摘 要：随着科学技术的发展，智能家居生活也渐渐成为趋势。然而，高成本、操作复杂的智能家居也仅仅在豪宅中应用。鉴于此种情况，我们有必要设计一种低成本、易操作的智能家居系统。将基于Wi-Fi的Web控制方法应用于智能家居中，其低成本、易操作和跨平台控制等特点能较为理想地完善整个智能家居系统。同时使系统的可控制性与可维护性大幅提高，不仅简洁直观而且方便后续功能的添加以及修改。此外，在本次设计的智能家居系统中，由于设备的简易性与可获得性使得系统本身的成本较低。因此本设计使普通人享受智能家居生活不再是遥不可及的梦想。
关键词：智能家居；Wi-Fi；Web技术；跨平台
中图法分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2014）03-0036-03
0 引 言
随着计算机技术、智能控制技术、通信技术和微电子技术的飞速发展以及人们生活水平的日益提高，智能家居生活逐渐成为一种趋势，并越来越被人们所关注。与此同时，人们对智能家居的成本以及操作人性化方面的要求也越来越高。
所谓智能家居，是指利用先进的计算机网络通信技术、嵌入式技术和传感控制将与家庭生活有关的各种子系统有机地结合起来，通过统筹管理，使家居生活可以更加舒适和方便。
当前，市场上实现智能家居的方法很多，实现的功能也很多，在这当中不乏一些经典的方案，但是在这些方案当中，大部分采用触摸屏或电脑控制的方式，这带来的问题将是操作地点的固定以及对一般收入家庭而言不必要的功能所造成的额外费用。
当今社会，无线路由器及智能手机、平板电脑等手持设备已经得到了广泛的普及，因此本设计将利用Wi-Fi这一载体通过智能手机、平板电脑实现Web对智能家居终端的控制，以此减少额外布线以及昂贵的设备费用。同时，也将使用红外遥控，方便不使用智能手机、平板电脑等设备的家庭成员享受智能家居带来的便捷。
1 系统结构
整个系统分为3个部分，即受控终端、服务终端和控制终端。系统结构如图1所示。
在系统的3个部分之间，将控制终端与服务终端通过Wi-Fi连接，即可实现控制的可移动性，也避免了布线的复杂性。
图1 系统结构示意图
1.1 控制终端
控制终端由智能手机、平板电脑以及红外遥控等手持终端组成。其中智能手机和平板电脑通过Wi-Fi实现与服务终端的连接，通过浏览器实现在Web层面对服务终端发送数据和添加命令的功能。红外遥控则直接发送命令给服务终端。
1.2 服务终端
服务终端是整个智能家居系统的核心，是实现对受控终端传递命令的枢纽，实现对控制终端命令的处理，对受控终端信号的采集和发送。
1.3 受控终端
受控终端则是日常生活中的电器部分，本次设计中主要涉及的控制对象是生活中常用到的电灯和门禁。通过USB摄像头实现对来客的观察，通过继电器实现电灯和门禁的控制。
2 系统硬件设计
在本系统中，控制终端和受控终端为日常家居中的现成产品，它们只需通过适当的接口纳入系统架构中即可，因此本系统的设计重点是服务终端。系统中的服务终端采用三星公司的S3C2440微处理器作为控制芯片，S3C2440是一款高性能的嵌入式处理器，基于ARM9内核，能稳定运行在400MHz（内核电压为1.3 V时）。同时，此款处理器具有支持更多分辨率液晶屏、AC97编解码以及更多可用I/O端口等特点，这些特点能够很好地为智能家居系统服务，也为后续的升级提供了方便。不仅如此，服务终端部分还集成了多种外设接口，如以太网、摄像头、USB、串口等，这些接口完全可以满足对家居设备的控制要求。服务终端的结构如图2所示。
图2 服务终端框图
2.1 GPIO接口
GPIO接口主要控制外部连接的继电器，通过控制继电器的导通与关断控制相应电灯、门禁以及电动窗帘。以电灯控制为例，当GPIO口发出高电平信号时，连接在相应接口上的继电器导通，电灯打开；当GPIO口发出低电平信号时，连接在相应接口上的继电器关断，电灯熄灭。
2.2 红外接口
红外接口主要用于接收红外遥控发送的命令，通过处理器的处理后再生成相应的代码信号发送给相应的I/O口，以此实现红外遥控对服务终端的控制。其后续的控制方法和GPIO相同。
2.3 LCD接口
LCD接口外接7寸LCD触摸屏，在系统设置阶段以及Web控制出错的情况下，实现对外部电器的控制，做到了直观、快捷的操作。
2.4 网卡接口
网卡接口实现控制终端与家庭使用的无线路由进行连接，实现服务终端与控制终端的无线连接。
2.5 CAMERA USB接口
CAMERA USB接口主要用来外接USB摄像头，用于对室内外情况的观察，在配合门禁系统使用时起到了“猫眼”的作用。同时，由于采用了USB接口，方便用户自行更换镜头更好、像素更高的摄像头来为自己的智能家居进行服务。
总体而言，在本智能家居系统当中，通过应用无线路由、继电器以及USB摄像头等这些家庭生活常见设备，做到了低成本和移动操作的目的，同时红外遥控的采用以及LCD触摸屏的使用，为不使用智能手机等手持设备的家庭成员提供了方便，也为在无线不能正常使用的情况下提供了另外一种选择。
3 系统软件设计
系统软件主要包括移植Linux操作系统、mjpg-streamer的移植、QT图形界面应用程序、网页html文件以及shell脚本的编写等。
3.1 Linux操作系统的移植
系统选用了2.6.32.2版本的内核，可以从官方网站上下载内核源码。然后依次进行根目录下的Makefile文件的修改、克隆自己的平台、移植Nand驱动并更改分区、移植yaffs2、DM9000网卡驱动和USB驱动的移植等操作，最后执行make menuconfig命令进入配置菜单，配置相关选项并保存退出，执行内核编译命令，编译成功后将得到编译好的内核镜像文件zImage。最后将内核镜像烧写到NAND FLASH当中。
3.2 QT图形界面应用程序及其与驱动的关系
QT图形界面应用程序的编写主要涉及到了应用对内核的调用、内核对驱动的调用以及驱动对内核的反馈的整个过程，它与内核以及驱动的关系如图3所示。
图3 应用程序工作原理
下面以GPIO口驱动为例来进行说明：
（1）应用程序使用库提供的open函数打开代表GPIO的设备文件；
（2）库根据open函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起CPU异常，进入内核；
（3）内核的异常处理函数根据这些参数找到相应的驱动程序，返回一个文件句柄库，进而返回给应用程序；
（4）应用程序得到文件句柄后，使用库提供的write函数发出控制命令；
（5）库根据write函数传入的参数执行“swi”指令，这条指令会引起CPU异常，进入内核；
（6）内核的异常处理函数根据这些参数调用驱动程序的相关函数，驱动I/O接口。
在本次设计的智能家居方案中，我们用到了LCD、GPIO、DM9000网卡等驱动，以及相应的应用程序，均遵循以上过程编写，同时也在Linux系统中稳定运行。
3.3 shell脚本
Web与应用程序间通信的桥梁靠shell脚本完成。Web将命令发送给shell脚本后，脚本经过相应的switch语句处理，将从Web得到的结果转换成相应的参数传递给相应的应用程序，从而实现了Web与应用程序间的通信，以此达到了Web控制硬件的目的。同时，shell脚本将应用程序采集到的信号返回给相应的Web程序，实现读取受控终端状态的效果。
3.4 mjpg-streamer的移植
从官网下载相应的源码，解压后修改顶层目录下的Makefile文件以及plugins目录下的各级Makefile文件，完成后放到服务终端Linux目录下的相应目录下，并通过修改start_uvc_yuv.sh等文件，实现相应的开机自启，当我们启动服务终端，在LCD上显示如图4所示内容。此时USB摄像头已经正常工作。
图4 串口终端输出内容
3.5 网页html文件
网页html文件作为本次智能家居跨平台控制的载体，我们运用Macromedia Dreamweaver 8软件进行编写。此软件做到了图形界面和代码编写的双重功能，方便一般用户实现简单网页文件的设计。在这当中，通过赋予不同按钮不同的值，以及网页通过QUERY_STRING来实现向shell脚本的命令传输。基本代码如图5所示。其中value所对应的值即为网页传递给shell脚本的值。
图5 html文件代码
综上所述，在软件部分，智能家居的基本工作过程如下：
（1）用户通过浏览器连接网络后，通过网页发送指令，进行控制；
（2）网页提交后，将数据发送给shell脚本，shell脚本中相应的函数对网页提交的数据进行处理；
（3）shell脚本将处理后的结果发送给相应的应用程序；
（4）应用程序调用相应的驱动程序完成用户的操作。
4 系统测试
系统研制成功后，已在实验室做了充分的实验与验证，系统工作稳定可靠。图6为从浏览器上看到的实验室的监控画面。图7则为手机端控制界面，通过点击界面当中房间号以及开关按钮即可实现对室内电灯的控制，同时，提交按钮的增加，可以做到防止用户误触。而且，我们也将Wi-Fi信号关闭，模拟Wi-Fi信号出问题的情况，红外遥控和LCD触摸屏做到了相应的控制作用，很好地弥补了在意外情况下对服务终端的控制，方便了生活。
图6 视频采集图像 图7 手机控制端截图
5 结 语
本文设计了一种基于Wi-Fi和Web控制的智能家居系统，详细介绍了系统的整体框架以及软件的实现方法。与其他智能家居系统不同，本系统降低了用户的成本、减小了系统的操作难度、实现了跨平台间的简单操作以及红外遥控和LCD的加入使得系统操作更加灵活。我们有理由相信，采用Wi-Fi以及Web控制的智能家居系统，将受到广大普通收入家庭的欢迎，使得智能家居生活真正进入寻常百姓家。
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Design of Web controlled smart home system based on Wi-Fi
XIANG Shao-hua1， ZHU Xiang-dong2
（1. College of Electrical and Control Engineering， Xi’an University of Science and Technology， Xi’an 710054， China； 2. MXTronics Corporation， Beijing 100080， China）
Abstract： Smart home life has been the tendency with the development of science and technology. However， smart home system is only used in villa for its high cost and complex operation. Therefore， a new smart home system with low cost and easy operation is necessary. The smart home system with low cost， easy operation and cross-platform operation can be perfect ideally with the application of the Web control method based on Wi-Fi. Meanwhile， with this control technique， the controllability and maintainability of the system is improved， and the system becomes not only visual but also convenient to add new function and be modified. Moreover， in this design， the cost of the system is reduced for its simplification and availability. The smart home life is no longer an ueachable dream to everyman.
Keywords： smart home； Wi-Fi； Web technique； cross platform