基于OpenWrt的嵌入式Linux高效家庭照明控制系统的实现

摘要：近几年来，由于全球正面临着日益严重的能源紧缺问题，因此温室效应的重要性越发突出。与此同时，家庭自动化系统得到普遍的运用，基于云技术的家庭自动化技术正朝着智能家庭的方向发展。这篇论文介绍了一种基于具有远程操控功能的小型嵌入式系统的高效家庭节能系统。为达到这一目的该系统是由一个基于无线路由器关于嵌入式Linux开发平台的一个低成本能量控制服务器和用于远程光的智能手机控制程序。原型系统的实施是将OpenWrt移植到与接口板和LED相连的无线路由器远程访问和GUI功能的实现可由TCP/IP使用苹果iPhone编程。远程访问和GUI实现的远程控制系统的功能是通过智能手机和无线路由器之间的Socket通信以及USB与无线路由器和接口板之间的通信来验证。实现结果表明，基于无线路由器可以通过照明控制实现有效的节能与安全保障。

关键词 Openwrt·无线路由器·节能·智能手机

1. 介绍

近年来，随着世界能源需求的日益增长，温室效应重要性日益增加。在这种情况下，家庭自动化系统一直在稳步普及，此外，越来越向智能电网[ 2 ]领域内的智能家居[ 1 ]技术方向发展。在一般情况下，家庭自动化系统具有易于访问和方便控制家里的的各种家电和设备，包括近距离和远程通过有线和无线网监测家里发生的所有事情的功能。近年来，住宅能源管理已成为一个活跃的研究课题，一些研究如下[2–4]。

在商业建筑中，照明占能源总成本的40%。降低能源消耗已成为一个主要目标。有一个众所周知的解决方案，就是以更高效节能的照明光源如LED取代现有的灯是一种消除这个巨大的能源消耗的方式。一种更高效的节能方式来自于当无需照明时关闭电灯，优化光的水平，以满足工人的需求，减少照明能源的整体需求。提高全系统对照明的控制是确保照明能量尽可能自动减少的最佳方法。基于各种技术的照明控制解决方案已被证明其在商业和工业楼宇中减少的照明能耗高达70%。这些解决方案在过去受到成本、复杂性和适用性的限制，但新的无线技术正在提供方法来扩大照明控制的能力，并提供给更广泛的客户[ 5，6 ]。特别是，最近面向消费者的无线网络技术和移动设备如智能手机和平板电脑的迅猛发展，让用户有更加高效和智能化的智能家，这种智能家可以实现对电器和灯光的全面控制和管理。

如今，无线网络无处不在，甚至802.11无线网络普遍存在于家庭中，它能有效的避免布线成本和为所有房间提供连接。因此，我们可以很容易地找到低成本的无线路由器，他们可以利用低成本的嵌入式Linux平台上使用OpenWrt针对Linksys的wrtg54最初目标，但现在的目标是很多嵌入式无线设备包括华硕、友讯、网件、Soekris、优派、Linksys设备，[ 7 ]。主要地，OpenWrt是在嵌入式设备上用于路由网络流量的操作系统。主要组件是Linux内核，uClibc和busybox。所有部件已经针对大小进行优化，要足够小，以适应家庭路由器有限的存储和内存[ 8 ]。

当今的典型家庭自动化系统包括Wi-Fi路由器或互联网连接，智能家庭网关和多个节点（称为终端设备）。这些系统通常可以安装在标准家庭中，使家庭智能化。在本文中，小型住宅无线路由器被用作包含电源管理功能的智能网关，实施结果表明它大大降低了家庭的功耗的可行性。为此，我们利用基于OpenWrt的无线路由器作为具有远程控制功能的家庭节能器。多年来，随着电气和电子设备的数量在家庭和建筑物中急剧增加，由于低效的光控制和照明分布，导致了难以管理的能量浪费。另外，依靠用户直接控制光开关以节省能量是不实际的。为此，本文介绍了一种基于OpenWrt的远程LED控制系统。通过将无线路由器移植到OpenWrt并通过将接口板连接到LED来实现原型系统。此外，系统通过插座通信与智能手机通信以控制LED。

2.背景

2.1家庭自动化系统

家庭自动化系统的研究已经进行了很长时间。然而，在某种意义上，由于存在若干障碍这些技术并没有被广泛采用，例如高拥有成本，不灵活，可管理性差和安全性难以实现[ 10 ]。即使在这种情况下，该领域的研究已经将该技术的增强能力扩展到诸如远程监控和控制，电源管理，跟踪和安全系统以及灾害预警系统等领域。对于示例系统，已经构建了Orange [11]，Aware Home [12]，House_n [13]，eHome [14]和Webbased [15]，其中大多数已经实现了商业可用的技术：Z- 16]，ZigBee [17]和X10 [18]。现如今，特别是电源管理一直被作为热门对象，因为它象征着更绿色的未来，并作为成本削减措施为用户增加了优势[19,20]。其他有趣的研究拓宽了家庭自动化领域，包括老年人，机器人等问题[21-25]。智能家庭中的家庭自动化系统的核心功能必须允许用户在本地或通过互联网远程访问和控制家中的所有设备。为此，家庭中的所有设备必须具有公共接口并且远程地将其链接到系统和服务。图1示出了由光，媒体，HVAC，安全和室外控制组成的家庭自动化系统的一般框图。这里，家庭网关将家庭周围的所有设备联网为系统的控制塔。

硬件设备的基本功能可以总结如下[20]。

图1 家庭自动化系统的通用架构

2.1.1家庭网关

家庭自动化系统中的网关的目的是实现所使用的不同技术之间的桥接。它还用作在Wi-Fi路由器的帮助下将家庭系统连接到外部服务的装置，反之亦然。家庭网关和家用电器之间的连接可以通过诸如蓝牙，WIFI或有线网络，家庭PNA和IEEE I394的无线网络。

2.1.2传感器

传感器可用于从家庭内或外部中继某些方面的信息，以使系统能够适应所发生的变化。传感器与家庭网关直接通信并且馈送关于特定房间内的光强度，家庭内部和外部的温度以及运动感测的系统信息。此外，它应能够在短时间内在房间中没有检测到运动时自动关闭设备。无论何时何地用户需要它，照明系统只允许发出足够的光。这是借助于传递关于房子内部和/或外部的光的强度的信息的传感器来完成的。

2.1.3标准电器设备

家庭中散布有许多设备。根据家庭中的居住者的大小和数量，在家庭中发现的设备的数量可以变化。还应注意，由于人为疏忽，在具有较高数量的住户的家中，电力倾向于更多的浪费。它们可能需要不同的功率量来运行，并且有必要为每个设备找到具体的控制策略。

2.2 OpenWrt

OpenWrt是一个基于Linux的嵌入式平台，最初针对Linksys WRTG54 [20]，来自Linksys的Wi-Fi功能的住宅网关，但现在针对许多嵌入式无线设备，包括华硕，D-Link，NetGear，Soekris等等。基本上，使用Infeon ADM5120，TI AR7，Intel IXP4xx系列或Broadcom BCN63xx系列的任何具有足够闪存和RAM的设备通常都可以运行OpenWrt。在一些情况下，功能可能受到限制，这取决于设备[7]中的设备。

因此，OpenWrt是用于嵌入式设备的高度可扩展的GNU / Linux发行版。 它是从基础构建的，是一个功能齐全，易于修改的操作系统的小型网络设备[8]。OpenWrt提供类似于现代基于包的Linux发行版的功能：具有CGI支持的内置Web服务器，SSH服务器，最重要的是包管理工具ipkg。 使用ipkg，可以在运行时添加和删除新的应用程序，工具和内核驱动程序，而无需重新启动。OpenWrt通过使用路由器提供的标准固件升级机制加载到预期路由器。然而，在它不提供完整的桌面体验的意义上，它仍然提供了从现代Linux发行版预期的许多功能[7]。

因为这个OpenWrt使用busybox作为shell环境，所以嵌入式设备上的空间是一个非常真实的约束。BusyBox嵌入了许多常用的命令行工具，因此分发不需要提供单独的可执行文件。这减少了所需的空间需求，允许OpenWrt在有限空间的设备上提供接近完整的Linux体验。安装OpenWrt后，路由器可以配置为无线接入点，无线客户端或自组织网络的成员。后一个选项允许创建网状网络，不需要网络基础设施。这对于试验紧急或植绒行为是有用的。OpenWrt有不同的方法来构建固件，从头开始下载，修补和编译一切，包括交叉编译器。

OpenWrt不包含任何可执行文件，而且只有很少的来源; 它是一个自动化系统，用于下载源，修补它们与给定平台一起工作，并为该平台正确地编译它们。这意味着只是通过更改模板，您可以更改过程中的任何步骤[7]。

假设它可以适应目标路由器的较小内存占用，那么几乎任何标准的非GUI Linux / Unix程序都可以重新编译以在OpenWrt中使用。交叉编译和打包技术很简单，并且有很好的文档。软件的安装与系统软件包使用相同的ipkg机制。 系统和第三方包库都包含越来越多的标准Linux工具和设备驱动程序[26]。

OpenWrt的概述包括目录结构，包和外部存储库，工具链，软件架构，总结如下[27,28]。

2.2.1 目录结构

基础中有四个关键目录：tools，toolchain，package和target; 工具和工具链指用于构建固件映像，编译器和C库的常用工具。

2.2.2 包和外部存储库

在OpenWrt固件中，几乎一切都是一个ipk，软件包可以添加到固件提供新功能或删除，以节省空间。注意，包也在主干外部维护，并且可以使用包馈送系统从subversion获得。

这些包可以用于扩展构建系统的功能，并且需要链接到主干线。

2.2.3 工具链

OpenWrt通过在交叉编译过程中将正确的参数传递给编译器，并使用已知为目标体系结构工作的补丁，自动化了特定体系结构的工具链创建。它还允许用户在gcc，binutils，内核头文件和uClibc的不同组合之间切换，以便用户可以轻松检查回归和程序编译。用户甚至可以自定义传递给交叉编译器的编译器标志，因此用户可以测试交叉编译器的优化功能或交叉编译库的不同位置。

2.2.4软件架构

OpenWrt使用常见的嵌入式Linux工具，如uClibc，busybox和shell解释器，并提供了硬件抽象层和包管理器。图2显示了OpenWrt使用的软件堆栈。

每个架构都使用不同的Linux内核，允许用户空间环境在不同设备之间共享和一致。因此，用户只需要重新编译uClibc和软件包以匹配您的目标架构，即可在完全不同的嵌入式设备上运行相同的程序。

图2 OpenWrt的软件体系结构

2.2.5 系统和包配置

UCI代表统一配置接口，对于没有NVRAM的其他设备采用OpenWrt的程度，以将其设置存储到单独的闪存分区中。由于UCI是C库，因此可以轻松地集成到现有的用户空间应用程序中或开发与新应用程序兼容的OpenWrt的配置存储。UCI的进一步开发包括使用UCI作为配置文件格式以及SNMP插件的Web界面，以轻松更改配置并对嵌入式设备执行操作。

3.系统组件与配置

通常，对于家庭能量控制，家庭网关必须装备感测，处理和联网的功能。图3 [29]示出了家庭自动化系统中的典型功率管理方案，包括家庭周围的所有电源，其中智能代理控制具有不同操作环境的不同设备。

图3 智能家居智能电源管理系统的典型框图

本文介绍了一种基于具有遥控功能的小型嵌入式系统的高性价比的家用节能系统。 为此，该系统由基于嵌入式Linux的无线路由器构成，用于平台开发低成本能量控制服务器和用于远程光控制应用的智能手机，如图4所示。通过将OpenWrt移植到与连接有LED的接口板连接的无线路由器上来实现原型系统。

图4 系统操作流程

该系统包括控制OpenWrt上的无线路由器的智能电话，接口板和LED以及与该板通信的无线路由器。这里，路由器是Dink的DIR-825 [30]无线路由器，并且作为CPU板来控制和管理系统。图5所示的硬件和软件规范分别汇总在表1和表2中。图5显示了DIR-825的路由器， 图6描述了PC和OpenWrt路由器之间的链路图[31]。

图5 DIR-825 图6 OpenWrt路由器连接图

表1 无线路由器规格

表2 安装环境

表3 Arduino UNO规范

智能手机，iPhone的iPhone4与无线路由器通信，并允许用户界面（UI）通过与安装在其USB中的接口板的通信远程控

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