??1 引言 ??隨著家庭網絡研究的興起，如何設計一種集家電管理、協議轉換和家庭網絡監控為一體的家庭網關，實現家用電器的網絡化、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，以嵌入式數據庫為后臺，用軟件編程的方法實現用戶、Web服務器以及網關應用程序之間的動態交互，提出了-一種新的基于SIP協議和嵌入式數據庫實現家居遠程監測和控制的解決方案。 ??2 總體方案 ??本系統包括信息家電、智能家庭網關和遠程監控端三個主要模塊。信息家電被作為SIP的智能終端接入家庭網關，以SIP消息形式向后者發送網絡標識申請幀和設備描述文件，完成注冊;家庭網關基于SIP網絡服務器和Web服務器，一方面實現對信息家電的認證和管理，另一方面為遠程監控端提供服務;用戶可通過PC瀏覽器和基于SIP用戶代理的監控軟件兩種方式實現對信息家電的遠程監控。其整體結構如圖1所示。 ??在家庭網關硬件平臺的設計過程中，本文采用模塊化的方法，以中央處理單元為中心，設計其他相關功能模塊。軟件設計方面，基于ARM7TDMI核的微處理器移植了嵌入式操作系統uCLinux，為實現SIP協議棧提供底層軟件支持。基于SIP協議棧完成SIP網絡服務器，實現了信息家電的注冊、認證和管理。并通過移植Boa Web服務器和SQLite數據庫到uCLinux系統中，以CGI原理為基礎實現動態Web技術。 ??圖1 嵌入式智能家居監控系統整體結構圖 圖 2 家庭網關硬件平臺結構設計 ??3 嵌入式數據庫在監控系統中的應用 ??在嵌入式遠程監控系統中，需對大量的實時數據進行采集和處理，多樣化的數據存儲和管理需要一個后臺數據庫來支撐。由于嵌入式系統軟硬件資源都有限，傳統的企業數據庫如Oracle、Sybase等明顯臃腫，很難發揮作用，因此，本文選用了小型的開源嵌入式數據庫SQLite，并針對家庭網關ARM-uCLinux平臺對其進行移植、裁減和應用。 ??3.1 SQLite在ARM-uCLinux上的實現 ??SQLite是用C語言編寫的開源嵌入式數據庫引擎，占用資源非常低，在嵌入式設備中，只需要幾百K的內存就夠了[1]。它能夠支持Windows/Linux等主流操作系統，其處理速度甚至令開源世界著名的數據庫管理系統Mysql、PostgreSQL望塵莫及[2]。SQLite 對SQL92 標準的支持包括索引、限制、觸發和查看，支持原子的、一致的、獨立和持久的(ACID)事務。 ??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。 ??(5) 下載romfs到ARM-uCLinux的可讀寫目錄，運行sqlite即可。 ??3.2 SQLite的C程序設計 ??嵌入式數據庫SQLite與操作系統和具體應用集成在一起，無須獨立運行的數據庫引擎，它由程序直接調用相應的API函數去實現對數據的存取操作。其中有三個核心API函數。sqlite_open()和sqlite_close()分別打開和關閉嵌入式數據庫文件即建立和釋放SQLite引擎，而sqlite_exec()可以執行SQL語句并獲得結果，通過自行編寫回調函數可進一步對執行結果進行處理。 ??本系統通過現場總線由實時數據采集、處理模塊按照用戶設定的控制參數(如A/D采樣頻率等)，對信息家電信號進行采集和數字濾波，然后調要API函數將數據存入SQLite數據庫。SQLite對設備信息進行管理，并且支持查詢、修改等功能。 ??4 SIP協議在家庭網關中的應用分析 ??SIP(Session Initiation Protocol)是由IETF(Internet 工程任務組)于1999年提出的基于IP網絡實現實時通信應用的一種信令協議[3]。它結構簡單、易于擴展，提供良好的QoS支持。雖然主要為IP網絡設計，但它也可以在ATM、幀中繼等承載網中工作，是下一代網絡VoIP的重要解決方案。 ??4.1 家庭網關中SIP各組件的功能設計 ??SIP協議包含兩類組件：用戶代理(User Agent)和網絡服務器(Network Server)。用戶代理完成呼叫的發起和接收;網絡服務器主要為用戶代理提供注冊、認證和路由等服務，它又分為代理服務器、重定位服務器和注冊服務器。 ??本系統中各網絡服務器的功能設計如下： ??(1)注冊服務器接受用戶代理(信息家電)的注冊(REGISTER)請求，在SQLite中動態建立家電的邏輯地址和其當前聯系地址之間的對應關系。從而不論在何處，都可以通過唯一的邏輯地址進行通訊，實現對家電移動性的支持。返回狀態碼為200的成功響應，完成信息家電的注冊。 ??(2)重定位服務器提供地址解析服務，功能類似于DNS，用于在需要時(如信息家電位置改變、實現負荷分擔等)構造一個重定向響應消息，將新的目標地址返回給監控程序。 ??(3)代理服務器類似于HTTP的Proxy和SMTP的MTA(Message Transfer Agent)，負責接收用戶代理(監控軟件)發來的請求，根據網絡策略將請求發給相應的信息家電，并根據收到的應答對監控端做出響應。 ??4.2 SIP協議棧的實現 ??SIP協議棧oSIP是第一個自由軟件項目，使用標準c編寫，結構簡單而小巧，速度特別快，支持線程安全，可以開發注冊服務器、代理服務器和用戶代理等[4]。oSIP開發庫主要是在uCLinux上實現SIP協議的語法解析和狀態機分析，為實現SIP服務器提供開發接口。 ??本文設計的SIP協議棧在oSIP開發庫的基礎上進行了修改和二次開發，主要包括兩個方面的內容：狀態機模塊和語法解析器模塊。前者完成對某個事務(注冊過程，呼叫過程等)的狀態記錄，并在特定狀態下觸發相應的事件。后者主要完成對SIP消息結構和URL結構的剖析。下面是家庭網關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) 部分函數聲明 ??void osip_setcb_rcvinvite(); /* 信息家電向SIP服務器發送請求 */ ??void osip_setcb_rcvregister(); /* SIP服務器完成信息家電的注冊 */ ??void osip_setcb_rcvack(); /* SIP服務器向信息家點發送應答 */ ??5 基于SQLite和SIP的家庭網關的設計 ??作為智能家居的核心設施，家庭網關的設計顯得尤為重要。它為信息家電提供一個統一的平臺，通過該平臺能實現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 硬件平臺的設計與操作系統的選取 ??32位ARM嵌入式微處理器具有高性能、低功耗的特性，已被廣泛應用于消費電子產品、無線通信和網絡通信等領域，極其適合于對成本和功耗要求較苛刻的應用場合[5]。 ??因此，本文選取了一款三星公司生產的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C44B0X。并以此為中心，設計了其它功能模塊：FLASH接口模塊、SDRAM接口模塊、網絡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的大部分優點：例如穩定性、各種網絡協議棧的支持以及不同類型的文件系統支持等等;另一方面，它廣泛地應用于嵌入式領域，內核精簡(一般小于512k)，并支持很多常用的嵌入式微控制器系列。正是出于對多任務控制、網絡功能和可移植性等方面的考慮，本設計選用嵌入式操作系統uClinux，并完成在ARM微處理器上的移植。 ??5.2 Web服務器和嵌入式數據庫的應用 ??Boa是一個單任務的http服務器，源代碼開放、性能高，支持認證，支持CGI。目前，uCLinux中已包含了boa的源代碼，因此在uCLinux中實現Boa非常簡單，只需要在boa.conf 和mime.types 文件中修改網頁存放的路徑以及CGI程序存放的目錄。 ??SQLite中存放每個家電的基本信息、參數值以及狀態信息等，這些信息不但反映了各種參數的歷史狀態，而且也是管理、決策的重要信息來源，在需要的時候通過對嵌入式數據庫的訪問實現對信息家電的信息檢索和遠程監控。數據管理是遠程監控系統非常重要的部分。 ??本系統中SIP網絡服務器在SQLite中動態建立家電的邏輯地址和其當前聯系地址之間的對應關系，完成信息家電的注冊。用戶可通過瀏覽器訪問家庭網關中的Web Server，并把參數提交給Web Server接收，Web Server再把此參數傳遞給CGI程序解析，CGI調入SQLite中家庭網關各種狀態參數，將結果轉化為web瀏覽器能識別的格式，作為Http應答消息回送到客戶端，從而實現對信息家電的設置和信息交互。 ??6 總結 ??信息家電和家庭網絡的迅猛發展、家庭網關技術的進步，必將為我們目前的家居生活帶來新的驚喜。 ??ARM、uCLinux、SQLite的結合，體現了嵌入式的特點，提高了家庭網關的性能;標準SIP協議的使用，既解決了當前家電設備所存在的管理、命名和移動等一系列問題，也使遠程控制程序設計者不必關心家庭網關的實現細節，只需要按照SIP協議的規范和智能家庭網絡中的信息家電進行交互，這樣就增加了家庭網關的通用性，簡化和拓展了智能家庭網絡的應用。希望能給遠程監控系統的研究提供一些參考。 本文轉載自 (mbbeetchina)