doc /usr/doc //行189，指明文档重定向路径。

ScriptAlias /cgi-bin/ /web/cgi-bin/ //行194，非常重要，指明CGI脚本的虚拟路径对应的实际路径。一般所有的CGI 脚本都要放在实际路径里，用户访问执行时输入站点+虚拟路径+CGI 脚本名。前面的/cgi-bin/就是虚拟路径，/web/cgi-bin/就是实际的路径。

保存退出该文件。

拷贝"mime.types"文件到文件系统的"etc/"目录，一般在 PC 的"/etc"目录下面就能找到该文件：

#cp /etc/mime.types /opt/root_nfs/etc

2) 配置 cgic 库

在文件系统的"web/"目录下面建立子目录"cgi-bin/"目录：

#cd /opt/root_nfs/web

#mkdir cgi-bin

拷贝刚才移植的 cgic 库和 cgic 测试文件到文件系统的"web/cgi-bin/"目录下：

#cp /opt/cgic205/capture

/opt/root_nfs/www/cgi-bin/

#cp /opt//cgictest.cgi

/opt/root_nfs/www/cgi-bin/