基于WSN和GPRS的遠程測控系統

0 引言

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。

1 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。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 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。