（系统工程专业论文）基于无线网络的高扩展性嵌入式环境监控系统.pdf

浙江大学硕士学位论文 中文摘要 环境污染源监控是我国积极贯彻可持续发展战略，实施环境综合整治，实现 经济发展和环境、生态保护和谐统一的重要技术手段。本文立足于网络时代环境 污染源监控的新需求、新挑战，设计了基于嵌入式缸m l i 肌x 的监控节点的解决 方案，并针对其无线网络应用进行了深入的研究，最后通过在监控节点嵌入式系 统上的p v m o n 组件的移植成功，实现了高扩展性的监控节点架构，为解决网络 时代环境监控的弹性需求提供了全新的技术路线。 纵观全文，本文的主要工作有： f 1 1 对环境监测的现状和应用需求进行了系统性的综合分析，提出了基于嵌 入式l i n u x 系统的监控节点技术路线。 ( 2 ) 采用觚n 嵌入式系统作为环境监控系统的硬件支撑平台。重点分析了系 统设计中所涉及的关键环节及其软件支撑平台。在软硬件支撑的基础之 上，以面向对象的编程方法设计并实现了环境监控系统框架。 f 3 ) 为克服无线网络传输中存在的断线率高、网络流量受限、传输延迟性大 等技术难题，在监控系统中设计了应用层的交握协议，并对无线网络中 时间同步和网络传输代价等问题进行了深入研究，提出了一种通过定量 优化方法确定元数据包大小的新方法。 ( 4 ) 通过在监控节点嵌入式系统上成功移植p y i t l o n 组件，实现了高扩展性的 监控节点架构。采用计算能力扩展、动作服务扩展、指令集扩展、定时 器等多种模式，能够满足新一代环境监控系统复杂多变的应用需求。 关键词：环境污染源监控无线网络嵌入式系统p y t h o n 高扩展性 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e m o m t o n go fe i i r o n r n e n t a lp o l l u t i o ns o u r c ei sa i le x t r e m e l yv i t a lt e c c a l s 0 1 u t i o n ，w h i c hm a k e sc o m r i b 嘶o nf o rn a t i o n a ls 仃a t e g yo fs u s t a i na _ b l ed e v e l o p m e n t a n dt h ei i n p l e m e t a t i o no fm e1 1 1 1 m c a t i o no fe c o n o r n y ，e n v i r o l l i n e n ta n dz o o l o 缈1 1 1 i s t l l e s i sp m p o s e das c h e m eb 嬲e do ne m b e d d e da 肌- l i m t e c l l l l o l o g y 丘d mt l l e v i e w p o i n to ff i l m r er e q u i r e m e n t sa n dr i g o r o u sc h a l l e n g e si nw e b - a g e ，a n ds t a “e da s y s t e m a t i cs h l d yo f 惭r e l e s sn e 押o r ka p p l i c a t i o n f m a l l yam g t l l y e x t e n s i b l e a r c h i t e c t i l r cw 船p u tf 0 九v 盯df o c u s i n go nn e x i b l er e q u i r e 玎1 c n t sb ym e a n so fp o n i n g p y t l l o nc o m p o n e mf i l l l yt om o i l i t o r i n gn o d e t h em a 证c o 删b u d o n sa r ea sf b l l o w s ( 1 )t h ec u r r e n ts 啪so fe n v i r 0 衄e n t a lm o l l i t o r i n gw 髂r e v i e w e da n dan e w s c h e m ew a sp r e s e n t e df b re n v i r o n m e n t a l m o i l i t o r i n g n o d eb a s e do n e i i 】_ b e d d e d “n u x 叩e r a t i l l gs y s t e m ( 2 ) t h eb 髂i c h a r d w a r ea i l ds o f h a r ep l a t f 0 肌锄p p o r t i n ge n v i m m e n t a l i n o m 州n gw 船a l l a l y z e di i ld e t a i l _ 1 1 1 ee n v i r o 】加肌t a lm o i l i t o m gs y s t e m 助_ l n ew a sd e s i 印e d 锄di m p l 锄e n t e ds u c c e s s 血l l y 丽mm ec o n c 印t i o no f o b j e c t - 嘶e n t e dp m 鲫m i n j n g ( o o p ) ( 3 ) h lo r d e rt oa c c o m m o d a t ed i a e r e n th n d so f 讹1 0 s s e sd l ”t ol i n ke r r o r s ， c 咖e c t i o nr e - m 删h g ，a n dn e 脚o r kc o n g e s t i o n ，t 1 1 i s 也e s i sd i s c l l s s e ds e v e r a l c r i t i c a li s s u e sw er n u s tp m p e d yr e s o l v e ，s u c h 嬲h a n d - s h a k i n gp r o t o c o li 1 1 a p p l i c a t i o nl a y e r ，d m es ”c 1 1 r o n i 硎o ni i l 丽r e l e s sn e 帆o r k ，o 砸1 1 1 i z a 廿o nf o r t h ec o s to f w i r e l e s sn e t w o r k 缸趾s m i s s i o n ( 4 )b ym e a 珊o fp o r t i n gp y t l l o nc o n l p o n e m ，ak i n do fh i g l l l ye x t e n s i b l es y s t e m a r c l l i t e c t u r ew 踮i m p l e m e n t e d ，w h o s ec x t e i l s i b i l i t yi n c l u d e st h ef o l l o w i n g a s p e c t s ：c o i i 【p u 咖o na b i l 时e x t e n s i o n ，a c “o ns e n r i c ee x t e n s i o n ，i i l s t m c t i o n s e te x t c n s i o n ，锄dt i m e rm e m 】p t t h es y s t e md e s i g n c dw a sc a p a b l eo f m e e t i n gt l l ei i l c r c a s i n gr e q u i r e m e n t so f 也en e wg e n e r a t i o nm o n i t o r i n g s y s t e m k e yw o r d s ：e n v 的啪e n t a lp o l l 曲o ns o u r c em 砌t 锄g ，w i r e l e s sn e 柳o r k ， e l b e d d e ds y s t 锄，p y 也o n ，h i l 蛐ye x t e n s i b l e 第一章绪论 第一章绪论 摘要对环境监测的现状和应用需求进行了系统性的综合分析，提出了基于嵌入式 l i d u x 系统的监控节点的技术路线。 1 1 环境污染源监控的意义 环境污染源监控是我国积极贯彻可持续发展战略，实施环境综合整治，实现 经济发展和环境、生态保护和谐统一的重要技术手段。环境保护是否行之有效， 不仅关系到当代人类的生存与发展，更与子孙后代的命运息息相关( 吴邦灿， 1 9 9 9 ) 。在我国，随着经济的持续高速发展，环境污染已成为不可忽视的公害。 各地环保部门从自身发展需要出发，开发出多种多样用于环境监测监控的应用系 统。这些系统已经在多种领域发挥作用如： 噪音监控电子耳 城市环境监控中心发挥“顺风耳”功能，使城市的重点污染源处于监控范围 之内。实现“监、管、查、控”的统一，对重点噪音控制区实施多点监控，增强 环境的掌控能力，为政府的环保决策提供快速反应和高效服务，进一步提高管理 部门的环境监管和环保决策能力。嗓音监控系统的信息化发展，将大大提升城市 环境噪音的监控水平。 绿色护考行动 环保系统开展的“绿色护考”行动给考生提供一个良好的考试环境。通过2 4 小时实时髓测考点周围噪音情况，并对异常数据进行报警处理，环保人员可根据 报警情况，就近调度进行处理，并可将噪音情况实时地反映给现场人员，提高处 理速度，保证考点安静。 第一章绪论 污染源在线监控 污染源在线监测监控系统通过信号传输与环保部门总监控系统进行联网，对 污染源主要污染物排放指标、流量实时监控( 曹拮，秦保平，徐立敏，2 0 0 2 ) 。监 控中心通过计算机监控网络，建立重点污染源现代化管理体系的环境信息网络， 实现对水、气、噪音的在线监控，并配置环境污染事故应急装置，预防重大污染 事故发生，使环境监控能力实现飞跃。 1 2 环境监测现状及应用需求 环境监控系统虽然在我国环保领域内已有一定的基础，但由于缺乏统一的技 术规范和标准，普遍存在系统和网络比较混乱、重复建设多、数据可用性低、系 统故障率高等问题( 张永梅等，2 0 0 2 ) 。传统的在线监测系统都是基于监测点设备 的，系统的运行流程如下：数据采集仪从一次检测仪表采集到数据后，对数据进 行加工处理，存放于本机存贮设备( 如硬盘等) 中，并根据管理部门要求形成报表， 通过拨号等通讯手段，将报表上报到有关管理部门( 胡圣尧等，2 0 0 4 ) 。同时，在 接收检测数据时，根据特定的算法对数据进行分析处理，并保存原始数据。管理 部门平时无法查看到一线的原始数据，当需要时，可以通过反向拨号等通讯手段 接通数据采集仪。这时数据采集仪便相当于一个小型数据服务器，对管理部门的 要求提供数据查询、统计等服务，并根据需要，将管理部门的控制指令转发给执 行机构。一些稍先进的系统，采用了如c d m a 等通讯技术代替传统的电话拨号 网络，管理部门访问监测点也通过中心消息服务器转发或中继，但其本质上仍然 是一个点对点的访问结构，采用的是传统的拨号网络。由于受到通讯等技术条件 的限制，存在如下问题： 网络结构复杂，远程数据依赖性高 从传统在线监测系统示意图( 图1 1 ) 中可以看到，传统的在线监测监控系统的 通讯网络结构是一个多点对多点的结构，十分复杂。管理部门与各监测点是点对 点的关系，这样的网络结构当管理层面增加、管理节点增加时，网络的复杂程度 第一章绪论 会呈几何级数增加，最终导致网络难以有效管理。同时，这样的网络结构是一个 无中心结构，技术部门对网络的管理本身就非常困难。 图1 1 传统在线监测系统示意图 另一方面，在上述体系结构中数据存放在监测点本地，中心服务器没有原始 数据。当管理部门需要查原始数据时，需要依赖远程网络连接。而实际上，远程 链路无论带宽、稳定性均远远不如局域网( 王永铭，邵之江，2 0 0 3 ) 。这形成了网 络能力与应用系统要求之间的矛盾。 为保证系统网络的运行，一些部门提出独立建网。不惜斥巨资重复建设基础 网络，所建的网络通讯参数远远高于实际需求，以大冗余链路来保证通讯质量。 这样不仅造成重复投资、浪费资源，而且由于一般业务部门缺乏专业的网络管理 能力，使得网络工作效率低下，无法保证网络的可靠性。另一方面，基层单位由 于要同时兼容多个上级网络，造成路由复杂度提高，路由设备成本大增，进一步 加大了网络的管理难度，也为网络故障增加了发生可能。 另外，由于监测数据有安全、保密的要求，而杂乱无章的网络，无形中也给 数据加密、身份认证等工作增加管理难度。 第一章绪论 数据集中问题( 服务能力) 传统系统中，原始数据( 包括一次采样数据) 是分散存放在监测节点本地，最 多也就是将报表回传，并没有数据集中。管理部门想要进一步了解一手数据必须 直接( 或通过消息服务器中继) 与监测点建立联系，受通讯等其它因素的限制非常 大，易造成真正需要时数据的不可用。 同时，由于数据分散存贮( 有的甚至存贮了数年) ，而监测点受成本、管理能 力等的限制，无法保证数据的安全备份，一旦终端设备故障，就会造成原始数据 严重丢失。而且，每个节点的存贮冗余能力无法有效利用，也造成极大的浪费。 另外，由于数据不集中，基本的数据查询服务由数采仪等节点设备提供。节点设 备的主要职能是数据采集，数据处理和数据服务能力明显较弱，这样会造成服务 能力无法得到有效保证。而节点间的数据融合和信息挖掘更是难上加难。 对监测点设备要求高，综合负载能力问题 在上述体系结构中，数采设备不仅要完成日常的数据采集、处理等功能，还 必须有部分数据服务器的功能。这使得系统的综合负载极不均衡。目前的环保监 控节点很多采用了w i n d o w s 等操作系统，大大增加了复杂性，导致节点机可靠 性下降、成本增加，更不用说还存在一些版权等方面的法律问题( 邵之江等， 2 0 0 5 1 。 通讯排它性问题 由于原始数据存放在本地，因此在需要了解详细情况时，必须直接与般测点 设备联系。而这些链路有别于局域网链路，无论是可靠性还是通讯带宽都难以与 局域网相比，因此极易产生排他性通讯问题。这包括两方面： 一数采仪部分的排他性通讯问题 目前，要看实时数据都是拨接( 或通过中继转发) 到数采仪上直接查看，而这 种方式本身就是一种排它的方式，一个人接入后，其它人就无法查看；而且往往 第一章绪论 出问题时，很多部门会同时产生查询需求，这就会引发竞争问题。目前只能以一 点接多台数采仪的方式解决，不仅成本高，可管理性差，而且也只是治标不治本。 二管理用户端的排他性通讯问题 管理人员要看实时数据都是拨接到数采仪上直接查看，因此一般情况每次只 能看单点的数据，难以为决策提供全面的信息支持。虽然通过消息服务器转发的 方式，理论上可以通过轮询机制解决这个排他性问题，但将大大增加系统实施的 复杂程度，效率低下。 系统安全性问题 前面也提到过网络结构的复杂性。这使得在系统安全问题上，难以采取标准 的安全加密方式保证数据安全，而且分散的存放数据也无法采取有效的备份等措 施。另一方面，由于监控节点中目前大量采用了w i n d o w s 操作系统，其本身的 安全漏洞较多，而监控节点又难以及时更新安全补丁，因此带来的安全问题十分 突出。 系统及数据可靠性问题 首先，本地存放的数据缺乏保护，数据可靠性难以得到保障，甚至存在人为 毁坏的可能。另一方面，由于采用的是“胖”客户端结构，对监控节点的要求高， 导致监控节点系统的硬件、软件均十分复杂，客观上降低了系统可靠性f 邵之江 等，2 0 0 5 1 。 系统独立性问题 目前的监控节点系统是“胖”客户机结构，对终端环境电源等要求都很高。 污染源监测方面基本上都需要由被监测方提供标准机房，系统的运行完全依赖于 被监测方提供的电源等外部条件，系统独立性难以得到保证。有一些甚至要依赖 被监测方工作人员每天开关机，监测部门的管理能力较弱。 标准化问题 第一苹绪论 分散的管理导致标准化工作比较困难。许多处理是远程完成的，因此会同具 体的设备产生密切的关系，需要在每一台监控节点仪上进行布置，管理十分复杂。 同时，终端用户也会直接从监控节点上查询。因此不仅要做数据标准化处理，连 操作界面也要做标准化处理。如果不同的数采仪有不同的用户操作界面，会使用 户培训工作难度大大增加。 管理、运维成本 由于目前的结构对监测点本地设备依赖较大，本地系统相对较为复杂，甚至 只能采用桌面型系统实现，客观上造成了本地设备维护困难，故障的发生率也大 大增加，相应的运行维护成本就比较高。网络结构的复杂、终端设备的多样性， 必然使系统升级和扩充的难度、实施成本及风险都大大增加。 软件版权问题 目前大多数数采仪表采用的操作系统都不是正版的。既无法得到必要的技术 服务，也存在严重的法律问题。如果采用目前架构，终端不仅要有操作系统，有 的甚至还需要安装数据库等其它软件。如果全部采用正版系统，光用于解决系统 的版权问题的投入就非常可观。 多头管理问题 这种技术结构还衍生出一个非技术问题就是多头管理。对于一个基层监测点 而言，需要向多个上层管理机构发送信息，而这些机构所采用的软件、系统可能 完全不同，势必造成监控节点对数据上报无所适从，难以满足所有管理层的要求。 系统复杂程度提高带来的后果不光是建设、运行成本属高不下，而且故障率也将 大大提高。另一方面，如果基层单位系统采用轮询制上报，又很难避免数据冲突 问题，客观上形成了监测端网络的多样化( 邵之江等，2 0 0 5 ) 。这往往会造成数据 丢失、无人负责的尴尬场面，引起管理业务部门与技术部门之间的矛盾。 综上所述，目前的自动在线监测监控系统存在着许多亟待解决的问题。随着 信息技术、通讯技术的发展，对现有的体系结构进行彻底改造的技术条件已经基 第一章绪论 本成熟，因此，我们认为在新一代自环境监控系统的设计中，应该充分利用这些 成熟的技术和理念，从根本上提高系统的工作效率和可用性，充分整合现有的设 备、网络等资源，提高系统的适应能力，才能使系统本身更好地发挥出其应有的 作用。 1 3 基于嵌入式系统平台的技术方案 为了降低成本，传统采用基于单片机为核心的监控系统( 周卫玉，孙新亚， 2 0 0 4 ) 。虽然可以满足功耗低、可靠性高、体积小等要求，但是其数据处理能力 比较差，而且在网络应用方面也有很大的局限，很难组成大规模的全方位网络监 控系统。监控节点常被孤立于i n t e m e t 网络之外，使得第一手监控信息不能及时 处理。另外，为了实现局部数据传输，监控设备之间采用工控机进行转接，无法 有效融合多种通讯协议，通讯接口比较单一。而且工控机体积大、移动行差、抗 震防尘能力弱、对周边环境缺乏适应性。基于嵌入式设备的环境监控系统，不仅 可以简化监控系统软件的实现，而且可以在多任务、多进程的系统环境下充分利 用c p u 资源。嵌入式设备的丰富网络功能使监控节点成为一个真正的i n t e m e t 网络节点。强大的网络处理能力使其能将城市的多点监控组成全方位的连接模 式，全面提升监控中心的快速反应能力( m a r t i nj o h n s o ，1 9 9 9 ) 。 嵌入式系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用 户的应用程序等四个部分组成。它是集软硬件于一体的可独立工作“器件”。环 境监控系统建构采用嵌入式系统平台，能有效利用嵌入式设备的管理功能如，复 杂的网络通信协议、存储器管理、进程线程管理等系统级功能。同时，嵌入式操 作系统的实时处理和方便扩展的特点也能为环境污染的实时监控提供保障。 1 4 嵌入式l i n u 】【系统 1 4 1 嵌入式l i n u ) 【操作系统及其特点 如果采用嵌入式系统作为监控节点的硬件平台，其上运行的操作系统的选择 对整个系统的开发至关重要。相比昂贵的w i n d o w s 系统，l i n l l ) 【系统有其不可比 拟的优势。“n 1 1 ) 【是类u i l i x 操作系统，其框架由内核、s h e l l 、文件结构和使用 工具组成。l i n u ) 【作为嵌入式操作系统的特点如下： 第一章绪论 广泛的移植性。l i l l l l ) 【保持了u n i ) ( 的开放性，主要采用c 语言编写， 继承了c 语言固有的移植性。原型系统可以很容易地从标准平台移植到 目标平台，加快了软件与硬件的开发速度。它采用统一的框架对硬件进 行管理，从一个硬件平台到另一个硬件平台的改动与上层应用无关( 陈 作柄，2 0 0 4 ) 。 内核具有完全的访问机制，支持大量通用硬件。l i n u x 内核源码完全公 开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证下发行。开发人员可以 对操作系统进行裁剪定制，以适应特殊需要( 王多智，2 0 0 5 ) 。 开放的源代码。嵌入式l i 肌x 的另一大特点是代码的开放性。这与后 p c 时代的智能设备的多样性相适应。代码的开放性主要体现在源代码 的可获得上。l i n l l 】【代码开发就像是“集市式”开发，可任意选择并按 自己的意愿整合出新产品。 与硬件芯片紧密结合。对信息监控应用来说，系统性能指标是最难满足 的，只有靠提高芯片的集成度与装配密度来解决。嵌入式l i n u x 与标准 l i i l u x 的一个重要区别是嵌入式“n u x 与硬件芯片的结合紧密。这也是 嵌入式l i m 技术的关键之处。嵌入式l i n u x 和商用专用i 盯o s 一样， 需要编写b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) ，这相当于编写p c 的b 1 0 s ( 周维， 陈默，2 0 0 4 ) 。这不仅仅是嵌入式“n l l 】【的难点，也是使用商用专用r 1 、0 s 开发的难点。 l i 肌x 是个与生俱来的网络操作系统，成熟且稳定( 何小庆，2 0 0 1 ) 。它是源 代码开放软件，不存在黑箱技术，任何人都可以进行修改，或者用其开发自己的 产品。作为一种可裁剪的软件平台系统，它是发展未来嵌入设备产品的绝佳资源。 1 4 2 部分嵌入式l i n u 】【产品 嵌入式系统上运行的l i m 系统一般是按照嵌入式目标系统的要求而设计， 由一个体积很小的内核及一些可根据需要进行随意裁剪的系统模块组成。目前 第一章绪论 国外不少大学、研究机构和知名公司都加入了嵌入式l i n u x 的开发工作。较成熟 的嵌入式l i n i l 】【产品正在不断涌现( j e a l lj l 肋r o s s e ，2 0 0 3 ) 。 由美国新墨西哥理工学院开发的基于标准l i n l l ) 【的嵌入式操作系统i h l m u x ， 已成功地应用于航天飞机的空间数据采集、科学仪器测控、电影特技图像处理等 领域。r t l i 肌x 提供了一个精巧的实时内核，并把标准的l i n l l ) 【核心作为实时核 心的一个进程同用户的实时进程一起调度。这样做的好处是最小程度改动l i n u x 内核结构，充分利用l i n l l ) 【平台下现有的丰富资源。 e m b e d i x 和基于e i n b e d i ) 【的一整套嵌入式l i n u x 开发环境是由l 证e o 公司开 发的。基于p o w e r p c 和x 8 6 平台的e m b e d 呔可以根据所需功能进行裁剪，对嵌 入式设备进行支持。通过使用e m b e d 波可以为自己的嵌入式应用创建一个个性化 的内核。 国产的嵌入式l i n u x 操作系统p o c k e t ，基于标准的l i n h x 内核，并包括 一些可以根据需要进行定制的系统模块。其支持标准以太网和t c p i p 协议，支 持标准的xw i n d o w ，中文支持采用国际化标准，可适应个人p d a 、m 心手机、 机顶盒等广泛的智能信息产品( 李方军，徐永红，2 0 0 2 ) 。 1 5 课题来源及全文概貌 本论文研究背景是环境污染源实时闭环监控网络系统关键技术研究课题。本 文主要工作是基于环境监控的现状，实现新一代可用的环境污染源实时闭环监控 网络系统，并针对新一代的环境监控网络系统的几个关键技术进行深入研究。首 先以监控节点为对象，完成基于嵌入式系统平台的监控节点设计，并对其在无线 网络中的应用做了深入研究，最后在系统中引入p y t l l o n 技术实现平台高扩展性 系统架构。 本文的总体内容共有五章，具体的内容安排如下： 第一章对环境监测的现状、技术需求进行了系统的综合分析，提出了基于 嵌入式l i n u x 系统的监控节点技术路线。 第一章绪论 第二章采用a 咖嵌入式系统作为环境监控系统的硬件支撑平台。重点分析 了系统设计中所涉及的关键环节及其软件支撑平台。在软硬件支撑的基础之上， 以面向对象的编程方法设计并实现了环境监控系统框架。 第三章为克服无线网络传输中存在的断线率高、网络流量受限、传输延迟 性大等技术难题，在监控系统中设计了应用层的交握协议，并对无线网络中时间 同步和网络传输代价等问题进行了深入研究，提出了一种通过定量优化方法确定 元数据包大小的新方法。 第四章基于第二章监控节点系统的设计实现，本章通过在监控节点嵌入式 系统上成功移植p y 也o n 组件，实现了高扩展性的监控节点架构。采用计算能力 扩展、动作服务扩展、指令集扩展、定时器等多种模式，能够满足新一代环境监 控系统复杂多变的应用需求 第五章对本文的研究成果进行总结。 第二章基丁a m 嵌入式系统的监控节点的设计 第二章基于a r m 嵌入式系统的监控节点的设计 摘要上一章针对环境监控的现状和需求提出了基于嵌入式l 曲x 设备的技术解决方 案。本章结合环境监控的需求分析。从硬件平台集成模块的选择、嵌入式操作系统对监控 系统的支撑以及建构其上的监控应用软件的实现细节等方面进行分析设计。 2 1 监控系统嵌入式平台体系 构建于嵌入式系统之上的监控系统首先以硬件平台为基础，用来提供内核、 体系扩展、微处理器和系统芯片支持的高性能低功耗的数据处理能力。在其之上 集成系统软件，用于实时性内存管理，监控任务的多线程调度，处理器控制权按 不同优先级的分配，以及系统底层接口如串口、以太口的驱动等功能的实现。这 些功能为监控系统软件提供了完善的接口支持。位于系统最上层的是满足监控需 求的监控软件，由于具有了良好的软硬件支持，其监控需求更容易抽象定义为程 序逻辑。图2 。1 描述了整个监控终端的系统平台结构： 图2 1 监控节点的系统平台结构 整个系统从下到上分为硬件平台、系统软件、应用软件。下面分别介绍各自 的具体实现。 第二章基于a r n l 嵌入式系统的监控节点的设计 2 2 监控系统平台设计 2 2 1 加ms 3 c 4 2 1 0 核心板平台 环境监控系统的硬件核心采用a j t n 9 系列型号。a 衄( a d v a n c e dr j s c m a c h j n e s ) c p u 是a n 公司生产的高性能、低功耗的r i s c 处理器( 周维，2 0 0 4 ) ， 可适用于嵌入式控制、工业级实时监控、移动式应用等多种领域。a 加公司提供 一系列的c p u 内核体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有的a h n 结构 都采用通用的基本体系架构，所以相同的监控系统经过微调可以运行在所有的 灿m 体系平台上，这也为系统的跨平台以及平滑升级提供了保障。a n n 系列的 处理器分为a m l 7 、a n n 9 、a m l l o 、加m 1 1 等，分别有各自特点和适用范围，各 个处理器的特点如表2 1 所示： 表2 1 a i m 系列处理器特点 型号特点 a 姗7 a n n 7 t d a m l 9 t d a r m l o a m l l 小型，快速，低功耗，集成式d s c 内核，用于移动通信。 是a m 公司授权用户最多的一项产品。其特点是将a 加指令集同 t h u m b 扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时还利用 嵌入式i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 增强扩展来改 进性能。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 基于5 级流水线的a 姗内核，同时配备1 h m b 扩展，i c e 调试和 h a r v a r d 结构。在生产工艺相同的情况下，性能可达到a n l l 7 t d m i 的两倍多。常用于联网和机顶盒。 主要用于高端的个人手持设备和通信设备中。 由于监控系统数据处理的复杂性，需要全方位的联网体系，特别要为今后的 大规模基于图形监控数据处理能力提供升级保障。在目前的嵌入式系统市场上， a 9 系列产品最为丰富。丰富的市场资源也保证了监控系统的底层技术支持和 市场供给。因此a m l 9 处理器作为监控系统的核心处理器是合理选择。 2 2 2 缸ms 3 c 4 2 1 0 接口扳平台 监控节点的硬件平台除了核心板的选择，还需要支持各种功能的外围设备来 保证整个系统的正常运行。各种外围设备与接口板焊接在一起，通过相应模块的 驱动被核心系统操作。 1 2 - 第二章基于a n n 嵌入式系统的监控肖点的设计 各个接口采用模块化方式与底板进行集成，并在系统中配有驱动。即使某些 模块没有驱动，或者驱动不够完善，也有开发人员根据需求进行开发和定制。接 口板的配置如表2 - 2 所示： 表2 2 监控节点接口板配置 t f t6 4 k 色l c d 控制器以及触摸屏控制器 2 通道u a r t ( 已包含i r d a 红外线数据通讯口) 1 个u s b 主机接口 1 个u s b 设备接口 s d 膏删c 卡主机控制器接口 r t c 实时时钟( 有后备锂电池) i i c 总线接口( 驱动a t 2 4 c 0 4 一s c 2 7 ) 接口板提供接口 a d c 模数转换接口 s p i 接口 i i s 数字音频输入输出接口 e i n t 外部中断接口 1 0 m 以太网接口 多功能总线扩展接口 i d e ( 硬盘) 接口 2 2 3l e d 串口数据显示 作为监控节点数据展示的重要手段，l e d 显示屏可以通过串口与嵌入式板进 行数据通讯。监控系统通过串口操作来完成环境数据的本地实时显示功能。 l e d ( l i g h te m i m n gd i o d c ) 是发光二极管的英文缩写，它是一种通过控制半导体 发光二极管显示文字、图形、图像、视频等各种信息的显示屏幕( 张秀梅，1 9 9 7 ) 。 作为环境监控系统的本地数据实时显示设备，通讯协议由1 5 位1 6 进制数字表示。 串口通信的行为表示如下： 验证信息+ 显示控制信息+ 显示信息+ 结束信息 第二章基于a n n 嵌入式系统的监控节点的设计 验证信息表式为h i ( 1 6 进制数字表示为0 x 4 80 ) 【4 9 ) 当发送成功后，可以收到确认信息o k 结束信息为o ) 【o o ，表示本次通讯正常结束 表2 3 展示了发送一个显示噪音为“5 8 9 ”分贝的显示信息到l e d 显示屏的指 令说明，串口发送指令为： i b 【4 8 ，0 “9 ，0 x 0 2 ，0 ) 【0 1 ，0 x f f ，o x 0 1 ，o x 0 9 ，0 x 0 0 ，0 x 0 9 ，o x 0 0 ，一，一，一，o x o o ” 表2 3l e d 串口协议指令实例分析 子字符串说明 0 x 4 8 ，0 x 4 9 串口验证信息。向连接有l e d 的串口发送这两个字节，如果串 口的停止位、数据位、波特率配置正确的话，将会收到0 ( 确 认信息。 0 ) 【0 2 ，0 x 0 1 ，o x f f ，o x 0 1 串口参数配置。验证位是2 ，停止位是1 ，无校验位。 0 x 0 9 ，0 x o o 显示模式。用于表征实时静态文本的显示模式。 5 、8 、9 5 89 - l e d 上显示的数据信息。 o x o o 通讯结束符。表示此次通讯正常结束。 2 2 4 太阳能供电系统 传统的监控系统传输方式一般为光缆或有线网络，供电方式为电网供电，这 类监控系统的缺点如下： 传统的视频交通监控系统供电方式为电缆输送，数据信号传输方式采用 光缆或同轴电缆，存在工程施工困难、造价高、运营成本高的问题； 系统维护不便，高压输送存在安全隐患； 安装、组网困难。 基于移动性的考虑，环境监控系统可采用交流电源和太阳能双路供电系统对 系统进行供电。太阳能供电系统由太阳电池方阵、太阳能充电控制装置、逆变器、 蓄电池组构成。太阳电池方阵给负载供电的同时，也给安装在电池箱的蓄电池组 充电。采用太阳能供电补充后，系统具有如下优点： ( 1 ) 采用太阳能供电，无线公网数据或信号窄带传输，彻底无线化： 第二章基于a n i l 嵌入式系统的监控节点的设计 ( 2 ) 无缆式独立供电，组件灵活、小巧，方便安装与组网； ( 3 ) 全低压直流供电方式，能源利用效率高安全性好； ( 4 ) 维护费用少造价低： ( 5 ) 传输不受距离和地形限制。 在监控节点端，太阳能为衄n 板、c d m a 模块、检测探头以及l e d 显示屏 2 4 小时供电。随着负载功率的加大，太阳能板的功率也随之增大。一般来讲， 太阳能板的成本与功率成正比，而太阳能板的面积与太阳能板功率也成正比关 系。对于环境噪音监控的系统的功耗，我们进行如下分析：输出电压5 v ，测得 a n 板平均工作电流0 2 5 a ，c d m a 模块额定电流o 0 8 a ，探头额定电流o 0 2 a ， l e d 模块电流 1 a 。除l e d 外，系统一天消耗功率为： 2 4 ( o 2 5 + o 0 8 + o 0 2 ) 5 = 4 3 7 5 ， 系统的体积要求为6 0 3 0 3 0 硎3 ，可用太阳能板面积o 1 8 脚2 。太阳能产能 功率计算：0 1 8 m 2 的太阳能板功率为1 8 w 左右，一天对1 2 v 的蓄电池充电量4 5 a 左右，产生电能的总功率为4 5 1 2 = 5 4 w 。通过以上数据分析：o 1 8 所2 的太阳能 板产生的能量能够满足系统运行2 4 小时的要求，并剩余电能 5 4 w 一4 3 7 5 w = l o 2 5 w ，太阳能板经济成本为4 2 1 8 = 7 5 6 元。 2 2 5a d 转换驱动实现 环境数据的一个重要的采集手段是通过监控仪表将环境值转化成等比例的 电压信号，并将电压信号的离散的读入监控节点系统，通过a d 转换驱动将读 入的电压信号离散值换算成对应的数值，再经过定量算法转化成最终有效值。图 2 2 是环境噪音的山d 数据采集流程图。 第二章基于a 】m 嵌入式系统的监控节点的设计 s 3 c 2 4 1 0 芯片中的a 他功能有关的引脚为a i n 7 ：o 】，是8 路1 0 位模拟采集 通道。针对s 3 c 2 4 l o 开发板的a d c 模块，开发基于a m 的a d c 模数转换接口 的驱动，保证该驱动支持8 个模拟电压信号输入通道。这样可以同时对8 种环境 信息进行监控分析，具有极大的兼容性。a d 模块的原理如下：模拟输入对一个 采样保持电容充电，采样保持电容的输出是a 他转换器的输入。a 他转换器采 用逐次逼近法将这一模拟电平产生数字转换结果，其转换结果为1 0 位数字。 通过加载a d c 驱动后，系统可读取8 个通道的外部电压输入，系统内核通 过a d c 驱动接口读出转换后的1 0 - b i t 数字，经过电压一数值转换得到外部监控 源的可读数值。考虑环保领域的应用，分别将噪音传感器、温度传感器、湿度传 感器3 路电压输入a d c 接口的对应采样通道，数据的采样功能。 a d 转换驱动实现细节如下： 采用可加载模块的方式对a d c 驱动进行开发，编译后的a d c s 3 c 2 4 1 0 o 为可 加载模块，启动后自动加载，同时文件系统d e v 中，出现a d c 访问节点接口可 进行o p e n 谢t e r e a d c l o s e 等操作。将a d c 接口看成字符设备，可以象文件一样 进行访问，而字符设备驱动程序负责对这些行为进行实现。a d c 设备的版本号 采用如下定义： 糊e 五n ed e c e _ a m e ”a d c 舯 撑d e 岛e a d c r a wm 酣o r0 ，主设备号，用于a d c 设备访问 副设备号 关键函数： r e g b t 凹j h r d 鲫( 硼s i g ，l e di n tm 口j 眠c o m tc h n r m m e s t n l c | 矗l e ，p e 删i o mt f o ) 注册字符设备驱动程序。如果主设备不为o ，它就不加修改的使用；如果主设备号为。 系统动态给这个设备赋一个新设备号。 h n r e g i s 把r h r d e v ( m 凇i g m 啦i mm j o tc o n 矾c h 口r n 甜n e ) 在卸载时注销驱动程序。m a j o r 和n m e 字串都必须存放与注册驱动程序时相同的值。 s 3 c 2 4 i 8 母d c j o d l 拈l r u c tt d e i n o d e s t r 褂c t 鼻k 垮t e 埘憾i g n e di n fc m d h 燃i g n 甜i 嘶gn r 由 通过i o c 函数来实现a d c 设备8 个不同通道的转换操作。 第二章基于a 肌嵌入式系统的监控节点的设计 s 3 c 2 4 l o j d c j d j 0 眺c t 扛i e 粤j ! l e bc h r 聿觇彘ks 把e jc w n t 1 0 鸯j p p o s ) 读取内核a d c 设备的数据到用户空间。 2 2 6c d m a 无线数据通讯模块 在环境监控需求月益迫切的今天，某些特定地区( 如有线网络无法到达的区 域) ，或特定环境( 如人员无法接近的危险场所或污染场所) 以及需要频繁移动监控 的监控过程，环境监控节点通过c d m a 无线数据通讯模块建立起来的无线网络 可以很好地完成任务。在多种无线通信技术中，c d m a 技术由于具有移动性强、 覆盖网络广、高速、高质量、成本控制等特点，用户无需自己搭建网络中继设备， 使得监控业务从固定监控走向移动监控成为可能( 王鹏，雷斌，2 0 0 5 ) 。 传输速率高。c d m a 的理论传输速率为1 5 3 6 k b p s ，实测平均速率上 行为2 0 i ：b p s ，下行为1 0 0 l 乙时，服务系统向该节点发送心跳信号。被 控节点收到心跳信号后，将收到的信息立即返回。若服务系统收到返回的信号， 则将给被控节点的死置o ；若服务系统在1 分钟内没有收到返回信号，则重新向 该被控节点发送心跳信号；若1 分钟后还未收到返回信号，则服务系统主动断开 与该被控节点的连接，并设置该被控节点在数据库中的状态信息。心跳信号的流 程设计如图3 2 所示： 第三章环境监控系统的性能及网络代价分析 o 监控节点 o 监控中心 图3 2 心跳信号流程图 3 2 环境监控系统中无线网络的时间同步研究 3 2 1 背景研究 远距离无线网络传输技术的迅速发展，使得在有线网络无法到达的情况下的 远程数据监控成为可能。新代信息传输技术采用g p r s 或c d m a 等无线传输 媒介组网，能够解决广域离散分布节点的工业监控需求。无线监控是监控与无线 网络技术的完美结合。通过无线传输方式将被监控点的数据信息准确、清晰、快 速地传送到监控中心。监控中心通过监控软件，实时掌握各个被监控点的情况， 并对发生的情况做出反应和处理，无线监控己广泛应用于金融、交通、环保、电 力、石化等多种领域( 邵之江，王永铭，2 0 0 4 ) ，成为未来信息化建设不可缺少的 重要组成部分。然而，大量的基于应用背景的监控系统都属于时间敏感系统，需 要对随机事件故障发生点进行精确标记，用于事故逻辑和历史数据；同时，时间 信息也是数据挖掘过程的关键元素；分布式多进程的系统调用也对时间分辨率有 精确要求( c a d 锄s ，p c a i l l ，1 9 9 1 ) 。时间同步技术在分布式系统中是一个值得深 入研究的问题。设备元器件性能变化、环境温湿度影响，甚至电磁场辐射等，都 会使运行中系统发生时钟漂移现象。目前已经存在多种基于传统有线网络的解决 办法，如： i e e e l 5 8 8 精确时间协议( p t p ) 是基于工业以太网的一个精确时间同步的综合 解决方案。e e l 5 8 8 协议适用于小规模的同质异质网络，这一协议适用于低端 第三章环境监控系统的性能及网络代价分析 和低成本的网络，然而它是基于i p 组播通信实现，只适用于支持组播的总线系 统中( 赵英，2 0 0 3 ) 。 p c s ( p r o b a b i l i s t i cc 1 0 c ks y i l c h m n i z a t i o n ) 协议通过广播大量r o u n d 一“p 消息， 同步过程中采用的概率算法比一般的确定性算法可达到更高的时间同步要求； n t p m e tt i m ep r o t o c 0 1 ) ，网络时间协议已在i n t e m e t 上广泛部署并证明是一 种有效的鲁棒的i n t e m e t 时间同步协议； 与这些传统有线网络的时间同步方法相比，无线网络断线率高，网络流量受 限，传输延迟性大，还受随机噪音扰动因素的影响，并且精简的嵌入式终端无法 支持复杂的网络协议和主域i p 组播技术，使得适用于传统有线网络的复杂的、 鲁棒的时间同步策略难以在无线网络中实现。一些无线网络标准，如8 0 2 1 1 协 议标准在m a c 层实现了有同样的时间同步协议( i s o ，i e c ，1 9 9 9 ) ，m m o c k 利用 无线网络的组播技