嵌入式遠程測控系統設計方案

近年來(lái)，一種被稱(chēng)為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的新型網(wǎng)絡(luò )出現了。這種由多個(gè)具有計算處理、無(wú)線(xiàn)通信、傳感或控制能力的單節點(diǎn)構成的無(wú)限傳感器網(wǎng)絡(luò )是當前國際上倍受關(guān)注的、多學(xué)科前沿熱點(diǎn)研究領(lǐng)域，它具有信號采集、實(shí)時(shí)監測、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(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)監控各種環(huán)境和設施成為可能。傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的核心，主要應用于物聯(lián)網(wǎng)中的信息感知層，用于跟蹤、監測和決策支持，實(shí)現智能感知和管理。

　　嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術(shù)為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對可靠性、成本、體積、功耗等功能有嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。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備；軟件包括嵌入式操作系統與特定的應用程序。嵌入式技術(shù)可廣泛用于對其他設備的控制、監視或管理功能。

　　測控技術(shù)指對某一特性的監測與控制。遠程測控指管理人員在異地通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )聯(lián)通需被控制的設備，通過(guò)本地計算機對遠方設備進(jìn)行查詢(xún)、配置、修改等工作。遠程測控技術(shù)能夠實(shí)現辦公自動(dòng)化與工業(yè)自動(dòng)化的無(wú)縫連接，且已成為新興的研究熱點(diǎn)。隨著(zhù)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(hù)端只需安裝Web瀏覽器即可簡(jiǎn)單通過(guò)瀏覽器從Web服務(wù)器上下載程序到本地來(lái)執行，由此實(shí)現遠程測控。

　　計算機技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，讓測控系統領(lǐng)域也正在進(jìn)行著(zhù)一場(chǎng)巨大的變革，網(wǎng)絡(luò )化和信息化已經(jīng)成為了測控系統的發(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)，構建一個(gè)基于Web方式的遠程測控系統可使測控產(chǎn)品的實(shí)時(shí)性、安全性、可維護性等方面得到大幅度的提高，同時(shí)也更利于實(shí)現集中監視、統一調度與優(yōu)化管理。本文結合各項技術(shù)介紹了一個(gè)基于Web方式的嵌入式遠程測控系統，并利用該方案成功實(shí)現了一智能家居系統。

　　遠程監控系統的總體結構設計

　　基于Web方式的嵌入式遠程測控系統的基本架構如圖1所示。該遠程測控系統主要由嵌入式測控單元、本地服務(wù)器與遠端管理主機這三部分組成。
　

圖1 遠程測控系統基本構架

　　位于最底層的嵌入式測控單元主要分布在各個(gè)測控節點(diǎn)上，由中央處理器、傳感器、執行器、網(wǎng)絡(luò )接口、GPS模塊、GPRS模塊等組成，負責采集現場(chǎng)的環(huán)境參數，并將各參數與設定值比較，若超出規定范圍，則會(huì )利用報警器報警，并讓各執行器工作，以獲得正常參數范圍，且將測試數據通過(guò)訂制協(xié)議傳送到本地服務(wù)器，從而到達遠端管理器顯示。GPS模塊可清楚定位發(fā)生故障的設備，GPRS模塊作為無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊可在有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)實(shí)現高質(zhì)量的數據傳送，為把嵌入式系統應用到遠程測控系統中提供了非?，F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測參數，并保存到數據庫中，定時(shí)查詢(xún)與分析測控單元的狀態(tài)，如果發(fā)現它出現錯誤，則立即短信通知用戶(hù)。同時(shí)，服務(wù)器也需定時(shí)將數據庫中的數據及時(shí)反饋給遠端管理器，使用戶(hù)在第一時(shí)間監測到各測控設備的情況，并實(shí)現管理器對各測控單元的操作。

　　最頂層則是遠端管理器，它可以系統地對各測控單元進(jìn)行分析、查詢(xún)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IP地址直接控制某一特定的測控單元，對各設備進(jìn)行統一管理。當有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )出現故障時(shí)，還可以通過(guò)GPRS進(jìn)行無(wú)線(xiàn)連接操作，從而使得用戶(hù)任何時(shí)候都能對其進(jìn)行控制。

　　該系統通過(guò)前端傳感器模塊和信息接收模塊收集各節點(diǎn)的參數，送入嵌入式系統進(jìn)行處理和存儲，并定時(shí)將監測信息傳送到測控服務(wù)器，通過(guò)服務(wù)器反映到管理機上，從而實(shí)現對各測控設備的控制。該遠程測控系統實(shí)現了將小設備掛到Internet上，可以及時(shí)地監測每一設備的運行情況。對監控系統來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò )監控方式靈活，系統施工和維護造價(jià)相對低廉，可保存的數據量更大，數據存儲方式更多，系統集成度更高。以網(wǎng)絡(luò )為基礎的遠程監控突破了時(shí)間、地域的限制，只要在有網(wǎng)絡(luò )存在的地方，用戶(hù)在授權的情況下，就可以不受限制地隨時(shí)按需監控，實(shí)現即插即用。

　　關(guān)鍵技術(shù)研究

　　嵌入式系統設計

　　嵌入式測控單元相當于傳感網(wǎng)的各個(gè)節點(diǎn)，主要負責信息的采集，并將其他如光信號、化學(xué)信號轉化為電信號，并送給微控制器，對其進(jìn)行處理。該測控設備是由嵌入式技術(shù)研發(fā)的具有智能檢測與控制的系統，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(xiàn)觸摸屏接口、串行接口、LCD、USB口、SD卡存儲接口與A/D和D/A轉換器。使用UART1和UART2通過(guò)SP3243ECA芯片將TTL電平轉化為RS232電平，可實(shí)現GPS和GPRS通信。該系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式系統硬件框圖

軟件系統則主要考慮啟動(dòng)程序、各種驅動(dòng)程序、操作系統與應用程序。Linux操作系統開(kāi)放源代碼，可以裁剪內核，并且已經(jīng)在Motorola，NEC，ARM等多種硬件平臺上穩定、高效運行，具有強大的網(wǎng)絡(luò )功能和卓越的文件系統支持功能等優(yōu)點(diǎn)。故選擇Linux操作系統，并根據具體應用，經(jīng)裁剪和交叉編譯后，形成ARM可執行文件，借助串行口和網(wǎng)絡(luò )口下載到FLASH之中。測控單元的應用程序主要包括數據采集模塊、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)控制模塊、網(wǎng)絡(luò )服務(wù)模塊、通信服務(wù)模塊與控制執行模塊等。為了構建更好的人機界面，將QT/Embedded圖形用戶(hù)界面支持系統移植到Linux中，并開(kāi)發(fā)相應的圖形用戶(hù)界面。

　　Web應用技術(shù)

　　該系統采用B/S模式，為了能夠從測控服務(wù)器或測控管理機通過(guò)瀏覽器直接訪(fǎng)問(wèn)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，可以使系統穩定高效地在目標系統中運行，并且使用和維護方便，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(hù)端請求、分析請求、響應請求、向客戶(hù)端返回請求結果等任務(wù)。與其他傳統的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，在嵌入式系統中具有很高的應用價(jià)值。

　　Boa程序的移植主要分為以下幾個(gè)步驟：

　?。?）針對ARM-Linux系統下載Boa源碼并解壓之；
　?。?）生成并修改Makefile文件，修改CC=gcc為CC=/usr/local/arm/2.95.3/bin/armlinuxgcc修改CPP=gccE為CPP=/usr/local/arm/2.95.3/bin/arm-linux-gcc-E;
　?。?）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。

　　數據通信技術(shù)

　　該系統的通信主要包括有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、無(wú)線(xiàn)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)，在數據通信業(yè)務(wù)中得到了非常廣泛的應用，所以在該系統的設計中選用了西門(mén)子公司的GPRS模塊MC35來(lái)傳輸采集的數據。

　　MC35模塊支持GSM900和GSM1800雙頻網(wǎng)絡(luò )，接收速率可達86.20Kb/s，發(fā)送速率可達21.5Kb/s，并且很容易集成，它和ARM2440處理器的UART1接口經(jīng)TTL232電平轉換后連接。

　　安裝GPS衛星定位系統，可以隨時(shí)確定智能測控單元的位置。該系統的GPS接收模塊采用Motorala公司的M12+ONCORE，該模塊的串行通信參數為波特率4800b/s;8位數據位；1位停止位。

　　測控單元與本地服務(wù)器以及遠程管理機的通信則通過(guò)TCP/IP協(xié)議，但TCP/IP協(xié)議族中的協(xié)議數量龐大，而嵌入式系統的資源有限。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(jiǎn)化應該遵循兩個(gè)原則：一是不能改變其面向連接的特性；二是它的簡(jiǎn)化必須能配合其應用層所采用的協(xié)議。本地服務(wù)器和遠程管理機則通過(guò)智能測控單元中的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)實(shí)現與智能測控單元的通信，進(jìn)而讀取信息，發(fā)布執行指令。

　　應用實(shí)例及分析

　　隨著(zhù)傳感器技術(shù)、半導體制作技術(shù)和嵌入式處理技術(shù)等的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)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。其應用領(lǐng)域也開(kāi)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )在環(huán)境監控、工業(yè)控制、智能城市和智能家居［11］等領(lǐng)域取得了實(shí)際可行的應用成果。在電子技術(shù)越來(lái)越發(fā)達的今天，電子產(chǎn)業(yè)也掀起了一場(chǎng)革命，而人們對生活便捷性的要求也越來(lái)越高。針對該現象，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?jì)鹊幕鹁?、雨水等環(huán)境參數和各種設備進(jìn)行監控與控制，使住戶(hù)無(wú)需親臨現場(chǎng)就可以對分布在不同位置的設備進(jìn)行遠程控制。

　　嵌入式測控單元器件選擇與設計

　　嵌入式測控單元分布在住房?jì)鹊母鱾€(gè)地方，主要負責對現場(chǎng)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?jì)葴貪穸鹊拳h(huán)境因素，對各用電器進(jìn)行檢測與控制，實(shí)現與測控服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò )通信與實(shí)現Web服務(wù)器功能。

　　該系統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(hù)上，負責采集濕度，根據是否下雨來(lái)控制窗體的開(kāi)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(lài)性與良好的線(xiàn)性度?；鹁瘻y量傳感器采用NIS09C，它適合各種高靈敏度煙霧探測與火災報警。

　　當檢測到濕度高于所規定范圍時(shí)，則調用執行器關(guān)閉窗戶(hù)，反之，則不進(jìn)行操作；當檢測到煙霧時(shí)，也可控制滅火器的開(kāi)關(guān)與門(mén)窗的開(kāi)合，同時(shí)報警器報警，通過(guò)短信通知住戶(hù)來(lái)對火災進(jìn)行有效的避免。

　　用電器的遠程控制開(kāi)關(guān)是通過(guò)一個(gè)控制電路實(shí)現的，其電路圖如圖3所示。

圖3 遠程控制開(kāi)關(guān)控制電路

　　微控制器的輸出信號經(jīng)晶體管驅動(dòng)后作為繼電器的輸入信號。當微控制器的輸出為低電平時(shí)晶體管飽和，驅動(dòng)繼電器通電吸合，負載通電；當微控制器輸出為高電平時(shí)，晶體管截止，繼電器斷電釋放，負載斷電。因此通過(guò)遠端管理機可以控制用電器的開(kāi)關(guān)。

　　軟件設計要點(diǎn)

　　對該方案而言，需將濕度、煙霧的監測與蜂鳴器、短信的控制驅動(dòng)程序進(jìn)行編寫(xiě)，在Linux交叉開(kāi)發(fā)平臺中進(jìn)行配置，裁剪多余的驅動(dòng)，留下對本平臺有用的驅動(dòng)，保存后重新編譯，最后將其下載到FLASH當中，而其他的測控服務(wù)器軟件則無(wú)需改變即可使用。

　　經(jīng)多次測試與實(shí)驗，驗證了該方案的可行性。利用中間件技術(shù)對其進(jìn)行相應的配置，則可使此遠程測控平臺比較寬泛地應用于各個(gè)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的驅動(dòng)程序，而作為上層的數據傳輸及各種應用程序都無(wú)需變化。

　　結語(yǔ)

　　本文提出了基于傳感網(wǎng)的嵌入式遠程測控平臺的一個(gè)通用Web遠程測控架構，闡述了該系統的結構及系統的關(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(guò)在一智能家居系統的成功應用，驗證了此方案的可行性。從該系統所具有的安全性強，成本低，帶有智能，報警及時(shí)，有利于能源節約等特點(diǎn)可看出，研究遠程監測系統，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢，實(shí)現人工智能對社會(huì )進(jìn)步的重要性。