（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现.pdf

嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 摘要 我国经济的快速发展，使得人民生活水平显著提高，集中式的供暖供热也已经成为一 种趋势，政府已经在我国部分城市和农村开始推广。集中式的供暖方式无疑可以节省能源， 减少对大气环境的污染，同时还可以改善人民的生活。但是对于普通的供暖用户来说，按 房屋的建筑面积或者按供暖的有效面积来计算热量的费用显然是不合算的，目前我们国家 迫切需要一种可以按照实际使用热量来收取费用的管理方式。基于目前如此的现状，我们 提出设计一种集中热表管理系统是非常符合实际需求的。 大范围多用户热表集中管理需要对高负荷数据量进行处理，普通工业级的单片机很难 能够达到如此的处理能力。而随着嵌入式系统开发的逐渐成熟，具有高处理速度的嵌入式 芯片完全可以胜任集中热表管理对高数据量处理能力的要求。本篇论文就是在研究了国内 外同类产品的前提下提出了一种嵌入式无线集中热表管理系统，这套系统集合了当今科技 最新的热点技术包括嵌入式l i n u x 系统、g p r s 远距离无线通信和z i g b e e 近距离无线通 信技术。针对热表行业特殊的应用环境要求，本系统采用了目前市场上比较流行的a r m 9 的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 和嵌入式l i n u x 系统，形成了一整套的软硬件结合的信息采集 系统。为了方便用户的信息查询和热表费用的交纳，本系统采用了r f i d 无线射频技术， 每个用户都有一张非接触式的射频卡，用户的热表信息都存储在这张卡上。本系统通过 z i g b e e 无线网络将区域内的热表数据集中抄取到终端设备上，经过嵌入式系统对数据进 行分类整理，最终通过g p r s 远距离无线通信网络将数据发送到信息处理服务器上，服务 器上运行数据库分析管理软件，经过强大的信息处理后最终将用户信息以网页浏览的形式 展现给用户。 本篇论文主要在以下几方面做了详细的研究工作： 首先是针对嵌入式l i n u x 系统的研究，从系统平台的搭建和交叉编译环境的设置到内 核移植以及文件系统的构建，本文形成了一整套自己的开发平台。 在科技创新方面，本系统融合了当今最先进的无线通信技术，完美的将z i g b e e 技术 和g p r s 技术整合在一起，解决了无线近距离和远距离的通信问题。同时又将r f i d 射频 技术融合到本系统中，更加提升了本系统的科技含量。 在软件创新方面，本系统采用了模块化设计，同时使用了多线程技术并将网络编程技 术完美的融合了进来，实现了信息的多通道高速度的远程传输。 关键词：远程传输，嵌入式，r f i d ，a r m 9 ，l i n u x 第1 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 a b s t r a c t o u rc o u n t r y sr a p i de c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，m a k i n gs i g n i f i c a n t l yi m p r o v ep e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，c e n t r a l i z e dh e a t i n gs u p p l yh a sb e c o m eat r e n d ，t h eg o v e r n m e n th a sb e e np a r to fo u r c o u n t r ya tt h eb e g i n n i n go ft h ep r o m o t i o no fu r b a na n dr u r a la r e a s c e n t r a l i z e da p p r o a c hi sn o d o u b tt h a tt h eh e a t i n gt os a v ee n e r g ya n dr e d u c ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o no ft h ea t m o s p h e r e ，b u t a l s oc a ni m p r o v et h el i v e l i h o o do ft h ep e o p l e b u tf o ro r d i n a r yh e a t i n gu s e r s ，b yb u i l d i n gh o u s i n g a r e ao rb yh e a t i n gt h ee f f e c t i v ea r e at oc a l c u l a t et h ec o s to fh e a ti sn o tc o s t - e f f e c t i v e ，a n di s c u r r e n t l ya nu r g e n tn e e df o ro u rc o u n t r yi na c c o r d a n c e 、i mt h ea c t u a lu s eo fh e a tt ot h e m a n a g e m e n tf e e b a s e do nt h ec u r r e n ts t a t u so ft h ec a s e ，w ep r o p o s et h ed e s i g no fac e n t r a l i z e d m a n a g e m e n ts y s t e mt a b l e sa r eh o tv e r ym u c hi nl i n ew i t ha c t u a ld e m a n d l a r g e s c a l em u l t i - u s e rh o tt a b l ec e n t r a l i z e dm a n a g e m e n tr e q u i r e d f o r h i g h l o a d d a t a p r o c e s s i n g ，g e n e r a li n d u s t r i a lg r a d es i n g l e c h i ph a r dt ob ea b l et oa c h i e v et h ea b i l i t yt od e a lw i 也 t h i s w i t ht h ep r o g r e s s i v ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m sm a t u r e ，诚t hh i g hp r o c e s s i n gs p e e d o ft h ee m b e d d e dc h i pc a nd ot of o c u so nt h eh o tm e t e rm a n a g e m e n ta b i l i t yt oh a n d l eh i g hd a t a v o l u m er e q u i r e m e n t s t h i st h e s i si st h es t u d yo fs i m i l a rp r o d u c t sa th o m ea n da b r o a du n d e rt h e p r e m i s eo f af o c u so ne m b e d d e dw i r e l e s sh o tt a b l em a n a g e m e n ts y s t e m ，t h es y s t e mc o m b i n e st h e l a t e s tt e c h n o l o g yi nt o d a y sh o tt e c h n o l o g i e s ，i n c l u d i n ge m b e d d e dl i n u xs y s t e m s ，g p r sw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n sa n dr e m o t ez i g b e ec l o s er a n g ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s h o t f o r mf o rt h ea p p l i c a t i o no fi n d u s t r y s p e c i f i ce n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t s ，t h es y s t e mu s e st h e c u r r e n tm a r k e tm o r ep o p u l a ra r m 9e m b e d d e dp r o c e s s o r $ 3c 2 4 4 0 aa n de m b e d d e dl i n u x s y s t e m s ，t h ef o r m a t i o no fac o m p l e t es e to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o m b i n a t i o no fi n f o r m a t i o n c o l l e c t i o ns y s t e m u s e r - f r i e n d l yi n f o r m a t i o nf o ri n q u i r i e sa n dt op a yt h ec o s to fh o tf o r m ，t h e s y s t e mu s e sr a d i of r e q u e n c yr f i dt e c h n o l o g y , e a c hu s e rh a san o n c o n t a c tr fc a r d ，t h eu s e r s i n f o r m a t i o nh o tt a b l ei ss t o r e di no nt h i sc a r d z i g b e et h es y s t e mt h r o u g ht h ew i r e l e s sn e t w o r k w i l lb eh o ti nt h er e g i o nt oc o p yt a b l ed a t ao na c c e s st ot h et e r m i n a le q u i p m e n t ，e m b e d d e d s y s t e m s ，a f t e rt h e c l a s s i f i c a t i o no fd a t ac o l l a t i o n ，ja n d u l t i m a t e l yl o n g - r a n g e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n st h r o u g ht h eg p r sn e t w o r kw i l lh a n d l ed a t as e n tt ot h ei n f o r m a t i o ns e r v e r , t h e s e r v e ro na n a l y s i so fr u n n i n gd a t a b a s em a n a g e m e n ts o f t w a r e ，a f t e r ，ap o w e r f u li n f o r m a t i o nw i l l e v e n t u a l l yd e a lw i t ht h eu s e ri n f o r m a t i o na f t e rt h ew e b b r o w s e rt od i s p l a yt h ef o r mt ot h eu s e r t h i st h e s i sm a i n l yi nt h ef o l l o w i n ga s p e c t si nd e t a i la n dt od or e s e a r c hw o r k ： f i r s to fa l l ，f o re m b e d d e dl i n u xs y s t e m ，f r o mt h e s y s t e ma n dc r o s s - p l a t f o r mb u i l d e n v i r o n m e n ts e tu pt oc o m p i l et h ek e r n e la n df i l es y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n c o n s t r u c t i o n ，t h ep a p e r f o r m e da c o m p l e t es e to fi t so w nd e v e l o p m e n tp l a t f o r m i n n o v a t i o ni ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h es y s t e mc o m b i n e st h em o s ta d v a n c e dw i r e l e s s 第1 i 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 c o m m u n i c a t i o n st e c h n o l o g y , w i l lb et h ep e r f e c tz i g b e et e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g y t o g e t h e rt os o l v eas h o r td i s t a n c ea n dl o n g d i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o b l e m r f i d r a d i of r e q u e n c yt e c h n o l o g ya tt h es a m et i m ei n t e g r a t e di n t ot h es y s t e m ，t h em o r ee n h a n c e dt h e s c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lc o n t e n to ft h es y s t e m i n n o v a t i o ni nt h es o f t w a r e ，t h e s y s t e m u s e sam o d u l a r d e s i g n ，w h i l et h eu s eo f m u l t i - t h r e a d i n ga n dn e t w o r kp r o g r a m m i n gi n p e r f e c ti n t e g r a t i o n , t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e i n f o r m a t i o no ft h el o n g r a n g em u l t i c h a n n e lh i g h - s p e e dt r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：r e m o t et r a n s m i s s i o n ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 9 ，l i n u xo s 第1 i i 页 曲阜师范大学博士硕士学位论文原创性说明 ( 在口划“”) 本人郑重声明：此处所提交的博士口硕士团论文嵌入式无线集中热 表管理系统设计与实现，是本人在导师指导下，在曲阜师范大学攻读博士 口硕士团学位期间独立进行研究工作所取得的成果。论文中除注明部分外 不包含他人已经发表或撰写的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中已明确的方式注明。本声明的法律结果将完全由本 人承担。 作者签名： 似净 睨1 孑夕 曲阜师范大学博士硕士学位论文使用授权书 ( 在口划“ ) 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现系本人在曲阜师范大学攻 读博士口硕士团学位期间，在导师指导下完成的博士口硕士团学位论 文。本论文的研究成果归曲阜师范大学所有，本论文的研究内容不得以其他 单位的名义发表。本人完全了解曲阜师范大学关于保存、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被 查阅和借阅。本人授权曲阜师范大学，可以采用影印或其他复制手段保存论 文，可以公开发表论文的全部或部分内容。 作者签名： 导师签名： 臀昂 弭 日期：7 f 咯 日期j ， r 必 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 1 1 引言 第一章绪论 热量表在我国大中小城市已经广泛的使用，众多的计量统计热量方式也应运而生，随 之而来也带动了企业对热表计量设备的更新换代。但是对于数量巨大的热表设备很难有一 种统一的管理，因此在热量收费方面也很难统一管理。随着信息化的高度发展，目前的先 进科学技术已经完全可以满足热表集中管理的要求。基于现状对热表集中管理的迫切需 求，本文提出了设计一套嵌入式无线集中热表管理系统的方案。本章简要说明了课题的研 究背景和现实意义，并综述了热量表行业的研究现状和发展趋势，在此基础上提出了本文 的研究内容。 1 。2 选题的背景 多年以来，我们国家一直在积极的推广城市供热体制改革。在1 9 8 9 年，民用建筑集 中供暖以及计量方法被提出来。在1 9 9 0 年，“七五”科技公关计划明确提出解决热表信息 管理问题。2 0 0 0 年，在民用建筑节能管理规定中将“新建居住建筑的集中采暖系统应 当实行供热计量收费 纳入规划中。在2 0 0 3 年，发改委，建设部等相关部委集体发布了 关于城镇供热体制改革试点工作的指导意见【l 】。 目前，在我国已有1 5 个省区的4 7 个城市在进行供热集中管理的改革。区域供热集中 管理的方式也在逐步推行中，新的计量设备和计量方式也在试验推广过程中。多年的热表 推广，据不完全统计，我国已安装使用了大约5 0 0 万套的户用热量表，但是集中管理设备 也只是在极少数的高档社区可以看见不成型的实验设备在试运行。其中比例也可以看的出 集中热表管理的迫切需求。2 0 0 2 年，我国的区域供热的建筑面积是1 5 5 6 亿平方米，2 0 0 3 年供热面积增加到1 8 9 亿平方米。大概的计算下，每年大约有1 0 0 多万套热表的需要，而 实际的安装和使用情况却有着非常大的差距。一方面是因为政府的推广力度不够，一。而另一 方面更重要的原因是没有成型的集中管理设备。近年来，尤其是今年受金融危机的巨大冲 击，我国政府提出了扩大内需的方案，加大基础建设成为扩大内需的重要途径，：而热表集 中管理就是基础建设的重要方面。我国对热量表需求巨大，未来热量表也会成为我国民族 工业发展的重点项目。在借鉴国外先进技术的前提下，积极开发具有自主知识产权的热表 管理技术成为目前业内人士的责任【2 j 。 在国外热量表的发展非常迅速，因为热量表最早起源于欧洲。国外一些发达国家已经 在大面积的使用集中供热管理系统，节省大量的人力物力。同时国外的供热方式比较统一j 并且国外的供热水质要求比较高，水中的杂质和腐蚀物比较少，传统的热量表可以长期的 第1 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 使用，相对国内严重的水质环境，现有的检测热量设备很难能够长期稳定的运行。在1 9 8 8 年的时候，国际法制计量组织公布了第一个关于热表的国际性标准文件。在1 9 9 7 年，通 过了热量表统一标准e n l 4 3 4 ，1 9 9 7 2 0 0 0 年，这个标准正在被一些企业单位所了解和重视。 中国也于9 0 年代中后期开始自主研制热量表。我国建设部在2 0 0 1 年的时候也参照e n l 4 3 标准制定了中国的热量表标准( c j l 2 8 2 0 0 0 ) ，并于6 月1 日起实施。之后，国家质量监督 检验检疫总局发布了“中华人民共和国国家计量检定规程( j j g 2 2 5 2 0 0 1 ) 热能表”，并于 2 0 0 2 年3 月1 日起实施。这么多年来，中、外热量表企业都做了大量的工作。 结合我国的实际国情，设计出一套符合我国城市规划的热表管理系统，对促进我国热 表行业的发展和应用有重大意义。将计算机技术和无线通信技术融合到热表管理系统具有 很大的创新性，同时，随着科技的发展，嵌入式系统正被广泛的应用于工业控制方向，设 计一套嵌入式的热表采集及管理终端也就有重大的科技意义。 1 3 选题的意义 本系统是在符合国内现有的热表分布特点，尽量保证原有热表不需更换的前提下，进 行整体的规划改革。中国的老城规划不统一，这也给现有的热表管理改革带来了不少的麻 烦，首先考虑到现场布线的难度，小区旧楼没有统_ 的布线通道，要想走线必须重新砸墙， 这样施工非常困难，用户也很难接受。针对此种现状本系统提出了使用无线技术来解决布 线的问题。在小的区域范围内通信，系统采用z i g b e e 技术使近距离的信息数据组成小型 的蜂窝网络，数据在各个节点间传递，最终将信息汇总到终端设备，由终端设备统一管理 处理。在远距离的城域范围内通信，系统采用了g p r s 技术，终端设备将采集的信息统一 发送到g p r s 网络上，g p r s 网络最终与i n t e n e t 网络融合，信息最后发布到i n t e n e t 网络上， 这样接入i n t e n e t 网络的服务器就很容易获得采集的热表信息。经过信息处理，最终将信息 以网页的形式展现给用户。 本系统实现了信息的实时远程的传输，能够将全国各个地域的热表信息进行集中式的 管理，节省了大量的人力资源，管理人员并不需要亲自到现场去采集数据，利用广泛的网 络资源可以实现信息的远程处理和共享。用户可以自主查询自家的热表信息，通过网络用 户还可以足不出户就能缴费，给用户带来很大的方便。相关管理部门也能够节省很多开支。 因此，本系统的设计具有非常重要的现实意义。 1 4 研究内容 ：本文针对以上热表管理的现状，提出了自己的开发方案，融合了嵌入式技术，无线技 术和网络技术，研究重点是嵌入式热表管理终端的设计：研究内容主要包括： ，7 ( 1 ) l i n u x 下嵌入式系统的开发，。? 包括l i n u x 操作系统的相关知识，嵌入式系统开发环 境的构建等； 第2 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 ( 2 ) 嵌入式硬件平台的构建，包括硬件平台的整体设计，相关元器件的选型、原理图 绘制等内容； ( 3 ) 嵌入式操作系统的内核分析、裁剪和移植，文件系统的构建等； ( 4 ) 基于嵌入式l i n u x 的设备驱动程序的开发，主要涉及s p i 驱动、网络驱动、数据 采集驱动等相关驱动程序的设计与实现； ( 5 ) 嵌入式系统的应用程序研究开发，g p r s 和z i g b e e 网络的通讯，以及r f i d 非接 触式射频卡的研究开发等； ( 6 ) 嵌入式系统稳定性的研究。 第3 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 第二章嵌入式系统总体设计 2 1 嵌入式系统 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是一种专用的可移植的系统，它以计算机技术为基础， 以应用为目的，针对应用系统对可靠性、成本、体积、功耗等的要求，对软硬件进行裁剪。 它是一种实时处理的操作系统，嵌入式系统一般由嵌入式处理器、外围硬件设备、嵌入式 操作系统以及用户应用程序四个部分组成【3 】。 嵌入式系统的组成 嵌入式系统一般分为软件和硬件两部分。硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器 ( s d r a m 、r o m 、f l a s h 等) 、通用设备接口和i o 接口( a d 、d a 、i o 等) 【4 】。软件部 分包括嵌入式操作系统和应用软件部分。硬件层和软件层之间有一个单独的部分称为中间 层，也就是硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r t p a c k a g e ，b s p ) ，中间层将上层软件和底层硬件完美的融合起来，同时又将他们独立开来 成为可以独立开发的部分，不需了解硬件层的具体情况就可以完成上层软件的开发。 嵌入式系统的体系结构如图2 1 所示，从上至下，依次是应用程序、文件系统、内核 操作系统、设备驱动、外围设备和嵌入式处理器( c p u ) 六个部分。 ： 应用程序 i 上 】。 文件系统 刁 j 内核操作系统5j ，j 上 ：7 |设备驱动l 1 外申设争卜土一( 会器) 图2 1 嵌入式系统构成框图 ( 一) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器是嵌入式系统硬件层的核心部件，目前主流的嵌入式处理器就是 a r m 。a r m 是一类处理器，同时也是一个公司的名字。目前基于a r m 核的处理器主要 包括：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a r m l1 、s e c u r c o r e 和i n t e l 公司的s t r o n g a i h m 和x s c a l e 【5 】。而现在市场使用最多性价比最高的是基于a r m 7 和a r m 9 核的处理器。 第4 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 嵌入式微处理器具有高实时性的特点，同时它还集成了普通c p u 外围板卡的多种功 能，主要工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它使得现在的设计越来越趋于小型化， 同时还具有很高的效率和可靠性。 ( 二) 通用外围设备 嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，目前嵌入式系统中常用的通用 设备接口有a d ( 模数转换接口) 、d a ( 数模转换接口) ，i o 接口有r s 2 3 2 接口( 串行 通信接口) 、u s b ( 通用串行总线接口) 、e t h e r n e t ( 以太网接口) 、v g a 视频输出接口、音 频接口、s p i ( 串行外围设备接口) 、1 2 c ( 现场总线) 和i r d a ( 红外线接1 2 ) 等【6 】。 ( 三) 中间层 硬件层与软件层之间称为中间层，也称为硬件抽象层( h a r d w a r ea b s t r a c tl a y e r ，h a l ) 或板级支持包( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ，b s p ) ，它把系统上层软件与底层硬件分离开来， 使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根 据b s p 层提供的接1 2 即可进行开发【7 9 】。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输 入输出操作和硬件设备的配置功能。b s p 具有以下两个特点。 硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软件 与硬件平台之间的接口，b s p 需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。 操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作 系统具有特定的硬件接口形式。 ( 四) 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统( e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，e o s ) 是一种用途广泛的系统软件， 主要应用于工业控制和国防系统领域。e o s 负责嵌入系统的全部软硬件资源的分配，e o s 的稳定性直接关系到整个系统平台的稳定，它负责系统的线程管理、信号量处理以及竞争 触发机制，同时它还要具有任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等功能【1 0 1 。 目前，比较成功的嵌入式操作系统包括：u c o s 、v x w o r k s 、w i n c e 和l i n u x 。其中 l i n u x 系统由于其源代码的开发性，使它获得了广泛的应用，现在各类工业用品和民用娱 乐产品都能够看到l i n u x 的身影。l i n u x 系统是一个可裁剪的网络操作系统，它具有非常 可靠的安全性和稳定性。同时，嵌入式l i n u x 与硬件芯片( 如s o c 等) 的紧密结合，它不再 是一个单纯的软件操作系统，它比一般的操作系统更接近硬件。对于嵌入式l i n u x ，事实 上是把b i o s 层的功能实现在l i n u x 的d r i v e r 层【l l 】。现在嵌入式设备正需要这种可裁剪的 支持跨平台的操作系统，同时众多的p c 机上的l i n u x 用户也是嵌入式产品的潜在用户， 因此嵌入式l i n u x 操作系统应用前景广阔。 2 2 无线通信技术 本系统结合热表管理的环境要求使用了无线通信技术。近年来，无线通信技术发展迅 第5 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 速，蓝牙技术( b l u e t o o t h t e c h n o l o g y ) ，无线局域网w i f i ( 8 0 2 1 l b ，w i r e l e s sf e d e l i t y ) ， z i g b e e ( i e e e 8 0 2 15 ) 和移动通信都有了非常成熟的应用【1 2 】。本系统使用了z i g b e e 和g p r s 技术，下面逐一阐述一下其技术原理。 2 2 1z i g b e e 无线网络技术 z i g b e e 是一种低速无线个域网( l o wr a t ew i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，l r - w p a n ) 技术，它具有低功耗、低成本、低复杂度的特点，它是一种具有统一技术标准的短距离无 线通信技术。物理层和m a c 层协议都是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的协议标准，z i g b e e 联盟制定了 网络层以上的协议并对i e e e 8 0 2 1 5 4 的网络层协议和应用程序接口( a p i ) 进行了标准化。 完整的z i g b e e 协议套件由应用会聚层、高层应用规范、网络层、数据联络层和物理层组成 1 1 3 o z i g b e e 组网 z i g b e e 网络节点有两种，一种是协调器，它是一种特殊的全功能设备( f u l lf u n c t i o n d e v i c e ，f f d ) ，它具有转发与路由的能力。另一种是r f d ( r e d u c e df u n c t i o n d e v i c e ) 简化 功能设备，它是最小且最简单的z i g b e e 节点，只发送与接收信号，并不起转发器和路由 器的作用。f f d 和r f d 都z i g b e e 网络的终端设备，它们都有各自的功能。 z i g b e e 网络加电启动，各个节点完成自检后，z i g b e e 网络的控制中心自动寻找有效频 率范围内受干扰最小的信道建立网络。f f d 和r f d 都可以直接向控制中心申请入网，控 制中心收到申请入网的请求后会向申请节点发送网络参数，节点收到网络参数后保存参数 并且加入网络。在距离遥远或者干扰严重的情况下j 有些节点很难直接同控制中心通信， 这时可以通过自身周围的f f d 节点来问接与控制中心通信，从而完成入网【l 引。 z i g b e e 技术采用的是自组织网方式，每个通信网内的节点都具有自主权，只要网内一 个节点有数据在发送，网内节点就能够彼此自动寻找，并且快速形成一个互通互联的内部 网络，每个节点都可以获取这个数据，在获得这个数据后节点会自动比对，如果是给自己 的数据就留下，如果不是就将数据抛弃。由于节点的位置可能会变化，j ，当有节点变动时， 网内节点彼此间会重新搜索，确定互联并将网络重新刷新。z i g b e e 组网支持三种网络拓扑 结构，即星形( s t a r ) ；网状( m e s h ) 和树形分簇( c l u s t e r t r e e ) 。 z i g b e e 网络通信是一种多通道的通信方式，在工业现场会有各种各样的情况发生，这 就不能保证每一个无线通道总是通畅的，有可能会阻塞这个通道，由于z i g b e e 网络有多个 通道，在一个通道阻塞的情况下，数据会通过其他畅通的通道来传输：。z i g b e e 网络又是如 何实现多通道的路由选择呢? z i g b e e 的自组网采用了动态路由的方式，在数据传输前，、网 络对可用的所有路径进行搜索，确定他们的网络位置以及各节点间的关系，网络会智能分 析选择一条最优的路径进行数据传输。本系统的路由算法使用了“梯度法? ：，j 通过首先选 择一条最近的路径进行传输，如果传输过程遇到阻塞的情况，就会选择稍微远一一点的路径 第6 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 来传输，以此类推，数据完整的送达目的地就算一次通信完成。z i g b e e 网络灵活的组网方 式使网络具有适应各种环境的能力，抗干扰性能强，网络稳定。 z i g b e e 技术特点 z i g b e e 技术有如下几个主要特点【1 5 邯】： 低功耗：两节五号干电池在低功耗的待机状态下可使用6 - 2 4 个月，不需要经常 更换电池，特别适合无线传感器网络使用。 短时延：z i g b e e 的响应速度快，从休眠状态到正常工作状态只需要1 5m s ，节点 接入网络只需3 0m s 。 有效范围小：有效覆盖范围1 0 - - 一7 5 米之间，具体依据实际发射功率的大小和各种 不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境； 数据传输速率低：传输速率为20 , - 一2 5 0k b i t s 。 大容量：z i g b e e 可采用星状、片状和网状网络结构，每个z i g b e e 网络最多可支 持2 5 5 个设备，也就是说，每个z i g b e e 设备可以与另外2 5 4 台设备相连接，最 多可组成6 5 0 0 0 个节点的大网。 安全性高：z i g b e e 提供了数据完整性检查和鉴权能力，采用a e s 1 2 8 加密算法， 、 可以灵活确定其安全属性； 免执照频段且工作频段灵活：采用直接序列扩频在工业科学医疗( ism ) 频段， 2 4g hz ( 全球) 、9l5mhz ( 美国) 、868mhz ( 欧洲) 。 2 2 2g p r s 无线通信技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 通用分组无线业务目前已经有相当成熟的应用，随 着今年3 g 牌照的发放，已经正式宣布了g p r s 的标准已是最终的版本，不会再对现有的 g p r s 进行修改更新。g s m ( g l o b a ls y s t e mo fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 全球移动通讯系统 就是我们现在应用最广泛的第二代的移动通信标准，而g p r s 属于2 5 代的移动通信标准。 自从2 0 0 2 年进入商业化以来，g p r s 已成为一种无处不在的数据无线通信技术【1 8 】。 g p r s 通信原理 g p r s 是现有g s m 网络的更新，它在原有的基础上增加了g p r s 特有的节点。 g g s n ( g a t eg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 网关支持节点主要起网关的作用，它可以将各种： 不同的网络连接到一起。s g s n ( s e r v i n gg p r ss u p p o r t i n gn o d e ) g p r s 服务支持节点主要负 责记录移动终端的位置信息，g g s n 同移动终端之间的分组数据发送接收也是通过它来实 现的【1 9 1 。 第7 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 图2 2g p r s 通信原理图 g s m 网络只提供电路交换，一个数据连接要创建并维持一个电路的连接不断，一次连 接独占一条电路，而g p r s 突破了这种思维的限制，它利用在g s m 网络中未被使用的 t d m a 通道进行数据传输。g p r s 使用分组交换技术，多个用户可以共享一个传输信道， 只有用户有数据传输的时候才会占用这个信道，这种方式可以最大程度节省带宽资源，有 效的带宽可以及时分配给有数据传输需要的用户。 g p r s 技术特点 g p r s 相对原有g s m 有不少技术优势，主要有如下几个特点： 高数据传输：比现有g s m 有1 0 倍速度的提高，可以达到5 6 1 1 5 k b s 的传输速度。 始终在线：由于使用了“分组 技术，比原有电路交换有很大提高，用户可以免 受断线的痛苦。 费用便宜：g p r s 按照数据流量收费，更加符合用户需求，比原有按时间收费可 以节省很多开支。 2 3 系统设计思想 在传统的热表信息采集系统中普遍都采用8 位的单片机系统，通过有线的传感器设备 获得信息，然后通过串行的r s 4 8 5 总线将数据直接传给我们的p c 机或者手持的笔记本。 而这样一个系统已经远不能满足热表行业高速发展的步伐了。i 首先8 位单片机的处理能力 己远不能胜任分析热表行业中的高数据量的任务了；而有线的传感器技术大大降低了系统 的可移动性；其次在i n t e m e t 网络盛行的今天我们如果还在使用串行的r s 4 8 5 总线，那么 我们的系统就离实际的应用太遥远了。 i 高数据处理能力对系统硬件提出了更高的要求，嵌入式微处理器的高频率使其具有更 快更高的信息处理能力，同时与之匹配的大容量存储中介也为大容量信息的存储提供了保 障，嵌入式操作系统的稳定性和安全性也为热表信息处理提供了可靠的保证。同时，高集 成度的嵌入式芯片也使嵌入式终端设备具有更小的体积，携带和安装都非常方便。嵌入式 第8 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 的硬件平台成为本系统的首选。 随着i n t e m e t 技术的高速发展，各种无线网络技术也相继出现。而这其中就包括了当前 最流行也最实用的g p r s 技术和z i g b e e 技术。我国电信事业的飞速发展也使得g p r s 网络 已经遍及我国的大部分地区，远距离无线传输也成为可能。而近距离的无线z i g b e e 技术 也催生了无线传感器技术的发展。而借助这两种无线技术就能很好的实现我们的无线远程 监测系统。 综合上述的分析，本文提出设计基于嵌入式系统的无线集中热表管理的思想。在嵌入 式l i n u x 系统高稳定性和安全性以及a r m 芯片的高处理能力的保障下，实现热表信息的分 类处理和信息的远距无线通信是完全可行的。通过z i g b e e n 络将小范围区域内的热表信息 整合并发送到嵌入式终端设备。利用g p r s 网络的高覆盖性，不管终端放置在何位置都能 够将信息传递至u j i n t e n e t 网络上。远端服务器的管理软件可以很容易的监控分布在各处的监 控终端设备，从而可以及时获得热表的信息。用户只需通过i n t e n e t 网络来浏览服务器上的 网站就可以非常方便的获得热表的信息。 2 4 本章小结 本章主要介绍了嵌入式系统的组成和特点，并针对本课题使用到的两种无线通信技术 ( g p r s 和z i g b e e ) 进行了详细的研究和理解，在此基础上提出了本系统设计的整体思 想，和基本的解决方案。 第9 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 第三章系统硬件的设计与实现 3 1 系统硬件总体设计 本系统终端基于嵌入式开发板，扩展了外围硬件接口，重新移植了嵌入式l i n u x 系统。 系统硬件根据功能需要，逻辑上划分为几个部分：a r m 核心板和扩展板、无线射频卡收 费模块、无线通信模块。系统硬件整体框图如下： 图3 1 硬件总体功能框图 热表信息采集器通过z i g b e e 网络将热表信息发送给设备终端，z i g b e e 模块与设备终 端的通讯是通过r s 2 3 2 总线来实现的。嵌入式设备终端会将采集的热表信息进行汇总分类 处理，将有用信息通过g p r sm o d e m 发送到i n t e n e t 网络上，服务器端的上位机管理软件 会从i n t e n e t 网络上获得这些信息。用户使用r f i d 非接触式射频卡就可以查看自家的热表 信息，r f i d 射频卡与终端设备的通信通过s p i 总线来完成。： 第1 0 页 嵌入式无线集中热表管理系统设计与实现 3 2 系统核心板 嵌入式设备通常会将核心部件集成到一个很小的面板上，通常核心部件对抗干扰和集 成度有更高的要求，本系统的核心板做成了六层的p c b 板，有更高的安全性和稳定性，同 时也利于设备的维护。本系统的核心板主要包括了a r m 微处理器芯片( $ 3 c 2 4 4 0 a ) 、内 存s d r a m 和f l a s h 固件以及相关的电源和时钟电路【2 0 1 。 3 2 1a r m 芯片 删芯片的性能决定了本系统的运行效率，综合考虑性能和市场定位，本系统采用 了目前市场上比较流行的三星公司生产的$ 3 c 2 4 4 0 a 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 是一个1 6 3 2 位的r i s c 处理器，主要适合手持设备和一般工业应用使用， 它是一种低功耗、低价格、高性能小型微控制器。为了降低整个系统的成本，$ 3