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研究領(lǐng)域，它具有信號采集,、實時監(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網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通需被控制的設(shè)備,，通過本地計算機對遠(yuǎn)方設(shè)備進行查詢,、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,。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，由此實現(xiàn)遠(yuǎn)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(tǒng)領(lǐng)域也正在進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)品的實時性,、安全性、可維護性等方面得到大幅度的提高,，同時也更利于實現(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方式的嵌入式遠(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)端管理主機這三部分組成,。

　　圖1 遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)基本構(gòu)架

　　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進行無線連接操作，從而使得用戶任何時候都能對其進行控制,。

　　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)點的參數(shù),，送入嵌入式系統(tǒng)進行處理和存儲，并定時將監(jiān)測信息傳送到測控服務(wù)器,，通過服務(wù)器反映到管理機上,，從而實現(xiàn)對各測控設(shè)備的控制。該遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)實現(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，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,、NANDFLASH、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RS232電平,，可實現(xiàn)GPS和GPRS通信,。該系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

　　圖2 嵌入式系統(tǒng)硬件框圖

　　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Motorola，NEC,，ARM等多種硬件平臺上穩(wěn)定,、高效運行，具有強大的網(wǎng)絡(luò)功能和卓越的文件系統(tǒng)支持功能等優(yōu)點,。故選擇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：

　?。?）針對ARM-Linux系統(tǒng)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;

　　（3）配置Boa服務(wù)器后下載Boa服務(wù)器,。將編譯后的二進制文件下載到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,，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)86.20Kb/s,，發(fā)送速率可達(dá)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(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4800b/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)程管理機則通過智能測控單元中的動態(tài)網(wǎng)頁實現(xiàn)與智能測控單元的通信，進而讀取信息,，發(fā)布執(zhí)行指令,。

　　3 應(yīng)用實例及分析

　　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［11］等領(lǐng)域取得了實際可行的應(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)場的信息進行采集和對其進行控制,，其主要功能包括采集住房內(nèi)溫濕度等環(huán)境因素，對各用電器進行檢測與控制,，實現(xiàn)與測控服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)通信與實現(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NIS09C，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現(xiàn)的,，其電路圖如圖3所示,。

　　圖3 遠(yuǎn)程控制開關(guān)控制電路

　　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)端管理機可以控制用電器的開關(guān),。

　　3.2 軟件設(shè)計要點

　　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)動程序進行編寫，在Linux交叉開發(fā)平臺中進行配置,，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)器軟件則無需改變即可使用。

　　經(jīng)多次測試與實驗,，驗證了該方案的可行性,。利用中間件技術(shù)對其進行相應(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,，驗證了此方案的可行性。從該系統(tǒng)所具有的安全性強,，成本低,，帶有智能，報警及時,，有利于能源節(jié)約等特點可看出，研究遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢,，實現(xiàn)人工智能對社會進步的重要性。