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基于無(wú)線傳感網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

作者: 時(shí)間:2011-11-03 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

 0 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/161426.htm

  近年來(lái),一種被稱為器網(wǎng)絡(luò)的新型網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了。這種由多個(gè)具有計(jì)算處理、通信、或控制能力的單節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無(wú)限器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)前國(guó)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(cè)、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(guò)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)的核心,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(cè)和決策支持,實(shí)現(xiàn)智能感知和管理。

  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)。它一般由硬件和軟件組成。其中,硬件包括微處理器和外圍設(shè)備;軟件包括操作系統(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(cè)控技術(shù)指對(duì)某一特性的監(jiān)測(cè)與控制。測(cè)控指管理人員在異地通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通需被控制的設(shè)備,通過(guò)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。測(cè)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(wú)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(jiǎn)單通過(guò)瀏覽器從Web服務(wù)器上下載程序到本地來(lái)執(zhí)行,由此實(shí)現(xiàn)測(cè)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(cè)控系統(tǒng)領(lǐng)域也正在進(jìn)行著一場(chǎng)巨大的變革,網(wǎng)絡(luò)化和信息化已經(jīng)成為了測(cè)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(cè)控技術(shù),構(gòu)建一個(gè)Web方式的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)可使測(cè)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)Web方式的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng),并利用該成功實(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)

  Web方式的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖1所示。該遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)主要由嵌入式測(cè)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(cè)控系統(tǒng)基本構(gòu)架

  圖1 遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)基本構(gòu)架

  位于最底層的嵌入式測(cè)控單元主要分布在各個(gè)測(cè)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(chǎng)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(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)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(cè)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(cè)控單元上傳的監(jiān)測(cè)參數(shù),并保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中,定時(shí)查詢與分析測(cè)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(kù)中的數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給遠(yuǎn)端管理器,使用戶在第一時(shí)間監(jiān)測(cè)到各測(cè)控設(shè)備的情況,并實(shí)現(xiàn)管理器對(duì)各測(cè)控單元的操作。

  最頂層則是遠(yuǎn)端管理器,它可以系統(tǒng)地對(duì)各測(cè)控單元進(jìn)行分析、查詢和管理,可以接收測(cè)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(cè)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(guò)GPRS進(jìn)行無(wú)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(guò)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(cè)信息傳送到測(cè)控服務(wù)器,通過(guò)服務(wù)器反映到管理機(jī)上,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各測(cè)控設(shè)備的控制。該遠(yuǎn)程測(cè)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(cè)每一設(shè)備的運(yùn)行情況。對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō),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)

  嵌入式測(cè)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(cè)控設(shè)備是由嵌入式技術(shù)研發(fā)的具有智能檢測(cè)與控制的系統(tǒng),它以中央微處理器為核心,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(guò)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

  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(kāi)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)口下載到FLASH之中。測(cè)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(pán)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(kāi)發(fā)相應(yīng)的圖形用戶界面。

  2.2 Web應(yīng)用技術(shù)

  該系統(tǒng)采用B/S模式,為了能夠從測(cè)控服務(wù)器或測(cè)控管理機(jī)通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)智能測(cè)控單元,在智能測(cè)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)下載Boa源碼并解壓之;

 ?。?)生成并修改Makefile文件,修改CC=gcc為CC=/usr/local/arm/2.95.3/bin/armlinuxgcc修改CPP=gccE為CPP=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc-E;

 ?。?)配置Boa服務(wù)器后下載Boa服務(wù)器。將編譯后的二進(jìn)制文件下載到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(wú)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)的中選用了西門(mén)子公司的GPRS模塊MC35來(lái)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(cè)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(cè)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(guò)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(jiǎn)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(jiǎn)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(guò)智能測(cè)控單元中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現(xiàn)與智能測(cè)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(wú)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(kāi)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(wú)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(lái)越發(fā)達(dá)的今天,電子產(chǎn)業(yè)也掀起了一場(chǎng)革命,而人們對(duì)生活便捷性的要求也越來(lái)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?jī)?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(wú)需親臨現(xiàn)場(chǎng)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(cè)控單元器件選擇與設(shè)計(jì)

  嵌入式測(cè)控單元分布在住房?jī)?nèi)的各個(gè)地方,主要負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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?jī)?nèi)溫濕度等環(huán)境因素,對(duì)各用電器進(jìn)行檢測(cè)與控制,實(shí)現(xiàn)與測(cè)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(cè)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(lái)控制窗體的開(kāi)關(guān)。本采用HM1500作為濕度采集單元,它具有較寬的濕度測(cè)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(cè)量傳感器采用NIS09C,它適合各種高靈敏度煙霧探測(cè)與火災(zāi)報(bào)警。

  當(dāng)檢測(cè)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(cè)到煙霧時(shí),也可控制滅火器的開(kāi)關(guān)與門(mén)窗的開(kāi)合,同時(shí)報(bào)警器報(bào)警,通過(guò)短信通知住戶來(lái)對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效的避免。

  用電器的遠(yuǎn)程控制開(kāi)關(guān)是通過(guò)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(kāi)關(guān)控制電路

  圖3 遠(yuǎn)程控制開(kāi)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(guò)遠(yuǎn)端管理機(jī)可以控制用電器的開(kāi)關(guān)。

  3.2 軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)

  對(duì)該而言,需將濕度、煙霧的監(jiān)測(cè)與蜂鳴器、短信的控制驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行編寫(xiě),在Linux交叉開(kāi)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,最后將其下載到FLASH當(dāng)中,而其他的測(cè)控服務(wù)器軟件則無(wú)需改變即可使用。

  經(jīng)多次測(cè)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(cè)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(wú)需變化。

  4 結(jié)語(yǔ)

  本文提出了基于傳感網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)控平臺(tái)的一個(gè)通用Web遠(yuǎn)程測(cè)控架構(gòu),闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),包括嵌入式技術(shù)、通信技術(shù)與Web服務(wù)器技術(shù)等,并通過(guò)在一智能家居系統(tǒng)的成功應(yīng)用,驗(yàn)證了此方案的可行性。從該系統(tǒng)所具有的安全性強(qiáng),成本低,帶有智能,報(bào)警及時(shí),有利于能源節(jié)約等特點(diǎn)可看出,研究遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng),發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)人工智能對(duì)社會(huì)進(jìn)步的重要性。

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