（检测技术与自动化装置专业论文）基于嵌入式linuxarm远程无线监控系统设计.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 i i j ， 3 簟 广 北京邮电大学硕士学位论文 l i i i ii 1i i i ii ii i i i i i i i i ii ii y 17 5 9 0 8 9 独创性( 或创新性) 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中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机构的学位 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。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：屋殓幺 日期： 型! 主! 竖 生在校攻读 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以 公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇 编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文注 释： 冱f 型。；t 二主 盈f 立：主：f 究国研向：并即留靛觥喊校啵学位学 ，文黼说和t1 的留北权保属捞式位用有单 能学权 史大产淦电识f 邮知关京的北作 解工 全沧由兀问者期作位文学 北京邮电大学硕士学位论文 声 a 厂蔑、 一 r 0 f r 北京邮电大学硕士学位论文 基于嵌入式l i n u x - a r m 的远程无线监控系统设计 摘要 随着计算机技术和芯片制造技术的高速发展，嵌入式系统已经广泛 应用到科研以及日常生活等各个领域。l i n u x 作为功能强大、源码公开的 操作系统，在近几年来得到了迅猛的发展。另外，z i g b e e 技术是一种新 兴的短距离、低速率、低功耗的双向无线通信技术，由z i g b e e 技术和传 感器组成z i g b e e 无线传感器网络，使数据的自动采集、分析和处理变得 更加容易。在工业、医疗、家庭智能化等领域，z i g b e e 技术与传感器技 术得到了广泛应用。 本课题首先简要介绍了嵌入式系统和无线通信的发展现状，阐述了 以高性能嵌入式$ 3 c 2 4 4 0 微处理器和无线c c 3 4 3 0 芯片为核心的远程无 线监控系统的硬件设计方案。随后以嵌入式l i n u x 操作系统和z i g b e e 2 0 0 6 协议栈建立软件平台，并详细分析了系统各个部分的软件设计，其中 l i n u x a r m 软件部分主要涉及到l i n u x 多线程编程、s o c k e t 网络编程以 及q t 界面编程；无线通信模块上主要采用z i g b e e 2 0 0 6 协议栈。为了数 据的正确性和产品的易维护性，本文提出并使用自主设计的主动上送式 和响应上送式通信协议。 关键字：l i n u x a i m ；通讯协议；z i g b e e ：q t e m b e d d e d 北京邮电大学硕：七学位论义 一 、 一 轧 、 广 d e s i g no fe m b e d d e d a r m - l i n u xb a s e dr e m o t ew i r e l e s s m o n i t o r i n gs y s t e m a b s t l 认c t w i mm ef a s t d e v e l o p m e n t o fc o m p u t e r t e c h n o l o g y a n d c h i pm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y e m b e d d e ds y s t e mi ss p r e a d i n go u ta n dg e t t i n gp o p u l a r l y u s e di ns c i e n t i f i c r e s e a r c ha n de v e r yd a i l yl i f e a sap o w e r f u l ，o p e ns o u r c eo p e r a t i n gs y s t e m ，l i n u xh a ss e e n r a p i dd e v e l o p m e n ti nr e c e n ty e a r s i na d d i t i o n ，z i g b e et e c h n o l o g y i sa ne m e r g i n g s h o r t r a n g e ，l o w s p e e d ，l o w - p o w e r , t w o - w a yw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h e z i g b e ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，c o n s i s t e do fz i g b e et e c h n o l o g ya n dw i r e l e s s s e n s o r t e c h n o l o g y , m a k i n gt h ed a t a sa u t o m a t e dc o l l e c t i o n ，a n a l y s i sa n dp r o c e s s i n gm o r ee a s i l y i nm a n ya r e a s ，s u c h 觞i n d u s t r i a l ，m e d i c a la n di n t e l l i g e n c e ，b o t ht h ez i g b e et e c h n o l o g ya n d w i r e l e s ss e n s o rt e c h n o l o g yh a v eb e e nw i d e l y 印p i l e d 一 一 t l l i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t u so ft h ee m b e d d e ds y s t e m a n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nf i r s t ，a n dt h e ne x p l a n a t i o nt h eh a r d w a r ed e s i g no ft h e e m b e d d e dr e m o t ew i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h eh i g h p e r f o r m a n c ee m b e d d e d m i c r o p o c e s s o rs 3 c 2 4 4 0a n dz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ec c 2 4 3 0 a n dt h e n u s i n gt h ee m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dp r o t o c o l s t a c kz i 9 8 e e2 0 0 6t ob u i l d s o f t w a r ep l a t f o r m ，a f t e rt h a t ，i ta n a l y s i so ft h ev a r i o u sp a r t so ft h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n ， 1 1 1 es o f t w a r ep o r t i o no ft h el i n u x 删w h i c ha r em a i n l yr e l a t e dt ol i n u x m u l t i t h r e a d e d p r o g r a m m i n g , s o c k e tp r o g r a m m i n g f o rn e t w o r ka n dq tf o ri n t e r f a c ep r o g r a m m i n g ； 、矾r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l em a i n l yu s e dt h ep r o t o c o ls t a c kz i g b e e 2 0 0 6 i no r d e rt o d a t aa c c u r a c ya n de a s yf o rm a i n t e n a n c ep r o d u c t s ，w ea d o p ta n du s ec o m m u n i c a t i o n p r o t o c o l sw h i c ha d o p ti n i t i a t i v ed e l i v e r ya n dr e s p o n s eo fi n d e p e n d e n td e s i g na r e u s e d 。 k e yw o r d s ：a r m l i n u x ；c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；z i g b e e ；q t e m b e d d e d 北京邮电大学硕十学位论文 手 北京邮电大学顾士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 嵌入式系统简介1 1 2 1 嵌入式系统特点与发展状态2 1 2 2 嵌入式操作系统简介及选择lin u x 操作系统的原因2 1 3 无线通信简介4 1 4 课题研究内容及目的4 第二章监控系统整体硬件设计6 2 1 监控系统整体框架6 2 1 1 本地监测站硬件简介6 2 1 2 无线通信模块硬件简介8 2 2 监控系统内部通信规约设计1l 2 2 1 远方数据中心与本地监测站通信规约设计l l 2 2 2 数据采集终端与本地监测站通信规约设计l l 2 3 本章小结。1 2 第三章本地监测站软件设计。1 3 3 1l i n u x 开发环境建立l3 3 2 本地监测站软件设计1 6 3 2 1 串口通信。1 6 3 2 2s o c k e t 网络通信。l8 3 2 3 多线程技术2 0 3 2 4 本地监测站软件整体设计2 2 3 3 本章小结2 6 第四章无线通信节点软件设计2 8 4 1 无线通信节点开发环境建立2 8 4 2 无线通信协议架构2 9 4 2 1ie e e8 0 2 15 4 协议简介2 9 4 2 2zig b e e 协议简介。3l 4 3 无线通信模块软件设计3 4 4 3 1 软件串口部分程序设计3 5 4 3 2 无线数据传输部分软件设计一3 7 4 3 3 无线通信模块软件整体设计。3 8 4 4 本章小结3 9 第五章q t 显示界面设计4 0 5 1q t 界面编程软件简介4 0 5 2 基于网络s o c k e t 的q t 界面软件的开发4 0 北京邮电人学硕上学位论文 5 3 本章总结4 4 第六章监控系统测试。4 5 6 1 监控系统测试环境设计4 5 6 2 监控系统测试结果4 6 总结与展望4 9 参考文献5 0 致 射一5 4 攻读硕士学位期间发表的论文5 5 i i ，t 入 北京邮电大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着微电子技术、计算机技术、网络通信技术的进步和不断拓展，特别是随着嵌入 式芯片技术和嵌入式操作系统的飞速发展。以p c 机和嵌入式技术为基础，通过网络将 系统中的设备连接起来组建实用的远程监控系统，己成为远程监控技术发展的方向。监 控系统的发展方向是远程化和网络化，以及以管理集中化和控制分散化为特征的监控管 一体化。远程监控系统包含大量相互交换信息的设备，具备信号处理、优化决策和控制 操作等，因此基于网络的分布式监控系统有着广泛的应用前景。在电力系统监控、工厂 生产自动化、智能大厦、智能小区安全监控管理等众多领域都能发挥重要作用】。 远程监控技术主要包括专线远程监控技术、电话网远程监控技术、以太网远程监控 技术和无线通信远程监控技术。特别是对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性 和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线网络通信来实现主控站与各个子站之间的数 据通信，采用这种无线通信远程监控技术有利于解决复杂连线的问题，无须铺设电缆和 光缆，降低环境成本。无线接入技术主要有g s m 、c d m a 、g p r s 和短距离无线接入技 术【2 1 。 z i g b e e 是一种短距离、低功率、低速率、低复杂度的无线网络技术。它可以工作于 无需注册的2 4 g h zi s m 频段，传输速率最高可达2 5 0 k b s ，传输距离为1 0 1 0 0 m 。相比 其它的无线网络技术，具有更低的功率消耗，大多时间处于睡眠模式。主要用于近距离 无线通信。它使用自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。 这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个无线节点传到 另一个无线节点，从而可以组成一个节点数最大为6 5 5 3 5 的无线传感器网络【3 】。 z i g b e e 技术在z i g b e e 联盟和i e e e 8 0 2 1 5 4 的推动下，结合其他无线技术，可以实 现无所不在的网络。它不仅在工业、农业、医疗、军事、环境等传统领域有具有巨大 的运用价值，在未来其应用可以涉及到社会生产活动和人类日常生活的所有领域。由 于各方面的制约，z i g b e e 技术的大规模商业应用还有待时日，但它已经展示出了非凡 的应用价值，相信随着相关技术的发展和推进，一定会得到更大的应用。 1 2 嵌入式系统简介 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m s ) 是根据应用的要求，将操作系统和功能软件集成 于计算机硬件系统之中，从而实现软件与硬件一体化的计算机系统。一般的说，凡是 北京邮电大学硕十学位论文 带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。和通用的计算平台相比，嵌 入式系统往往具有功能单一、体积小、功耗低、可靠性高、剪裁性好、软硬件集成度 高、计算能力相对较低等特点。总的来说，嵌入式系统就是软件和硬件的结合体h 1 。 1 2 1 嵌入式系统特点与发展状态 嵌入式系统以计算机技术为核心，其硬软件可根据实际需要进行裁减。与普通计 算机系统相比，具有以下几个特点【5 】： 1 、专用性：由于嵌入式系统一般是面向特定应用的，所以嵌入式系统的硬件和 软件都是为特定用户来设计的，它通常都具有某种专用性的特点。 2 、系统精简：嵌入式系统一般在系统软件和应用软件的区分上没有明显的 界限，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本， 同时也利于系统安全。 3 、高实时性：实时性是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储， 以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 4 、良好的裁剪性：由于目标对象的多样性，为适应不同的要求和节约产品成本， 无论在硬件方面还是在软件方面，嵌入式系统都具有很强的可裁剪性。 5 、可靠性：由于有些嵌入式系统所承担的计算任务涉及产品质量、人身安全、 国家机密等重大事务，所以与普通系统相比较，对嵌入式系统可靠性的要求极高。 6 、功耗低：有很多嵌入式系统的的应用对象都是一些小型应用系统，例如移动 电话、m p 3 、数码相机等，这些设备不可能配备容量较大的电源，因此嵌入式系统一 般要求低功耗。 纵观嵌入式技术的发展，大致经历了以下3 个阶段【6 】： 第一阶段：嵌入技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可 编程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。 第二阶段：以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统 的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式c p u ，如p o w e rp c 等。 第三阶段：以芯片技术和i n t e m e t 技术为标志的嵌入式系统。微电子技术发展迅 速，s o c ( 片上系统) 使嵌入系统越来越小，功能却越来越强。目前大多数嵌入式系统 还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技术与信息家电、工业控 制技术等结合日益密切，嵌入式技术与i n t e r n e t 技术的结合正推动嵌入式技术的快速 发展。 1 2 2 嵌入式操作系统简介及选择l in u x 操作系统的原因 2 ， 人 f 北京邮电大学硕士学位论文 嵌入式操作系统是嵌入式系统重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动 软件、设备驱动接口、系统内核、通信协议、图形界面等。嵌入式操作系统具有通用 操作系统的基本特点，能够有效管理越来越复杂的系统资源，通过把硬件虚拟化而减 少开发人员复杂的驱动程序移植和维护，能够提供库函数、驱动程序、工具集以及相 应的应用程序。另外，与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、 硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。嵌入 式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个时期 6 1 ： 1 、无操作系统阶段，嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，一般没有操作系 统的支持，只能通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。这一 阶段嵌入式系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，一般没有用 户接口。 2 、简单操作系统阶段。随着微电子技术的提高，嵌入式微处理器得到了发展， 这个阶段嵌入式c p u 种类繁多，系统开销小，效率高，一般配备系统仿真器，操作 系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用 来控制系统负载以及测控应用程序运行。 3 、实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系统。能运行于各种 类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块化和扩展性；具 备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形用户界面( g u i ) 等功能； 具有大量的应用程序接口a p i ；嵌入式应用软件丰富。 目前使用最多的嵌入式操作系统包括有：l i n u x 、w i n d o w s c e 、v x w o r k 、q n x 、 p a l m o s 、p s o s 等。其中，v x w o r k 使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是 实时性强( 采用优先级抢占和轮转调度等机制) ，另外，其可靠性和可剪裁性也相当不 错。m i c r o s o f tw i n c e 的内核体积庞大，实时性能也差强人意，但由于w i n d o w s 系列 友好的用户界面和为程序员所熟悉的a p i ，并捆绑i e 、o f f i c e 等应用程序，正逐渐获 得更大的市场份额。而与这些商业化的操作系统相比，l i n u x 已经越来越受到人们的 注意【7 1 。 l i n u x 是一个成熟稳定的网络操作系统。在嵌入式设备使用l i n u x 具有很多优点。 首先，l i n u x 是完全的开源软件，它的源代码是开放的，任何人都可以获取并修改， 进而用之开发自己的产品；其次，l i n u x 是可裁剪的，其系统内核最小只有约1 3 4 k b 。 一个带有中文系统和图形用户界面的能够稳定运行的核心程序也不超过1 m b 。另外， 它和多数u n i x 系统兼容，应用程序的开发和移植相当容易。同时，它具有良好的可 移植性，能够在微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。l i n u x 还 采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、 核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。最后l i n u x 拥有 北京邮电大学硕士学位论文 良好的用户界面，l i n u x 的传统用户界面是基于文本的命令行界面，即s h e l l ，它既可 以联机使用，又可存在文件上脱机使用。l i n u x 还为用户提供了图形用户界面。它利 用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友 好的图形化界面【7 】【8 1 。 1 3 无线通信简介 随着数字通信和计算机技术的发展，通信技术得到了迅猛的发展，根据网络的大 小可将无线传感器网络划分为无线广域网( w w a n ) 、无线局域网( w l a n ) 、无线个域 网( w p a n ) 、低速率无线个域网( l r w p a n ) 9 1 。 1 、无线广域网w w a n ( w i r e l e s sw i d e a r e a n e t w o r k s ) 主要是为了满足超出一个城 市范围的网际接入和信息交流需求，让用户可以与遥远地方的公众或私人网络建立无 线连接。在无线广域网的通信中一般要用到g s m 、g p s 、g p r s 、c d m a 和3 g 等通 信技术。 2 、无线局域网是指以红外线、无线电波等无线媒介来代替目前有线局域网中的 传输媒介而构成的网络。无线局域网内使用的通信技术覆盖范围一般为半径1 0 0 m 左 右。i e e e8 0 2 1 1 系列标准是i e e e 制订的无线局域网标准，主要对网络的物理层和媒 质访问控制层进行规定，其中重点是对媒质访问控制层的规定。目前该系列的标准有： i e e e 8 0 2 1 系列等。 3 、无线个域网w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k s ) 位于整个网络架构的底层， 用于小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。w p a n 是基于计算 机通信的专用网，工作在个人操作环境，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无 须任何中央管理装置及软件。用于无线个域网的通信技术有很多，如蓝牙、u w b 、 红外、r f i d 、h o m e r f 等。 4 、低速率无线个域网，即主要基于i e e e8 0 2 1 5 4 协议的无线网络，是为满足低 成本、低功耗的无线传感器网络要求而专门开发的低速率w p a n 标准。z i g b e e 建立 在i e e e8 0 2 1 5 4 标准上，并定义了可以在不同制造商之间共用的应用协议，是一种 新兴的近距离、低成本、低数据传输速率、低复杂度、低功耗的无线传感器网络技术。 它依据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，可在众多的传感器节点之间相互协调实现通信。 1 4 课题研究内容及目的 本课题紧紧围绕嵌入式l i n u x a r m 系统和z i g b e e 无线通信协议，并在此基础上 完成如下工作：通过对采用a r m 9 核的嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 的应用，对a r m 体 系结构和编程规范进行了研究，通过使用嵌入式l i n u x 操作系统作为软件开发平台， 对l i n u x 操作系统的工作机理、编程方式和基于l i n u x a r m 交叉编译环境有所了解， 4 一 ， 人 北京邮电大学硕士学位论文 并在此基础上掌握了l i n u xg c c 编译工具和g d b 调试工具的使用。完成了基于嵌入式 l i n u x a r m 系统的软件开发，系统接口主要涉及串口通信和s o c k e t 网络的操作。软 件上主要利用l i n u x 多线程编程技术，采用模块化设计思想，根据软件实现功能的不 同模块化设计软件，结合本人定义的远程无线监控系统内部通信规约，实现与无线通 信模块以及远方数据中心的上下行双向通信，在软件中进行了简单的算法计算和数据 存储技术，可以将现场采集数据完全保存在本地监测站中；并基于l i n u x 环境下使用 q t 界面编程软件开发一个简单的界面显示软件，用以模拟远方数据中心；无线通信 模块软件设计基于z i g b e e 2 0 0 6 协议栈，并在协议栈的基础上实现无线模块双向多点 数据传输，并可以组成星型、m e s h 等多种无线网络，接口主要涉及无线模块串口通 信和无线模块无线数据传输的操作。 全文的结构如下： 第一章：简述课题背景，分析嵌入式技术和无线通信的发展现状，提出在 l i n u x a r m 系统下开发远程无线监控系统的意义。 第二章：概述远程无线监控系统整体硬件设计。 第三章：详细介绍了远程无线监控系统本地监测站的软件设计。 第四章：详细介绍了远程无线监控系统无线通信节点的软件设计。 第五章：详细介绍了远程无线监控系统q t 显示界面软件设计。 第六章：搭建测试环境对监控系统进行测试并对所做工作进行总结和提出展望。 北京邮电大学硕士学位论文 第二章监控系统整体硬件设计 2 1 监控系统整体框架 该监控系统分为数据采集终端部分、无线通信部分和本地监测站系统三部分，终 端数据采集模块由传感器、数据采集板组成，无线通信部分主要由无线通信模块组成； 本地监测站系统由l i n u x a r m 嵌入式系统组成。本文主要介绍无线通信部分和基于 l i n u x a r m 嵌入式系统的本地监测站系统部分。 结合整个硬件结构，确定无线通信模块硬件与数据采集终端部分使用串口进行数 据传输，同时本地监测站部分与无线通信模块之间也使用串口进行数据传输。本地监 测站部分与远程数据中心之间的连接方式考虑了两种连接方式，在具备以太网连接条 件下使用以太网进行数据传输，在不具备以太网连接条件的情况下使用g p r s 与远程 数据中心进行数据传输，通过g p r s 方式可以减少布线等工作，降低成本，但是g p r s 本身作为移动公司的一个收费的传输方式，增加了运营成本。本设计主要考虑使用以 太网方式和远程数据中心进行数据传输。具体系统结构如图2 1 所示。 终端数据采集部分l | 无线通信部分 ! 本地主控制部分 一一 j ：。 。，。! ! 。一。一。j 图2 - 1 监控系统总体结构图 2 1 1 本地监测站硬件简介 本地监测站硬件平台采用广州友善之臂( f r i e n d l y a r m ) 计算机科技有限公司所生 产的m i n i 2 4 4 0 嵌入式系统，其外观如图2 2 所示【加】。 6 ， 北京邮电大学硕上学位论文 图2 - 2m i n i 2 4 4 0 开发板外观图 m i n i 2 4 4 0 采用的c p u 是三星的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，系统主频4 0 0 m h z ，最高 5 3 3 m h z ，同时具有6 4 mb y t e 的n a n df l a s h 和6 4 mb y t e 的s d r a m ，一个10 0 m 以太网接口， 3 个通用异步串行口( u a r t ) ，1 个s d 卡存储接口，板上集成4 线电阻式触摸屏接口，可 以直接连接四线电阻触摸屏，支持黑白、4 级灰度、1 6 级灰度、2 5 6 色、6 4 k 色、 真彩色t f t 液晶屏，尺寸从3 5 寸到1 2 1 寸，屏幕分辨率可以达到1 0 2 4 x 7 6 8 象素。 同时开发板扩展有1 个3 4p i n2 0 m m g p i o 接口和1 个4 0p i n2 0 m m 系统总线接口。 系统总线接口硬件资源完全可以满足本系统的需要。同时还配有各种接口完整的驱动 程序，这样可以大大减少开发周期。 m i n i 2 4 4 0 本身总共有3 个串h u a r t 0 、1 、2 ，其中u a r t 0 ，l 可组合为一个全功 能的串口，一般情况下只用n 3 个串口的发送( t x d ) 和接收( r x d ) 功能，它们分别对 应板上的c o n l 、c o n 2 、c o n 3 ，这3 个接口都是从c p u 直接引出的，是1 v r l 电平。 其中u a r t 0 做了r s 2 3 2 电平转换，它们对应于c o m 0 ，可以通过附带的直连线与p c 机互相通讯，如图2 。3 所示。 图2 3m i n i 2 4 4 0 串口示意图 7 北京邮电大学硕士学位论文 m i n i 2 4 4 0 使用d m 9 0 0 0 网卡芯片，它可以自适应1 0 1 0 0 m 网络，r j 4 5 连接头内 部已经包含了耦合线圈，因此不必另接网络变压器，使用普通的网线即可连接本开发 板至路由器或者交换机，如图2 4 所示。 2 1 2 无线通信模块硬件简介 图2 4m i n i 2 4 4 0 以太网接口图 为了缩短开发周期和保证系统能够在恶劣环境下有稳定的通信能力，无线通信模 块选择了成都无线龙公司生产的无线通信模块。此模块内核采用t i 公司生产的 c c 2 4 3 0 芯片，c c 2 4 3 0 使用了c m o s 解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以 z i g b e e 为基础的2 4 g h zi s m 波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一颗工业级 小巧高效的8 0 5 1 控制器一和个高性能2 4 g h zd s s s ( 直接序列扩频) 射频收发器核心， 集成符合i e e e 8 0 2 1 5 4 2 0 0 3 标准的2 4 g h z 的c c 2 4 2 0 射频收发器，具有优良的无线接 收灵敏度和强大的抗干扰性。它采用0 1 8l a r nc m o s 工艺生产，工作时的电流损耗为 2 7m a ；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于2 7m a 或2 5m a 。在休眠模式时仅 0 9 1 t a 的流耗，外部的中断或i h c 能唤醒系统。在待机模式时少于0 6 1 t a 的流耗，外部 的中断能唤醒系统。其内部结构图如图2 5 所示【1 1 1 。 北京邮电人学硕上学位论文 女一k ：一凶娥貔镶串 l 幽i b i i 孺了】i 碱舔 嚣 麓，；。侮哗朋瞵謦燃 - 癯鲁 矮霞：，鬟熹娜魄! 霭 ，7 j弘镬警铭i 貔，。 弦赫。i 秘陟：蹴 旒鹾。1 矧 睽。匪丝乎睁 锋。霉三鬟二骂 _ 翳慧姗嗲。矿劳舅餐謦- 蔗 ：磊戮； 尹 黼 瀚 缀卜叫辫黔酾醐冽鬻缪篱戮 荔 褫攀l_ + ：；缓 缓扣叫翰麓缓貉i 喇翰绣霪缓渊 l 缓p 叫鳜彩缈黝黝黪溯缓渊 黪荔戮赫巍粼鬟鸳黥? 溺鳐螽渊 i 鬟 蓥。囔”擘喽篓苎竺竺，篓 图2 5c c 2 4 3 0 芯片内部结构图 c c 2 4 3 0 有2 1 个可编程的i o 口引脚，p o 、p 1 是完全的8 位口，p 2 口只有5 个可使用 的位。通过设定一组s f r 寄存器的位和字节，可设置这些引脚作为通用i o 口或作为连 接定时器、a d c 或是u s a r t 部件的外围设备i o 口。为了满足协议栈、网络和应用软 件对m c u 处理能力的要求，c c 2 4 3 0 在芯片内部包含了一个增强型工业标准的8 位8 0 5 1 微控制器内核。c c 2 4 3 0 的8 0 5 1 内核的目标代码使用标准8 0 5 1 指令集，并具有8 倍于标 准8 0 5 1 内核的性能，即可以使用标准8 0 5 1 的汇编器和编译器进行软件开发。 c c 2 4 3 0 包括4 个定时器：1 个1 6 位定时器( t i m e r l ) 和2 个8 位定时器( t i m e r 3 t i m e r 4 ) 这三个定时器支持典型的定时计数功能；1 个1 6 位m a c 定时器( t i m e r 2 ) ， 用于i e e e 8 0 2 1 5 4 的c s m a c a 算法以及i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 层提供定时。 c c 2 4 3 0 的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准a e s 的协处理器来实现。 a e s t h e t i c 安全协处理器工作在1 2 8 位。c c 2 4 3 0 的内核c p u 使用e n c c s ( 加密控制和状 态寄存器) 、e n c d i ( 加密输入寄存器) 、e n c c s ( 加密输出寄存器) 3 个特殊寄存 器和a e s t h e t i c 协处理器进行通信，c p u 直接读写寄存器状态，d m a 控制有权使用输 出、输入寄存器。2 个d m a 通道被使用，一个用于数据输出，另一个用于数据输入。 在把开始指令写入e n c c s 寄存器前必须初始化d m a 通道。开始指令写入e n c c s 寄存 器后，即使用d m a 方式传送一次数据。在每一组数据传送完成后产生一个中断。这 个中断将把一个新的开始指令写入e n c c s 寄存器。 c c 2 4 3 0 包含一个基于8 0 2 1 5 4 的无线收发模块，具体如图2 6 所示。无线核心部分 9 北京邮电大学硕：匕学位论文 是一个射频收发器。 图2 6c c 2 4 3 0 无线收发模块 c c 2 4 3 0 的无线接收器是一个低中频的接收器。接收到的射频信号通过低噪声放 大器放大而正交降频转换到中频。在中频2 m h z 中，当a d c 模数转换时，输入增益调 相信号被过滤和放大。c c 2 4 3 0 的数据缓冲区通过f i f o ( 先进先出) 的方式来接受1 2 8 位数据。内存与f i f o 缓冲区数据移动使用d m a 方式来实现。 c c 2 4 3 0 的发送器是基于上变频器的，接收数据存放在一个接收f i f o 的数据缓冲 区内发送数据帧的前导符和开始符用硬件生成。通过数模转换把数字信号转换成模 拟信号发送出去。 在接收模式中，在开始帧分隔符被接收到后，中断标志r f i f m qs f d 为高，同 时产生射频( r f ) 中断。当接收r x f i f o 中有一个或多个字节数据时，r f s t a t u s f i f o 位为高。在r x f i f o 中，第一个字节表示接收帧的长度。当表示长度的字节写入r x f i f o 后，r f s t a t u s f i f o 位为高，直到& 烀i f o 为空。当r x f i f o 中还有没读出数据时， r f s t a t u s f i f o p 位为高。 在发送模式中，r f s t a t u s f i f o 和r f s t a t u s f i f o p 位仅与r x f i f o 相关。s f d 完整发送后，r f i f i r qs f d 中断标志为高，同时产生r f 中断。当发送m p d u ( m a c 层协议数据单元) 后或检测到下溢发生时，r f i f i r qs f d 中断标志为低。 c c 2 4 3 0 数字高频部分采用了直接序列扩频d s s s 技术，不仅能够非常方便地实现 8 0 2 1 5 4 短距离无线通信标准兼容，而且提高无线通信的可靠性。直接序列扩频d s s s 是直接利用具有高码率的扩频码系列，采用各种调制方式在发射端与扩展信号的频 谱，而在接收端用相同的扩频码序去进行解码，把扩展宽的扩频信号还原成原始信息。 1 0 一 一 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 监控系统内部通信规约设计 根据本系统结构和模块化设计思想，系统内部通讯协议采用统一的格式，这样有 利于软件编程的规范化和接口处理的简单化，可以大大降低系统的进一步开发和维护 所需的时间和费用。 本内部协议统一采用下图格式： 、_ ，。 长度l 其中：类型：说明报文的种类，用以区别数据报文、告警报文、对时报文等；长 。 度：长度本身字节后所有字节数之和；目标地址：报文接收方地址；源地址：报文发 送方地址；响应类型：确定报文为主动上送方式或是响应上送方式；参数：参数1 n 为具体信息内容，部分类型的报文还扩展出数据类型；校验和：从长度字节( 含) 开始到参数n 字节( 含) 间所有字节的累加和( 模2 5 5 ) 。结束符：报文结束标志。 同时考虑到系统的灵活性，本内部协议采用主动上送式和查询式两种方式进行数 据传输。即正常情况下，数据采集终端定时主动上送采集数据，系统各部分定时上送 硬件自检结果。当出现异常情况时，远方数控中心可以通过遥控的方式下发命令给本 地主控制系统，再通过本地主控制系统将命令下发给任一个或是全部的数据采集终 端，从而可以实时、有效地得到所需的数据。通过累加和c r c 校验，能够判断报文 的准确性，避免传输过程中的误码问题，进而可以有效地提高监测系统的可靠性和正 确性。 2 2 1 远方数据中心与本地监测站通信规约设计 本部分通信规约分为上行和下行两部分，上行报文是指本地主控制系统向远程数 据中心发送的报文，定义0 x 3 1 0 x 4 0 为上行报文类型码；下行报文是指远程数据中心 向本地主控制系统发送的报文，定义0 x 8 1 0 x 9 0 为下行报文类型码。在上行报文中定 义了四组报文类型，分别为：0 x 3 6 采样原始数据报文，0 x 3 7 计算结果数据报文，0 x 3 8 设备报警报文，0 x 3 9 设备自检报文；在下行报文中定义了四组报文，均以0 x 8 6 开头， 报文第三个字节为功能码分别为：0 x 0 7 远方数据中心与本地监测站握手报文，0 x 0 1 采样配置信息报文，包括采样频率、采样时间等，0 x 0 2 请求终端数据采集系统进行 采样报文，0 x 0 3 允许数据采样终端发送采样数据报文；0 x 0 4 数据采样终端握手成功 返回报文，0 x 0 5 数据采样终端请求发送采样数据报文。 2 2 2 数据采集终端与本地监测站通信规约设计 北京邮电大学硕十学位论文 本部分通讯协议同样分为上行和下行两部分，上行报文是指本地主控制系统向终 端数据采集子系统发送的报文，定义o x 6 1 。o x 7 0 为上行报文类型码；下行报文是指终 端数据采集子系统向本地主控制系统发送的报文，定义o x 7 1 o x 8 0 为下行报文类型码。 在上行报文中定义了三组报文类型，分别为：0 x 6 6 对时报文，0 x 6 7 配置信息报文， 0 x 6 8 请求终端数据采集子系统进行采样报文：在下行报文中定义了三组报文，分别 为：0 x 7 6 原始采样数据报文，0 x 7 8 设备报警报文，0 x 7 9 设备自检报文。 2 3 本章小结 本章整体介绍了远程无线监控系统的硬件框架和系统内部通信规约。首先介绍了 本地监测站和无线通信模块所使用的的硬件模块，并确定了监控系统各模块间的的通 信接口；之后详细介绍了监控系统的内部规约，从而保证数据传输过程中的正确性和 一致性。 北京邮电大学硕士学位论文 第三章本地监测站软件设计 3 1l i n u x 开发环境建立 主机开发环境使用r e a h a tl i n u x 9 0 操作系统