嵌入式智能家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

1 引言

隨著家庭網(wǎng)絡(luò)研究的興起，如何設(shè)計一種集家電管理、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)，實現(xiàn)家用電器的網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)，以嵌入式數(shù)據(jù)庫為后臺，用軟件編程的方法實現(xiàn)用戶、Web服務(wù)器以及網(wǎng)關(guān)應(yīng)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(jù)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(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)，以SIP消息形式向后者發(fā)送網(wǎng)絡(luò)標識申請幀和設(shè)備描述文件，完成注冊；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(wù)；用戶可通過PC瀏覽器和基于SIP用戶代理的監(jiān)控軟件兩種方式實現(xiàn)對信息家電的遠程監(jiān)控。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在家庭網(wǎng)關(guān)硬件平臺的設(shè)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(shè)計其他相關(guān)功能模塊。軟件設(shè)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(wǎng)絡(luò)服務(wù)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(wù)器和SQLite數(shù)據(jù)庫到uCLinux系統(tǒng)中，以CGI原理為基礎(chǔ)實現(xiàn)動態(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)硬件平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

在嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，需對大量的實時數(shù)據(jù)進行采集和處理，多樣化的數(shù)據(jù)存儲和管理需要一個后臺數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)庫SQLite，并針對家庭網(wǎng)關(guān)ARM-uCLinux平臺對其進行移植、裁減和應(yīng)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(jù)庫引擎，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(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的一個用戶應(yīng)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(shè)計

嵌入式數(shù)據(jù)庫SQLite與操作系統(tǒng)和具體應(yīng)用集成在一起，無須獨立運行的數(shù)據(jù)庫引擎，它由程序直接調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)去實現(xiàn)對數(shù)據(jù)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(guān)閉嵌入式數(shù)據(jù)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(jié)果，通過自行編寫回調(diào)函數(shù)可進一步對執(zhí)行結(jié)果進行處理。

本系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線由實時數(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），對信息家電信號進行采集和數(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。SQLite對設(shè)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(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)實現(xiàn)實時通信應(yīng)用的一種信令協(xié)議[3]。它結(jié)構(gòu)簡單、易于擴展，提供良好的QoS支持。雖然主要為IP網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，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

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、認證和路由等服務(wù)，它又分為代理服務(wù)器、重定位服務(wù)器和注冊服務(wù)器。

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

（1）注冊服務(wù)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(yīng)關(guān)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(yīng)，完成信息家電的注冊。

（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（如信息家電位置改變、實現(xiàn)負荷分擔等）構(gòu)造一個重定向響應(yīng)消息，將新的目標地址返回給監(jiān)控程序。

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

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(jié)構(gòu)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(wù)器、代理服務(wù)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(wù)器提供開發(fā)接口。

本文設(shè)計的SIP協(xié)議棧在oSIP開發(fā)庫的基礎(chǔ)上進行了修改和二次開發(fā)，主要包括兩個方面的內(nèi)容：狀態(tài)機模塊和語法解析器模塊。前者完成對某個事務(wù)（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(yīng)的事件。后者主要完成對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(wù)器發(fā)送請求 */

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

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

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

作為智能家居的核心設(shè)施，家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)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(shè)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(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、無線通信和網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域，極其適合于對成本和功耗要求較苛刻的應(yīng)用場合[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鐘電路、復位電路等。如圖2所示。

uCLinux在Linux的基礎(chǔ)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(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)