基于無線傳感網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)研究

摘要：物聯(lián)網(wǎng)被視為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(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)已成為構(gòu)建“智慧地球”的核心技術(shù)之一。為了順應(yīng)未來測控技術(shù)的發(fā)展趨勢且?guī)Ыo人們一種更智能的生活模式，該文旨在提出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)與技術(shù)解決方案，并成功利用此方案實(shí)現(xiàn)了一智能家居系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的實(shí)時控制特性、寬廣的監(jiān)測范圍與廣泛的可適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：傳感網(wǎng)；遠(yuǎn)程測控；嵌入式系統(tǒng)；微處理器

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。這種由多個具有計算處理、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，它具有信號采集、實(shí)時監(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)對可靠性、成本、體積、功耗等功能有嚴(yán)格要求的專用計算機(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)可廣泛用于對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理功能。
    測控技術(shù)指對某一特性的監(jiān)測與控制。遠(yuǎn)程測控指管理人員在異地通過計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通需被控制的設(shè)備，通過本地計算機(jī)對遠(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)辦公自動化與工業(yè)自動化的無縫連接，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)器上下載程序到本地來執(zhí)行，由此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測控。
    計算機(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)時性、安全性、可維護(hù)性等方面得到大幅度的提高，同時也更利于實(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
    基于Web方式的嵌人式遠(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。

    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(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(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(wù)器也需定時將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)及時反饋給遠(yuǎn)端管理器，使用戶在第一時間監(jiān)測到各測控設(shè)備的情況，并實(shí)現(xiàn)管理器對各測控單元的操作。
    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，還可以通過GPRS進(jìn)行無線連接操作，從而使得用戶任何時候都能對其進(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，并定時將監(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，可以及時地監(jiān)測每一設(shè)備的運(yùn)行情況。對監(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(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程監(jiān)控突破了時間、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
    嵌入式測控單元相當(dāng)于傳感網(wǎng)的各個節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)信息的采集，并將其他如光信號、化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，并送給微控制器，對其進(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核心，配以SDRAM、NAND FLASH、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RS 232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。

    軟件系統(tǒng)則主要考慮啟動程序、各種驅(qū)動程序、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Motoro-la，NEC，ARM等多種硬件平臺上穩(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)。放選擇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。
2．2 Web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求、分析請求、響應(yīng)請求、向客戶端返回請求結(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)用價值。
    Boa程序的移植主要分為以下幾個步驟：
    (1)針對ARM-Linux系統(tǒng)下載Boa源碼并解壓之；
    (2)生成并修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC=／usr／local／arm／2．95．3／bin／arm-linux-gcc修改CPP=gcc-E為CPP=／usr／  local／arm／2．95．3／bin／arm-linux-gcc-E；
    (3)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)86．20 Kb／s，發(fā)送速率可達(dá)21．5 Kb／s，并且很容易集成，它和ARM2440處理器的UART1接口經(jīng)TTL 232電平轉(zhuǎn)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4 800 b／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(wǎng)絡(luò)與ARM的智能家居平臺，其主要目的是對住房內(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
    嵌入式測控單元分布在住房內(nèi)的各個地方，主要負(fù)責(zé)對現(xiàn)場的信息進(jìn)行采集和對其進(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NIS-09C，它適合各種高靈敏度煙霧探測與火災(zāi)報警。
    當(dāng)檢測到濕度高于所規(guī)定范圍時，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，也可控制滅火器的開關(guān)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(zāi)進(jìn)行有效的避免。
    用電器的遠(yuǎn)程控制開關(guān)是通過一個控制電路實(shí)現(xiàn)的，其電路圖如圖3所示。

    微控制器的輸出信號經(jīng)晶體管驅(qū)動后作為繼電器的輸入信號。當(dāng)微控制器的輸出為低電平時晶體管飽和，驅(qū)動繼電器通電吸合，負(fù)載通電；當(dāng)微控制器輸出為高電平時，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)計要點(diǎn)
    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(qū)動程序進(jìn)行編寫，在Linux交叉開發(fā)平臺中進(jìn)行配置，裁剪多余的驅(qū)動，留下對本平臺有用的驅(qū)動，保存后重新編譯，最后將其下載到FLASH當(dāng)中，而其他的測控服務(wù)器軟件則元需改變即可使用。
    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)對其進(jìn)行相應(yīng)的配置，則可使此遠(yuǎn)程測控平臺比較寬泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，對于不同的情況，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
    本文提出了基于傳感網(wǎng)的嵌入式遠(yuǎn)程測控平臺的一個通用Web遠(yuǎn)程測控架構(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，報警及時，有利于能源節(jié)約等特點(diǎn)可看出，研究遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)人工智能對社會進(jìn)步的重要性。