基于WSN和GPRS的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)

0 引言

近年來，一種被稱為無線傳感器網(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、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(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。

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(cè)控技術(shù)指對(duì)某一特性的監(jiān)測(cè)與控制。遠(yuǎn)程測(cè)控指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(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)單通過瀏覽器從Web服務(wù)器上下載程序到本地來執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測(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)基于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)基于Web方式的嵌入式遠(yuǎn)程測(cè)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(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

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(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(cè)信息傳送到測(cè)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(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(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。