（电力电子与电力传动专业论文）基于zigbee的嵌入式web网关设计.pdf

晒华大学硕士学位论文 较为合理，有良好的实用价值。 关键词：无线传感器网络，z i g b e e ，嵌入式w e b 网关，嵌入式w e b 服务 器，c g l 惩华大学硕士学位论文 d e s i g no fe m b e d d e dw e bs e r v e rg a t e w a yb a s e d o nz i g b e e p o w e re l e c t r i ca n dp o w e rd r i v e g r a d u a t e ：s o n gy a o - h u a s u p e r v i s o r ：z h e n g p i n g a b s t r a c t t h ea p p l i c a t i o no ft h ee m b e d d e dw e bt e c h n o l o g yi nm o n i t o r i n gs y s t e mi st h e u pt od a t ed e v e l o p m e n tt r e n di nt h er e m o t em o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gf i e l d 。t h e p a s tm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o nh a sb e e nc h a n g e db yt h e e m b e d d e dw e bt e c h n o l o g y w i t hs t a n d a r d i z a t i o n b r o w s e r , p e o p l e c a l lv i s i t d y n a m i c a lw e bp a g e so fe m b e d d e dw e bg a t e w a y , s oa st ow a t c hr u n n i n gs t a t eo f f i e l dd e v i c e ，v i s i ta n dc o n t r o lt h eb o t t o md e v i c e m a k i n gu s eo ft h i st e c h n o l o g y , d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no nt h ee m b e d d e dw e bg a t e w a ys y s t e mb a s e do nz i g b e ei n t h i sp a p e r a st h eh i n g ew h e r et h ez i g b e ea n di n t e r a c te x c h a n g et h ed a t a ，i tc a l l e f f e c t i v ec o n n e c tz i g b e ea n di n t e m e tn e t w o r k t h eb o t t o mn e t w o r ki sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ，t h ec o r eo fe m b e d d e dw e b g a t e w a yi sl p c 2 2 9 2 a n db u i l te m b e d d e dw e bg a t e w a yh a r d w a r eb yt h eb a s i cs y s t e m a u x i l i a r ye q u i p m e n t ，c c 2 4 3 0 ，r t l 8 0 19 a s ，s d r a m ，f l a s h ，j t a g , r s 2 3 2a n ds o o n t h e1 t c l i n u xi sc h o s e nt ob et h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi nt h i sp a p e r , t h r o u g hr e a s o n a b l ec o n f i ge m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mf o ru c l i n u x ，t h eb o a w e b s e r v e rh a sb e e ne s t a b l i s h e d ；t a k i n gc h a r g eo fc g it e c h n o l o g y , s t a t i cw e bp a g e a n dd y n a m i cw e bp a g eh a v eb e e nd e s i g n e d ，t h ed a t ai n t e r a c tb e t w e e nb r o w s e ra n d e m b e d d e dw e bs e r v e rb ys p ic o m m u n i c a t i o n ；t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ed e s i g n i s c o m p l e t e db e t w e e nw i r e l e s sz i g b e em o d e la n dl p c 2 2 9 2 t h eb r o w s e rc a n c o m m u n i c a t i o nw i t hb o t t o mn e t w o r kt h r o u g ht h i s g a t e w a y , t h ee m b e d d e dw e b r e m o t ew r i e l e s sm o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sr e a l i z e dw e l l i i i 殛华大学硕士学位论文 w h e nt h ep r o j e c ti s c o m p l e t e d ，t h es y s t e mw a st e s t e di n c l u d e ss p id r i v e n s o f t w a r et e s ta n dw h o l es y s t e mt e s t 。t h et e s tr e s u l ts h o w e dt h a tt h ed a t ab o t hp a s s e s t h r o u g ht h ee m b e d d e dw e bg a t e w a yf r o mt h eb r o w s e rt oa r r i v ea tt h ez i g b e e n e t w o r k ，a n dc a na r r i v ea tt h eb r o w s e ru s e rt h r o u g ht h ez i g b e en e t w o r ka f t e rt h e e m b e d d e dw e bg a t e w a yp l a c e a f t e rt h ed e s i g ni s c o m p l e t e d p e o p l ec a nm o n i t o r a n dc o n t r o lt h er e m o t ee q u i p m e n to nt h et e r m i n a lb r o w s e r b yv e r i f y i n gt h es y s t e m f u n c t i o n , t h es y s t e mh a sa c h i e v e de x p e c t i o no fp e r f o r m a n c e t h ee x p e r i m e n tp r o v e s t h a tt h i ss y s t e md e s i g ni sp r o p e r i th a se x t e n s i v ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n da n dv a l u eo f u t i l i z a t i o n 。 k e y w o r d ：w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，z i g b e e ，e m b e d d e d w e b g a t e w a y ， e m b e d d e dw e bs e r v e r 。c g l i v 嚣华大学硕士学位论文 声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他入已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得瑶华大学或者其他教育机构的学 位或证书露使用过的材料。与我网工作的同志对本研究所傲鲍任何贡献均己 在论文中作了明确的说明并表明谢意。 本学位论文成巢是本人在西华大学读书麓闻在导爨指导下取得的，论文成 果爨西华大学所有，特此声明。 作者签名：鹏酬绎g 月。日 翮躲毛脬州 磷华大学硕士学靛论文 l 绪论 薹。1 研究背景剃意义 嵌入式i n t e r a c t 是遥凡年发震起来的颈薪技零，是掩设备遴避嵌入焱模块 两菲k ：接入i n t e r a c t ，数i n t e r a c t 魏奔质实现信息交嚣的技术秘】。现在i n t e r a c t 器经成为社会重要瓣基磁德惠设施之一，是信息流遴的塞簧遴邀。然箍世界上 大鬟翦信息处理并嚣集中在p c 餮服努器上，霭是分布褒群燹楚不在懿撒入 式设备孛，如聚能够将嵌入式设备连接到l n t e m e t 上，那么嫠意就可敬方便，低 廉麓传送割凡乎世界主鲢馐秘一个地方，从而键健越来越多瓣褶对独立鲶设餐 搂入劐i n t e m e t 这个大家庭中，实现信息昀多元流遴。缀据鼹络专家魏预测，将 来在i n t e m e t 上传输的7 鹳磊的蘩惠将来爨小型嵌入式系统。墨代鹣i n t e m e t 赢蔫 也隧之由戳p c 梵中心转巍戬嵌入式系统和设备为中心，信息家暾( i n f o r m a t i o n a p p l i a n c e , i a ) ，家庭赠络( h o m en e t w o r k ，e - h o r n e ) 耧篱辘讫褥终纯熬控制设备 ( h t e l l i g e n t i z e dn e t w o r kc o n t r o ld e v i c e ，i n c d ) 等概念麓流行，袭袭i n t e m e t 疲餍 基经进入了嵌入式i n t e m e t 时代。可躐预计2 世鳃寒瓣i n t e m e t 革命毖然学致 豁嵌入式i n t e m e t 静这场2 鼍键绝的革命。 在工监控制领域，随着嵌入式i n t e m e t 技术，计算概技术，遵信技术，和微 龟子技本麓迅猛发鬟，工照基动化技术也量琨蹬智麓他，数字纯鞠瀚络纯懿趋 势。嵌入式i n t e m e t 技术把t c p i p 协议应壤到嵌入式设备中，使褥整个网络只 有一种底层遽诹协议，可以满足控制系统各个层次的要求，不枝使得佥渡绩感 瓣络翱控测网络褥剿统一，蕊显易于秘i n t e m e t 实现秃缝连接；通道w e b 测览 器，蔫户可戳在饪俺时候、蠹何地方监控现场设备，还冒戳在远方瓣现场设惫 进行诊断和软件舞级。当裁，对予嵌入式i n t e r n e t 网络螅接入主要有采取两静方 藏：静是将嵌入式w e b 服务器弓| 入到现场监控设备孛，在相应鳃矮件平台期 软绺系统的支持下，使传统的测试期控制设备转变斑其备了以t c p i p 为底层透 信协议，w e b 技术为核心鸽蒸予互联蹰麴礴络设备。舞秸是爨己缡写游议转 换处理程寄，将它蕊纯在m c u 巾，从丽撼离了系统的性麓，这稀实现起来键 较必篱单，毽系统缺麓荧活缝，较髂的舞缀也缀不方便。 疆华大学硕士学位论文 爨前，在工照监控系统孛，隽了实现多个m c u 之闯的髂息交流，主要剩磁 r s 4 8 5 、c a n 、p r o f i b u s 等总线组成赢屡网络，有效堍解决了底层的翮络他闻题。 徨爨这种有线阚络在监控现场与滥控终端之间，霈要线路连接，采用封闭式监 控模式，它对远离王鼗现场或环境恶劣的地带进行蓝测时，不仅瓷金投入大， 有时甚至在技术上难驻实现；同时这种有线方式难以实现移动办公，现代管理 人员经常毒差，需要隧时鼹踪信惠变纯，甚至，跨越区、跨国际之闻赘糕共享。 嚣光线健感器网络具有无须枣线、维护篱单、成本低以及良好的扩震性等特点， 它越来越孳| 起学术界稿王盐界的高度重褫，被认为是将对邀纪产生巨大影响力 的技术之一。2 0 0 3 年2 月，美国 t e c h n o l o g yr e v i e w ) ) 杂志谤出了将在来来 菠变邀赛静十大瓶兴技术，无线黄感器嬲络技术( w s n ) 位捌榜首。商韭溺列 预测的未来圆大薪技术中，无线传感器网络也列入其中。可以预计，无线传感 器嬲络瓣广泛是耪必然憝势，它酶懑现将会给人类社会带来擞大的变革器】。 z i g b e e 是遁年来懋现的面两低成本设餐无线联网要求熬技术，它是一种选 题蹙、低功耗、低速率、低成本靛双澎无线通信技术玲l 。宅广泛运翊子工业控 翻、消费性电子设备、家詹智麓诧控制秘医疗设备控制等。这壤技术酶援心是 由i e e e8 0 2 。1 5 4 工作缝测定，高层瘟髑、蔓联互逶测试秘帘场推广则盘2 0 0 2 年组建豹z i g b e e 联盟负责。刹鬻前为壹，联鬣成员邑经到了1 5 0 多家，成员包 括像m m 、e m b e r 、基本三菱、摩托罗拉公霹、搿兰鹃菲测普半导体公司等毽 界著名麓公司，孛雹的华为公司最近也鸯羹入劐该缝织。众多的半导体商瞄准了 z i g b e e 市场，标准刚捺瀣不久，符合该协议标准的麴芯片就已经甄繁，有多葱 片解决方案，也有荤芯片解决方案。z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟秽i e e e8 0 2 1 5 4 的推动下，缝合其他无线技术，可以实现无掰不在的赠络。它不仅褒工蜚、农 业、军事、环境、医疗等传统领域有重大觞旋用价值，未来还将走进入们的遵 常生活中。可以预计， z i g b e e 将在监控和鑫动纯领域霄广溺的应用裁景。 长翘以来，低徐、低传输率、短距离、低功率的无线通讯市场一蛊存在着， 特别是在工业控铡、家耀啻动控裁、玩具制造等领域，隧着工业鑫动化和家庭 智戆化麴发展，需要一种无线方式寒实现把工数现场鉴测设备和控制设备，以 及家庭各种家用电器藕互联瓣有效的连接起来。缝合嵌入式i n t e m e t 技术和无线 鄹络技术鲢发展，本课题所设计麴基于z i g b e e 鲍嵌入式w e b 网关系统就是使 2 话华大学硕士学位论文 z i g b e e 技术与i n t e r n e t 互连网实现互连互通，使得在工业现场以及在其它场合 采集的数据通过嵌入式w e b 网关发送到互连网上，从而实现对现场的监测和控 制。它在z i g b e e 的无线传感器网络和i n t e m e t 互连网的远程数据交互之闻搭建 了一座桥梁，使z i g b e e 在各个领域得以更为广泛的应用。 l 。2 无线传感器网络的发展与现状 无线传感器网络起源于1 9 9 4 年加州大学伯克利分校的w i l l i a mj k a i s e r 教 授向d a r p a 提交的“l o wp o w e rw i r e l e s si n t e g r a t e dm i c r o s e n s o r s ”研究计划书。 该计划书不但给高了基于微电机系统( m e m s ) 的微小节点的概念设计模型，还描 绘出了无线传感器网络的广泛诱人而极具想象力的应用背景，特别是在军事领 域f 4 1 。 。 无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和 通信技术，在工农业、生物医疗、军事、国防、环境监测、抢险救灾、预报、 健康护理、智能家居、建筑状态监测、复杂机械监控、城市交通、空间探索、 大型车间和仓库管理，以及机场、大型工业园区的安全监测等很多领域有着巨 大的应用价值和十分广阔的应用前。它引起了世界各国军事部门、工业界和学 术界的极大关注。作为一个全新的研究领域，国内外很多大学在无线传感器网 络方面开展了工作。如麻省理工学院( m i t ) 获得了a r p a 的支持，从事着极低功 耗的无线传感器网络方面的研究，被业界广泛关注的s p i n ( s e n s o rp r o t o c o l sf o r i n f o r m a t i o nv i an e g o t i a t i o n ) 协议也是击自m i t ；奥本大学( a u b u r nu n i v e r s i t y ) 也 获得d a r p a 支持，从事了大量关于自组织传感器网络方面的研究，并完成了 一些实验系统的研制；宾汉顿大学( b i n g h a m t o nu n i v e r s i t y ) 计算机系统研究实验 室在移动自组织网络协议、传感器网络系统的应用层设计等方面做了很多研究 工作，等等【5 1 。 另美国军方有包括c 4 k i s r 计划、s m a r ts e n s o rw e b 、灵巧传感器网络通信、 无人值守地面传感器群、传感器组网系统、网状传感器系统c e c 等【6 】研究。 美国d u s tn e t w o r k s 和c r o s s b o wt e c h n o l o g y 等公司研究的“智能尘埃( s m a r t m o t e ) ”已进入应用测试【7 1 。在英国、日本、意大剥等国家，已经开展了该领域 的研究工作。 3 硒华大学硕士学位论文 我国近几年也开展了这一领域的研究工作，2 0 0 4 年底，国家发展改革委开 始关注传感器网络的发展，并从2 0 0 5 年开始展开将传感器网络纳入下一代互联 网络试验与应用示范项目中，有包括中科院计算所在内的数家单位获得了本项 目的支持。其目的，一方面推进传感器网络本身的技术发展，另一方面直接支 持传感器网络与p v 6 网络融合的路由等相关技术。除此之外，国家8 6 3 计划、 9 7 3 计划也开始筹划对传感器网络的研究支持。我国的一些高校与研究机构也 积极开展无线传感器网络的相关研究工作，主要有清华大学，中科院计算技术 研究所、中科院自动化所、中科院软件所，浙江大学，哈尔滨工业大学，国防 科技大学等。 z i g b e e 是闫l 爵t 发展起来的，很有市场潜力的一种技术。它是为了满足低功 耗、低成本的无线网络要求而诞生的，i e e e 标准委员会在2 0 0 0 年1 2 月份正式 批准并成立了8 0 2 1 5 4 - 1 - 作组，任务就是开发一个低速率的w a n ( l r w p a n ) 标准。它能在低成本设备( 固定、便携或可移动的) 之间低速率传输。它使用的 频段是无需许可的，进一步降低了成本。非常适合在一个有限的范围内进行数 据通信。目前，各大国外i c 厂商纷纷推出自己的z i g b e e 解决方案，在芯片方 面主要有：t i 的c c 2 4 2 0 、c c 2 4 3 0 、c c 2 5 2 0 ，f r e e s e a l e 的m c l 3 1 9 1 、m c l 3 1 9 2 和m c l 3 1 9 3 ，e m b e r 的e m 2 5 0 、e m 2 6 0 等。国内目前在芯片方面只有台湾达 盛公司( u b e c ) 开发出自己的芯片u z 2 4 0 0 ，丽更多的公司是在已有芯片的基础 上进行二次开发，或者直接使糯其它公司的产品。 在z i g b e e 产品的开发上，国外的大公司一直走在前列：韩国s k t e l e c o m 公司在2 0 0 5 年1 0 月推出新的数字智能家庭服务，其核心的技术为e m b e r 公司 提供的z i g b e e 无线技术；丹麦的n e s a 公司凭借飞思卡尔半导体的z i g b e e 兼 容平台在欧洲为鲁动读表系统( a m r ) 部署第一套支持z i g b e e 的系统；美国 c o m p x s 公司已经成功开发出了可电脑外设上使用无线通信规格 z i g b e e ”的 u s b 适配器，这种适配器嵌入了由c o m p x s 与日本冲电气工业共同开发的 z i g b e e 单芯片收发i c 。国内在z i g b e e 产品的开发上起步比较晚，但是进展很 快，深圳旭昂公司已经开发出多种z i g b e e 模块，并提供开发和演示平台；成都 西谷曙光公司也开始提供自己的开发平台，同时开发了多种z i g b e e 模块( 包括 湿度传感，门禁系统等) 。目前也有很多大学和研究所也纷纷开始了z i g b e e 产 4 甄华大学硕+ 学位论文 品的研究，其中有中科院、清华大学、武汉大学、山东大学等等。 z i g b e e 由于其低成本、低耗电、双向传输的特性，专门为低成本、多节点 的低功耗网络所设计，仅仅使用琵颗a a 电池，即可维持数月甚至数年间不用 换电池。目前，产品已经运用于货物仓库存储管理、医疗监理、老人看护、停 车厂管理、居家管理、农业设施管理以及环境和能源节约等方面【8 】。 1 3 嵌入式w e b 服务器的发展与现状 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市 场展现了美好的前景，从中可以看出未来嵌入式w e b 服务器的发展趋势，嵌入 式w e b 产品将与互联嬲应用相互促进，快速发展，嵌入式w e b 产品将成为互联 网的主要终端之一，嵌入式w e b 设备网络互联成为必然趋势。越来越多的网络 通信设备、智能家电设备、监控系统、工业控制等设备都已经实现内置的嵌入 式w e b 服务器，用户、操作人员可以直接使用w e b 浏览器通过设备的以太网或 者其他网络端口来远程访问内置w e b 服务器的专用网页，从面实现对设备运行 状态的观测和运行参数的配置等功能p j 。 嵌入式w e b 服务器( e m b e d d e dw e bs e r v e r , e w s ) 是指将w e b 服务器引入 到现场测试和控制设备中，在相应的硬件平台和软件系统的支持下，使传统的 测试和控制设备转变为具备了以t c p i p 为底层通信协议，w e b 技术为核心的基 予互联网的网络测试和控制设备【1 0 】i l l 】。e w s 系统与传统的w 曲应用相比，简 化了系统结构，将信息采集和信息发布都集成到现场的测控设备中。由于有了 标准的接口形式和通信协议，内嵌予设备的w e b 服务器可以向任何接入它所在 网络的合法用户提供统一的基于浏览器方式的操作和控制界面，浏览器成了设 备的前端控制板。出于w e b 技术的开放性和独立平台特性，大大降低了软件系 统和通信系统的设计、维护工作量，节省了人员培训费用等，提高了现场测试 和控制设备的管理水平。 在嵌入式系统中集成嵌入式w e b 服务器实现i n t e m e t 接入是近年来才出现 的一种较为先进的方案，早期大都采用专用的网关接入方案，如m o x a 公司的 n s e r v e r 、美国o n e g a 公司的i s e r v e r 产品。嵌入式网关将内部网络和外部网络 5 顽华大学硕士学位论文 隔离开来，在内部遥信协议帮外部t c p i p 之闯起到协议转换的作用，但这也是 后来其无法进一步实现更灵活的接入功能的原因【1 2 1 。以色列c o n n e c to n e 公司 提出了采用i c h i pc 0 6 6 1 a l 芯片实现i n e t m e t 接入的解决方案，i c h i pc 0 6 6 1 a l 是一种高档协议处理芯片，可处理常见t c p 、u d p 、h t t p 、i p 、w a p 等协议， 并且同时提供l o 个t c p 连接和2 个监听s o c k e t 。e m w a r e 公司己开发出比较完 善的e m i t ( e m b e d d e dm i c o ri n t e m e tt e c h n o l o g y ) 接入方案，它是一种硬件、固件 和软件综合的实现方案。还有a l l e g o r 公司的r o m p a g e r 、w i n d r i v e r 公司的r a p i d c o n t r o l 。 在嵌入式w e b 服务器方面，w i n d e r r i v e r 公司的嵌入式w e b 服务器软件 w i r i dw e bs e r v e r 用于v x w o r k 的嵌入式应用中，a l l e g r o 公司的r o m p a g e r 是一 个免特许权费用，价格适合的嵌入式w e b 服务器包，客户可以使用通用的w e b 浏览器来管理和控制网络设备。g o a h e a dw e b 服务器是g o a h e a d 公司的 e m b e d d e dm a n a g e m e n tf r a m e w o r k 产品的一部分，这个软件包主要用于解决未 来嵌入式系统开发的相关问题。这款w 曲服务器非常小巧，它的w i n c e 版本 编译后的大小还不到6 0 k b y t e ，它的输出通常是面向一些小屏幕设备。p c l i n u x 下集成了三个w 曲服务器，因为其的开源性在高校实验性项圈中褥到广泛应用。 国内的嵌入式w e b 服务器研究还处在初级阶段，国内有w e b i t 。没有大规 模的应用，丽且在国内的嵌入式w e b 服务器一般是在单片机的基础上设计而成 的，在嵌入式处理器方面，曙前市面上主要有r a b b i t 半导体公司的 r a b b i t 2 0 0 0 3 0 0 0 处理器、a m d 公司的a m18 6 系列嵌入式处理器、m o t o r o l a 公司的m 6 8 h c 系列嵌入式处理器。s a m s u n g 公司的a r m 系列处理器如 s a m s u n g 2 4 1 0 ，s a m s u n g 4 4 8 0 以及p h i l i p s 公司的l p c 2 1 1 4 2 0 0 0 等。当 前，嵌入式w e b 服务器的实现方法可以分成自主实现和修改移植两种。裔主设 计主要是在单片机上完成，此时需要自己开发网络协议，难度大，虽然有的单 片枫可以移植操作系统，但还是不能满足要求。自从l i n u x 熠于嵌入式系统后， 由于l i n u x 优良的网络功能，使得非常适合于嵌入式w e b 服务器应用中，并能 为开发者缩短开发周期和成本，这种开发方式是现在以至以后流行的开发方法。 6 鼯华大学硕士学位论文 1 。4 论文研究内容及结构安排 本文主要研究基于z i g b e e 的嵌入式w e b 网关设计。从具体方面来说，是 研究蒡实现嵌入式设备的i n t e r a c t 接入，采用嵌入式w e b 网关和z i g b e e 无线传 感器网络混合通信结构，从而实现对该设备的远程监控，具体内容如下： ( 1 ) 系统方案设计 针对目前嵌入式设备的i n t e m c t 接入方法，提出一种较为切实可行的方案。 ( 2 ) 硬件电路设计 根据所选方案，对硬件电路进行选型和设计，选取l p c 2 2 9 2 作为m c u ， 并为其配置了2 m 字节的f l a s h 和1 6 m 字节的s d r a m 。向外扩展了晶振、 电源、复位、串韶、键盘l e d 、以太网控制器、无线即收发芯片c c 2 4 3 0 等一 系列的功能模块。 ( 3 ) 系统软件设计 在硬件系统基础上，进行前、后端的软件系统设计，该阶段的主要工作有： 1 ) 对g c l i n u x 进行板级移植 针对硬件开发平台，对i t c l i n u x 的系统启动代码、b o o f l o a d e r 程序等进行 修改，对内核重新进行配置，加载所需的功能模块，卸载不需要的模块，耩简 内核，并对内核重新进行编译。 2 ) 构建b o a 服务器，并编写相关静态及动态网页 + 针对具体需要，移植了b o aw e b 服务器，并编写相关的静态网页与动态 c g i 程序以及根目录文件i n i t i m g 的制作。 3 ) z i g b e e 无线模块与a r ml p c 2 2 9 2 的通信接口设计 设计基于 t c l i n u x 的s p i 驱动程序，在l i n u x 下编写c c 2 4 3 0 与l p c 2 2 9 2 之间的c g i 通信接翻程序。 ( 4 ) 系统测试 测试前需根据系统指标设计测试方案，选择测试工具和数据分析工具；在 现场根据测试方案测量到大批试验数据后，对数据进行针对性分析，得出系统 性能测试结果。 本文的结构安排如下： 第一章，绪论。主要是对无线传感器网络技术的综述，对z i g b e e 传感器网 西华大学硕士学位论文 络的研究现状进行了归纳和总结，在此基础上提如本文的研究目的和意义。讨 论了无线传感器网络和嵌入式w e b 服务器的发展与现状，以及作者的主要工作 内容。 第二章，系统总体方案设计。分析讨论了整个网关系统的设计，与关键元 器件的选取。 第三章，基于z i g b e e 与w e b 网关的硬件设计。介绍网关系统硬件平台的 实现。设计l p c 2 2 9 2 最小系统，包括一些基本外围电路设计；无线通信协调器 c c 2 4 3 0 与l p c 2 2 9 2 的接口通信电路电路及电源电路。 第四章，p c l i n u x 系统的移植。详细介绍了r e dh a t 9 0 下a r m 交叉编译 环境的构建方法，p c l i n u x 操作系统的内核移植与编译。 第五章，嵌入式w e b 服务器的移植与系统软件设计。详细介绍了在构建好 的a r m + p c l i n u x 开发平台下，构建b o aw 两服务器方法，以及远程监控应用 程序的设计和实现过程。 第六章，系统的整体测试分析。介绍了设计完成以后进行的一些主要的测 试工作。 最后一章，主要是对冒翦的工作做了一些总结，分析了本设计的一些优点 以及还需要改进的地方。并对下一步的研究工作进行了展望。 1 5 本章小结 本章通过对嵌入式i n t e r n e t 技术的发展趋势及应用，对国内外无线传感器网 络和嵌入式w 曲服务器的现状与发展的分析研究，引出本文的研究瞄的和意义 以及主要工作内容。 8 西华人学硕士学位论文 2 系统总体方案设计 2 1 方案比较与选择 嵌入式i n t e m e t ( e m b e d d e di n t e m e t ，e i ) 技术的实现方法多种多样，体系结构 不同，使用的芯片不同，采用的底层技术不同，嵌入式上层软件不同等众多特 殊的环境因素导致e l 在不同的时期有着不同的实现方法。e i 技术的历史虽然 不是很长，但是发展却十分迅速，许多芯片制造商已经研制出功能强大的嵌入 式网络专用芯片，软件厂商则开发出了微型的w e b 服务器，嵌入式t c p i p 协 议栈等等。 不管采用何种技术，都离不开i n t e m e t 嬲络技术和t c p i p 协议。这里，实 现不同网络之间的通信主要有两种方式稚3 j ： ( 1 ) 方案一 “协议转换网关 专门用于连接采用不同通信协议和介质的两个或多个网 络，实现不同网络之间的通信。当一个报文要求从一个网段传送到另一个网段 时，网关需要完成对该报文的接收、翻译和转发工作。使用网关来实现两种通 信协议的转换，是两种网络互连最直接的方法。但是这种，在网关与现场设备 之闾的协议没有标准可循，通常不同的厂商之间的协议各不相同，增加了互联 的难度，限制了其进一步的发展。 ( 2 ) 方案二 “嵌入式w e b 网关模型是一种混合通信结构，他克服了上位机网关模型 带来的成本和体积问题，是上位机网关模型的改进。其w e b 技术是i n t e m e t 的 核心技术之一，以 重w p 技术为基础，具有简单、高效、跨平台等优点，是信 息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。借助w e b 服务器和浏览工具可以实 现底层控制网络与上层网络之间数据信息的动态交互。控制网络中的状态信息 通过w e b 服务器以网页的形式发布出去，远程用户通过w e b 浏览器查看这些信 息，还可以避过表单的形式向w e b 服务器提交请求，实现对控制网络的远程控 制。控制设备内嵌w e b 服务器，使得控制网络的设备有条件直接通向互联网， 与外界直接沟通信息。 该方案采用具有现场总线接口的3 2 位高性能嵌入式设备作为专用i n t e r n e t 9 硬华大学硕士学位论文 网关，体积小，成本低，同时可以连接多台终端设备接入i n t e m e t 。相比第一种 方案具有以下几点优点： 其一易开发：相比前一种情况，它不需要编写协议转换程序，它是通过c g i 与w e b 服务器来实现不同协议之间的通信。 其二易用性：浏览器的界面篙单易用，客户端可以根据服务器提供的页面 提示，轻轻点几下鼠标来完成操作。 其三扩展性：众所周知，完整的w e b 服务是由服务本身以及一些动态服务 页面构成，这些网页需要实时地反映设备的状态、采集的信号、报警信息，反 馈操作的执行结果等等。当监测设备发生变化后，我们只需要将嵌入式w e b 服 务器里的网页随现场设备的变化而动态更新和生成即可。 综上考虑，本课题采用第二种方案。 2 2 系统整体方案分析 2 2 。1 系统实现的功能 本系统主要实现以下功能： ( 1 ) 基于a r m 和g c l i n u x 的嵌入式系统中实现嵌入式w e b s e r v e r ，支持c g i 动态网页编程。 ( 2 ) 用户可以利用通用计算机的浏览器通过互联网t c p i p 协议访问该嵌入 式网络服务器而无须安装特定的客户端软件。 ( 3 ) 嵌入式w e b s e r v e r 通过z i g b e e 无线模块和z i g b e e 无线终端设备联网进 行遥信，能够实现z i g b e e 协议数据和t c p i p 协议数据的双向数据通信转换。 ( 4 ) 用户通过浏览器就可以实时监视位于z i g b e e 网络中的设备运行状态， 并能对其进行实时控制，要求信息传输准确、有良好的抗干扰能力。 2 2 2 基于w e b 的监控技术方式的选择【1 4 】f 】5 】【1 6 】 因特网分布式应用程序的主要通信模型有两种：即c s 和b s 模型。我们 首先对这两种模型进行分析与比较。 l o 话华大学硕士学位论文 所谓 c s ”模式是指c l i e n t s e r v e r ( 客户机埔漫务器) 。c s 结构是一种典型的 二层结构，其工作原理是：用户通过应用程序向客户机发送数据要求，客户机 通过网络将用户的数据要求提交给服务器，服务器的数据库管理系统执行数据 处理任务，然后把经过处理的用户需要的那一部分数据，而不是整个文件传输 到客户机，最后由客户机完成对箕所需数据的加工。 所谓 b s ”模式是指b r o w e r s e r v e r ( 浏览器服务器) 。b s 模式是一种三层 结构的系统。在b s 结构中，把原来在客户机一侧的应用程序模块与显示功能 分开，将它放到w e b 服务器上单独组成一层，客户机上统一采用易于操作的用 户界面一浏览器，通过把负荷均德地分配给了w e b 服务器，客户机变“瘦”了， 从丽使系统更具可控性，给系统维护带来了极大的方便。将系统的应用程序集 中到服务器端，而无需开发客户端程序，服务器上所有应用程序都可以通过w e b 浏览器在客户机上执行。用户只需要在网上建立w e b 服务器，并通过服务器与 数据库连接实现访问w e b 数据库的功能，不仅统一了用户界厦，恧且实现了跨 平台操作。 b s 模式和c s 模式比较如下： c s 是建立在局域网基础上的，b s 建立在广域网基础上的。 ( 1 ) 硬件环境不同：一般来说，c s 是建立在专用网上，小范围的网络环境， 局域网之间再通过专门的服务器提供连接和数据交换服务；焉b s 是建立在专 用网之上。 ： ( 2 ) 对安全要求不同：c s 面向相对固定的用户群，对信息安全的控制能力 缀强，一般高度机密的信息采用c s 模式适宜，通过b s 发布部分可公开的信 息：而b s 是建立在广域网之上，对安全的控制能力相对较弱，面向不可知的 用户群。 ( 3 ) 对程序架构要求不同：一般c s 程序可以更加注重流程，可以对权限多 层次校验，对系统的运行速度较少考虑；b s 对安全和访问速度的多重考虑， 建立在需要更加优化的基础上，比c s 有更高的要求，b s 结构的程序架构是 发展的趋势。 ( 4 ) 软件重用不同：c s 程序不可避免的整体性考虑导致构件的重用性不如 在b s 模式中构件的重用性好，b s 模式的多重结构要求构件有相对独立的功 嚣华大学硕士学位论文 能，能够相对较好的重用。 ( 5 ) 系统维护不同：系统维护是软件生命周期中一笔较大的开销。c s 程序 由于其具有的整体性，必须从整体出发，处理出现的问题，系统升级难，只能 再做一个全新的系统；b s 构件可以个别更换，实现系统的无缝升级，系统维 护开销减到最小，用户可以从网上下载安装便可实现升级。 ( 6 ) 用户接口不同：c s 多是建立在w i n d o w s 平台上，表现方法有限，对程 序员普遍要求较高；b s 建立在浏览器上，有更加生动和丰富的表现形式与用 户交流，并且大部分难度较低，降低开发成本。 通过分析上述两种技术方式的对比，我们发现，相对于c s 结构雨言，三 层的b s 体系结构无论在配置要求、开发周期、升级换代等方面都优于c s 结 构。b s 结构不仅使用方便，丽且更具有可伸缩性和可扩展性，是尽前最先进， 也最适合采用的w e b 模型。因此，笔者采用b s 结构的w e b 技术方式。 2 2 3 系统的总体结构设计 工业监控网络结构一般可划分为3 层：底层控制网络、企业内部网( i n t r a n e t ) 和互联网( i n t e m e t ) 。底层的现场控制网络可以采用现场总线或无线网络构成， 上面两层般都采用以太网。 本系统主要由计算机，嵌入式w e b 服务器，z i g b e e 模块c c 2 4 3 0 、无线传 感器模块等组成，采集工业标准信号4 - - - 2 0 m a 或1 - - 5 v ，其系统结构如下所述： ( 1 ) 最底层是z i g b e e 无线传感器数据采集终端，它完成现场信号的测量并通 过无线射频技术与嵌入式w e b 服务器交换数据。 ( 2 ) 中间层是企业i n t r a n e t 网络，它将现场各种监测网络混合到一起，在这 里，嵌入式w e b 网关是连接低层z i g b e e 无线传感器网络和i n t e m e t 的桥梁，实 现了z i g b e e 与i n t e m e t 的信息交互。 ( 3 ) 最上层是i n t e m e t 上的计算机，可随时随地不必安装任何附加软件就可 以通过i n t e m e t 浏览器访闽嵌入式服务器。 系统的网络结构图如图2 1 所示。在该系统网络结构中，以嵌入式w e b 网 关为枢纽，向内通过z i g b e e 网络和若干个现场设备相连，向外透过局域网连接 外部i n t e m e t 。 1 2 西华大学硕士学位论文 模拟量 开关量 f i g u r e2 - ia r c h i t e c t u r eo fs y s t e mn e t w o r k s 图2 1 系统的网络结构图 该系统的数据监测网络采用z i g b e e 无线传感器网络，它可用于无法应用一 般工业现场总线的场合囊借助w e b 服务器和浏览器可以实现底层控制网络与上 层网络之间数据信息的动态交互。控制网络中的状态信息通过w e b 服务器以网 页的形式发布出去，远程用户通过远程浏览器查看这些信息，还可以通过测览 器向w e b 服务器提交请求，实现对控黼网络的远程控制。控制设备内嵌w e b 服务器，使得控制网络的设备有条件直接通向互联网，与外界沟通信息。 薅华大学硕士学位论文 2 3 嵌入式w e b 网关的主要硬件选型 2 3 1m c u 的选择 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e 的缩写，1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑 桥。a r m 是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低 的r i s c 处理器、相关技术及软件。适用于多种领域，已遍及工业控制、消费 类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，a r m 技术正在 逐步渗入到我们生活的各个方面。 a r m 是目前嵌入式领域里应用最广泛的r i s c 微处理器结构，以其低成本、 低功耗、高性能的特点占据了嵌入式系统应用领域的领先地位。a r m 系列的处 理器目前有a r m 7 ，a r m 9 ，a r m 9 e ，a r m l 0 等多个系列，此外a r m 公司合 作伙伴，例如i n t e l 还提供基于x s c a l e 微体系结构的相关处理器产