嵌入式Web服务器在智能家居系统中的应用

张彬彬

摘要：智能家居的控制系统是一种结合了计算机通信技术，自动控制技术对与生活相关的家居设备进行实时的监控的系统。该文提出了一种智能家居控制系统的设计方案，用户可以通过浏览器IP地址访问的形式访问基于STM32f4微控制器和μC/OS-II操作系统搭建的嵌入式Web服务器，获取家居设备的实时运行状态，并对智能家居设备实时控制。此方案可以实现对智能家居设备的远程监控，有效节省用户的时间成本。

关键词：智能家居μC/OS-II实时操作系

；STM32；Web服务器

1背景

近些年来，智能终端设备的发展越来越快，人们在享受智能家居带来的便捷的同时，远程控制家居设备的状态也成为人们提高生活效率的追求。由于人们对于手机，电脑等智能控制设备性能的高要求，在客户端安装应用的方式显然会增加客户端的负担。因此，在服务器端编写好控制程序，当用户需要的时候直接加载好运行程序，不需要的时候也不会影响用户的设备性能，是一种解决此问题的好方案。

在智能家居控制系统中搭建好嵌入式web服务器，只要能连入Internet网，用户就可以通过浏览器访问IP地址的形式对智能家居设备的运行状态进行实时的监控，不仅可以节省用户智能设备的负担，而且了解智能家居实时状态，可以远程控制智能家居设备的运行，节省生活时间成本，提高生活效率。

2系统总体结构设计

2.1嵌入式Web服务器简介

嵌入式Web服务器就是在嵌入式设备中实现的小型Web服务器，对硬件的要求相对较低，可以通过Inter-net网络为用户提供服务。

2.2总体框架设计

智能家居的控制系统是智能家居控制网络的核心，是于互联网通信的关键部位。该系统可以提供外部的物理接口与智能家居设备相连接，并提供智能家居设备与控制设备的网络通信。

系统的总体框图如图1所示，该系统由嵌入式Web服务器、智能家居设备、用户智能设备上的浏览器三个部分组成。用户通过浏览器IP地址访问的形式对嵌入式Web服务器进行访问，嵌入式Web服务器把采集到的设备状态返还给用户，用户可以根据实际需要进行实时操作。

3嵌入式Web服务器的设计

嵌入式Web服务器是智能家居系统的核心控制组件，是与外部网络通信的桥梁。本文提到的嵌入式Web是基于STM32和μC/OS-II操作系统开发的，该系统的整体结构图如图2所示：

3.1μC/OS-H操作系统的移植

嵌入式实时操作系统的移植是嵌入式Web服务器开发的第一步，移植一个操作系统能使嵌入式Web服務器的开发更简便，更有效的利用硬件的存储空间。μC/OS-II操作系统是一款开源的，小巧的，可移植的实时操作系统，可进行多任务。在进行μC/OS-II操作系统的移植时，需要对μC/OS-II操作系统进行适当的修改。μC/OS-II操作系统的移植结构如图3所示：

从图中可知μC/OS-II移植结构的可知各部分的关系，μC/OS-II系统移植到硬件上的文件包括os_cpu.h、os_cup_c.c和os_cpu_a.asm这几个文件。移植文件需要大改动的就是头文件的修改，还有向量表中的PendSV_Handler和SysTick_Handler的改动。

3.2 TCP/IP协议栈的移植

TCP/IP协议是电子设备与Internet网络连接以及进行数据传输的标准，本文采用的是LwIP协议栈。LwlP是一款开源的TCP/IP协议栈，它的运行条件非常低，只需要10kb左右的RAM和40k左右的ROM，在嵌入式设备中使用不会占用太多的资源。LwlP考虑到移植的问题，把需要配置的文件放在了1wipl.4.1＼arch文件目录下，在移植的时候需要对相关的设置进行修改。Lwip1.4.1＼src＼api文件中有操作系统调用应用层的API函数。Lwipl.4.1＼src＼core是1wip协议栈对于通信协议的实现。Lwip1.4.1ksrc＼include＼netif保存的是与底层硬件结合比较紧密的函数。这些文件都是c语言写的源文件，它们的头文件也存在与include文件中。在实际的应用过程中可根据实际的要求对这些文件进行修改。

3.3公共网关接口程序的开发

CGI（Common Gateway Interface）公共网关接口程序是运行在服务器上的外部程序与Web服务器之间的接口标准，是Web服务器与外部通信的关键。CGI可以处理网页表单的输入信息，服务器会产生相应的响应，使网页具有了交互功能。

CGI程序的运行过程：1）用户通过浏览器访问将页面的表单信息提交给Web服务器。2）服务器接收到表单数据后交给CGI程序。3）CGI程序对信息进行处理，把处理结果发送给服务器。4）服务器将结果返还给用户，用户通过浏览器查看结果。

4控制页面的设计

CGI程序与用户信息交换界面是嵌入在Web中的HTML文件，因此需要进行HTML文件的编程。考虑到页面内的信息将要对智能家居设备进行控制，HTML表单中提交的信息将以数值的形式将信息传送给智能控制设备，控制设备对智能家居设备进行相应的开关操作。

首先，在后台对表单提交的用户名进行校验，若通过信息验证，则返回html控制页面。用户提交表单信息后，获取表单中的name属性值，在后台进行验证。验证通过后，用户可以在控制界面对硬件进行控制，点击按钮，触发页面脚本文件，与后台进行交互。控制界面如图4所示。

用户和服务器交互有三种方式：1）地址栏URL地址的方式；2）超链接的方式；3）表单提交的方式。用户传输表单数据是form标签中submit按钮提交的，form上传数据的方式有两种，分别是form的get属性和post属性。Form的属性method可以选择提交的方式，action属性指向后台的地址。Get提交方式信息会直接出现在地址栏中，对提交信息一目了然，且地址栏存储有限，不适合提交大量数据。Post提交方式提交信息不回出现在地址栏中，可以提交大体积数据，因此更安全。考虑到用户提交的信息量不是太大，用户使用的设备也为个人私有设备，采用get提交方式就可以提交用户操作的数据。该登录控制系统是在局域网络下面进行的，若要在Internet网络下访问，还必须申请一个代理IP地址，国内的服务器代理阿里云与腾讯云都比较便宜，后续的外网访问也可以实现。

5结束语

在互联网高速发展的今天，大部分行业都在向互联网靠拢，都在发展互联网+产品。因此，在如今人们生活节奏如此快的情况下，智能家居的远程控制极大地减少了用户的时间成本。伴随着智能终端的快速发展，终端的出现形式也各不相同，有手机、电脑、平板、穿戴智能设备、VR设备等。无论智能终端的形式怎样变化，只要有浏览器的地方链接Internet网络就能访问智能家居，这种方式的改变将极大提高人们的生活舒适度。在后续的功能扩展中，也可以加入更多的智能家居设备。