基于无线传感器网络的嵌入式远程测控系统研究

 

　　嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统对可靠性、成本、体积、功耗等功能有严格要求的专用计算机系统。它一般由硬件和软件组成。其中，硬件包括嵌入式微处理器和外围设备;软件包括嵌入式操作系统与特定的应用程序。嵌入式技术可广泛用于对其他设备的控制、监视或管理功能。

　　测控技术指对某一特性的监测与控制。远程测控指管理人员在异地通过计算机网络联通需被控制的设备，通过本地计算机对远方设备进行查询、配置、修改等工作。远程测控技术能够实现办公自动化与工业自动化的无缝连接，且已成为新兴的研究热点。随着网络的需求与发展，B/S模式迅速发展。利用此模式，客户端只需安装Web浏览器即可简单通过浏览器从Web服务器上下载程序到本地来执行，由此实现远程测控。

　　计算机技术、通信技术和微电子技术的飞速发展，让测控系统领域也正在进行着一场巨大的变革，网络化和信息化已经成为了测控系统的发展方向。综合传感网技术、嵌入式技术与工业测控技术，构建一个基于Web方式的远程测控系统可使测控产品的实时性、安全性、可维护性等方面得到大幅度的提高，同时也更利于实现集中监视、统一调度与优化管理。本文结合各项技术介绍了一个基于Web方式的嵌入式远程测控系统，并利用该方案成功实现了一智能家居系统。

　　1 远程监控系统的总体结构设计

　　基于Web方式的嵌人式远程测控系统的基本架构如图1所示。该远程测控系统主要由嵌入式测控单元、本地服务器与远端管理主机这三部分组成。

　　

 

　　位于最底层的嵌入式测控单元主要分布在各个测控节点上，由中央处理器、传感器、执行器、网络接口、GPS模块、GPRS模块等组成，负责采集现场的环境参数，并将各参数与设定值比较，若超出规定范围，则会利用报警器报警，并让各执行器工作，以获得正常参数范围，且将测试数据通过订制协议传送到本地服务器，从而到达远端管理器显示。GPS模块可清楚定位发生故障的设备，GPRS模块作为无线收发模块可在有线网络出现故障时实现高质量的数据传送，为把嵌入式系统应用到远程测控系统中提供了非常现实可行的意义。

　　位于中间作为桥梁的是本地服务器，主要接收各测控单元上传的监测参数，并保存到数据库中，定时查询与分析测控单元的状态，如果发现它出现错误，则立即短信通知用户。同时，服务器也需定时将数据库中的数据及时反馈给远端管理器，使用户在第一时间监测到各测控设备的情况，并实现管理器对各测控单元的操作。

　　最顶层则是远端管理器，它可以系统地对各测控单元进行分析、查询和管理，可以接收测控服务器上传的各种信息，也能发出命令对底层的单元进行控制与处理，且可根据IP地址直接控制某一特定的测控单元，对各设备进行统一管理。当有线网络出现故障时，还可以通过GPRS进行无线连接操作，从而使得用户任何时候都能对其进行控制。

　　该系统通过前端传感器模块和信息接收模块收集各节点的参数，送入嵌入式系统进行处理和存储，并定时将监测信息传送到测控服务器，通过服务器反映到管理机上，从而实现对各测控设备的控制。该远程测控系统实现了将小设备挂到Internet上，可以及时地监测每一设备的运行情况。对监控系统来说，网络监控方式灵活，系统施工和维护造价相对低廉，可保存的数据量更大，数据存储方式更多，系统集成度更高。以网络为基础的远程监控突破了时间、地域的限制，只要在有网络存在的地方，用户在授权的情况下，就可以不受限制地随时按需监控，实现即插即用。

　　2 关键技术研究

　　2.1 嵌入式系统设计

　　嵌入式测控单元相当于传感网的各个节点，主要负责信息的采集，并将其他如光信号、化学信号转化为电信号，并送给微控制器，对其进行处理。该测控设备是由嵌入式技术研发的具有智能检测与控制的系统，它以中央微处理器为核心，配以SDRAM、NAND FLASH、网络接口RJ-45、4线触摸屏接口、串行接口、LCD、USB口、SD卡存储接口与A/D和D/A转换器。使用UART1和UART2通过SP3243ECA芯片将TTL电平转化为RS 232电平，可实现GPS和GPRS通信。该系统硬件框图如图2所示。

　　

 

　　软件系统则主要考虑启动程序、各种驱动程序、操作系统与应用程序。Linux操作系统开放源代码，可以裁剪内核，并且已经在Motoro-la，NEC，ARM等多种硬件平台上稳定、高效运行，具有强大的网络功能和卓越的文件系统支持功能等优点。放选择Linux操作系统，并根据具体应用，经裁剪和交叉编译后，形成ARM可执行文件，借助串行口和网络口下载到FLASH之中。测控单元的应用程序主要包括数据采集模块、液晶显示模块、键盘控制模块、网络服务模块、通信服务模块与控制执行模块等。为了构建更好的人机界面，将QT/Embedded图形用户界面支持系统移植到Linux中，并开发相应的图形用户界面。

　　2.2 Web应用技术

　　该系统采用B/S模式，为了能够从测控服务器或测控管理机通过浏览器直接访问智能测控单元，在智能测控单元中必须具备Web服务器功能。在嵌入式Linux平台下，使用.Boa作为Web服务器，可以使系统稳定高效地在目标系统中运行，并且使用和维护方便，可靠性高。嵌入式Web服务器Boa和普通Web服务器一样，能够完成接收客户端请求、分析请求、响应请求、向客户端返回请求结果等任务。与其他传统的Web服务器不同的是Boa具有很高的HTTP请求处理速度和效率，在嵌入式系统中具有很高的应用价值。

　　Boa程序的移植主要分为以下几个步骤：

　　(1)针对ARM-Linux系统下载Boa源码并解压之;

　　(2)生成并修改Makefile文件，修改CC=gcc为CC=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc修改CPP=gcc-E为CPP=/usr/ local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc-E;

　　(3)配置Boa服务器后下载Boa服务器。将编译后的二进制文件下载到FLASH之中后Web服务器则具有了Web服务器功能。