基于Linux-Qt的智能家居系統(tǒng)設(shè)計

1、基于Linux/Qt的智能家居系統(tǒng)設(shè)計針對智能家居的特點及應(yīng)用背景，設(shè)計了一種家庭多功能控 制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用飛思卡爾公司arm Cortex A8系列的i.MX51處理器作為MCU,在其上移植嵌入式Linux作為軟件開發(fā)平臺，并利 用Qt相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計友好的用戶界面，實現(xiàn)了 arm板的各功 能模塊與服務(wù)器端的交互。系統(tǒng)同時具備數(shù)字可視對講、信息收 發(fā)、家電控制、安防報警、家庭娛樂等功能。1系統(tǒng)的架構(gòu)和功能家庭智能控制系統(tǒng)主要由室內(nèi)分機、單元門口機、小區(qū)圍墻 機、管理中心終端機、管理中心服務(wù)器以及附件組成。系統(tǒng)采用 分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)住戶數(shù)量對系統(tǒng)的容量進行擴充。(1)室內(nèi)機是用戶在

2、室內(nèi)進行操作的主要平臺，其功能組成為：可視對講、信息服務(wù)、家電控制、安防報警、家庭娛樂等?？梢?對講模塊主要實現(xiàn)雙向可視通話、視頻監(jiān)控、留言 /留影、開鎖等 功能;信息服務(wù)模塊主要用來收發(fā)物業(yè)信息和小區(qū)廣播，支持文本、圖片形式，并實現(xiàn)與可視對講模塊的影音共享；家電控制模塊包括對燈光、窗簾、空調(diào)、電梯等設(shè)施的無線控制，并預(yù)設(shè)了情境模式；安防報警模塊支持對煙感、門磁、煤氣泄漏檢測等的自動報警 ，并 可通過GPRS3G技術(shù)將報警信息傳送到用戶手機上；家庭娛樂模塊支持常見格式的音視頻文件的播放(主要依靠硬件解碼)以及對常 見格式的圖片的瀏覽(電子相框)。(2)單元門口機的主要功能是完成與所在單元樓的任

3、意住戶以 及管理中心機的可視通話，除了具備留言/留影功能外，還提供觸摸屏校準(zhǔn)、背光調(diào)節(jié)、密碼設(shè)置等功能。(3)圍墻機的基本功能和單元門口機類似，但可視對講、留言/留影功能是針對小區(qū)內(nèi)所有住戶的。(4)中心機是整個系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，管理人員通過管理中心的控制設(shè)備管理各子系統(tǒng)的終端，其功能包括：可視對講、視頻監(jiān)控、 查看報警信息、排除設(shè)備故障、信息服務(wù)、系統(tǒng)設(shè)置、遠程管理 等。2系統(tǒng)的實現(xiàn)方案2.1 Qt的信號/槽機制Qt是一個跨平臺的 C+啦用程序框架，完全面向?qū)ο?、易于擴 展且允許真正的組件編程。Qt的C+鎂庫封裝了適應(yīng)不同操作系統(tǒng)的訪問細節(jié)，這使得它能夠快速地部署于各種桌面與嵌入式系 統(tǒng)中1。

4、信號/槽機制是 Qt的核心特性，這種機制真正實現(xiàn)了消息的 封裝，完全可以取代原始的回調(diào)和消息機制。信號和槽的連接通過 connect。函數(shù)完成，connect()函數(shù)是 QObject類中的靜態(tài)函數(shù)，其函 數(shù)原型如下：Bool QObject:connect(const QObject* sender, const char*signal,const QObject* receiver,const char* member)其中,sender和 receiver是指向 QObject 的指針，signal和 slot 是不帶有參數(shù)的函數(shù)名。2.2 基于XML格式的Socket多線程通信Linu

5、x中的網(wǎng)絡(luò)編程主要通過 Socket接口實現(xiàn)，在Qt環(huán)境里, 對Socket進行了封裝，并建立了相應(yīng)的 QTcpSocket類來實現(xiàn)TCP 客戶端和服務(wù)器的通信。QTcpSocket繼承了 QIODevice,所以QTcpSocke何以使用 QDataStream進行數(shù)據(jù)的讀取和寫入。可擴展標(biāo)記語言 XML(eXtensible Markup Language是一種用 于數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲的多用途文本格式。對于XML格式的數(shù)據(jù),Qt中的QtXml模塊提供了 DOM和SAX兩種處理方式。本文采 用的DOM方式把XML文檔轉(zhuǎn)換成一個可以遍歷的樹形結(jié)構(gòu) ，這樣 便可以隨意訪問其中的節(jié)點，因此要明顯簡

6、潔得多。室內(nèi)機和中心機之間的通信采用多線程方式實現(xiàn)。多線程方式具有降低內(nèi)存、提高程序響應(yīng)速度等優(yōu)點，特別適用于嵌入系統(tǒng)。系統(tǒng)中建立了三個主線程：(1)GUI線程:用于執(zhí)行main()主函數(shù), 響應(yīng)用戶的界面操作；(2)tcpServer偵聽線程：用于對指定端口進行 監(jiān)聽；(3)tcpSocket傳輸線程：負責(zé)消息的接收和回復(fù)。下面以用戶 主動更新小區(qū)廣播為例詳細說明Socket通信的流程：(1)室內(nèi)機首先啟動一個線程，將用戶的更新請求結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)的XML格式(如果是新設(shè)備第一次開機，要先手動進行IP的設(shè)置),(2)調(diào)用 connectToHost()i數(shù)請求與中心機建立連接，處于監(jiān)聽狀態(tài)的中

7、心機接到請求后，就會分配一個 Socket套接字來處理連接：首先根據(jù)解析由來的XML的Type節(jié)點判斷請求類型，如果是純文本則從數(shù) 據(jù)庫的Text表讀取，如果是圖片則從硬盤讀取，然后調(diào)用 QIODevice:write()函數(shù)發(fā)送；(3)室內(nèi)機接到應(yīng)答信號readyRead()后就開始進行信息的收取，根據(jù)消息的Type節(jié)點類型分別寫入數(shù) 據(jù)庫和硬盤。Socket多線程通信流程如圖 1所示。2.3 并行數(shù)據(jù)庫設(shè)計為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的并行操作，使GUI界面與數(shù)據(jù)庫相分離，從而讓界面能更快地響應(yīng)用戶的一般操作，同樣要用到 Qt的多線程編程。在系統(tǒng)啟動時，首先要建立一個全局對象m_query,以便于各個實

8、體類與數(shù)據(jù)庫類進行連接。這樣，每當(dāng)有數(shù)據(jù)庫操作請求時便會實例化一個m_query來創(chuàng)建一個線程用于處理該請求。m_query 對象中包含兩個類：(1)QueryThread,用于為每個數(shù)據(jù)操作創(chuàng)建一個 線程；(2)Worker,用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作，如加載數(shù)據(jù)庫驅(qū)動、進行數(shù)據(jù)查詢/插入/刪除等。圖2為數(shù)據(jù)庫的查詢操作流程。首先在實體類里創(chuàng)建兩個 connect連接，分別用于發(fā)送和接收查詢結(jié)果，并生成SQL語句向 QueryThread提交查詢請求信號。QueryThread收到請求后為其創(chuàng)建一個線程，并交由Worker類進行具體數(shù)據(jù)庫查詢操作。Worker類得由查詢結(jié)果后，先傳遞給Quer

9、yThread,再由其將查詢結(jié)果返回 到實體類。關(guān)鍵代碼如下：connect( this,SIGNAL(seek(const QString& ) ),m_query,SIGNAL(seek_execute(const QString&);connect( m_query,SIGNAL(seek(const QList& ) ),this,SLOT( slotResult( const QList&);void text: database。QString sql = select * from Text order by date desc ;emit see

10、k_execute (sql);2.4 音視頻同步傳輸技術(shù)i.MX51處理器包含了支持硬件視頻編解碼的VPU單元，并自帶了完整的多媒體解決方案。因此，系統(tǒng)中采用其自帶的多媒體軟件包進行音視頻流的采集和編解碼2?？紤]到小區(qū)內(nèi)可視通話時因并發(fā)數(shù)過大而可能導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)擁 塞情況，系統(tǒng)還需要提供一定的QoS機制來保證在網(wǎng)絡(luò)帶寬較低時也能達到音視頻的同步傳輸。本文采用基于時間戳的實時同步傳 輸技術(shù),通過設(shè)置可變大小的緩沖區(qū)機制,根據(jù)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)情況自動調(diào)節(jié)傳輸參數(shù),以音頻質(zhì)量優(yōu)先保證為原則，根據(jù)時間戳實時調(diào)節(jié) 視頻數(shù)據(jù)的播放。具體實現(xiàn)過程如下3：(1)發(fā)送端采用兩個獨立的進程分別對音視頻信息進行采樣和 打包，

11、然后放到各自的緩沖隊列中等待發(fā)送。(2)音視頻數(shù)據(jù)通過同一個通道發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)(采用信號量機制保證音視頻數(shù)據(jù)對通道的互斥訪問)。(3)由于音視頻兩個數(shù)據(jù)包的長度差別很大，所以將接收端收到的數(shù)據(jù)根據(jù)包的大小進行區(qū)分。(4)音視頻各自拆包組幀。由于人的聽覺對聲音的不連續(xù)比視 覺對圖像的不連續(xù)更敏感，所以采用音頻流作為主流，視頻流作為從流。客戶端接收到音頻數(shù)據(jù)包后，不必與視頻數(shù)據(jù)包協(xié)調(diào)就可立 即播放，而視頻幀到達時則根據(jù)時間戳進行對比，從而進行相應(yīng)的同步處理。(5)為保證音視頻的實時同步，采用多線程分別對音頻和視頻進行播放。3 i.MX51平臺移植3.1 搭建LTIB開發(fā)環(huán)境LTIB(Linux Tar

12、get Image BuildeT)飛思卡爾公司開發(fā)的一個用 于部署B(yǎng)SP的工具，含有U-Boot等引導(dǎo)加載程序，支持Bootloader 和內(nèi)核映像的構(gòu)建。利用該工具，可以定制由符合GNU/Linux標(biāo)準(zhǔn) 的跨平臺的根文件系統(tǒng)。本設(shè)計選擇使用飛思卡爾公司提供的L2.6.31_10.07.11_ER_source.tar.gz集成源碼包，在一臺安裝了 Ubuntu 10.04操作系統(tǒng)的PC機上配置安裝LTIB41其過程如下：(1)解壓縮源碼包，執(zhí)行./install進入安裝LTIB的命令提示。(2)執(zhí)行./ltib進入LTIB的配置界面。在LTIB配置Platform時選擇i.MX51平臺。(

13、4)配置 Kernel時選擇 CLAA WVGA Panel(LCD觸摸屏驅(qū)動)和SoC Audio support for IMX - SGTL5000(卡馬區(qū)動)，其他保持默認。(5)將交叉編譯工具 arm-none-linux-gnueabi-gcc力口入 PATH環(huán)境變量，在ltib根目錄執(zhí)行下述命令，交叉編譯Qt庫：./ltib -m prep -p qt-embedded.spec./ltib -m scbuild -p qt-embedded.spec(6)執(zhí)行make install,在ltib下的rootfs目錄就會生成相應(yīng)的 U-Boot、內(nèi)核和文件系統(tǒng)，將將其復(fù)制到目標(biāo)板

14、的TF卡上。3.2 架設(shè)NFS文件系統(tǒng)為了簡化調(diào)試過程和縮短開發(fā)周期,在Linux主機上建立了NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，這樣就實現(xiàn)了宿主機與目標(biāo)板的文件共享。開 發(fā)過程簡化為：Linux主機編譯生成目標(biāo)平臺的可執(zhí)行文件-復(fù)制 文件到NFS共享目錄-目標(biāo)板運行程序，從而省去了重復(fù)制作鏡像、下載鏡像、重啟開發(fā)板等步驟，節(jié)省了大量的開發(fā)時間。目標(biāo)板的NFS啟動信息如圖3所示。4系統(tǒng)測試及結(jié)果4.1 并發(fā)測試并發(fā)測試主要用來測試多個用戶同時訪問同一個應(yīng)用程序、 同一個數(shù)據(jù)記錄時是否存在死鎖或其他問題。由于本系統(tǒng)是面向 一個小區(qū)的住戶，因此系統(tǒng)的并發(fā)測試尤為重要。數(shù)據(jù)庫并發(fā)測試：室內(nèi)機開啟多個線程同時訪問中心

15、機服務(wù)器，界面并不會因大量的數(shù)據(jù)操作而由現(xiàn)“凍結(jié)”現(xiàn)象 ，CPU占用穩(wěn)定，數(shù)據(jù)庫返回結(jié)果顯示正常。信息發(fā)布測試：中心機開啟多個線程同時發(fā)送廣播信息，各室內(nèi)機接收正常，不會由現(xiàn)顯示錯誤或“丟包”現(xiàn)象。4.2 跨網(wǎng)段測試考慮到小區(qū)用戶一般在幾百甚至上千，一個網(wǎng)段的IP地址不能滿足需求。為了檢測在不同網(wǎng)段下通信模塊能否正常工作，使用一臺華為S5300交換機（switch）和兩臺華為5200交換機搭建了一 個小型的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進行相關(guān)測試。如圖4所示，測試采用IPv4靜態(tài)路由，使不同網(wǎng)段的任意兩臺室內(nèi)機之間能夠互通。測試表明，分屬不同網(wǎng)段的室內(nèi)機之間，可視通話、信息互發(fā)等模塊均正常工作 從而驗證了本設(shè)計方案的可行性。4.3 可視對講性能測試可視對講性能測試主要是檢測室內(nèi)機終端中音視頻的采集、 編解碼、收發(fā)和顯示。對于音視頻的采集、收發(fā)和顯示，可通過揚聲器和LCD顯示直觀地檢測。而對編解碼的測試則比較復(fù)雜，本設(shè)計是從