基于無線傳感網的嵌入式遠程測控系統(tǒng)設計方案

　0 引言

　　近年來，一種被稱為無線傳感器網絡的新型網絡出現(xiàn)了。這種由多個具有計算處理、無線通信、傳感或控制能力的單節(jié)點構成的無限傳感器網絡是當前國際上倍受關注的、多學科前沿熱點研究領域，它具有信號采集、實時監(jiān)測、信息傳輸、協(xié)同處理、信息服務等功能，使網絡技術得到了極大的拓展，并使通過網絡實時監(jiān)控各種環(huán)境和設施成為可能。傳感網是物聯(lián)網的核心，主要應用于物聯(lián)網中的信息感知層，用于跟蹤、監(jiān)測和決策支持，實現(xiàn)智能感知和管理。

　　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，網絡化和信息化已經成為了測控系統(tǒng)的發(fā)展方向。綜合傳感網技術、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方式的嵌入式遠程測控系統(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。

　　圖1 遠程測控系統(tǒng)基本構架

　　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)中提供了非常現(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、NANDFLASH、網絡接口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RS232電平，可實現(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，并且已經在Motorola，NEC，ARM等多種硬件平臺上穩(wěn)定、高效運行，具有強大的網絡功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能等優(yōu)點。故選擇Linux操作系統(tǒng)，并根據(jù)具體應用，經裁剪和交叉編譯后，形成ARM可執(zhí)行文件，借助串行口和網絡口下載到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：

　?。?）針對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;

　　（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。

　　2.3 數(shù)據(jù)通信技術

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

　　由于GPRS具有眾多的優(yōu)點，在數(shù)據(jù)通信業(yè)務中得到了非常廣泛的應用，所以在該系統(tǒng)的設計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雙頻網絡，接收速率可達86.20Kb/s，發(fā)送速率可達21.5Kb/s，并且很容易集成，它和ARM2440處理器的UART1接口經TTL232電平轉換后連接。

　　安裝GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可以隨時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器以及遠程管理機的通信則通過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TCP/IP協(xié)議族進行裁剪更具意義。TCP/IP協(xié)議的簡化應該遵循兩個原則：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用層所采用的協(xié)議。本地服務器和遠程管理機則通過智能測控單元中的動態(tài)網頁實現(xiàn)與智能測控單元的通信，進而讀取信息，發(fā)布執(zhí)行指令。

　　3 應用實例及分析

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

　　3.1 嵌入式測控單元器件選擇與設計

　　嵌入式測控單元分布在住房內的各個地方，主要負責對現(xiàn)場的信息進行采集和對其進行控制，其主要功能包括采集住房內溫濕度等環(huán)境因素，對各用電器進行檢測與控制，實現(xiàn)與測控服務器的網絡通信與實現(xiàn)Web服務器功能。

　　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，負責采集濕度，根據(jù)是否下雨來控制窗體的開關。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報警。

　　當檢測到濕度高于所規(guī)定范圍時，則調用執(zhí)行器關閉窗戶，反之，則不進行操作；當檢測到煙霧時，也可控制滅火器的開關與門窗的開合，同時報警器報警，通過短信通知住戶來對火災進行有效的避免。

　　用電器的遠程控制開關是通過一個控制電路實現(xiàn)的，其電路圖如圖3所示。

　　圖3 遠程控制開關控制電路

　　微控制器的輸出信號經晶體管驅動后作為繼電器的輸入信號。當微控制器的輸出為低電平時晶體管飽和，驅動繼電器通電吸合，負載通電；當微控制器輸出為高電平時，晶體管截止，繼電器斷電釋放，負載斷電。因此通過遠端管理機可以控制用電器的開關。

　　3.2 軟件設計要點

　　對該方案而言，需將濕度、煙霧的監(jiān)測與蜂鳴器、短信的控制驅動程序進行編寫，在Linux交叉開發(fā)平臺中進行配置，裁剪多余的驅動，留下對本平臺有用的驅動，保存后重新編譯，最后將其下載到FLASH當中，而其他的測控服務器軟件則無需改變即可使用。

　　經多次測試與實驗，驗證了該方案的可行性。利用中間件技術對其進行相應的配置，則可使此遠程測控平臺比較寬泛地應用于各個領域，對于不同的情況，實際上只是需要更換傳感器和相應的驅動程序，而作為上層的數(shù)據(jù)傳輸及各種應用程序都無需變化。

　　4 結語

　　本文提出了基于傳感網的嵌入式遠程測控平臺的一個通用Web遠程測控架構，闡述了該系統(tǒng)的結構及系統(tǒng)的關鍵技術，包括嵌入式技術、通信技術與Web服務器技術等，并通過在一智能家居系統(tǒng)的成功應用，驗證了此方案的可行性。從該系統(tǒng)所具有的安全性強，成本低，帶有智能，報警及時，有利于能源節(jié)約等特點可看出，研究遠程監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)揮網絡優(yōu)勢，實現(xiàn)人工智能對社會進步的重要性。