|
引言 隨著(zhù)信息技術(shù)的發(fā)展，以PC為代表的計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展到一個(gè)更高階段，以嵌入式智能設備為核心的后PC時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。ARM處理器以其性能高、成本低和功耗低的特點(diǎn)，廣泛應用于嵌入式控制、消費，教育類(lèi)多媒體、DSP和移動(dòng)式應用等領(lǐng)域。隨著(zhù)生活質(zhì)量的提高，人們對家庭智能化的需求越來(lái)越高。智能化正體現在人們生活的各個(gè)方面。其中家居的智能化正成為人們生活中追求的熱點(diǎn)，而這里提出的基于嵌入式Web服務(wù)器的智能家居系統正好滿(mǎn)足這一需求。 2 硬件設計 智能家居系統設計需求是PC機遵循802．3和HPPTD等網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)主控制器的Web服務(wù)器，登錄主控制器，通過(guò)電力線(xiàn)構成的家庭小型局域網(wǎng)絡(luò )或串口，發(fā)送指令給從控制器進(jìn)而控制家電，同時(shí)利用監控家電的傳感器將家電狀態(tài)返回至PC，如圖1所示。該系統設計要求主控制器功耗低，占用空間小，可進(jìn)行可視化操作。 DSP數學(xué)信號處理器具有強大數據處理能力和高運行速度，但在音頻、USB、SD卡等接口功能擴展較弱。而單片機系列的ARM920T具有5級指令流水線(xiàn)．處理速度為1．1 MHz，內置MMU(Memory Management Unit)、獨立的16 KB數據Cache、16KB指令Cache和高速AMBA(Advanced Microcon-troller BusArchitecture)總線(xiàn)接口等功能。DSP和一般8位單片機相比，它具有更全面的通用功能，具有60個(gè)中斷控制器，支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、LCD控制器接口、串口接口、網(wǎng)卡接口等功能，還具有16／32位RISC體系結構和ARM指令集。因此該系統采用ARM公司的ARM920T作為主控制器。 從控制器選用MSP430單片機，與89S51單片機相比，它具有RISC(精簡(jiǎn)指令集)，功耗低，支持16位內部總線(xiàn)，引入Flash型存儲器和JTAG技術(shù)，編程開(kāi)發(fā)非常方便。這里主要講述主控制系統。 2．2 網(wǎng)卡接口設計 該系統需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或電力線(xiàn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )通信，而Web服務(wù)器設計也必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò )收發(fā)數據，要求數據處理速度快。根據這些要求，該系統采用DAVICOM公司的DM9000AEP作為網(wǎng)卡的設計器件。該器件具有10 Mbit／s和100Mbit／s的自動(dòng)切換功能，支持802．3x全雙工控制流標準，具有16K字節的雙字SRAM，可以減輕CPU的負擔，因此使系統更穩定，處理和傳輸數據速度更快。 RJ-45采用HanRun公司的可對信號濾波的HR911105A接口，這樣可節約印刷板，并有效地減小電磁干擾。ARM920T與網(wǎng)卡DM9000AEP接口設計如圖2所示。圖中16根數據線(xiàn)相連；命令選擇引腳CMD，為高電平時(shí)，選擇數據端口，CMD為低電平時(shí)，選擇地址通道；IOR#為讀信號引腳；IOW#為寫(xiě)信號引腳；CS#片選信號與ARM920T的片選信號線(xiàn)nGCS3相連。 智能家居系統需要串口控制家電信息，并進(jìn)行相應通信，而且調試系統同樣需要串口。為滿(mǎn)足要求，該系統采用Sipex的窄體SP3232串行通信器件。該器件支持滿(mǎn)載120 Kb／s的最小傳輸速率，可在中斷或DMA兩種模式下工作，每個(gè)通道包含64K字節的發(fā)送FIFO和接收FIFO。該器件最大特點(diǎn)就是采用電荷泵技術(shù)：由4只外接電容組成，采用4相電壓轉換技術(shù)，保持輸出對稱(chēng)的5．5V電壓。即使輸入電壓VCC在3．0~5．5 V范圍內，電荷泵仍可提供5．5V穩定電壓，這樣可以保證系統穩定工作。有益于智能家居系統整體的良好運行。串口接口設計如圖3所示。圖3中TXD表示接收數據，RXD表示發(fā)送數據，RTS表示請求發(fā)送，CTS表示清除發(fā)送。當RTS請求發(fā)送數據時(shí)，需經(jīng)CTS信號檢測，只有CTS信號允許才能發(fā)送數據。 完整操作系統的啟動(dòng)離不開(kāi)引導程序。采用SAMSUNG公司64 MB的K9F1208作為NAND Flash，具有4KB的內部緩沖區可作為引導肩動(dòng)，系統啟動(dòng)后NAND Flash仍可作為外部存儲器繼續使用。WindowsCE5．O引導加載程序(BootLoader)由NANDFlash的地址0x00000000處開(kāi)始執行。完成硬件初始化，建立系統的內存空間映射圖，最終BootLoader把操作系統內核映像加載到RAM中；采用HY公司的兩片HY57V561620CTP作為SDRAM，通過(guò)nGCS6連接到ARM920T引腳，起始地址為0x30038000．同時(shí)SDRAM還支持自動(dòng)更新和掉電模式，保證系統穩定工作。 2．5 智能家居系統結構 主控制器還包括觸摸屏接口。觸摸屏采用帶有驅動(dòng)電路的日立7寸屏，用于用戶(hù)可視化操作。 傳感器信號線(xiàn)與ARM920T的中斷引腳EINT8相連。當傳感器信號到來(lái)時(shí)，通過(guò)中斷引腳向ARM920T申請中斷服務(wù)程序，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò )向用戶(hù)報警。系統框圖如圖4所示。 3．1 內核創(chuàng )建及裁剪 Windows CE是一個(gè)開(kāi)放的、可裁減的、32位的實(shí)時(shí)嵌入式窗口操作系統。因此要實(shí)現WebServer功能必須對內核裁剪。除了實(shí)現基本的WINCE5．0功能外，還需要在定制內核時(shí)在Platform內添加DM9000網(wǎng)卡驅動(dòng)，串口驅動(dòng)，USB驅動(dòng)，MFC，SDK(標準工具集)、HTFPD和SOAP協(xié)議等系統必備驅動(dòng)和協(xié)議。Windows CE上Web Server的通信協(xié)議是HTTP協(xié)議，HTTP的消息機制是基于請求一應答模式。 HTTP協(xié)議工作原理：數據包經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò )傳送到DM9000AEP的以太網(wǎng)控制器后，經(jīng)系統內部控制器的TCP／IP堆棧對數據包進(jìn)行解析，然后對其打包或解包，但這些數據包還必須經(jīng)Web服務(wù)器處理。 3．2 Web服務(wù)器設計 HTTPD服務(wù)器的工作流程如圖5所示。系統采用HTTPD多線(xiàn)程并發(fā)服務(wù)器結構的設計思想，其工作特點(diǎn)是為每個(gè)客戶(hù)機請求分配一個(gè)線(xiàn)程，即服務(wù)器在同時(shí)處理多人請求。由每個(gè)線(xiàn)程處理客戶(hù)機的請求。在請求處理完畢后，子線(xiàn)程退出。服務(wù)器接收子線(xiàn)程的退出信號為其他的客戶(hù)機請求分配資源。 然后判斷是否工作在standalone．服務(wù)器運行方式上，如果是則運行standalone_main()函數，如果不是則訪(fǎng)問(wèn)process request()函數。 如果服務(wù)器工作在standalone模式中，依據圖5的工作流程，首先客戶(hù)端與服務(wù)器建立鏈接，建立socket套接字。監聽(tīng)鏈接，設置uid和gid，如果服務(wù)器沒(méi)接收到請求信息，繼續監聽(tīng)；如果接收到請求信息，則創(chuàng )建子線(xiàn)程。子線(xiàn)程調用process_request()處理客戶(hù)端請求，服務(wù)器繼續監聽(tīng)鏈接，如果客戶(hù)端請求信息，再創(chuàng )建子線(xiàn)程，調用process_request()處理客戶(hù)端請求，如此多線(xiàn)程并發(fā)處理客戶(hù)端請求。 在process_request()函數中，首先初始化當前時(shí)間，然后讀取并處理HTTP請求消息的方法Method字段，讀取HTTP請求消息的URL字段。主要通過(guò)strcpy_nocrlf()，getparents()，translate_name()這3個(gè)函數對HTIP請求消息的URL字段進(jìn)行解析，依據宏LDGGING決定是否打開(kāi)日志。最后調用send_note()發(fā)送請求的文件給客戶(hù)端。 3．3 Web服務(wù)器通信方案設計 在WINCE系統上開(kāi)發(fā)Web服務(wù)器，并通過(guò)Web服務(wù)器與串口設備進(jìn)行通信的方案有ASP方案、CSP方案和Socket方案。綜合比較，通用WINCE5．0系統不支持ASP控件；Socket主要是C／S方式的，需要安裝客戶(hù)端；而CSP方案在不要求美觀(guān)的情況下，無(wú)需安裝客戶(hù)端就可訪(fǎng)問(wèn)系統。系統則采用該種方案。 CSP方案就是將C語(yǔ)言編寫(xiě)的網(wǎng)絡(luò )和串口通信程序嵌入到HTML當中，這也是嵌入式網(wǎng)絡(luò )開(kāi)發(fā)常用的方案。具體流程如下： (1)在定制內核的過(guò)程中需要將HTTPD服務(wù)器添加到Platform. builder中，遵守HTTP的請求-應答規則。 (2)編寫(xiě)CSP通信程序，通過(guò)PC機訪(fǎng)問(wèn)WindowsCE的Web服務(wù)器，打開(kāi)串口，執行串口控制或網(wǎng)絡(luò )通信。直接將C語(yǔ)言嵌入到HTML/XML等模板文件中。CSP文件中HTML界面如實(shí)驗結果所示。通信程序主要函數為建立鏈接函數SetupConnection()用于建立鏈接設置DCB初始參數；打開(kāi)串口函數open_serial()判斷是否打開(kāi)設備串口、設置超時(shí)數值、緩沖區大小、創(chuàng )建監視線(xiàn)程等；讀數據命令read_respond()用于異步讀取緩沖區數據并顯示；發(fā)送命令sendcommand()用于給設備指令�？刂浦噶頿owcontrol_command()用于控制電源開(kāi)關(guān)；微調函數adjcontrol_command()用于小幅調節設備功能，如光線(xiàn)明暗，溫度高低等；串口監控API函數WINAPICommWatchProc()用于串口緩沖區監控等。 (3)編寫(xiě)好CSP通信文件后，用eyBuild開(kāi)發(fā)包提供的CSP2BIN工具將CSP源文件生成C程序的源文件，再鏈接上eyBuild提供的CGI運行庫，在VC6．0中編譯就可生成在WindowsCE平臺運行的CGI程序。該系統生成的CGI為Intelligenthome．cgi。 (4)將在＼website＼cgi-bin生成的Intelligenthome．cgi文件拷貝到Windows CE系統的＼windows＼www＼文件夾下面，連接PC機便可從PC機訪(fǎng)問(wèn)Windows CE系統，進(jìn)而了解傳感器信號，控制家電。 該系統使用的數據庫為SQLite。SQLite數據庫存放家電的基本信息、參數值、狀態(tài)信息以及傳感器當前狀態(tài)等，這些信息不但反映各種參數的歷史狀態(tài)，而且也是管理、決策的重要信息來(lái)源。 4 實(shí)驗結果 經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的開(kāi)發(fā)與研究，該智能家居系統能夠完成簡(jiǎn)單的指令與數據通信，并可將可控家電的信息保存在SQLite數據庫中。 5 結束語(yǔ) 利用S3C2440定制Windows CE系統實(shí)現智能家居的簡(jiǎn)單控制，綜合運用了電子電路，Windows CE嵌入式系統，HTTP協(xié)議和CSP等技術(shù)。該系統可采用遵循802．11的遠程無(wú)線(xiàn)來(lái)控制家電系統。 |
