（信号与信息处理专业论文）zigbee远程数据采集系统的设计与实现.pdf

武汉理r 大学硕十学位论文 摘要 随着无线网络技术的飞速发展和同益普及，低速、低功耗、低成本的z i g b e e 无线网络技术，己成为当前传感器网络及自动化控制领域中的一个重要研究课 题。本论文对z i g b e e 技术进行广泛深入的分析和研究，使用z i g b e e 协议设计应 用程序并结合硬件进行实验，主要研究工作如下： ( 1 ) 介绍了z i g b e e 技术相关概念、应用前景和研究现状、体系结构、优缺点 以及网络拓扑、设备类型、z i g b e e 网络的基本框架、功能、特点等内容。 ( 2 ) 对z i g b e e 网络层、应用层及z i g b e e 应用程序框架结构、功能进行了研 究。分析了z i g b e e 协议栈的总体功能结构，着重讨论网络建立、路由机制、数 据帧结构和数据传输模式、数据处理模式以及编程接口，展示了整个系统的应 用程序编写过程。 ( 3 ) 分析了z i g b e e 设备组成结构及硬件设计思路。在具体介绍j n 5 1 2 1 处理 器模块、电源模块、时钟模块、存储器模块以及各个接口模块的基础上给出了 硬件设计的整体方案及硬件原理图。 ( 4 ) 讨论了z i g b e e 网络与因特网的互联及数据交换方式。研究了 w i n d o w s c e n e t 嵌入式操作的定制及嵌入式数据库的应用。 ( 5 ) 组建基于z i g b e e 技术的无线数据采集系统，以j n 5 1 2 1 单片机和数字式温 湿度传感器s h t l 0 设计出了传感器网络节点，$ 3 c 2 4 4 0 控制器作为z i g b e e 网关。 传感器节点通过无线通信方式将数据发送到z i g b e e 网关。z i g b e e 网关通过以太 网网络将数据传输给监测中心主机，并对实验结果进行分析。 该系统具有良好的人机交互界面和远程访问功能，良好的可移植性和扩展 性，可以根据具体要求方便地在数据采集模块上进行传感器的扩充以实现更多 功能。 关键词：z i g b e e 技术， i e e e8 0 2 1 5 4 ，无线网络，w i n d o w s c e n e t 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dp o p u l a t i o no fw i r e l e s sn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h e z i g b e et e c h n o l o g y , f e a t u r e da sl o w - s p e e d ，l o wp o w e r , l o w c o s t ，h a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nt h ef i e l d so fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a n da u t o m a t i cc o n t r 0 1 i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，ad e e pa n a l y s i sa n ds t u d yo fz i g b e eh a v eb e e nc o n d u c t e d t h eh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o na sw e l l a st h ea p p l i c a t i o np r o g r a m m e ri nz i g b e ea p p l i c a t i o n s p r o t o c o ll a y e rh a sb e e np r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o na r e r e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o n c e p t so fz i g b e et e c h n o l o g y , a r c h i t e c t u r ea n df e a t u r e s ，t h ec o n d i t i o n s o fa p p l i c a t i o n sa n dr e s e a r c h ，a sw e l la si n a d e q u a t ea r ei n t r o d u c e d a n dt h en e t w o r k t o p o l o g y ，d e v i c et y p e ，z i g b e en e t w o r k s ，t h es y s t e mf r a m e w o r k ，f u n c t i o n s ，f e a t u r e s w i l lb ei n t r o d u c e dt o o ( 2 ) l a r g en u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i g nr e l a t e dp a p e r sh a sb e e nr e f e r e e dt o t h en e t w o r kl a y e r ，a p p l i c a t i o nl a y e ra n da p p l i c a t i o nf r a m e w o r ko fz i g b e es t r u c t u r e a n df u n c t i o nw e r es t u d i e d t h eo v e r a l lf u n c t i o no ft h ez i g b e ep r o t o c o ls t a c ks t r u c t u r e ， f o c u s e do nt h en e t w o r k ，r o u t i n gm e c h a n i s m ，d a t af l a m es t r u c t u r ea n dd a t at r a n s f e r m o d e ，d a t a p r o c e s s i n gm o d e la n dp r o g r a m m i n gi n t e r f a c e s ，w i l l b ea n a l y z e d t h e w h o l ep r o g r a m m i n gp r o c e s so ft h es y s t e mw i l lb ee l a b o r a t e l yd e m o n s t r a t e d ( 3 ) w ea n a l y z et h es t r u c t u r eo fd e v i c e sa n dh a r d w a r ed e s i g ni d e a so fz i g b e e b a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fs p e c i f i cp r o c e s s o rm o d u l e s ，p o w e rm o d u l e s ，c l o c k m o d u l e s ，m e m o r ym o d u l e s ，a sw e l l a sv a r i o u si n t e r f a c em o d u l eo fj n 51 2 1 ，t h e h a r d w a r ed e s i g ni sg i v e na sw e l la st h eh a r d w a r es c h e m a t i c s ( 4 ) d i s c u s st h ec o n n e c t i v i t ya n dd a t ae x c h a n g e sb e t w e e nz i g b e en e t w o r ka n d i n t e r n e t s t u d y t h ec u s t o m i z a t i o no ft h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m o f w i n d o w s c e n e ta n dt h ea p p l i c a t i o no fe m b e d d e dd a t a b a s e ( 5 ) b a s e d o nt h ez i g b e ew i r e l e s st e c h n o l o g y , ad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i s c o n s t r u c t e da n dt e s t e d t h en o d e su s e di nt h es e n s o rn e t w o r kc o n s i s to fj n 5 1 2 1 m i c r o p r o c e s s o r a n dt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd i g i t a ls e n s o rs h t l 0 ；p o w e r f u l n p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 4 0i su s e da sz i g a e eg a t e w a yc o n t r o l l e r d a t u mc o l l e c t e db ys e n s o r n o d e sw i l lb es e n tt ot h ez i g b e eg a t e w a y z i g b e eg a t e w a yt r a n s m i t st h ed a t u mt ot h e r e m o t em o n i t o r i n gc e n t e rc o n s o l ev i ae t h e r n e tn e t w o r k ，a n da l la n a l y s i so ft h e e x p e r i m e n tr e s u l t sc o u l db ec a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h e f o r m a t i o no ft h es y s t e mw i t hg o o ds t a b i l i t yi sc o n v e n i e n t ，a n dc a nb ew i d e l yu s e di n i n d u s t r y k e yw o r d s ：z i g b e e ，i e e e ，8 0 2 1 5 4 ，w i r e l e s sn e t w o r k ，w i n d o w s c e n e t i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名 学位论文使用授权书 日期： 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 蓦 h 、 导师签名弘中乏步期 ( 1 o - _ 一 f 、i - 武汉理r ：大学硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 z i g b e e 网络1 1 j 主要用于自动化控制数据传输，是一个由可多到6 5 0 0 0 个无线 模块组成的一个数据传输网络平台，十分类似现有的移动通信的c d m a 网或 g s m 网，每一个z i g b e e 网络节点类似移动网络的一个基站，在整个网络范围内， 它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从标准的7 5 米，到扩 展后的几百米，甚至几公里。z i g b e e 网络节点本身不仅可以进行数据采集和监 控，还具有路由功能，可以自动转发其他网络节点的数据。 尽管z i g b e e 仅仅是一个局域网，覆盖区域有限，但它却可以与现有的移动 网、互联网和其它通信网络相连接【2 1 ，将许多z i g b e e 局域网连成为个整体， 具有高度的灵活性。因此可以通过使用覆盖距离不同，功能不同的z i g b e e 网络 节点，建立起一个z i g b e e 局部控制网( 这个网络可以是星型，树状，网状及其 共同组成的复合网结构) ，再通过互联网或移动网与远端的计算机相连，从而实 现低成本，高效率的远程监测控制。 1 2z i g b e e 技术的发展与现状 z i g b e e 技术自被提出以来，得到广泛应用。在z i g b e e 联盟展览会上，t i 、 飞思卡尔、n e c 等多家供应商展示了z i g b e e 技术的美好应用前景1 3 j 。z i g b e e 的 初期应用领域有家庭自动化应用，楼宇自动化，工业自动化，以及能源管理等。 在z i g b e e 联盟的推动下，z i g b e e 技术结合其他无线技术，将可以实现无所不在的 网络，非常适合用于需要传输周期性数据、间歇性数据的场合：在比如p c 外设 ( 鼠标、键盘、游戏操控杆) 、消费类电子设备( t v 、v c r 、c d 、v c d 、d v d 等设备上的遥控装置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计量控制及报警等) 、玩 具( 电子宠物) 、医护( 监视器和传感器) 、工控( 监视器、传感器和自动控制 设备) 、带负载管理功能的自动抄表( a m r ) 系统、油气生产遥测遥控通信系统、 农田耕作、环境监测、工业制造过程遥测遥控、照明监控、安防报警系统等等。 武汉理工大学硕士学位论文 z i g b e e 硬件平台【4 】具有很强的实际应用价值，能够在任何时间，任何地点来有效 地获取和发送物理数据，是无线自动数据采集和监控系统的一种非常灵活的解 决方案1 5 j 。z i g b e e 技术方兴未艾，还处于发展之中，不仅在工业、农业、军事、 环境、医疗等传统领域具有巨大的运用价值，而且其应用将来还可以涉及更多领 域。 虽然前景一片大好，但是我们应该清楚认识到由于各方面的制约1 6 1 ，z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时日，基予z i g b e e 技术的无线网络【7 l 应用还远谈 不上成熟，主要表现在：z i g b e e 市场仍处于起步探索阶段，终端产品和应用大 多处于研发阶段，真正上市的少，且以家庭自动化为主；潜在应用多，但具有 很大出货量的典型应用少，市场缺乏明确方向；使用点对多点星状拓扑的应用 较多，体现z i g b e e 优势【8 l 的网状网络应用少；基于i e e e8 0 2 1 5 4 底层协议的应 用多，而基于z i g b e e 标准协议的应用少。 1 3 本文主要研究内容 根据目前的z i g b e e 技术的发展状况、研究热点，结合实际情况，本文深入 研究了z i g b e e 技术的工作原理及应用，主要研究内容有以下几个方面： ( 1 ) 详细分析了z i g b e e 技术优缺点，并与其它无线技术作比较，选择采用 z i g b e e 作为本系统的通信方式。 ( 2 ) 深入研究了z i g b e e 技术在数据采集和远程控制领域的应用。、z i g b e e 网 络的结构及工作原理、网络节点硬件和控制程序的设计。 ( 3 ) 研究了z i g b e e 网络与因特网的连接及数据交换方式以及 w i n d o w s c e n e t 嵌入式操作系统和嵌入式数据库的应用。 ( 4 ) 在前面工作基础之上将系统分解成子模块，然后对各模块分别设计，最后 组合成一个完整系统，并进行组网实验，记录实验结果，同时对实验数据进行 分析。 1 4 本章小结 本章简要地介绍了课题研究的意义和背景和所涉及到的主要技术的现状与 发展前景，概括了本论文的主要研究内容。 2 武汉理i ：大学硕+ 学位论文 第2 章z i g b e e 技术及z i g b e e 协议栈 2 1z i g b e e 技术及其优势 z i g b e e 是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本、低复杂度的无线 网络技术1 9 j 。z i g b e e 基于i e e e8 0 2 1 5 4 无线标准，i e e e8 0 2 1 5 4 仅处理m a c 层和物理层协议1 1 0 1 ，z i g b e e 联盟对其网络层协议和a p i 进行了标准化，z i g b e e 具有i e e e8 0 2 1 5 4 强有力的无线物理层所规定的全部优点1 1 1 j ：省电、简单、低 成本。z i g b e e 是由z i g b e ea l l i a n c e 所主导的标准【1 2 】，定义了网络层( n e t w o r k l a y e r ) 、安全层( s e c u r i t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) 、以及各种应用产品 的资料( p r o f i l e ) 。z i g b e e 具有以下技术优势【1 3 j ：网络容量大；功耗低；成本低， z i g b e e 协议免收专利费；采用了完全确认的数据传输机制；具有数据完整性检 查功能，采用了碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；工作频段及 有效覆盖范围灵活；网络的自动组织、自愈能力强【1 4 】，网络节点能感知其他节 点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络，增加、删除或移动节点，部 分节点发生故障，网络仍然能正常工作。 2 2z i g b e e 网络基础 z i g b e e 网络的基础主要包括设备类型，拓扑结构和路由方式三个方面的内 容，z i g b e e 标准规定所有的z i g b e e 网络节点分为c o o r d i n a t o r 、r o u t e 、e n dd e v i c e 三种类型1 1 5 j ，节点类型只是网络层的概念，反映了网络的拓扑形式，而z i g b e e 网络采用任何一种拓扑形式只是为了实现网络中信息高效稳定的传输1 1 6 1 ，在实 际的应用中是不必关心z i g b e e 网络的组织形式【1 7 】的，节点类型的定义和节点在 应用中所起到的功能并不相关1 1 8 l 。 2 2 1 网络节点类型 ( 1 ) c o o r d i n a t o r 不论z i g b e e 网络采用何种拓扑方式，网络中有一个并且只能有一个 c o o r d i n a t o r 节点，它在网络层的任务是：选择网络所使用的频率通道、建立网 3 武汉理：大学硕士学位论文 络并将其它节点加入网络、提供信息路由、安全管理和其它的服列1 9 l 。c o o r d i n a t o r 在系统初始化时起重要作用，某些应用中网络初始化完成后，即使关闭了 c o o r d i n a t o r 节点，网络仍然可正常工作，但若c o o r d i n a t o r 在应用层提供一些服 务，就必须持续的处于工作状态。 ( 2 ) r o u t e r 如果z i g b e e 网络采用了树形和星形拓扑结构就需要用到r o u t e r 这种类型的 节点，负责数据的路由，路由建立由z i g b e e 协议的算法决定，它入网后可以加 入其它r o u t e r 节点，也可以加入协调器，是网络远距离延伸的必要部件。此类 节点的主要功能是：发送和接收节点自身信息；在节点之间转发信息；容许子 节点通过他加入网络。 ( 3 ) e n dd e v i c e e n dd e v i c e 节点的主要任务就是发送和接收信息，不能够转发信息也不能够 让其他人加入网络。通常一个e n dd e v i c e 节点不处在数据收发状态的时候可进 入休眠状态以节省耗电。 2 2 2 网络拓扑形式 z i g b e e 网络具有三种拓扑形式：星形拓扑、树形拓扑、网状拓扑。 ( 1 ) 星形拓扑 星形拓扑是最简单的拓扑形式如图2 1 所示，包含一个c o o r d i n a t o r 节点和 一系列的e n dd e v i c e 节点。每一个e n dd e v i c e 节点只能和c o o r d i n a t o r 节点进行 通讯，在两个e n dd e v i c e 节点之间进行通讯必须通过c o o r d i n a t o r 节点进行转发。 这种拓扑形式的缺点是节点之间的数据路由只有唯一路径，c o o r d i n a t o r 可能成 为整个网络的瓶颈。 、 ， o i 、 、 、 、 、 、 p 图2 。1 星状拓扑结构 4 o c o o r d i n a t o r r 0 u t e r o。；-o 武汉理r 大学硕+ 学位论文 ( 2 ) 树形拓扑 树形拓扑结构如图2 2 所示，c o o r d i n a t o r 可以连接r o u t e r 和e n dd e v i c e ，其 子节点的r o u t e r 也可以连接r o u t e r 和e n dd e v i c e ，多个层级的树形拓扑中，信 息具有唯一路由通道，直接通信只可以在父节点与子节点之间进行，非父子关 系的节点需间接通信。 支r 一o 、， 、 、q 一 ! 、 、 囝珍 c o o r d i n a t o r o r o u t e r e n d d e v i c e z i , , x 4l - 5 武汉理丁大学硕十学位论文 2 2 3 路由方式 协调器和路由器管理区域内与其具有邻接关系的设备表，如果目标设备在 物理区域内可见，那么信息就可以根据路由表记录中的路径直接发送。当目标 设备不具备局部的邻接关系，就要启动路由发现过程：一个设备发出路由请求 命令侦启动路由发现过程，对应的接收者收到该命令，给出路由回复命令侦， 对潜在的各条路径的跳转次数、延迟时间进行评估比较，把最佳路由记录添加 到此路途上各个设备的路由表中。z i g b e e 协议栈定义了三种路由方式：禁止路 由发现方式、使能路由发现方式和强制路由发现方式，路由流程如图2 - 4 所示。 图2 4 路由流程 2 3z i g b e e 协议栈及开发接口a p i z i g b e e 协议栈【2 0 】构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准基础之上，确保无线设备在低成 本、低功耗和低据速率网络中的互操作性f 2 l j 。m a c 和p h y 层是射频以及相邻 网络设备之间的通讯标准，i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标 准，而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准，z i g b e e 协 6 武汉理j 1 ：大学硕士学位论文 议栈的层次架构如图2 5 所示。 图2 - 5 z i g b e e 协议框架 图2 - 6 开发接口a p i 结构 j e n n i c 的z i g b e e 协议栈提供以下四类开发接口a p i ： ( 1 ) a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ( a d ) a p i ( 2 ) a p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ( a f ) a p l s ( 3 ) z i g b e ed e v i c ep r o f i l e ( z d p ) a p i s ( 4 ) b a s i co p e r a t i n gs y s t e m ( b o s ) a p i a da p i 用于设置节点类型、解析接收到的数据帧；a fa p i s 用于创建、发 送数据请求以及添加、修改、删除设备描述符；z d pa p i s 用于获取网络中其他 节点的地址、网络设备信息、管理信息，绑定或解除网络设备，在网络节点间 7 武汉理j i ：大学硕+ 学位论文 建立直接的通信关系；b o sa p i 用于与b o s 进行交互，提供注册用户任务以及 处理应用程序与b o s 问的消息、中断管理和内存管理等功能，图2 - 6 显示了这 些a p i 函数在软件层次上如何交互。 2 4z i g b e e 应用程序架构 a p p c o l d s t a r t u s e rt a s k 上 y b o s s t a c kt a s k b o s s t a c k j z a _ v a p p d e f i n e t a s k s 上 b o s s t a c k j z a _ v a p p e v c n t h a n d l e r ： j z a _ b o a p p s t a r t 6 z a v a f k v p r 。p 。n 。e 每 令 ： b o s s t a c k 】 令令令令令 ) j z a _ v s t a c k e v e n tl z a ，；曲。词e v e n ti j z a j a f k v p 。巧。ti j z a v z 却r 。印n i j z a _ u 8 a f m 。g 。协e 讲 图2 7 应用程序框架 为了实现z i g b e e 应用程序与z i g b e e 协议栈交替对处理器和外围部件进行操 作，j e n n i c 在z i g b e e 协议栈的基础上提供了b a s i co p e r a t i n gs y s t e m ( b o s ) ，定 义了b o s 调用用户程序的接口a p i 。z i g b e e 应用程序架构如图2 7 所示，图中 阴影部分就是b o s 调用用户程序的接口，这些函数好比整个应用程序的骨架， 把应用程序的代码和z i g b e e 协议栈紧密联系。在实际开发过程中要在这些开发 接口上添加应用逻辑，定义数据处理过程并且通过接口函数在适当时机调用。 下面介绍基于j e n n i cz i g b e e 协议栈丌发的基本接口函数，任何z i g b e e 的应用程 序都包含以下函数，这些函数是应用程序和z i g b e e 协议栈进行交互的基本接口， 主要分成以下三类： 8 武汉理j r 大学硕士学位论文 第一类是应用的初始化函数，它们用于在设备上电时对协议栈进行初始化， 包括a p p c o l d s t a r t 0 和a p p w a r m s t a r t 0 ； 第二类是应用程序调用协议栈的函数，这类函数通常由第一类函数进行调 用，包括j z s和 第三类是协议u 3 栈2 1 调n i 用t s 应y s 用t e m 程0 序的函j 数z s ，v 作s 为t a r 协t s 议t a 栈c k 和0 应：用程序通讯接口，包括 j z a _ b o a p p s t a r t 0 ，j z a _ v s t a c k e v e n t 0 、j z a _ v p e r i p h e r a l e v e n t 0 ，j z a _ v a p p e v e n t h a n d l e r 0 ， j z a _ v a p p d e f i n e t a s k s 0 、j z a _ e a f k v p o b j e c t 0 、j z a _ v a f k v p r e s p o n s e 0 、 j z au 8 a f m s g o b j e c t 0 和j z a _ v z d p r e s p o n s e 0 等。 2 5 本章小结 本章对z i g b e e 技术的特点进行了深入研究，详细阐述了z i g b e e 网络的设备 类型、网络拓扑及路由方式等内容，分析了z i g b e e 协议栈的构成及开发接口a p i 的应用，给出了适合本采集系统的z i g b e e 应用程序结构，为下文针对具体的温、 湿度和电压数据采集任务进行程序设计打下基础。 9 武汉理：1 ：人学硕十学位论文 第3 章w i n d o w s c e n e t 平台与应用程序开发 3 1w i n d o w s c e n e t 应用程序开发流程 w i n d o w s c e n e t l 2 2 】是功能强大的多任务实时嵌入式操作系统1 2 3 1 ，可快速建立 智能设备应用程序。w i n d o w s c e n e t 具有很多高性能、高效率的操作系统特性： 使用对象存储技术，包括文件系统、注册表及数据库；具有灵活的电源管理功 能，包括睡眠唤醒模式；换页、共享存储、交叉处理同步功能，支持大容量堆 栈；良好的通信能力，广泛支持各种硬件，包括设备与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接以及数据传输设备至设备间的连接；还提供与w i n d o w s 9 x m 的最佳集 成和通信；内置了多媒体功能及多种接口；图形用户界面相当出色，有丰富的 控件库，应用程序开发流程如图3 - 1 所示。 安装p l a t f o r mb u i l d e r 开发、f | 台 安装补丁升级p b 组件 定制w i n c e 系统内核 生成w i n c e 内核镜像 定制生成s d k 安装内核镜像到a r m 开发板 安装s d k 使用v s 2 0 0 8 开发智能设箭程序 部老应用稃序到智能设备 ( 结束 ) 图3 1w i n d o w s c e n e t 应用程序开发流程 1 0 武汉理i ：人学硕士学位论文 3 2 安装w i n d o w s c e n e t 操作系统内核开发环境p b5 0 嵌入式服务器程序使用s q l c e 3 5 数据库【川，需要n e tc o m p a c t f r a m e w o r k 3 5 的支持【矧，在定制w i n d o w s c e n e t 嵌入式操作系统时，需安装p b 5 0 并升级补丁添加s q l c e 3 5 组件和n e tc o m p a c tf r a m e w o r k 3 5 组件。使用 p b5 0 编译w i n d o w s c e 内核映像，需要安装对应目标板的板级支持包( b s p ) 1 2 6 1 。 b s p 包含本系统需要的串口驱动，液晶触摸显示屏驱动，网卡驱动，是介于主 板硬件和操作系统中驱动层程序之间的一层，实现对操作系统的支持，为上层 的驱动程序提供访问硬件设备寄存器的函数，使硬件主板能够更好的运行。b s p 是相对操作系统而言的，不同的操作系统对应不同形式的b s p ，与上层o s 保持 正确的接口，良好地支持上层o s ，安装b s p 流程如图3 2 所示。 l 添加b s p 到t 秤 i 设置b s p 管理器 导入c e c 文件 添加s 3 c 2 4 4 0 控制器组件 图3 - 2 安装b s p 流程 3 3 定制w i n d o w s c e n e t 操作系统内核及s d k w i n d o w s c e n e t 是应用于嵌入式设备的模块化的操作系统，而嵌入式设备多 种多样，要求操作系统必须是可定制的，定制w i n d o w s c e n e t 内核的丌发工具 是p l a t f o r mb u i l d e r l 2 7 1 是操作系统，内核定制流程如图3 3 所示。应用程序开发是 针对特定平台的，定制好操作系统内核之后导出s d k 安装文件s d k ，包含与定 制平台有关的头文件、库、一些文档等内容。安装导出的s d k 后可以在v s 2 0 0 8 集成开发环境1 2 8 l 中开发基于此定制平台的应用程序，具体的s d k 导出流程如图 3 4 所示。 武汉理r 大学硕士学位论文 选择b s p 选择模板 添加u s b 、网卡、串u 等驱动 添加组件 设置编译选项 编译生成内核映像 ( 结束 ) 图3 - 3w i n c e n e t 内核定制流程 i 编详内核 + i 配置s d k 选项 j i选择s d k 支持语膏 j i编译、生成、输出s d k ( 结束 ) 图3 4w i n c e 5 0s d k 导出流程 3 4w i n d o w s c e 系统运行环境搭建和使用 安装w i n d o w s c e 系统到智能设备主要有以下步骤：分区、安装b o o t l o a d e r 、 安装e b o o t 、安装w i n d o w s c e 内核映俐2 9 1 ，详细的安装流程如图3 5 所示。 对n a n df l a s h 分区 下载烧写引导程序s u p e r v i v i i 下载系统启动程序e b o o t i下载内核镜像 图3 5 安装w i n d o w s c e 系统流程 1 2 武汉理：i = 大学硕士学位论文 安装w i n d o w s c e n e t5 0 系统内核到智能设备以后，还要在p c 上安装相应 的s d k 3 0 1 才能用v s 2 0 0 8 开发运行在w i n d o w s c e n e t5 0 平台上的程序。s q l c e 3 5 是可以部署在智能设备上的压缩数据库( 内核必须支持n e tc o m p a c t f r a m e w o r k 3 5 ，并在设备应用程序中【3 1 】，添加对s y s t e m d a t a s q l s e r v e r c e 命名 空f e t j ( 3 2 1 的引用) ，若使用v s 2 0 0 8 生成使用s q l c e3 5 的应用程序【3 3 1 ，第一次部 署该应用程序时会自动在设备上安装s q l c e3 5 引擎【州，应用程序开发流程如 图3 - 6 所示。 3 5 本章小结 l 安装p b5 0 l 定制w i n c e5 0 内核 l 导出安装s d k l 安装w i n c e5 o 内核镜像到a r m 板 i 用v s 2 0 0 8 开发智能设符心用程序 i 部署智能设符j 妊用程序到a r m 板 ( 结束 ) 图3 - 6 编写w i n c e 应用程序流程 本章了主要阐述如何打造一个w i n d o w s c e n e t 平台以及怎样在w i n d o w s c e 平台丌发应用程序。首先介绍了w i n d o w s c e 平台的基本知识和w i n d o w s c e 应 用程序开发流程，然后对开发应用程序要做的各项具体工作进行详细介绍，包 括如何安装和配置定制嵌入式操作系统内核的开发平台、怎样在该平台上定制 w i n d o w s c e 操作系统内核及s d k 、如何在a r m 设备上安装和应用定制好的 w i n d o w s c e 系统等，为下文进行嵌入式服务器的设计打下基础。 1 3 武汉理r 大学硕十学位论文 第4 章系统设计开发和实验 4 1 系统结构和工作原理 图4 1 系统总体结构图 z i g b e e 远程数据采集系统的结构如图4 1 所示，系统包括协调器、路由节 点、嵌入式服务器和用户终端四大模块。路由节点包括z i g b e e 无线通信模块【3 5 】 和各种传感器，负责控制整个节点的采集处理操作、路由协议、功耗管理以及 任务管理，使用z i g b e e 协议栈与其他节点进行无线通信，交换控制消息和转发 数据；协调器接收路由节点采集到的信息、并与嵌入式服务器进行通信；嵌入 式服务器使用a r m 9 控制器$ 3 c 2 4 4 0 1 3 6 1 ，运行w i n d o w s c e n e t 操作系统、嵌入 式服务器与因特网连接；网络客户端可以使用t c p 连接方式与服务器进行数据 交换【3 7 1 ，各部分功能如下： 1 ) 协调器功能 ( 1 ) 建立和维护网络； ( 2 ) 对网络节点实施监控，接收网络节点发来的数据； ( 3 ) 把采集到的数据发送给嵌入式服务器； ( 4 ) 接收来自远程客户端的数据请求。 2 ) 路由模块功能 ( 1 ) 周期性发送信标，用以显示该节点否则处于工作状态； ( 2 ) 低电压报警，如节点电压低于设定闽值则发出报警信号； ( 3 ) 利用自带的传感器进行数据采集； 1 4 武汉理工大学硕十学位论文 ( 4 ) 提供路由功能。 3 1 嵌入式服务器功能 ( 1 ) 从串1 ：3 接收协调器传入的数据，获取z i g b e e 网络采集到的数据； ( 2 ) 对串行数据进行解包分析； ( 3 ) 创建和操作嵌入式数据库： ( 4 ) 建立t c p 服务器，侦听、接受客户端的连接请求，进行t c p 数据交换。 4 、网络客户端功能 ( 1 ) 建立t c p 客户端，与嵌入式服务器进行连接； ( 2 ) 访问嵌入式服务器，获取远程数据信息。 4 2 硬件平台 硬件平台有两部分组成，z i g b e e 网络平台部分采用j n 5 1 2 1 控制器，嵌入式 平台部分采用a r m 9 控制器$ 3 c 2 4 4 0 。 4 2 1j n 5 1 2 1 控制器结构及特性 厂、 一 、 l r a mr o m s p l0 32 4 g h z 9 6 k b 6 4 k b r a d i o q q l p s k i 车纠2 w i r e s e r a ll 仁 ： m o d e m r i s c c p u 一- _ 1 1气t i m e r s 一 、r - _ 弋， 一1 、u a r t s ， - 一 i e e e8 0 2 1 5 4 m a ca c c e l e r a t o r 1 2 一b i t a d c j i ：仁 c o m p a r a t o r p o w e r1 2 8 - b i t a e s m a n a g e m e n te n c r y p t i o n c ll b i td a cs g t e m ps e n s o r s t a c c e l e r a t o r l 一 图4 2j n 5 1 2 1 控制器结构图 j n 5 1 2 1 是一款兼容于i e e e8 0 2 1 5 4 的低功耗、低成本无线微型控制器，控 制器结构如图4 2 所示。该j 占片内置一款3 2 位的r i s c 处理器，配有2 4 g h z 频 1 5 武汉理j i ：大学硕士学位论文 段的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线收发器，6 4 k b 的r o m 和9 6 k b 的r a m ，高度 集成化的设计为无线传感器网络应用提供了多种多样的低成本解决方案。 j n 5 1 2 1 具有许多优良特性：内置的r o m 存储器中集成了点对点通信与网状网 通信的完整协议找；其内置的r a m 存储器，可以支持网络路由和控制器功能而 不需要外部扩展任何的存储空间；内置的硬件m a c 地址和高度安全的a e s 加 密算法加速器，减小了系统的功耗和处理器的负载；支持晶振休眠和系统节能 功能，同时提供了对于大量的模拟和数字外设的互操作支持，可以方便地连接 到用户的外部应用系统。 4 2 2j n 5 1 2 1 硬件节点电路 以j n 5 1 2 1 控制器为核心的z i g b e e 协调器和路由器硬件节点由j n 5 1 2 1 模 块、时钟电路模块、存储电路模块、模拟处理电路、通讯接口电路模块与电源 处理模块共同组成，其结构如图4 3 所示。 图4 - 3z i g b e e 节点结构图 4 2 3 $ 3 c 2 4 4 0a r m 9 处理器 $ 3 c 2 4 4 0 是基于a r m 9 2 0 t 内核，采用a m b a 总线构架的高速低功耗微处 理器。集成在一个芯片上的硬件资源包括：功能强大的电压管理模块；多种接 口( 含串口、s p i 接口、i i c 总线接口、i i s 音频总线接口、a c 9 7 解码总线接 口、s d 接口、2 路u s b 主机控制器和1 路u s b 设备控制器接口、触摸屏幕 接口、摄像头接口) ；专用外部存储器控制单元；l c d 专用控制器和专用d m a 1 6 武汉理一r 大学硕七学位论文 通道；外部4 路独立d m a 控制器；4 路定时器1 路内部计数器和看门狗；r t c 实时时