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[導讀]摘要:目前我國大城市的井蓋數(shù)目隨著城市化的發(fā)展逐漸增加,井蓋被盜導致多起意外事故的發(fā)生。針對上述情況,設計了一種以S3C6410為核心的無線傳感網(wǎng)絡(WSN)監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)以S3C6410處理器和ZigBeeCC2530芯片為核心,結(jié)合GPRS模塊進行無線通信,并采用SQlite3的嵌入式數(shù)據(jù)庫進行無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲。

引言

道路上的井蓋遍及城市各地,由于人為偷盜或者長期磨損導致井蓋丟失、塌陷,對過往車輛和行人造成危險。針對井蓋監(jiān)控手段欠缺,目前以人防、物防為主,急需設計一種技術(shù)防范的安全監(jiān)管系統(tǒng)。近幾年隨著無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展,利用無線傳感網(wǎng)絡設計安防領域已成為熱點。由于井蓋之間距離較近,結(jié)合ZigBee短距離通信技術(shù),設計一種基于井蓋安全監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)接收來自無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù),處理、存儲后通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)焦簿W(wǎng)絡中。

1井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

本文的井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示,其系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務器。井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術(shù),每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點,通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點,協(xié)調(diào)器節(jié)點負責接收所有網(wǎng)絡中的報警器節(jié)點信息。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過串口1獲得ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的報警器數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲并處理,將必須的信號發(fā)送給GPRS模塊,GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務器中,實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構(gòu)可以通過網(wǎng)絡查詢自己單位的井蓋狀態(tài),是否需要維護,并記錄,同時發(fā)送短信給檢修人員,實現(xiàn)及時維修和處理。

圖1井蓋監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設計

本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)硬件組成框圖如圖2所示,該網(wǎng)關(guān)包含三星公司的微處理器S3C6410、存儲模塊、JTAG接口、LCD顯示接口、GPRS模塊等。


基于井蓋安全系統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)設計

2.1處理器

系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410微處理器作為網(wǎng)關(guān)硬件電路,S3C6410采用ARM11的內(nèi)核架構(gòu),采用8級流水線與數(shù)據(jù)地址總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)[4-5]。包含多種硬件外設,支持NOR-FLASH,NAND-FLASH,OneNAND,CF,ROM等多種存儲器端口,增加的流水線設計提高了時鐘頻率和并行處理能力。是一種高性能的32位RISC處理器,可以穩(wěn)定運行在667MHz主頻以上。主要應用于嵌入式設備、消費類電子、工業(yè)控制、車載導航、行業(yè)PDA等電子產(chǎn)品。

2.2存儲模塊

網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)都放在存儲模塊中,S3C6410的平臺包含NANDFLASH,NORFLASH和SD卡三種。NANDFLASH采用三星公司的K9F1G08U0型號,大小為128MB,存放bootloader,啟動參數(shù)、內(nèi)核、根文件等,網(wǎng)關(guān)設計采用從NANDFLASH啟動,選擇德國DENX軟件中心開發(fā)的U-Boot作為bootloader進行引導。NORFLASH采用低電壓供電且具有低功耗模式的S29AL08D芯片,大小為8MB,3V供電。S3C6410提供SD卡接口,可以外接SD卡,支持從SD卡啟動。

JTAG接口

S3C6410可使用簡易JTAG電路對FLASH進行在線編程,通過標準20針接口同宿主機相連接,實現(xiàn)FLASH的擦除和編程。

GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A,工作頻段支持EGSM900MHz和DCS1800MHz,可以使用包含CS-4等多種編碼格式,內(nèi)置TCP/IP協(xié)議,采用SPI接口,同微處理器S3C6410的串口0相連。

LCD顯示接口

LCD選用7寸真彩色寬屏AT070TN92,外帶7寸電阻觸摸屏,分辨率800X480,支持LVDS接口。

3網(wǎng)關(guān)平臺的搭建

S3C6410微處理器采用移植性較強的Linux操作系統(tǒng),能夠固化在容量小的嵌入式設備,系統(tǒng)內(nèi)核選用2.6.38.8,搭建網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺主要包含三個部分:引導程序、內(nèi)核、系統(tǒng)文件[6-7]。編譯環(huán)境選擇交叉編譯,選擇VMware虛擬機,交叉編譯器選用arm-linux-gcc-3.41,實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下編譯嵌入式Linux系統(tǒng)執(zhí)行的文件。

引導程序主要負責加載操作系統(tǒng),實現(xiàn)硬件的初始化,建立設備的內(nèi)存映射表。加載方式采用將BootLoader搬移到SDRAM中進行執(zhí)行,比直接在FLASH中運行速率快。采用開源的U-boot作為BootLoader,針對S3C6410硬件修改體系結(jié)構(gòu)相應代碼實現(xiàn)移植。

內(nèi)核部分主要針對需要進行內(nèi)核裁剪和添加,獲取標準的Linux內(nèi)核2.6.38.8版本,配置Kconfig文件,產(chǎn)生.config文件,通過編譯內(nèi)核生成內(nèi)核鏡像文件zlmage。將GPRS模塊驅(qū)動和LCD驅(qū)動編譯生成動態(tài)文件,采用insmod方式加載到內(nèi)核。

系統(tǒng)文件主要制作Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng),Linux所有設備都是以文件形式存在,選擇常用的cramfs文件系統(tǒng),啟動內(nèi)核需要根文件系統(tǒng)來掛載。下載Busybox工具進行配置,利用mkcramfs制作文件系統(tǒng)的鏡像。

4網(wǎng)關(guān)的軟件設計

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設計軟件工作流程如圖3所示,包含三個處理事件:串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設置。

串口處理需要通過啟動進程實現(xiàn),本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù),網(wǎng)關(guān)和ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器通過串口1連接,網(wǎng)關(guān)啟動一個進程接收ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù),包括節(jié)點地址和采集的傳感器參數(shù)。當有數(shù)據(jù)傳輸過來時,按照節(jié)點ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫,占用250KB空間大小,支持數(shù)據(jù)庫達到2TB。網(wǎng)關(guān)啟動后在相應路徑建立數(shù)據(jù)庫,同時建立數(shù)據(jù)庫表項,包含節(jié)點ID和節(jié)點地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應用程序界面采用QTCreater設計,基于C++進行開發(fā)的應用程序框架。設計良好的UI界面,通過按鍵的觸發(fā)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù),顯示出各個井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運行串口服務程序和數(shù)據(jù)庫,QT通過動態(tài)庫的方式調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3網(wǎng)關(guān)工作流程圖

5實驗分析

針對井蓋分布狀況,進行無障礙距離測試,實驗以丟包率進行測試。每隔5s從無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān),網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130m以內(nèi),10m為間隔,在每個距離點上發(fā)送300組數(shù)據(jù),實驗結(jié)果如圖4所示。實驗結(jié)果表明,節(jié)點距離在60m范圍內(nèi)丟包率為0,數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸,合理安置井蓋節(jié)點報警器可以滿足系統(tǒng)的應用要求。

6結(jié)語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設計井蓋安全報警系統(tǒng),結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡布控井蓋報警器,通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)控系統(tǒng),達到實時監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關(guān)可擴展接口較豐富,將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收,發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器?;赒T開發(fā)了友好的應用界面,可以實時查詢井蓋狀態(tài),并對歷史數(shù)據(jù)進行存儲。該網(wǎng)關(guān)功能豐富,可擴展性較強,具有低功耗、高通信效率的特點,可廣泛應用與井蓋安全監(jiān)控領域。

20211119_61972c3870f71__基于井蓋安全系統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)設計

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