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嵌入式WEB的智能家居网络系统设计

2016-6-8 11:32:46 5798 源代码

本帖最后由 czliu3231 于 2016-6-12 13:45 编辑

第4章智能家居网络系统软件设计

4.1嵌入式系统
4.1.1 Open WRT系统介绍
      思科（Cisco/Linksys）在2003年发布了一款无线路由，型号为WRT54G。同年，有人发现它所使用的系统是基于Linux。然而Linux是属于GPL许可证发布的，按照该许可证思科应该将源代码公开。思科迫于无奈不得不公开了这款路由系统的源代码，于是就有了基于思科源码的第三方路由系统，Open WRT也就由此而来。
   Open WRT系统特点：
   1、可扩展性好，可定制很多功能，可以在线安装插件，目前有一千多个插件可以安装。也可以将Linux上的程序移植过来，资源丰富。
   2、文件系统可读写，是一款迷你型Linux系统，便于嵌入式开发实践和调试。
   如果对Linux系统有一定的了解，并且想学习嵌入式系统。可以不用专门买arm开发板来学习，直接找个路由，升级下它的闪存和内存就可以将Open WRT系统移植上去了。经常关注Open WRT论坛，你就会发现论坛里有很多教程，基本上都是介绍如何去移植系统，如何学习将Linux上的程序移植到Open WRT系统中去，这些教程都会对学习嵌入式系统带来帮助。
一般嵌入式 Linux 的开发过程，都必需经过以下的开发过程：
1、创建 Linux 交叉编译环境；
2、建立 Bootloader；
3、移植 Linux 内核；
4、建立 Rootfs (根文件系统)；
5、安装驱动程序和软件；
   当熟悉了嵌入式 Linux 的基本开发流程后，就可以根据自己的需求，来定制一款专用的嵌入式Linux系统，做出一款属于自己的嵌入式产品。
4.1.2Linux字符设备驱动介绍
   当我们在使用单片机开发时，基本上都是使用C语言作为开发语言，通常都是分析解决问题所需要的步骤，然后用函数的方法来实现，这就是面向过程编程[33]。但当我们接触过C++和JAVA之后，知道了把构成问题事务分解成各个对象，建立对象的目的不是为了完成一个步骤，而是为了描述某个时候在整个解决问题的步骤中的一个行为，贴近人的思考方式，这就是面向对象编程。
   所谓字符型设备驱动，就是调用一个文件结构体，实现结构体里的几个函数的具体操作，Linux把设备抽象为文件，用户调用这个抽象文件，对函数的进行操作就可以操作实际硬件设备，字符型设备驱动的关键部分就是，将文件结构里的函数根据你的需求去将它完善。
   用户空间通过系统调用来使用这个库，库直接的调用通过内核符号来完成解析。
   字符设备驱动框架，包括加载函数（用于初始化）、卸载函数、文件操作结构体函数。如图4.1所示：

图4.1 字符设备驱动框架

框架加载流程：
1、动态分配主设备号（标识驱动），从设备号（标识设备）；
2、字符设备（struct cdev）空间分配（cdev_alloc）；
3、字符设备cdev_init与fileoperations关联；
4、添加字符设备（cdev_add）；

4.2编译Open WRT固件
4.2.1搭建Linux编译环境
首先先在电脑上安装Ubuntu系统[36]，可以在虚拟机上安装，也可以直接安装。安装完成后打开附件.终端（快捷键Ctrl+Alt+T），在终端命令窗口中输入sudo apt-get update命令，先把系统更新一下。然后安装Open WRT所需要的环境软件，在终端命令窗口中输入sudo apt-get install gcc g++ binutils patch bzip2 flex bison make autoconf gettext texinfo unzip sharutils subversion libncurses5-dev ncurses-term zlib1g-dev安装完后再输入sudo apt-get update再次更新一下系统，这样Open WRT的编译环境就搭建完成。如图4.2所示：

图4.2 搭建编译环境

4.2.2Open WRT源码文件结构
Open WRT源码文件列表，有几个重要的目录如dl、bin、build_dir、staging_dir、target、package、scripts等。如图4.3所示：

图4.3 Open WRT源码文件列表

--dl目录是download的缩写，在还没编译的时候，Makefile[38]会根据配置文件的信息会自动从网络中下载数据包，通常是需要编译的源码，当下载很慢的时候，我们可以手动下载来加快速度。当下载完成后，就将源码包解压到build_dir目录下，然后开始编译。
--bin目录是用来存放编译好后的固件镜像文件，在bin目录里会对不同的型号进行分类存放。
--build_dir/host目录是建立工具链的临时目录
--target/linux/目录里面是各个平台的相关代码
--target/linux//config.3.18文件则是各个平台的内核配置文件
--package目录存放了我们在配置文件中所勾选的软件包，我们可以通过./scripts/feeds update(install) –a来对软件包进行更新(安装)。
--scripts目录是存放一些脚本文件来方便我们调用，如对软件包进行更新或安装等。

4.2.3配置Open WRT系统
在Open WRT文件夹里输入./scripts/feeds updte -a更新软件包，因为Open WRT系统的软件会定期更新，所以在配置Open WRT先要先更新一下软件包，以便获取最新的软件可供安装。如图4.4所示：

图4.4 更新软件包

在Open WRT文件夹里输入./scripts/feeds install -a安装软件包，将更新好的软件包进行安装，这样在配置Open WRT时就有新的选项可供选择。如图4.5所示：

图4.5 安装软件包

在Open WRT文件夹里输入make menuconfig[39]进入Open WRT配置界面。menuconfig是菜单类型的配置界面，xconfig是图形列表类型的配置界面，config是文本式的配置界面。如图4.6所示：

图4.6 进入Open WRT配置界面

Open WRT配置界面，界面里的第一项是选择主控厂商，第二项subtarget是选择产品架构，第三项是选择指定的型号。第四项是选择生成镜像类型，第五项是全局设置。在这里我们要生成Open WRT固件所要用到的交叉编译工具链，所以要把倒数第二项和第三项都选上（*）即可。如图4.7所示：

图4.7 Open WRT配置界面

在Linux 中，文件系统是必不可少的。在配置Open WRT系统时，由于有很多选项。在不了解这些选项的用途时，建议不要去修改它，以免导致固件编译失败。如图4.8所示：

图4.8 文件系统镜像

全局配置界面，界面里都是一些Open WRT系统编译配置选项，可以根据硬件具体配置选择合适的优化级别。如图4.9所示：

图4.9 全局设定

这里是一些系统的基本选项，可根据你的需求来选择、定制，这体现了Open WRT系统可裁剪性。根据你的硬件资源来选择合适的服务，精简Linux内核使其运行。如图4.10所示：

图4.10 基本系统选项

在Open WRT系统里搭建WEB服务器需要用到Lua服务和php服务[42]，因此在这里应该要将这两个选择上。如图4.11所示：

图4.11 语言环境

4.2.4编译Open WRT固件
当配置完毕后，保存退出，然后在终端里输入make -j 4 V=s。 -j 4的意思是4线程编译，这样编译的时候能够加快速度，通常全速编译需要1到2个小时， V=s 是在编译的时候显示详细的编译过程。如图4.12、4.13所示：

图4.12 编译

图4.13 编译过程

如果编译失败了，它会有提示，有时是在下载过程中，有的文件资源在国外，这可能会出现连接不上的情况，导致无法下载，提示失败。有时是在配置的过程中，未安装依赖文件，导致错误。下载过程如图4.14所示：

图4.14 编译过程中下载文件

4.3烧录Open WRT系统固件
4.3.1 Kermit串口软件
在Ubuntu系统下，需要安装一个Kermit软件来查看串口信息，通过串口连接，我们可以看到MT7620的一些启动信息，如图4.15所示：

图4.15 启动信息

U-Boot的版本是1.1.3，主频是580MHZ，内存是64MB，闪存型号是W25Q128BV，16MB。再往下有几项可选择的加载项，第一项是通过TFTP将系统固件加载到内存当中运行，内存的特性就是，速度快，掉电不保存。当主板掉电后，系统也将丢失，在做系统调试的时候可以选这一项。第二项是将系统固件通过TFTP加载到闪存当中去，推荐此项刷写固件。第三项是默认项，当我们没有做出选择的时候，系统默认就会选择这个选项，意思是系统从闪存当中启动。第四项是进入Boot命令窗口，查看一些系统调试信息。第五项和第六项分别是通过串口或者TFTP将U-BOOT[45]启动文件刷写到闪存中去，U-BOOT是一段系统启动引导程序，通过这段引导程序才能启动Linux系统。这里的U-BOOT相当于PC中的DOS系统，当电脑没有安装系统的时候，PC中一般会预留一个DOS系统，我们使用U盘或者光盘，在DOS系统下加载安装命令来进行系统安装，U-BOOT也是起到一种这样的作用。

4.3.2设置TFTP传输服务
TFTP是一种基于TCP/IP协议文件传输服务，具有速度快，配置简单等优点。具体配置如图4.16所示：

图4.16 TFTP配置

将TFTP客户端IP(MT7620A)设置为10.10.10.123,TFTP服务端IP(电脑PC)设置为10.10.10.3即可。
设置好TFTP客户端和服务端的IP地址后，直接将固件放到TFTP服务的文件夹里，只需要在终端里输入固件的名字。#号表示进度条，当出现done是表示刷入完成。如图4.17所示：

图4.17 固件刷入中

4.4启动Open WRT系统
当固件通过TFTP服务传输完成的时候，Bootload程序会先自动校验固件的完整性，然后将固件存放到闪存里，最后引导系统启动。如图4.18、4.19所示：

图4.18 Open WRT启动信息

图4.19 Open WRT界面

4.5编写字符驱动
4.5.1编写MakeFile文件
在Linux系统编程中，我们经常会使用到make这个命令来实现自动化编译，要实现自动化编译要先去编写一个Make file，Make file文件里的内容可以理解为英语中的语法规则。如图4.20所示：

图4.20 Make File文件

Make命令必须按照文件里的规则来执行指令，我们只需要弄明白Make file里的规则如何编写即可，这样就不再需要一步一步输入指令来生成编译文件了，Make file有点类似于脚本。
obj-m是写要生成的编译后文件（.o文件），CC指的是GCC编译工具路径，KERNLDIR指的内核存放路径。

4.5.2编写C文件
首先，第一步我们先分配一个文件结构体框架，然后是将结构体里的函数补充完整，第二步，注册设备，给设备起个名字并关联之前分配的结构体。如图4.21所示：

图4.21 编写C文件

第三步，创建类，在类下面创建设备节点。第四步，硬件相关操作，通过查询数据手册，将需要的寄存器地址依次定义好。第五步，填写模块卸载函数，注销设备号、设备类、设备节点等等操作。
当写好一个字符型驱动框架之后，包括模块初始化、注册、注销，然后将文件操作结构里的函数步骤完整，最后等待用户调用。如图4.22所示：

图4.22 完善结构体函数

在做产品开发的时候，常常接触到很多芯片，这就需要通过资料来了解这款芯片的工作性能、结构体系、底层寄存器等等，常用到的就是数据手册和用户手册。数据手册是介绍芯片的电气性能、工作原理、指标测试、封装参数等等，用户手册则是介绍这款芯片该如何去使用或者配置寄存器。如图4.23所示：

图4.23 MT7620A用户手册目录

从用户手册的目录就可以看出，各个寄存器[48]（系统控制寄存器、计数器寄存器、中断控制寄存器、串口寄存器、GPIO寄存器）都有自己的地址（基地址），这些寄存器只是一个笼统的概念，在这些寄存器下面还有很多具体的寄存器，它们也有自己的地址（偏移地址），偏移地址是在基地址上进行偏移得到的地址。
我们通过查看用户手册，知道寄存器的地址和配置方式就可以对相关的寄存器进行配置。在写驱动的时候，我们只要把这些地址和相关的寄存器都一一声明定义在C文件里，在模块初始化的时候直接调用并配置即可，这就是底层驱动开发的模式。

4.5.3Make生成KO文件
当我们编写完C文件的时候，只要把Make file文件配置好，直接输入make即可完成自动编译。当有语法错误的时候，它会自动报错，提示哪一行有错误，当编译成功后会自动生成KO文件。如图4.24所示：

图4.24 编译中

在这个文件夹里编写完一个Make file和一个C文件后，输入make编译指令，则会生成几个文件出来，KO文件就是模块驱动文件，只需将这个KO文件拷贝到嵌入式系统里加载即可。如图4.25所示：

图4.25 编译后的文件夹

第5章调试

5.1硬件调试
5.1.1 WEB网页调试
WEB网页采用HTML5语言编写，先编写出一个分栏式框架网页，然后再分别写对应模块的网页。如图5.1所示：

图5.1 WEB网页主框架

编写网页时，可以参考HTML5编写教程，了解需要用到的网页元素用法或者参考例子程序。灯模块网页，如图5.2所示：

图5.2 灯网页程序

当网页编写好时，将网页放到MT7620A的WWW文件夹下即可，在浏览器中输入192.168.1.1/main.html即可登录控制网页界面。如图5.3、5.4所示：

图5.3 电脑网页显示效果

图5.4 手机网页显示效果

当MT7620A的GPIO输出一个低电平时，相应继电器就会闭合导通。如图5.5所示：

图5.5 实物调试

5.2软件调试
5.2.1 Open WRT编译调试
在编译Open WRT系统的时候，第一准备编译环境，安装相应软件。第二获取Open WRT系统源代码，更新软件包。第三检查配置环境，解决文件读写权限问题。第四配置Open WRT系统，编译系统。

5.2.2设备驱动调试
（1）安装驱动
在Linux系统中传输文件，我们可以使用SCP命令来实现远程下载与上传。直接输入SCP /本地文件夹远程登录名@远程IP地址:/远程文件夹，按回车输入远程登录密码即可完成传输。如图5.6所示：

图5.6 传输文件

找到放置驱动文件的目录后，然后输入insmod test.ko即可完成驱动安装。如图5.7所示：

图5.7 安装驱动

当输入完insmod命令之后，可以通过串口看到内核上打印了一条“灯初始化安装中”信息。如图5.8所示：

图5.8 内核信息

这条信息是写在模块初始化函数里的，当在做开发调试的时候，可以将需要显示的信息打印到内核上显示，就能知道哪些函数已经被调用了，哪些函数实际上并没有运行。这样就能快速找出漏洞，方便调试。
当驱动安装成功后，在dev目录里可以看到Lamp_key这个文件，如图5.9所示：

图5.9 dev（设备）目录

这个目录存放的都是驱动文件，在Linux系统中，要访问外部设备就需要对该驱动文件进行读写操作，从而实现对外部设备的访问。
在dev目录下，可以通过ls –l命令来查看设备号。如图5.10所示：

图5.10 查看设备号

前面的数字253表示的是主设备号（不同型号），后面的数字11表示的是次设备号（同型号个数）。通过主次设备号，Linux系统就可以将许多设备进行统一分配、归类，方便查找。
（2）调用接口函数
在Linux系统中，文件的概念很重要。设备和文件相挂钩，对文件进行读写就相当于对设备进行操作。如图5.11所示：

图5.11 开灯操作

当参数传递到函数里后，可以看到内核上已经打印出“正在操作灯中”和“已开灯”信息。如图5.12所示：

图5.12 内核信息

前面一条信息，是写在文件结构体open函数里的，后面则是写在文件结构体write函数里。而接口函数是直接接在write函数里的，为什么open函数会被执行？原因很简单，因为这是面向对象语言，更贴近人的思考方式。就像在写字时，要先把笔盖打开，是一个道理。因此，一些初始化函数可以放在open函数里实现，模块初始化里则放一些公共的初始化函数即可。
（3）卸载驱动
当不需要这个驱动时，可以使用rmmod函数来卸载驱动。如图5.13所示：

图5.13 卸载驱动

Linux系统会去自动执行模块卸载函数里的命令，将设备号、设备节点释放出来。通过insmod命令则可以完成驱动的安装。
查询驱动是否被卸载成功，即可一通过内核信息查看，又可以到dev目录去看驱动文件是否已经被删除。内核信息，如图5.14所示：

图5.14 内核信息

结论

   无网络则无智能家居，智能家居并不是一个新兴名词，它之所以会成为近年来大家关注的焦点，是因为互联网的高速发展，物联网得以深入。
   智能家居网络系统，必须依靠物联网和操作系统相互协作才能快速发展。传统的有线网络缺点众多，成本代价高，无线网络可以很好的弥补这些缺点。
   本智能家居网络系统采用开源的Open WRT操作系统，既提供强大的网络服务，又给物联网带来强力支撑。通过Wi-Fi网络将物联网设备有序联接，使用Html网页作为跨平台控制界面。
   目前，大多数公司开发的智能设备都是直接采用单片机加无线模块的方案，手机APP作为控制平台。这种方案成本低廉，硬件简单，实现起来容易。但是如果采用手机APP作为智能家居网络系统的控制核心，会带来很多麻烦。比如说手机在同一时间只能连接一个Wi-Fi，要控制别的智能设备，必须切换Wi-Fi才能进行控制，这不利于构建一个系统。
   本系统直接将MT7620A作为控制平台，智能设备和用户一同连入MT7620A的Wi-Fi网络即可通过网页实现控制，无需切换。

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9条评论 发表评论只看该作者

qq独步飞舞 · 2016-6-12 13:12:43 沙发谢谢分享，学习了！

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搞物联网 · 2016-6-20 14:27:50 板凳谢谢分享正在学习中

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柠檬守护 · 2016-6-20 23:09:31 4^# 这么精彩的分享，我才看到，最近也是忙坏啦~

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kjwang_8 · 2016-6-23 10:31:00 5^# 感谢大神的分享，顶！d=====(￣▽￣*)b

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lf8013 · 2016-6-26 18:32:06 6^# 谢谢分享，好文章，一定要顶

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尚春超 · 2016-7-6 21:44:54 7^# 好东西，分享下！

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行者万福 · 2016-7-23 19:46:34 8^# 不错，步骤都很清晰，对我这样的还在嵌入式门口徘徊的小白很不错的尝试项目。收藏了

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