基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)之后的第三次信息產(chǎn)業(yè)浪潮，其中集傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理技術(shù)于一體的傳感網(wǎng)已經(jīng)成為“智慧地球”建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。為順應(yīng)未來測控技術(shù)的發(fā)展趨勢，為人們帶來一種更加智能化的生活方式，本文提出了一種基于無線傳感網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的整體架構(gòu)和技術(shù)解決方案，并成功地將該方案應(yīng)用于家居智能化系統(tǒng)中。它具有較好的實(shí)時(shí)性、較寬的監(jiān)控范圍和較廣的適應(yīng)性。

0引言

本文將介紹一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。這是一種由多個(gè)具有計(jì)算處理、無線通信、傳感或控制能力的單節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無限傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國際上倍受關(guān)注的、多學(xué)科前沿?zé)狳c(diǎn)研究領(lǐng)域，它具有信號(hào)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務(wù)等功能，使網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了極大的拓展，并使通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)控各種環(huán)境和設(shè)施成為可能。傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的，主要應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)中的信息感知層，用于跟蹤、監(jiān)測和決策支持，實(shí)現(xiàn)智能感知和管理。

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)可靠性、成本、體積、功耗等功能有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)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(shè)備；軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)與特定的應(yīng)用程序。嵌入式技術(shù)可廣泛用于對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理功能。

測控技術(shù)指對(duì)某一特性的監(jiān)測與控制。遠(yuǎn)程測控管理人員在異地通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通需被控制的設(shè)備，通過本地計(jì)算機(jī)對(duì)遠(yuǎn)方設(shè)備進(jìn)行查詢、配置、修改等工作。遠(yuǎn)程測控技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無縫連接，且已成為新興的研究熱點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)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(wù)器上程序到本地來執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。

計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，讓測控系統(tǒng)領(lǐng)域也正在進(jìn)行著一場巨大的變革，網(wǎng)絡(luò)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(shù)、嵌入式技術(shù)與工業(yè)測控技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)基于Web方式的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)可使測控產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性、安全性、可維護(hù)性等方面得到大幅度的提高，同時(shí)也更利于實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、統(tǒng)一調(diào)度與優(yōu)化管理。本文結(jié)合各項(xiàng)技術(shù)介紹了一個(gè)基于Web方式的嵌入式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)，并利用該方案成功實(shí)現(xiàn)了一智能家居系統(tǒng)。

1遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)基本構(gòu)架

位于層的嵌入式測控單元主要分布在各個(gè)測控節(jié)點(diǎn)上，由中央處理器、傳感器、執(zhí)行器、網(wǎng)絡(luò)接口、GPS模塊、GPRS模塊等組成，負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)，并將各參數(shù)與設(shè)定值比較，若超出規(guī)定范圍，則會(huì)利用報(bào)警器報(bào)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(wù)器，從而到達(dá)遠(yuǎn)端管理器顯示。GPS模塊可清楚定位發(fā)生故障的設(shè)備，GPRS模塊作為無線收發(fā)模塊可在有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳送，為把嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)中提供了非?，F(xiàn)實(shí)可行的意義。

位于中間作為橋梁的是本地服務(wù)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(shí)查詢與分析測控單元的狀態(tài)，如果發(fā)現(xiàn)它出現(xiàn)錯(cuò)誤，則立即短信通知用戶。同時(shí)，服務(wù)器也需定時(shí)將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給遠(yuǎn)端管理器，使用戶在時(shí)間監(jiān)測到各測控設(shè)備的情況，并實(shí)現(xiàn)管理器對(duì)各測控單元的操作。

頂層則是遠(yuǎn)端管理器，它可以系統(tǒng)地對(duì)各測控單元進(jìn)行分析、查詢和管理，可以接收測控服務(wù)器上傳的各種信息，也能發(fā)出命令對(duì)底層的單元進(jìn)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(duì)各設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，還可以通過GPRS進(jìn)行無線連接操作，從而使得用戶任何時(shí)候都能對(duì)其進(jìn)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(diǎn)的參數(shù)，送入嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，并定時(shí)將監(jiān)測信息傳送到測控服務(wù)器，通過服務(wù)器反映到管理機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各測控設(shè)備的控制。該遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將小設(shè)備掛到Internet上，可以及時(shí)地監(jiān)測每一設(shè)備的運(yùn)行情況。對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)來說，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控方式靈活，系統(tǒng)施工和維護(hù)造價(jià)相對(duì)低廉，可保存的數(shù)據(jù)量更大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式更多，系統(tǒng)集成度更高。以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程監(jiān)控突破了時(shí)間、地域的限制，只要在有網(wǎng)絡(luò)存在的地方，用戶在授權(quán)的情況下，就可以不受限制地隨時(shí)按需監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)即插即用。

2關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

嵌入式測控單元相當(dāng)于傳感網(wǎng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)信息的采集，并將其他如光信號(hào)、化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并送給微控制器，對(duì)其進(jìn)行處理。該測控設(shè)備是由嵌入式技術(shù)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，配以SDRAM、NANDFLASH、網(wǎng)絡(luò)接口RJ-45、4線觸摸屏接口、串行接口、LCD、USB口、SD卡存儲(chǔ)接口與A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。使用UART1和UART2通過SP3243ECA芯片將TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，可實(shí)現(xiàn)GPS和GPRS通信。該系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2嵌入式系統(tǒng)硬件框圖

軟件系統(tǒng)則主要考慮啟動(dòng)程序、各種驅(qū)動(dòng)程序、操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序。Linux操作系統(tǒng)開放源代碼，可以裁剪內(nèi)核，并且已經(jīng)在Motorola，NEC，ARM等多種硬件平臺(tái)上穩(wěn)定、高效運(yùn)行，具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能等優(yōu)點(diǎn)。故選擇Linux操作系統(tǒng)，并根據(jù)具體應(yīng)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(luò)口到FLASH之中。測控單元的應(yīng)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(luò)服務(wù)模塊、通信服務(wù)模塊與控制執(zhí)行模塊等。為了構(gòu)建更好的人機(jī)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(yīng)的圖形用戶界面。

2.2Web應(yīng)用技術(shù)

該系統(tǒng)采用B/S模式，為了能夠從測控服務(wù)器或測控管理機(jī)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(wù)器功能。在嵌入式Linux平臺(tái)下，使用Boa作為Web服務(wù)器，可以使系統(tǒng)穩(wěn)定高效地在目標(biāo)系統(tǒng)中運(yùn)行，并且使用和維護(hù)方便，可靠性高。嵌入式Web服務(wù)器Boa和普通Web服務(wù)器一樣，能夠完成接收客戶端請(qǐng)求、分析請(qǐng)求、響應(yīng)請(qǐng)求、向客戶端返回請(qǐng)求結(jié)果等任務(wù)。與其他傳統(tǒng)的Web服務(wù)器不同的是Boa具有很高的HTTP請(qǐng)求處理速度和效率，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價(jià)值。

Boa程序的移植主要分為以下幾個(gè)步驟：

（1）針對(duì)ARM-Linux系統(tǒng)Boa源碼并解壓之；

（2）生成并修改Makefile文件，

（3）配置Boa服務(wù)器后Boa服務(wù)器。將編譯后的二進(jìn)制文件到FLASH之中后Web服務(wù)器則具有了Web服務(wù)器功能。

2.3數(shù)據(jù)通信技術(shù)

該系統(tǒng)的通信主要包括有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、GPRS，GPS和定制協(xié)議通信。

由于GPRS具有眾多的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，所以在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用了西門子公司的GPRS模塊MC35來傳輸采集的數(shù)據(jù)。

MC35模塊支持GSM900和GSM1800雙頻網(wǎng)絡(luò)，接收速率可達(dá)86.20Kb/s，發(fā)送速率可達(dá)21.5Kb/s，并且很容易集成，它和ARM2440處理器的UART1接口經(jīng)TTL232電平轉(zhuǎn)換后連接。

安裝GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以隨時(shí)確定智能測控單元的位置。該系統(tǒng)的GPS接收模塊采用Motorala公司的M12+ONCORE，該模塊的串行通信參數(shù)為波特率4800b/s;8位數(shù)據(jù)位；1位停止位。

測控單元與本地服務(wù)器以及遠(yuǎn)程管理機(jī)的通信則通過TCP/IP協(xié)議，但TCP/IP協(xié)議族中的協(xié)議數(shù)量龐大，而嵌入式系統(tǒng)的資源有限。因此，合理地對(duì)TCP/IP協(xié)議族進(jìn)行裁剪更具意義。TCP/IP協(xié)議的簡化應(yīng)該遵循兩個(gè)原則：一是不能改變其面向連接的特性；二是它的簡化必須能配合其應(yīng)用層所采用的協(xié)議。本地服務(wù)器和遠(yuǎn)程管理機(jī)則通過智能測控單元中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁實(shí)現(xiàn)與智能測控單元的通信，進(jìn)而讀取信息，發(fā)布執(zhí)行指令。

3應(yīng)用實(shí)例及分析

隨著傳感器技術(shù)、半導(dǎo)體制作技術(shù)和嵌入式處理技術(shù)等的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究和發(fā)展取得了突飛猛進(jìn)的成果。其應(yīng)用領(lǐng)域也開始從單一軍事領(lǐng)域朝多元化的方向發(fā)展，特別是一些大公司的加入，使無線傳感網(wǎng)絡(luò)在環(huán)境監(jiān)控、工業(yè)控制、智能城市和智能家居［11］等領(lǐng)域取得了實(shí)際可行的應(yīng)用成果。在電子技術(shù)越來越發(fā)達(dá)的今天，電子產(chǎn)業(yè)也掀起了一場革命，而人們對(duì)生活便捷性的要求也越來越高。針對(duì)該現(xiàn)象，本文在此給出一套基于傳感器網(wǎng)絡(luò)與ARM的智能家居平臺(tái)，其主要目的是對(duì)住房內(nèi)的火警、雨水等環(huán)境參數(shù)和各種設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與控制，使住戶無需親臨現(xiàn)場就可以對(duì)分布在不同位置的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.1嵌入式測控單元器件選擇與設(shè)計(jì)

嵌入式測控單元分布在住房內(nèi)的各個(gè)地方，主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場的信息進(jìn)行采集和對(duì)其進(jìn)行控制，其主要功能包括采集住房內(nèi)溫濕度等環(huán)境因素，對(duì)各用電器進(jìn)行檢測與控制，實(shí)現(xiàn)與測控服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信與實(shí)現(xiàn)Web服務(wù)器功能。

該系統(tǒng)主要采用的傳感器包含測量濕度與煙霧兩部分。濕度傳感器安裝在窗戶上，負(fù)責(zé)采集濕度，根據(jù)是否下雨來控制窗體的開關(guān)。本方案采用HM1500作為濕度采集單元，它具有較寬的濕度測量范圍，具體為0%~100%，且不受水浸影響，有極低的溫度依賴性與良好的線性度?；鹁瘻y量傳感器采用NIS09C，它適合各種高靈敏度煙霧探測與火災(zāi)報(bào)警。

當(dāng)檢測到濕度高于所規(guī)定范圍時(shí)，則調(diào)用執(zhí)行器關(guān)閉窗戶，反之，則不進(jìn)行操作；當(dāng)檢測到煙霧時(shí)，也可控制滅火器的開關(guān)與門窗的開合，同時(shí)報(bào)警器報(bào)警，通過短信通知住戶來對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效的避免。

用電器的遠(yuǎn)程控制開關(guān)是通過一個(gè)控制電路實(shí)現(xiàn)的，其電路圖如圖3所示。

圖3遠(yuǎn)程控制開關(guān)控制電路

微控制器的輸出信號(hào)經(jīng)晶體管驅(qū)動(dòng)后作為繼電器的輸入信號(hào)。當(dāng)微控制器的輸出為低電平時(shí)晶體管飽和，驅(qū)動(dòng)繼電器通電吸合，負(fù)載通電；當(dāng)微控制器輸出為高電平時(shí)，晶體管截止，繼電器斷電釋放，負(fù)載斷電。因此通過遠(yuǎn)端管理機(jī)可以控制用電器的開關(guān)。

3.2軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

對(duì)該方案而言，需將濕度、煙霧的監(jiān)測與蜂鳴器、短信的控制驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫，在Linux交叉開發(fā)平臺(tái)中進(jìn)行配置，裁剪多余的驅(qū)動(dòng)，留下對(duì)本平臺(tái)有用的驅(qū)動(dòng)，保存后重新編譯，將其到FLASH當(dāng)中，而其他的測控服務(wù)器軟件則無需改變即可使用。

經(jīng)多次測試與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案的可行性。利用中間件技術(shù)對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的配置，則可使此遠(yuǎn)程測控平臺(tái)比較寬泛地應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，對(duì)于不同的情況，實(shí)際上只是需要更換傳感器和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，而作為上層的數(shù)據(jù)傳輸及各種應(yīng)用程序都無需變化。

4結(jié)語

介紹了一種基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式遠(yuǎn)程測控平臺(tái)的通用Web遠(yuǎn)程測控架構(gòu)，闡述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)和服務(wù)器技術(shù)等，并在一家智能家居系統(tǒng)中的成功應(yīng)用證明了該方案的可行性。本系統(tǒng)具有安全性強(qiáng)、成本低、智能化強(qiáng)、報(bào)警及時(shí)、有利于節(jié)能等特點(diǎn)，可以看出，研究遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)人工智能對(duì)社會(huì)進(jìn)步的重要性。