智能家庭物联网控制 - Newton 项目解决方案

1. intel独家授权转载【intel开发人员专区】文章。
2. 定期为创客小主po上最全最细最专业的intel项目教程或另类态度。
3. DF创客社区“创客召集令”带你玩转intel，更多惊喜，颠覆你想象。

原文链接

简介

“智能家庭” 这一术语专门用于描述各种广泛的功能，这些功能支持用户通过智能手机、平板电脑和笔记本电脑控制和管理家庭设备，例如通过智能手机应用远程控制恒温器。不过，许多人认为智能家庭存在两大主要劣势：没有统一的解决方案，缺乏实用性。 Newton 是英特尔的最新创新项目之一，能够有效缓解这些问题。

问题

“没有统一的解决方案”： 用户希望做出自己的选择。他们希望购买智能设备，比如苹果、三星、腾讯或小米的电视、冰箱、空调。但制造商都各自开发了自己的智能家庭解决方案（例如，制造商们使用的通信协议各不相同）。几乎无法形成标准化生态系统。

“缺乏实用性”： 之前的智能家庭物联网控制解决方案包括：语音控制：可能会受到背景噪音的影响；电话控制或其他远程控制器：便捷性不足，因为涉及到取电话、启动相关应用，搜索想要控制的物联网设备等；通过摄像头进行手势识别：依赖于光照条件和在房间内所站的位置/方向。

Newton 项目

Newton 旨在提供一款高级整体解决方案，以支持智能家庭物联网控制。

连接所有智能家庭物联网设备
不依赖手持设备
低成本
不受制于环境、光照强度、噪音水平或用户的方向

我们开发了一款可用于智能家庭物联网控制的高级整体解决方案 — Newton 项目。该系统包含所有主要平台（英特尔® 酷睿™ 处理器、英特尔® Centrino* 处理器技术、英特尔® 凌动™ 处理器、ARM* 移动平台）和所有物联网平台（英特尔® Edison 开发板、英特尔® Galileo 开发板、Raspberry*、Spark*、Mbed*、Freescale*、Arduino Uno* 等）之间的连接。因此，Newton 项目能够实时连接运行于所有当前主流操作系统（Windows*、Linux*、Android*）和 NonUI-OS（Mbed*、Contiki*、RIOT*、Spark*、OpenWRT*、Yocto*、WindRiver*、VxWorks*、Raspbian* 等）的平台。

智能家庭厂商通常定义一套应用层通信协议，但这些协议相对比较封闭。我们在 Newton 项目中使用 CoAP（受限应用协议），该软件协议旨在支持简易的电子设备通过互联网进行交互式通信。 CoAP 协议基于 RESTful 框架，可转化为 HTTP 协议以轻松构建智能网关。 Newton 项目中 CoAP 协议的基本设计过程如下所示。

Newton 项目的 CoAP 设计

为将该创意支持的所有操作系统进行分类，英特尔® Galileo 开发板、英特尔® Edison 开发板、UNO、和 Spark 开发板均支持 Arduino 编程标准。通用物联网 LPC1768 开发板支持 Mbed 和 RIOT 操作系统。 Mbed 是面向联网设备（基于 ARM）的平台和操作系统，有利于通过调用相应对象轻松地运行硬件资源。 RIOT 是能够支持多线程和多种不同开发板的开源操作系统。它的程序可由标准 C 语言编写而成。 LPC1768 芯片需使用外部 Wi-Fi* 模块进行通信。 Windows、Linux 和 Android 也可轻松适应 CoAP。 Newton 项目的软件架构如下所示。

Newton 项目的软件架构

实施 Newton 项目的操作系统连接

CoAP 实施

CoAP 的源代码是被称为 "MicroCoAP" 的开源代码，支持下载。它是用标准 C 代码编写而成的轻量级代码，能够在不同平台上轻松转化。 MicroCoAP 包含四个文件（CoAP.h、CoAP.c、endpoints.c 和 main.c）。 CoAP.h 和 CoAP.c 实施 CoAP 协议（如下所示）；endpoints.c 包含与特定节点相关的响应函数。

main.c 文件构建 CoAP 服务器。我们主要使用 CoAP_packet_t、CoAP_parse、CoAP_handle_req 和 CoAP_build。 CoAP_packet_t 定义 CoAP 数据包的数据结构。 CoAP_parse function 解析从网络或串行端口接收的十六进制数据，并将数据转化为 CoAP_packet_t 结构。 CoAP_handle_req 函数分析接收的 CoAP 数据包并做出适当响应。 CoAP_build 函数将响应数据包转换成十六进制数据。用于构建 CoAP 服务器的关键源代码如下所示。

Arduino* 实施

Arduino 是一款可创建 Arduino 软件和硬件标准的开源电子原型构建平台。英特尔® Edison 开发板、英特尔® Galileo 开发板和 Spark 核心开发板均遵循 Arduino 标准。它主要包含两种函数：设置函数和循环函数。设置函数对硬件进行初始化，并在循环函数前调用一次。循环函数是一种死循环，可用于执行主函数。

如欲将 COAP 添加至 Arduino 开发板，只需将三个文件（CoAP.h、CoAP.c、endpoints.c）添加至项目，并根据 microCoAP 中的 main.c （如下所示）修改设置函数和循环函数。

Mbed 实施

Mbed 是面向对象的 C++通用库，专门针对 ARM Cortex*-M 处理器而开发。我们可以通过使用相关类运行通用输入/输出 (GPIO) 和其他硬件资源。不过没有默认 Wi-Fi 模块或通用库。这时，我们可以通过 UART 转 WIFI 模块将 Wi-Fi 功能添加至 Mbed。 Class WIFI 基于 UART-WIFI 模块的产品说明开发而成，其所有函数均可向 UART-WIFI 模块发送相关字符串。

您需要将三个文件（CoAP.h、CoAP.c、endpoints.c）添加至项目，并根据 microCoAP 项目中的 main.c 文件修改 main.c 文件。为此，只需使用 make 命令，因为 Makefile 中的所有设置均已完成，如下所示。

Mbed 平台上的 CoAP 服务器

RIOT 实施

RIOT 是面向物联网的开源开发商友好型操作系统，支持多种不同的开发板，比如 Mbed LPC1768 和 Spark Core 开发套件。它支持 C 和 C++ 语言编程。测试文件夹包含许多可连接硬件的示例 API。与 Mbed 类似，CoAP 服务器的实施方式是将 Mbed 的 Wi-Fi 类更改为 C 函数，然后修改与串行端口相关的 API。不过，试验过程中它通常发生崩溃，因此仅仅面向测试阶段。如欲编译该服务器，请使用根文件夹中的 “BOARD=Mbed_lpc1768 make clean all flash” 命令，并使用 “BOARD=Mbed_lpc1768 make term” 监控串行端口并获得来自 Mbed 的打印信息。面向 RIOT 的 CoAP 服务器代码结构如下所示。

RIOT 代码结构

Contiki 实施

Contiki 是一款多进程开源操作系统。示例文件夹包含多个使用 API 控制硬件的示例。它也不包含默认 Wi-Fi 模块。为实施 CoAP 服务器，可使用 RIOT 的类似函数并重写 UART 示例。如欲进行编译，可使用 “TARGET=cc2530dk make” 命令，并使用 jlink 下载二进制程序。查看以下示例代码。

基于 Contiki 的 CoAP 服务器的示例代码

OpenWRT 实施

OpenWRT 是一款面向路由器的 eMbedded Linux。它支持标准 Linux API，因此其 microCoAP 代码可以直接使用。在软件包文件夹中设置 microCoAP 项目，并根据其他项目的 Makefile 修改 Makefile。然后在根目录中运行 make 命令。编译后的应用将位于 bin 文件夹。该应用可通过 ftp 或 usb 存储上传至开发板。最后，使用 opkg 命令安装 CoAP*.ipk，以安装 CoAP 应用；CoAP 将被安装至 OpenWRT。将 “/usr/bin/CoAP &” 添加至 /etc/rc. 本地文件。面向 OpenWRT 的 CoAP 服务器代码结构如下所示。

OpenWRT 代码结构

Newton 项目中的实际解决方案

要想成为物联网的实际解决方案，必须能够通过自然手势控制所有物联网设备，无需穿戴任何电子可穿戴设备，也不受外界光照/噪音/等因素的影响。通过使用 9 轴陀螺仪检测用户的手部动作，可以实施类似这种解决方案。

使用 Wi-Fi* 的 9 轴陀螺仪示例

模式识别算法能够实时分析数据，并检测用户的位置、方向和手势。通过计算用户与物联网设置之间的相对位置/方向，系统能够识别用户所面向的设备。进一步计算用户的手部方向和手势后，就可选择和控制目标物联网设备

Newton 项目演示案例

以下是我们实验室进行的演示案例，使用 Newton 项目连接和控制基于不同操作系统的设备。这些演示案例包括环境（图 1）、控制开发板（英特尔® Edison 开发板（图 2））、控制安卓设备（图 3）、控制机械手臂（图 4），以及控制机器人汽车（图 5）。