基于無線傳感器網(wǎng)絡的嵌入式遠程測控系統(tǒng)研究

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　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統(tǒng)對可靠性、成本、體積、功耗等功能有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。它一般由硬件和軟件組成。其中，硬件包括嵌入式微處理器和外圍設備;軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)與特定的應用程序。嵌入式技術可廣泛用于對其他設備的控制、監(jiān)視或管理功能。

　　測控技術指對某一特性的監(jiān)測與控制。遠程測控指管理人員在異地通過計算機網(wǎng)絡聯(lián)通需被控制的設備，通過本地計算機對遠方設備進行查詢、配置、修改等工作。遠程測控技術能夠實現(xiàn)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫連接，且已成為新興的研究熱點。隨著網(wǎng)絡的需求與發(fā)展，B/S模式迅速發(fā)展。利用此模式，客戶端只需安裝Web瀏覽器即可簡單通過瀏覽器從Web服務器上下載程序到本地來執(zhí)行，由此實現(xiàn)遠程測控。

　　計算機技術、通信技術和微電子技術的飛速發(fā)展，讓測控系統(tǒng)領域也正在進行著一場巨大的變革，網(wǎng)絡化和信息化已經(jīng)成為了測控系統(tǒng)的發(fā)展方向。綜合傳感網(wǎng)技術、嵌入式技術與工業(yè)測控技術，構建一個基于Web方式的遠程測控系統(tǒng)可使測控產品的實時性、安全性、可維護性等方面得到大幅度的提高，同時也更利于實現(xiàn)集中監(jiān)視、統(tǒng)一調度與優(yōu)化管理。本文結合各項技術介紹了一個基于Web方式的嵌入式遠程測控系統(tǒng)，并利用該方案成功實現(xiàn)了一智能家居系統(tǒng)。

　　1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構設計

　　基于Web方式的嵌人式遠程測控系統(tǒng)的基本架構如圖1所示。該遠程測控系統(tǒng)主要由嵌入式測控單元、本地服務器與遠端管理主機這三部分組成。

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　　位于最底層的嵌入式測控單元主要分布在各個測控節(jié)點上，由中央處理器、傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡接口、GPS模塊、GPRS模塊等組成，負責采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并將各參數(shù)與設定值比較，若超出規(guī)定范圍，則會利用報警器報警，并讓各執(zhí)行器工作，以獲得正常參數(shù)范圍，且將測試數(shù)據(jù)通過訂制協(xié)議傳送到本地服務器，從而到達遠端管理器顯示。GPS模塊可清楚定位發(fā)生故障的設備，GPRS模塊作為無線收發(fā)模塊可在有線網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時實現(xiàn)高質量的數(shù)據(jù)傳送，為把嵌入式系統(tǒng)應用到遠程測控系統(tǒng)中提供了非?，F(xiàn)實可行的意義。

　　位于中間作為橋梁的是本地服務器，主要接收各測控單元上傳的監(jiān)測參數(shù)，并保存到數(shù)據(jù)庫中，定時查詢與分析測控單元的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)它出現(xiàn)錯誤，則立即短信通知用戶。同時，服務器也需定時將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及時反饋給遠端管理器，使用戶在第一時間監(jiān)測到各測控設備的情況，并實現(xiàn)管理器對各測控單元的操作。

　　最頂層則是遠端管理器，它可以系統(tǒng)地對各測控單元進行分析、查詢和管理，可以接收測控服務器上傳的各種信息，也能發(fā)出命令對底層的單元進行控制與處理，且可根據(jù)IP地址直接控制某一特定的測控單元，對各設備進行統(tǒng)一管理。當有線網(wǎng)絡出現(xiàn)故障時，還可以通過GPRS進行無線連接操作，從而使得用戶任何時候都能對其進行控制。

　　該系統(tǒng)通過前端傳感器模塊和信息接收模塊收集各節(jié)點的參數(shù)，送入嵌入式系統(tǒng)進行處理和存儲，并定時將監(jiān)測信息傳送到測控服務器，通過服務器反映到管理機上，從而實現(xiàn)對各測控設備的控制。該遠程測控系統(tǒng)實現(xiàn)了將小設備掛到Internet上，可以及時地監(jiān)測每一設備的運行情況。對監(jiān)控系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡監(jiān)控方式靈活，系統(tǒng)施工和維護造價相對低廉，可保存的數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)存儲方式更多，系統(tǒng)集成度更高。以網(wǎng)絡為基礎的遠程監(jiān)控突破了時間、地域的限制，只要在有網(wǎng)絡存在的地方，用戶在授權的情況下，就可以不受限制地隨時按需監(jiān)控，實現(xiàn)即插即用。

　　2 關鍵技術研究

　　2.1 嵌入式系統(tǒng)設計

　　嵌入式測控單元相當于傳感網(wǎng)的各個節(jié)點，主要負責信息的采集，并將其他如光信號、化學信號轉化為電信號，并送給微控制器，對其進行處理。該測控設備是由嵌入式技術研發(fā)的具有智能檢測與控制的系統(tǒng)，它以中央微處理器為核心，配以SDRAM、NAND FLASH、網(wǎng)絡接口RJ-45、4線觸摸屏接口、串行接口、LCD、USB口、SD卡存儲接口與A/D和D/A轉換器。使用UART1和UART2通過SP3243ECA芯片將TTL電平轉化為RS 232電平，可實現(xiàn)GPS和GPRS通信。該系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

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　　軟件系統(tǒng)則主要考慮啟動程序、各種驅動程序、操作系統(tǒng)與應用程序。Linux操作系統(tǒng)開放源代碼，可以裁剪內核，并且已經(jīng)在Motoro-la，NEC，ARM等多種硬件平臺上穩(wěn)定、高效運行，具有強大的網(wǎng)絡功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能等優(yōu)點。放選擇Linux操作系統(tǒng)，并根據(jù)具體應用，經(jīng)裁剪和交叉編譯后，形成ARM可執(zhí)行文件，借助串行口和網(wǎng)絡口下載到FLASH之中。測控單元的應用程序主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、網(wǎng)絡服務模塊、通信服務模塊與控制執(zhí)行模塊等。為了構建更好的人機界面，將QT/Embedded圖形用戶界面支持系統(tǒng)移植到Linux中，并開發(fā)相應的圖形用戶界面。

　　2.2 Web應用技術

　　該系統(tǒng)采用B/S模式，為了能夠從測控服務器或測控管理機通過瀏覽器直接訪問智能測控單元，在智能測控單元中必須具備Web服務器功能。在嵌入式Linux平臺下，使用.Boa作為Web服務器，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定高效地在目標系統(tǒng)中運行，并且使用和維護方便，可靠性高。嵌入式Web服務器Boa和普通Web服務器一樣，能夠完成接收客戶端請求、分析請求、響應請求、向客戶端返回請求結果等任務。與其他傳統(tǒng)的Web服務器不同的是Boa具有很高的HTTP請求處理速度和效率，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應用價值。

　　Boa程序的移植主要分為以下幾個步驟：

　　(1)針對ARM-Linux系統(tǒng)下載Boa源碼并解壓之;

　　(2)生成并修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc修改CPP=gcc-E為CPP=/usr/ local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc-E;

　　(3)配置Boa服務器后下載Boa服務器。將編譯后的二進制文件下載到FLASH之中后Web服務器則具有了Web服務器功能。