基于嵌入式技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)

張 繼 平，崔 洪 亮，項 伯 陽，于 忠 得

(大連工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116034)

0 引 言

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)場總線技術(shù)和單片機應(yīng)用技術(shù)的有線網(wǎng)絡(luò)，底層節(jié)點和上層節(jié)點設(shè)備之間的通信，需要通過現(xiàn)場施工布線實現(xiàn)，設(shè)備移動困難，尤其在需要增刪底層節(jié)點設(shè)備時，必須通過現(xiàn)場的改線、布線施工才能完成，十分不便。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，最近幾年推出一種新的網(wǎng)絡(luò)——無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，用于工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的底層網(wǎng)絡(luò)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用難點在于保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。Zigbee無線傳感器設(shè)備搜索時延一般為30ms，休眠激活和活動設(shè)備信道接入時延分別為15ms。由此可見，Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸時延在100ms以內(nèi)，通過采用短幀數(shù)據(jù)傳輸、改變網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步降低傳輸時延，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性[1]。

為了解決傳統(tǒng)的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的布線困難、設(shè)備難于移動、設(shè)備節(jié)點增刪帶來的高難度布線施工等問題，本文提出了一個由3層節(jié)點設(shè)備、二級網(wǎng)絡(luò)組成的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案，其中底層傳感器節(jié)點和中間層數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間，利用Zigbee無線技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，避免了組網(wǎng)、改網(wǎng)過程的布線施工，節(jié)省人力物力。中間數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設(shè)計，采用了嵌入式技術(shù)，在ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的支持下，不僅實現(xiàn)一般數(shù)據(jù)采集節(jié)點的功能，而且具有很好的人機交互界面和網(wǎng)絡(luò)瀏覽功能。中間層數(shù)據(jù)采集節(jié)點與上層之間采用以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程瀏覽。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分傳感層、數(shù)據(jù)采集層、Web層。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 System diagram

傳感層由數(shù)據(jù)采集模塊(傳感器檢測電路、放大電路、A／D轉(zhuǎn)換器)、數(shù)據(jù)處理和控制模塊(微處理器、存儲器)、通信模塊(Zigbee無線收發(fā)器)構(gòu)成。實現(xiàn)將傳感器檢測的物理參數(shù)變成數(shù)字信號，經(jīng)過處理后，通過Zigbee無線收發(fā)器發(fā)送到上層的采集節(jié)點。

處于網(wǎng)絡(luò)中間的數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)備，是系統(tǒng)的核心設(shè)備，硬件由ARM9微處理器、存儲器、彩色LCD顯示器、串口控制器，以太網(wǎng)控制器、Zigbee無線收發(fā)器等部件組成，在Linux操作系統(tǒng)的支持下，編程實現(xiàn)向下通過Zigbee無線收發(fā)器實現(xiàn)與傳感器節(jié)點的通信，采集其檢測的數(shù)據(jù)；向上通過以太網(wǎng)和Web服務(wù)器，支持Web層的數(shù)據(jù)瀏覽；數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)備，通過彩色LCD顯示屏，可以實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的實時顯示和其他的人機交互功能。

Web層主要是PC機等網(wǎng)絡(luò)顯示操作設(shè)備。通過訪問數(shù)據(jù)采集層提供的域名，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程訪問[2]。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件部分的設(shè)計主要包括：傳感器節(jié)點軟件設(shè)計和數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計。

2.1 傳感器節(jié)點軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點軟件設(shè)計采用傳統(tǒng)的前／后臺(超循環(huán))系統(tǒng)設(shè)計，利用中斷服務(wù)程序(前臺行為)保證數(shù)據(jù)采集的實時性。主要實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸數(shù)據(jù)的封裝及響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)上層節(jié)點的調(diào)度命令四部分功能。

2.2 數(shù)據(jù)采集節(jié)點軟件設(shè)計

數(shù)據(jù)采集節(jié)點通過Zigbee模塊、接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，在本地存儲，并提供web端的遠(yuǎn)程訪問功能。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計主要包括：Linux操作系統(tǒng)移植、Linux設(shè)備驅(qū)動開發(fā)、GUI(GTK)移植及應(yīng)用程序開發(fā)四部分。

2.2.1 Linux操作系統(tǒng)移植

獲取Linux內(nèi)核源代碼，根據(jù)目標(biāo)板硬件對系統(tǒng)進(jìn)行裁剪與移植。

2.2.2 Linux設(shè)備驅(qū)動的開發(fā)

基于input子系統(tǒng)與平臺總線結(jié)合的方式開發(fā)觸摸屏驅(qū)動。

Linux內(nèi)核提供了平臺設(shè)備注冊函數(shù)platform＿device＿register()和平臺驅(qū)動注冊函數(shù)platform＿driver＿register().驅(qū)動模塊初始化的時候，調(diào)用平臺設(shè)備probe方法完成對驅(qū)動程序IO內(nèi)存申請與映射、中斷號注冊、硬件IO初始化、設(shè)備結(jié)構(gòu)初始化與注冊[3]。

Linux輸入子系統(tǒng)為輸入設(shè)備提供統(tǒng)一的編程接口，驅(qū)動設(shè)計的核心工作是向系統(tǒng)報告觸摸屏輸入事件。Linux內(nèi)核提供input＿report＿xxx()函數(shù)用于報告事件的發(fā)生和按鍵的坐標(biāo)等[4]。

驅(qū)動完成后，將驅(qū)動加入內(nèi)核中進(jìn)行驅(qū)動模塊的編譯，將編譯好的驅(qū)動模塊轉(zhuǎn)入目標(biāo)系統(tǒng)中，在串口終端下加載模塊后，查看驅(qū)動模塊信息如圖2。

圖2 Touchscree.ko模塊信息Fig.2 Touchscree.ko model message

2.2.3 GUI(GTK)移植及應(yīng)用程序開發(fā)

(1)移植GTK圖形開發(fā)庫，采用GTK實現(xiàn)數(shù)據(jù)本地顯示，主要提供實時曲線，歷史曲線，參數(shù)設(shè)置界面等。

(2)Zigbee數(shù)據(jù)采集程序開發(fā)，利用GTK提供線程接口，建立一個數(shù)據(jù)采集線程，此線程負(fù)責(zé)讀取Zigbee模塊上傳的數(shù)據(jù)，并根據(jù)底層設(shè)備生成的id生成realtime數(shù)據(jù)文件。

gtk＿init(＆argc，＆argv)；

gtk＿creatdisplay()；

g＿thread＿create(getzigbeedata，F(xiàn)ALSE，NULL)；

上面是一段gtk初始化及線程啟動程序，gtk＿init(＆argc，＆argv)用于初始化GTK環(huán)境，gtk＿creatdisplay()函數(shù)用于生成并維護(hù)所有顯示界面，通過g＿thread＿creat()啟動一個數(shù)據(jù)采集線程。getzigbeedata()為數(shù)據(jù)采集程序，主要實現(xiàn)讀取串口數(shù)據(jù)。在Linux下設(shè)置串口的參數(shù)被包含在struct termios結(jié)構(gòu)中[5]。

根據(jù)實際應(yīng)用進(jìn)行參數(shù)設(shè)置完成后，通過readdatafromtty函數(shù)讀取串口數(shù)據(jù)，并檢測數(shù)據(jù)的有效性。在程序設(shè)計中，底層設(shè)備id為唯一的設(shè)備標(biāo)識，通過這個標(biāo)識來區(qū)別不同設(shè)備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式為：

paranum用于表示設(shè)備所要上傳的參數(shù)數(shù)量，struct para用于描述上傳的參數(shù)，指示參數(shù)編碼及對應(yīng)參數(shù)的數(shù)據(jù)。

圖3 Zigbee數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.3 Zigbee data acquisition flow chart

2.3 Boa服務(wù)器應(yīng)用開發(fā)

在Linux下移植Boa服務(wù)器，利用C語言開發(fā)CGI動態(tài)腳本程序，通過客戶端瀏覽器來訪問，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程顯示[6]，如圖4。

圖4 實時數(shù)據(jù)Fig.4 Real－time data

3 結(jié) 論

本課題在實驗室環(huán)境下，采用傳感器節(jié)點與18B20溫度傳感器結(jié)合的方式，采集溫度數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)封裝后通過Zigbee通信模塊發(fā)送出去，接收端采用Zigbee模塊，利用接收程序，讀取上傳數(shù)據(jù)，并寫入文件。在學(xué)校局域網(wǎng)范圍內(nèi)，通過移植的Boa服務(wù)器結(jié)合移植的Linux端花生殼軟件，實現(xiàn)了通過域名訪問本地服務(wù)器的功能。

通過以上工作，完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測系統(tǒng)硬件平臺和軟件開發(fā)環(huán)境等關(guān)鍵技術(shù)的初步研究工作。提出在保證數(shù)據(jù)傳輸實時性的基礎(chǔ)上解決傳統(tǒng)傳感器網(wǎng)絡(luò)布線困難、設(shè)備難于移動的問題。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、ARM處理器、Linux操作系統(tǒng)引入到檢測系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)運行速度和穩(wěn)定性，使系統(tǒng)擁有良好的人機界面和以太網(wǎng)接口，方便遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查看。Linux系統(tǒng)和GTK的使用，使軟件的開發(fā)更容易。

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