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(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行無線連接操作，從而使得用戶任何時候都能對其進(jìn)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(jìn)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(hù)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(jìn)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。