摘 要： 為了統(tǒng)一管理智能家居的各種設(shè)備，實現(xiàn)用戶的便捷操作和控制，設(shè)計了嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)。從軟件角度，選擇Windows CE作為操作系統(tǒng)，Microsoft Visual Studio作為開發(fā)工具，以C#作為開發(fā)語言。討論了控制界面主窗體及子窗體的實現(xiàn)流程，通過Winsock套接字實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)接入Internet的功能。經(jīng)過測試表明，整個系統(tǒng)功能完整，人機(jī)交互界面友好，能通過Internet對智能家居系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　智能家居讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如，通過無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個設(shè)備形成聯(lián)動；另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動運行，從而給用戶帶來的高效、便利、舒適與安全。 智能家庭網(wǎng)關(guān)是一個獨立、智能、靈活多變、標(biāo)準(zhǔn)化的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)接口單元。它通過各種途徑（如Internet、WAP、電話、手機(jī)等）從多種多樣的外部網(wǎng)絡(luò)接收通信信號，然后通過家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)將信號傳送到特定的用戶設(shè)備上，并將相應(yīng)信號反饋給外部通信節(jié)點，實現(xiàn)整個遠(yuǎn)程交互過程。

　　智能家庭網(wǎng)關(guān)的實現(xiàn)，PC機(jī)完全可以滿足要求。

　　雖然處理能力較強，但以PC 機(jī)為載體存在著一些的缺點，如成本昂貴，體積較大，不易移動等，所以用其當(dāng)作硬件載體性價比太低。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式技術(shù)得到了空前的發(fā)展。本設(shè)計正是基于嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的。

　　1 操作系統(tǒng)與開發(fā)工具

　　1.1 Windows CE

　　本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)采用的是微軟公司的嵌入式Windows CE 5.0.

　　Windows CE 是一個典型的嵌入式操作系統(tǒng)，它是微軟專門為信息設(shè)備、移動應(yīng)用、消費類電子產(chǎn)品和嵌入式應(yīng)用等非PC 領(lǐng)域設(shè)計的操作系統(tǒng)產(chǎn)品。開發(fā)人員可以利用豐富靈活的控件庫在Windows CE環(huán)境下為嵌入式應(yīng)用建立各種專門的圖形用戶界面。

　　Windows CE 甚至還能支持諸如手寫體和聲音識別、動態(tài)影像、3D圖形等特殊應(yīng)用。

　　Windows CE被設(shè)計成為一種高度模塊化的操作系統(tǒng)，以適應(yīng)不同的類型智能設(shè)備對于操作系統(tǒng)映像大小的不同要求，系統(tǒng)設(shè)計者可以根據(jù)設(shè)備的性質(zhì)只選擇那些必要的模塊或模塊中的組件包含進(jìn)操作系統(tǒng)映像，其中內(nèi)核（Kernel）、圖形窗口事件子系統(tǒng)（GWES）、文件系統(tǒng)（Filesys）和通信（Communication）模塊是4個主要的模塊。

　　總之，Windows CE設(shè)計簡單靈活，是為適應(yīng)嵌入式而推出的新型操作系統(tǒng)，尤其友好的圖形界面正好迎合本設(shè)計的菜單界面開發(fā)，成為本設(shè)計所采用的嵌入式操作系統(tǒng)。

　　1.2 Microsoft Visual Studio

　　本系統(tǒng)開發(fā)工具是Microsoft Visual Studio,采用的語言是C# .Microsoft Visual Studio 為Windows CE提供了可視化的開發(fā)環(huán)境。

　　Microsoft Visual Studio是微軟公司推出的開發(fā)環(huán)境。是目前流行的Windows 平臺應(yīng)用程序開發(fā)環(huán)境NET Compact Framework 是微軟為移動智能設(shè)備開發(fā)的運行環(huán)境，同時提供調(diào)用本機(jī)API的能力。

　　.NET Compact Framework 為設(shè)備提供了強大的。NET Framework 編程平臺。它是。NET Framework完整版的一個子集。為了適應(yīng)它所在設(shè)備本身的限制，.NET Compact Framework 大約實現(xiàn)了完整版框架30%的類和方法。

　　2 需求分析

　　2.1 需求分析

　　家庭網(wǎng)關(guān)的實際功能規(guī)劃應(yīng)該根據(jù)用戶的實際需求展開，對于一般住戶，家中普遍具有水電表及各種電器等，因此這里主要針對這幾項，把系統(tǒng)在功能的實現(xiàn)分為以下幾大類：

　　（1） 設(shè)置：主要用于家庭網(wǎng)關(guān)本身的管理，以及增刪電器設(shè)備、修改遠(yuǎn)程服務(wù)器的IP和端口等；（2） 電器：包含幾種具有代表性的家庭常用電器，如熱水器、空調(diào)、冰箱等；（3） 抄表：管理各種抄表系統(tǒng)，如水表、電表、煤氣量表等。

　　2.2 界面需求分析

　　界面的設(shè)計要求滿足以下幾點：

　　（1） 界面美觀、簡潔、用戶界面友好，易于被用戶接受；（2） 對菜單采用分級方式管理，易于用戶使用；（3） 使用盡可能大的字體，不會出現(xiàn)誤單擊操作，良好的人機(jī)交流。

　　2.3 安全需求分析

　　系統(tǒng)在安全管理方面分以下幾點：

　　（1） 為了方便用戶，初次使用不需要密碼登錄；（2） 用戶可以根據(jù)需要是否設(shè)置密碼；（3） 根據(jù)需要可以對已經(jīng)設(shè)置的密碼進(jìn)行修改和刪除。

　　3 家庭網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

　　嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)的具體功能包括：

　　本地控制：用戶通過網(wǎng)關(guān)上的鍵盤和顯示屏，對家用設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場控制。

　　遠(yuǎn)程控制：遠(yuǎn)程用戶可以通過Internet對家庭設(shè)備進(jìn)行控制和查詢。

　　其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 家庭網(wǎng)關(guān)應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

　　家庭網(wǎng)關(guān)對內(nèi)連接了家庭網(wǎng)絡(luò)、信息家電、智能儀表、消防與安防設(shè)備等。針對不同模塊的特點，可以設(shè)計與家庭網(wǎng)關(guān)的不同接口。為了與現(xiàn)有設(shè)備的兼容及滿足各個組成部分的功能需求，與家庭網(wǎng)絡(luò)部分的連接采用RJ-45接口標(biāo)準(zhǔn)；信息家電的種類繁多，無法用統(tǒng)一的接口來互聯(lián)，可以選擇信息開關(guān)或繼電器等配合紅外遙控器使用；水表、電表、煤氣表等智能儀表設(shè)備一般是每月查看且需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，所以可以RS-485 或CAN 總線這些較為簡單的總線接口標(biāo)準(zhǔn)；對于消防和安防設(shè)備，長期處于布防、監(jiān)控狀態(tài)，且諸如視頻圖像對帶寬和速率要求比較嚴(yán)格，所以采用同軸電纜或光纖接入。

　　3.1 總體架構(gòu)

　　主程序的流程圖如圖2 所示。上電開機(jī)后程序進(jìn)入初始化（如判斷是否有預(yù)設(shè)密碼），在主窗體中有代表幾個不同類型的圖標(biāo)，點擊不同的圖標(biāo)按鈕可以進(jìn)入相應(yīng)的子菜單中，對子菜單進(jìn)行操作。

圖2 主程序的流程圖

　　3.2 主窗體

　　主窗體要求簡單、直觀。主窗口只顯示分成的幾個類型及所需的操作按鈕。為了更直觀的表示各個類型，分別使用相應(yīng)的圖標(biāo)來表示，以示區(qū)別，并在圖標(biāo)上方的中間顯示該類型的名稱，并且把選中狀態(tài)的類型顯示為浮動狀態(tài)。主窗口界面如圖3所示。

圖3 主窗體界面

　　3.3 子窗體

　　3.3.1 "設(shè)置"子窗體

　　"設(shè)置"子窗體的界面如圖4 所示。

圖4 "設(shè)置"子窗體界面。

　　（1） 修改密碼。

　　修改密碼時，首先比較用戶輸入的原密碼經(jīng)過加密后與從Config.xml文件讀出的相應(yīng)信息進(jìn)行比較，若不同則提示用戶重新輸入，若相同則再次比較用戶兩次輸入的新密碼，只有兩次輸入一致才把新密碼替換原始密碼，然后將新密碼加密后重新寫入Config.xml文件中，下次登錄時使用。修改密碼流程圖如圖5所示。

圖5 修改密碼流程圖。

　　（2） 添加/移除設(shè)備。

　　加載Config.xml數(shù)據(jù)并相應(yīng)填入Combox控件中，選擇Combox控件中的的設(shè)備名稱，然后點擊"添加"或"移除"按鈕對設(shè)備進(jìn)行增刪，并修改Config.xml中對應(yīng)的值。

　　（3） 設(shè)置服務(wù)器參數(shù)可以點擊"查看IP和端口"從Config.xml中獲取IP和端口；點擊"修改IP和端口"修改Comfig.xml中的對應(yīng)信息，并與服務(wù)器進(jìn)行重新連接。

　　3.3.2 "電器"子窗體

　　在"電器"子窗體中點擊對應(yīng)的電器設(shè)備彈出相應(yīng)的設(shè)備控制面板（如熱水器）對該設(shè)備進(jìn)行控制。熱水器面板中的初始化函數(shù)對設(shè)備的溫度和狀態(tài)進(jìn)行采集并把采集的數(shù)據(jù)顯示到相應(yīng)的控件上。熱水器控制面板界面如圖6所示。

圖6 熱水器控制面板界面。

　　點擊"確定"按鈕，根據(jù)左邊NumericUpDown控件的數(shù)值和CheckBox控件來控制熱水器的溫度和開關(guān)、點擊"查看水溫" 按鈕可以從右邊的TextBox控件和CheckBox控件中看到當(dāng)前熱水器的溫度和開關(guān)狀態(tài)、點擊"返回" 按鈕退出。熱水器控制程序流程圖如圖7所示。

圖7 熱水器控制程序流程圖。

　　3.3.3 "抄表"子窗體

　　可實現(xiàn)抄錄電表、水表和煤氣表的讀數(shù)。因為抄表系統(tǒng)只需實現(xiàn)讀操作，而沒有寫操作，所以TextBox是只讀屬性。界面如圖8所示。

圖8 "抄表"子窗體。

　　3.4 Internet遠(yuǎn)程控制

　　把家庭網(wǎng)關(guān)接入Internet并在"設(shè)置"子窗體的"Server"選項卡（見圖4）中輸入設(shè)置服務(wù)器的IP 地址和端口號，然后啟動網(wǎng)絡(luò)通信模塊，創(chuàng)建Winsock套接字，綁定IP地址和端口號，服務(wù)器了保存了該系統(tǒng)的套接字。以后遠(yuǎn)程用戶通過Internet從服務(wù)器獲得保存在服務(wù)器端該系統(tǒng)Winsock 套接字并與處于偵聽狀態(tài)的套接字連接，從而對該系統(tǒng)進(jìn)行控制。

　　遠(yuǎn)程控制主機(jī)通過瀏覽器在遠(yuǎn)端可以實時地控制家用設(shè)備，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的目標(biāo)。

　　家庭網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)模塊主要有兩大功能：一方面負(fù)責(zé)對遠(yuǎn)程用戶控制命令的接收和分析，再根據(jù)結(jié)果控制家居設(shè)備；另一方面通過Internet將用戶需要獲取的家居設(shè)備狀態(tài)送到遠(yuǎn)程瀏覽器。

　　下面以對熱水器的控制為例進(jìn)行說明。熱水器的遠(yuǎn)程控制界面如圖9所示。

圖9 熱水器的遠(yuǎn)程控制界面。

　　（1） 獲取熱水器的狀態(tài)。

　　獲取熱水器的狀態(tài)是由"獲取"按鈕來處理的，它獲取熱水器的在當(dāng)前的溫度和開關(guān)狀態(tài)，并顯示在文本框和復(fù)選框。

　　（2） 設(shè)置熱水器的狀態(tài)。

　　設(shè)置熱水器的狀態(tài)是由"設(shè)置"按鈕來處理的，它設(shè)置熱水器的開關(guān)和熱水器的要加熱到的溫度。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備的代碼如下：

　　3.5 文件的讀寫操作

　　在文件操作的過程中，因為這里并不是為了純文本的操作，而只是為了要提取或存儲配置的信息，所以需要地定位到對應(yīng)的信息在文件中的位置，為了實現(xiàn)這個要求，本設(shè)計對XML（可擴(kuò)展標(biāo)記語文）文件進(jìn)行了讀寫操作。XML具有易于編輯、便于管理、適于存檔、容易查詢等諸多優(yōu)點。

　　其中有一個只對文件進(jìn)行讀操作，采用的方法是對XML 文件進(jìn)行反序列化操作，把XML 文件加載到內(nèi)存中去。

　　4 結(jié)語

　　本文介紹了嵌入式智能家庭網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計過程，主體界面采用的是Microsoft Visual Studio 編寫，應(yīng)用于硬件上采用觸摸屏作為輸入輸出設(shè)備的系統(tǒng)。Internet遠(yuǎn)程控制功能給居家生活帶來更多安全、舒適和便利。為現(xiàn)代智能家庭常用的一些設(shè)備的統(tǒng)一管理提供一個可行的管理框架和實現(xiàn)方案。