（通信与信息系统专业论文）蓄电池组无线监控系统的网关设计与实现.pdf

s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em sd e g r e ei nc o m m u n i c a t i o n i n f o r m a t i o ns y s t e m b y z h a n gy a n f e n g p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：l i us h o u y i n a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o rs i g n a t u r e a p p r o v e d m a y 2 0 1 1 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 取轻峰 日期：加，年厂月g - 日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。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，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：取轻峄 日期：扫f7 年厂月坊日 导! j 1 i 签名：如彦呷 日期：厶r f 年j - 月夕口。日 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。回童途塞坦窒蜃溢蜃! 旦圭生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：永轻峰 日期：力，f 年奎月嗲日 导师签名：如聊叮 日期：劲f 1 年 月日 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 摘要 蓄电池组作为各种后备电源系统的储能装置，在电力保障、工业生产、信息安 全等方面起到重要作用。但是，如何实现蓄电池的在线、实时检测，一直是困扰人 们的研究问题。近几年随着网络技术的发展特别是无线传感器网络( 物联网) 的深 入研究，为这一课题的研究和解决提供了技术支持。 对蓄电池的检测一般有两种方式：一是非在线方式，即由工作人员定期的对蓄 电池的参数进行测量；另外一种是在线方式，即在不中断工作的情况下实时测量蓄 电池的参数，并通过有线或无线的通信方式发送至监控中心。第一种方式不仅浪费 人力、物力、财力，而且不能保证及时的发现受损电池，从而修复故障。而传统的 在线式监控通常采用c a n 总线、r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等工业总线方式。这些有线方式都 存在着安装维护困难、不能跨平台、通用性差等缺点。针对这些缺点，华中师范大 学现代通信技术实验提出了基于无线传感器网络技术和i n t e r n e t 远程监控技术的蓄 电池实时监控的研究课题。本文是该研究课题的一部分，主要是完成基于嵌入式 b s 方式网关的设计与实现。 论文首先介绍了蓄电池组监控系统的国内外研究现状以及其研究意义。接着介 绍了嵌入式系统的相关知识和嵌入式w e b s e r v e r 及q t e m b e d d e d 的关键技术。然后 讨论和分析了网关系统的硬件结构。最后详细研究了基于l i n u x 的嵌入式系统平台 的构建以及嵌入式w e b s e r v e r 和q t 用户界面的设计。论文主要研究内容如下： 1 ) 嵌入式l i n u x 系统平台的构建。修改l i n u x 系统下l c d 、网络、串口等设备 的驱动，并对l i n u x 内核进行裁剪，构建适合系统的嵌入式软件平台。 2 ) 嵌入式w e b s e r v e r 的构建。在分析了h t t p 协议以及a j a x 脚本的基础上讨 论了嵌入式w e b s e r v e r 的基本原理。通过比较几种服务器模型，认为多线程式的服 务器架构能满足系统多用户、多任务、强实时性的要求。此外，在服务器中还嵌入 对e m a i l 服务以及g p r s 服务的支持。 3 ) g u i 界面的设计。在嵌入式平台中移植了q t e m b e d d e d ，并按照系统要求设 计友好的用户界面，实现对相关参数的设置以及对电池状态的监测。 论文最后对系统的应用进行了验证，给出了相应的测试界面。并指出系统需要 进一步进行完善的地方。 关键词：蓄电池监控；$ 3 c 2 4 4 0 ；l i n u x 操作系统：嵌入式w e b s e r v e r ；q t e m b e d d e d 石i i 士学位论文 m a s t e r st h e s i s ab s t r a c t b a t t e r y , a se n e r g ys t o r a g ei np o w e rs u p p l y , p l a y sa i li m p o r t a n tr o l ei np o w e r p r o t e c t i o n ，i n d u s t r i a lp r o d u c t i o n , i n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n ds oo n h o wt om o n i t o rt h e b a t t e r i e st i m e l ya n do n l i n eh a sa l w a y sb e e nt h er e s e a r c hi s s u eb o t h e r sp e o p l e r e c e n t l y , t h ed e v e l o p m e n to ft h ei n t e r n e tt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h ee x t e n t i o nr e s e a r c ho fw i r e l e s s s e n o rn e t w o r k ( t h ei n t e r a c to ft h i n g s ) p r o v i d e sm u c ht e c h n i c a ls u p p o r tf o rs t u d y i n ga n d r e s o l v i n gt h i si s s u e t h e r ea r et w ow a y so fm o n i t o r i n gb a t t e r y o n ei sn o t o n l i n e t h ep a r a m e t e r so f b a t t e r i e sa r et e s t e db yr e l a t e dw o r k e r sr e g u l a r l y t h eo t h e ri so n l i n e t h ep a r a m e t e r so f b a t t e r i e sa r et e s t e dt i m e l yi nt h ec a s eo ft h ew o r kw i t h o u ti n t e r r u p t i n ga n ds e n t e dt ot h e m o n i t o r i n gc e n t e rt h r o u g haw i r e do rw i r e l e s sm e a n so fc o m m u n i c a t i o n ，t h ef i r s tw a y n o to n l yw a s t e sh u m a n ，m a t e r i a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s ，b u ta l s oc a n n o tg u a r a n t e et o f i n dt h ed a m a g e db a t t e r ya n dr e p a i rt h e mt i m e l y t h et r a d i t i o n a lw a yo fm o n i t o r i n g o n l i n ea d o p t st h ei n d u s t r i a lb u ss u c ha sc a n ，r s 2 3 2 ，r s 4 8 5a n ds oo n t h e s ew i r e d w a y sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha sd i 强c u l t i e do fi n s t a l l a t i o n sa n dm a i n t e n a n c e s t h e l i m i t i o n so fn o tb e i n gu s e di nd i f f e r e n tp l a t f o n n sa n dt h ep o o ru n i v e r s a l a p p l i c a t i o n s a c c o r d i n gt ot h e s es h o r t c o m i n g s ，m o d e mc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yl a bo fc e n t r a l c h i n an o r m a lu n i v e r s i t yh a sp r o p o s e dr e a l t i m em o n i t o r i n go f b a t t e r yi s s u e sb a s e do n w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y t h i sa r t i c l ei so n ep a r to f t h er e s e a r c ht o p i c ，w h i c hf o u c so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f g a t e w a yb a s e do n e m b e d d e db r o w s e r s e r v e r 1 1 1 i sp a p e rf i r s t l yd e s c r i b e st h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dt h es i g n i f i c a n c e t h e nt h e r e l a t e dk n o w l e g d e so ft h ee m b e d d e ds y 3 t e ma n dt h ec r i t i c a l t e c h n o l o g i e so ft h e e m b e d d e dw e b s e r v e ra n dt h eq v e m b e d d e dh a v eb e e ni n t r o d u c e d t h i r d t h eg a t e w a y h a r d w a r es t r u c t u r eh a sb e e nd i s c u s s e da n da n a l y s e d f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e d e s i g no fe m b e d d e dw e b s e r v e ra n du s e rs u r f a c eo fq ti nd e t a i l t h em a i n w o r k so ft h ed e s i g na n dr e s e a r c ha r ea sf o l l o w s ： 1 t h ec o n s t r u c t i o no f t h ee m b e d d e dp l a t f o r mo f l i n u xs y s t e m ：t h em o d i f i c a t i o no f d e v i c ed r i v e ri ne q u i p m e n t ss u c ha sl c d ，n e t w o r k s ，s e r i a lp o r t s ，i nt h el i n u xs y e t e m ，a n d t h ec u to fl i n u xk e m e lt oc o n s t r u c tt h ep r o p e re m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r l t l 2 t h ec o n s t r u c t i o no ft h ee m b e d d e dw e b s e r v e r t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h e e m b e d d e dw e b s e r v e r , d i s c u s s e st h ep r i n c i p a l so fe m b e d d e dw e b s e r v e rb a s e do nt h e a n a l y s i so fh t t pp r o t o c o la n da j a xs c r i p t a f t e rc o m p a r i s o no fd i f f e r e n tk i n d so f s e r v e rm o d e l s ，t h es y s t e mu t i l i z e st h et y p eo fm u l t i t h r e a dw h i c hc a nm e e tt h ed e m a n d s i i i 目录 摘要i a b s t r a c t ii 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文主要内容及结构安排3 第2 章系统总体方案及关键技术研究。5 2 1 系统总体方案设计5 2 1 1 系统功能及设计原则5 2 1 2 系统设计整体框架5 2 2 嵌入式系统相关技术o 。6 2 2 1 嵌入式系统简介6 2 2 2 删9 系列芯片介绍8 2 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统基本特点9 2 3 嵌入式w e b s e r v e r 相关技术1 0 2 3 1 嵌入式w e b s e r v e r 基本原理1 0 2 3 2s o c k e t 套接字技术1 1 2 3 3h t t p 协议介绍1 3 2 3 4a j a x 脚本介绍1 5 2 3 5h t m l 语言介绍1 7 2 4 嵌入式q t 相关技术。l 7 2 4 1 嵌入式g u i 简介1 7 2 4 2q t e m b e d d e d 体系结构【2 1 。2 3 1 18 2 4 3q t e m b e d d e d 通信机制【2 4 1 一19 2 5 本章小结2 0 第3 章基于嵌入式w e b s e r v e r 监控中心的设计2 1 3 1 嵌入式l i n u x 系统的移植2 1 2l 2 4 3 1 3q t e m b e d d e d 的移植【2 9 】。2 8 3 1 4s q l i t e 数据库的移植2 9 3 1 5 根文件系统的制作3 0 1 。2 9 3 2 嵌入式w e b s e r v e r 的设计3 l 3 2 1e w s 设计的基本原则3 1 3 2 2e w s 总体框架的设计3 2 3 2 3e w s 软件的设计与实现3 4 3 3 通讯子系统的设计3 7 3 3 1u a i 玎通讯协议设计3 7 3 3 2 软件接口的设计与实现3 8 3 4 用户交互模块的设计3 9 3 4 1 用户界面设计需求分析。3 9 3 4 2 基于q t e m b e d d e d 功能界面的设计4 0 3 5 本章小结4 2 第4 章系统功能测试4 3 4 1 系统测试环境4 3 4 2w e b 页面的测试。4 4 4 2 1 安全认证功能4 4 4 2 2 电池监测功能。4 4 4 2 3 故障报警功能4 5 4 2 4 数据备份功能4 6 4 2 5 用户注册功能。4 7 4 3q t 界面测试。4 7 4 3 1 主显示界面4 7 4 3 2 网络配置界面4 8 4 3 3 报警设置界面4 9 5 2 研究展望5 3 参考文献 攻读学位期间发表的学术论文5 5 致 随着我国通信网络的迅猛发展以及智能电网【l 】研究的兴起，后备直流电源系统 越来越多的被应用到通信、电力等行业。蓄电池是后备直流电源系统的主要组成部 分，经常被人们誉为系统的“心脏 1 2 】。因此，近年来，对蓄电池的研究已经日益 被人们提上日程并成为人们研究工作的重点。 阀控式铅酸电池( v a l v er e g u l a t e dl e a da c i db a t t e r y v r l a b ) 经过1 0 0 多年的 发展已经成为目前应用最为广泛的一种蓄电池。在变电站、发电厂和通信基站等各 个领域中都是采用阀控式铅酸电池作为后备直流电源。蓄电池运行状况的好坏将直 接影响到整个系统能否正常、安全、可靠的运行【3 j 。近年来，国内外由于蓄电池故 障而产生的事故频频发生。女【1 2 0 0 4 年，美国佛罗里达州的某远程机站遭受雷击，交 流电源被切断，此时由于作为后备电源的蓄电池损坏造成了该地区的网络通信中 断；加拿大多伦多皂力变电所的直流皂源系统由于某单节电池损坏而导致整个系统 瘫痪【4 】；2 0 0 2 年江苏某微波站由于单节电池的过度放电损坏而导致整个后备直流电 源系统无法正常工作。因此，为保证直流电源系统供电的可靠性，越来越多的通信 基站及变电所开始对蓄电池组运行参数进行监控。 常见蓄电池的监控有两种方式，一种是非在线式的，一种是在线式。目前，一 些厂家生产的便捷式电池检测仪属于非在线式，它需要工作人员使用该仪器定期的 对电池参数进行测量。这样，需要耗费一定的人力成本对电池进行维护。在线式蓄 电池监控根据其数据传输方式又可以分为有线式和无线式。传统的蓄电池在线监控 大多采用有线的方式，利用串口或者c a n 总线来进行数据的传输。这种方式存在布 线多、线路长、维护困难等缺点。此外，在通信、电力等一些行业，由于系统电源 的多样性导致需要检测的电池数量不同以及电池网络拓扑复杂。采用传统的有线式 监控方式很难适应各类情况的变化。近年来，随着嵌入式技术和i n t e m e t 网络技术 的发展，基于以太网的远程监控技术在工业界的引起广泛关注，并在通信系统、电 力监控、电网运行监控以及机器人远程控制等领域得到良好的应用。例如，本文所 设计的基于w e b s e r v e r 的蓄电池组监控系统。相对于传统的有线式监控方式，基于 w - e b 服务器的监控方式具有以下几个方面的优点： 1 ) 方便、集中式的实时远程监控。本文设计的是基于w e b 方式的蓄电池组监控 系统。先通过z i g b e e n 络节点来采集各节电池的参数，然后通过协调器将数据发送 给基于a r m 9 的嵌入式w 曲服务器进行处理和存储。这样用户通过i n t e r a c t 就能很方 便的对蓄电池参数进行查看，并对z i g b e e 网络采集节点进行控制。通过g p r s 可以 及时发现故障节点并进行更换。从而使人们在任何地方、任何时间都能实现对蓄电 池的综合管理。 2 ) 节约监控成本。用无线传感器网络以及i n t e m e t 来取代传统的有线方式，有效 避免了节点安装以及布线等繁琐的任务，降低了人力、物力和财力的消耗。 3 ) 系统维护方便。系统采用z i g b e e 节点对数据进行采集，通过无线传感器网络 和i n t e r n e t 来进行数据的传输。因此，用户可以很方便的根据实际物理节点的拓扑来 进行z i g b e e 网络节点的布置。实现了监控网络的灵活性和多样性。 综上所述，基于无线传感器网络+ 以太网方式的蓄电池监控相对于传统的在线式 监控具有节点安装简单、网络拓扑灵活、跨平台通用性好、操作维护方便、成本低 等优点。具有实际的研究意义和应用推广价值。 1 2 国内外研究现状 蓄电池是后备直流电源系统安全运行的关键。在国外，f 1 2 0 世纪3 0 年代，阿道 夫德斯勒( a d o l p h d a s s l e r ) 获得第一个免维护密闭铅酸蓄电池( 如今叫做阀控铅酸蓄 电池v r l a ) 雏形的专利后，美国、德国、日本、韩国等国家也纷纷开始了电池管理 系统的研究和开发工作。通过电池管理系统不仅能够对电池的电压、电流、内阻、 温度及电量等信息进行采集测量，而且，更重要的是我们可以根据采集的数据进行 电池性能的分析，从而有利于电源系统的维护，延长电源系统的使用寿命。 在国外，1 9 8 9 年，美国电力研究所与国家电能研究公司合作，共同研制了无人 值守场站铅酸蓄电池综合在线状态监测系统。该系统通过传感器来采集电池参数， 通过光缆将采集的数据传输到蓄电池组监测器。再由远程控制中心( p c 机) 借助于 调制解调器和公用电话线对电池组监测器进行监测1 5 l 。该方法的特点是利用传感器 节点对每节电池的参数进行单独的测量。最近，美国密特公司又研制了一款型号为 c e l l g u a r d 的蓄电池电导在线监测系统，该系统采用基于网络的通信方式，从而有效 的监控偏远站点蓄电池状况，克服偏远站点维护难的现状。德国西门子公司研制的 电池监控系统可以跟踪电池的充电状态绘制出相应的状态曲线，在电池放电时，可 以测量出电池的放电电量及剩余容量。在韩国，研究了光伏系统中的蓄电池监控。 该监控系统的特点是利用“电流中断技术测量了电池充电时的内阻，从而比较精 确地判断出电池的老化情况。有效的延长了整个电源系统的使用寿命。国外的蓄电 池监控系统的研究起步较早，研究技术比较成熟。对我国的蓄电池管理系统的研究 2 石炙士学位论文 m a s t e r st h e s i s 具有很好的指导作用。 在我国，随着综合国力的提高以及科学技术的进步，铅酸蓄电池的产量不断提 高，据相关资料统计，我国蓄电池的年产量已经超过了世界的1 3 ，成为世界电池 的主要生产基地。但在蓄电池监控方面，我国基本上还停留在传统单体测量方式。 不过近几年来，在嵌入式技术以及计算机网络技术的发展带动下，国内也出现了一 些新型的、智能化的监控方式。比如北京巨成科技推出的蓄电池在线监测系统，还 有广东易斯特公司也推出了相应的u p s 在线监控系统。 1 3 论文主要内容及结构安排 本论文主要内容是设计基于嵌入式w e b s e r v e r 的蓄电池组监控系统。以z i g b e e 节点来采集电池状态信息( 包括电压、电流、温度) ，通过无线传感器网络将数据汇 聚给z i g b e e 协调器，再由协调器通过串口将数据发送到控制中心( 以a r m 9 为平 台构建的w e b s e r v e r ) 。用户一方面可以通过p c 或者手机访问服务器来查看电池状 态信息；另一方面也可以通过本地液晶屏来查看其信息。另外，当电池组出现故障 时，系统会通过邮件和g p r s 向用户报告系统的故障信息，提醒用户及时的进行系 统维护。 本文主要的研究内容如下： 1 ) 系统硬件电路的设计与研究。设计基于a r m 9 的监控中心的硬件电路进行 数据的处理和存储。 2 ) 构建嵌入式l i n u x 系统平台，修改l i n u x 系统下l c d 、网络、串口等设备的 驱动，并对l i n u x 内核进行裁剪，构建适合本系统的嵌入式软件平台。 3 ) 构建嵌入式w e b s e r v e r ，首先分析了h t t p 协议以及a j a x 脚本，介绍了嵌 入式w e b s e r v e r 的基本原理。然后，在比较了几种服务器框架的性能基础上，确定 本文采用多线程式的服务器架构。并在服务器中嵌入对e m a i l 服务以及g p r s 服务 的支持。 4 ) 设计g u i 界面，在嵌入式平台中移植了q t 库，并按照系统要求设计了友好 的用户界面，实现对蓄电池组的监测与控制。 本文内容结构上分为5 章，详细安排如下： 第一章，绪论，主要介绍了蓄电池组监控系统国内外研究现状，分析传统监控 系统的缺陷并提出本论文的研究背景及意义，介绍论文的主要内容及结构安排。 第二章，系统总体方案及关键技术的研究：本章给出了系统总体框图并分析了 系统要实现的基本功能，介绍了嵌入式系统的基本特点，讨论了系统设计所用到的 ，f 霸、 硕士学位论文 m a s t e r st h e s l s 关键技术，主要包括s o c k e t 套接字、h t t p 协议、a j a x 脚本、h t m l 语言、 q t e m b e d d e d 体系结构以及信号与槽的通信机制等内容。 第三章，基于嵌入式w e b s e r v e r 监控中心的设计；讨论了l i n u x 内核的裁剪以 及根文件系统的制作过程。分析了嵌入式w e b s e r v e r 的基本结构、设计原则等内容。 研究了u a r t 接口通信协议及g u i 界面设计的基本原理和方法。 第四章，系统功能测试；根据一个具体应用对系统功能进行阐述并展示系统的 监控界面。 第五章，总结与展望；对论文的主要工作进行总结并对后续的研究工作进行展 望。 4 2 1 1 系统功能及设计原则 本论文研究的是一种基于嵌入式w e b s e r v e r 的蓄电池组监控系统。两大最主要 的基本功能是对蓄电池节点进行实时监测和对蓄电池参数进行远程控制。另外，本 系统带有本地液晶屏能实时显示电池参数信息。因此，本系统也可以作为传统的便 捷仪器使用。系统的数据存储采用的是小型嵌入式数据库s q l i t e 。通过该数据库用 户可以很方便的进行系统历史记录、告警日志等信息的查询，从而分析蓄电池组的 历史运行状态。 其中，对蓄电池组的实时监测功能主要包括：本地以及远程实时状态显示；远 程参数控制功能主要包括对蓄电池额定电压、电流以及温度的设置，对报警e m a i l 地址及报警手机号码进行设置等。此外，在服务器刚刚启动时，我们还可以通过本 地用户界面对服务器的碑地址进行设置和查询，根据实际蓄电池的个数及排列来选 择相应的节点网络拓扑结构。 基于嵌入式w e b s e r v e r 蓄电池组监控系统主要目的是监测各节蓄电池的状态， 从而保证整个后备直流电源系统有效的、安全的、可靠的运行。其设计要遵行以下 几个原则： 1 ) 灵活性。由于后备直流电源系统千差万别，每种系统又包含不同数量、不同 组合的蓄电池。我们设计的采集节点应该能适应各种不同的网络拓扑。为此，我们 采用无线传感器网络的z i g b e e 节点能很好的满足这一要求。 2 ) 稳定性。要实现无人职守的智能监控，必须要保证w e b s e r v e r 能长期的稳定 的运行。 3 ) 方便性。用户端不需要安装任何软件，直接通过i e 浏览器就能在任何有 i n t e m e t 的地方实现对蓄电池组的实时监测和控制。 4 ) 多用户性。服务器的设计应该满足多用户同时访问的要求，另外对于告警信 息也要保证多个用户都会收到。 2 1 2 系统设计整体框架 基于嵌入式w e b s e r v e r 蓄电池组监控系统主要包含z i g b e e 网络采集模块和监控 中心模块两部分。其中监控中心模块又分为服务器模块和g u i 界面模块。系统整体 图2 1 系统总体设计框图 整个系统分成两个部分：1 、z i g b e e 节点采集网络，2 、监控中心。其中z i g b e e 节点采集网络由节点采集模块和协调器模块组成，节点采集模块通过a d 采样来采 集蓄电池的电压、温度和电流，再通过无线网络将采集的数据传送给协调器模块； 监控中心的主要任务通过串口接受z i g b e e 协调器送来的数据，并将数据存储在嵌 入式数据s q l i t e 中。该部分由实验室的其他同学完成。 对于数据的查询和访问，监控中心提供了两种方式。 1 ) w e b 方式：w e b 服务器部分主要负责接受客户端w e b 浏览器的请求，并将被 请求的页面及电池参数返回给用户。 2 ) g u i 界面方式：本地用户界面一方面负责对w e b 服务器的网络地址、蓄电池 组的拓扑及门限参数进行配置，另一方面实时的显示蓄电池的状态信息。 2 2 嵌入式系统相关技术 2 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是一个复杂的技术概念，不仅广泛应用于科技领域，而且逐渐渗透 到人们日常生活中的各个方面。美国电气与电子工程师学会i e e e 将其定义为用于 控制、监视或辅助操作机器和设备的装置。嵌入式系统是硬件和软件的结合体，是 面向具体应用的专用计算机系统，相对于通用的计算机系统，它具有以下特征刚： 1 ) 面向具体应用，具有体积小、功耗低以及集成度高等优点。 6 6 ) 专门的开发工具，一般在系统开发完成后，用户通常不能对程序功能进行修 改，必须借助相应的开发工具和环境才能进行嵌入式系统的开发工作。 嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件、嵌入式操作系统以及应用软件 系统四部分组成。其功能和特点介绍如下： 嵌入式微处理器是嵌入式系统的核心，通常把p c 板卡完成的任务集成到芯片 的内部，从而大幅度的减少系统的体积，降低系统的功耗。因此，嵌入式微处理器 具有质量轻，成本小、可靠性高等优点。嵌入式微处理器可以采用冯诺依曼和哈 弗两种体系结构。其指令系统可以采用精简指令集( r i s c ) 或复杂指令集( c i s c ) 。 嵌入式微处理器按照总线宽度一般分为8 位、1 6 位、3 2 位和6 4 位等。目前市面上 比较流行的微处理器有x 8 6 、p o w e rp c 、m i p s 、a r m 等，其中在嵌入式领域使用 最为广泛的是a r m 。本系统的微处理器正是采用三星公司所生产的a r m 芯片 s 3 c 2 4 4 0 。 外围硬件是指嵌入式系统中，除处理器以外的完成存储、显示、通信和调试等 功能的部件。例如具有存储功能的部件有r o m 、s r a m 、d r a m 和f l a s h 等，常 见的外围接口有并口、r s 2 3 2 串口、i i c 、u s b 、c a n 、以太网、l c d 等 嵌入式操作系统【7 】是嵌入式系统的灵魂，负责嵌入式系统的全部软件、硬件资 源的分配、调度、协调及控制。在嵌入式操作系统上进行应用程序开发将大大减轻 用户开发的工作量，增强应用软件的可移植性，提高开发效率。嵌入式操作系统具 有通用操作系统的基本特点，如：能有效的管理复杂的系统资源；将硬件虚拟化； 减少驱动程序开发和维护的工作量；提供了相关的a p i 函数供用户使用。但是嵌入 式操作系统又必须与嵌入式系统本身的特点相适应，因此它还应该具有容量小、执 行效率高、实时性好、可靠性高、可裁剪以及固化存储等特点。目前市面上的嵌入 式操作系统有很多种，一般可以分成两类，类是面向控制、通信等领域的实时操 作系纠引，如w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、美国人j e a nj l a h r o s s e 开发的u c o s i i 、 a t i 的n u c l e u s 、q n xs o f t w a r es y s t e m 公司的q n x 、i s i 的p s o s 等；另一类是面 向消费电子产品的非实时操作系统，如w i n c e 、l i n u x 等。但是，在最新的l i n u x 2 6 7 i n u x 操 式操作 系统和应用软件合在一起称为嵌入式系统软件。 2 2 2a r m 9 系列芯片介绍 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是一家坐落在英国剑桥的电子公司，公 司成立于19 9 1 年，是家在微处理器行业具有很高知名度的企业。a r m 主要设 计高性能、低功耗、低价格的的r i s c 处理器及相关的软件。其产品广泛的应用于 各类产品市场，比如嵌入式控制、消费教育类多媒体、通信网络系统、无线系统 等。 a r m 公司本身不制造芯片，专门出售a r mi p 的授权。世界各大芯片供应商从 a r m 公司购买i p 内核，然后根据自己公司所面对的应用领域，添加必要的外围模“ 块，最终封装成a r m 处理器推向消费市场。目前可以提供a r m 处理器的著名半 导体公司有：欧美的英特尔、德州仪器、三星半导体、意法半导体、摩托罗拉、亿 恒半导体、飞利浦半导体、a d i 、安捷伦、a t m e l 等，台湾的台积电、台联电、华 帮电子等，日本的东芝、富士通半导体、爱普生、松下等，这些公司都是使用a r m 公司的i p 核。 a r m 微处理器一般都是采用r i s c 架构，因此，它具有以下特点： 1 ) 高性能、体积小、功耗小、成本低。 2 ) 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，兼容8 1 6 位器件。 3 ) 使用单周期指令，指令的执行过程基本上在一个周期内完成。 4 ) 使用大量的寄存器，大多数数据都在寄存器中完成。只有加载、存储指令可 以访问存储器，从而提高了指令的执行效率。 5 ) 寻址方式简单、灵活、高效。 6 ) 采用固定长度的指令格式。 目前，a r m 嵌入式微处理器主要包含a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a i 蝴1 0 、a r m l l 、： s e c u r c o r e 和i n t e l 的x s c a l e 等系列。本系统所使用$ 3 c 2 4 4 0 属于a r m 9 系列。 a r m 9 系列微处理器主要包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和删9 4 0 t 三种基本类型， 分别适用于各种不同的应用场合。a r m 9 系列处理器采用了全新的设计，内部集成 了更多的晶体管。因此，相对于早期的a r m 7 处理器，具有更快的时钟频率和更短 的指令执行周期。a r m 9 处理器主要特点如下： 。这样在一 下，a i w 9 处理器的时钟频率是a r m 7 的1 8 - 2 2 倍。 2 ) 采用了哈佛结构，a r m 7 处理器采用的冯诺依曼结构。哈佛结构的特点是 数据存储器和程序存储器具有独立的物理空间及分离的访问总线。因此，指令的执 行速度更快。 3 ) 引入了高速缓存，有效的解决了存储器的速度跟不上处理器的速度的问题。 4 ) m m u 的支持，将系统的内存按页为单位进行划分，每一页是一块具有一定 大小连续的内存块。操作系统在主存中建立了一张页表，用来记录每一张内存页的 实际地址，并将其与虚拟地址相对应。每当一段程序想访问一块内存时，只需要将 相应的虚拟地址传递给m m u ，由m m u 来找到实际的物理地址，完成内存的访问。 这样就能有效的保护内存，增强系统的稳定性和可靠性1 9 】。 2 2 3 嵌入式l i n u x 操作系统基本特点 l i n u x 诞生于1 9 9 1 年1 0 月5 日，是早期u n i x 操作系统的克隆版本。经过近二十年 的发展和完善现已成为一款功能强大、设计完善的操作系统。伴随i n t e m e t 的发展与 普及，l i n u x 凭借其源代码公开的优势，得到越来越多编程爱好者的青睐，并在他们 的修改下不断的完善。现在，l i n u x 系统不仅能够运行于p c 平台，而且还对各种嵌 入式硬件平台具有很好的支持。随着半导体技术迅速发展，现已出现了面向各种不 同应用领域的嵌入式l i n u x 版本。如面向不支持m m u 硬件平台的u c l i n u x ，面向硬 实时应用领域的r tl i n u x ，面向数字相机、m p 3 播放器等嵌入式设备的t h i n l i n u x 以 及运行在3 8 6 上的u l i n u x 等。嵌入式l i n u x 操作系统相对其他操作具有以下优势【lo j ： 1 ) 免费，l i n u x 操作系统允许世界上任何单位和个人在i n t e m e t 上自由的下载、使 用和发布，不需要支付任何版权费用。 2 ) 采用g p l 授权，l i n u x 属于开放源代码软件，遵循世界标准规范。这意味着任 何人不仅可以查看源代码，还能修改上传源代码，使之越来越完善。 3 ) 协作式开发，分布在世界各地的志愿者和爱好者共同来维护和完善l i n u x 操 作系统。 4 ) 设备无关性，在l i n u x 操作系统内，任何外设都可以看成文件，只要系统中添 加了相应的驱动程序，我们就能像使用文件一样来操作、使用设备。这样就可以采 用模块化编程，有利于系统程序的开发。 5 ) 可移植性、可扩展性、可维护性，开发人员通过相应源代码的修改，可以很 9 、 一， 硕士学位论丈 m a s t e r st h e s i s 方便的将操作系统及应用程序移植到各种不同的嵌入式硬件平台上。 6 ) 优异的网络性能，l i n u x 操作系统一个突出的特点是内置完善的网络功能， 如网络中常用的t c p i p 协议、a r p 协议、o s p f 协议等在内核中都有相应的代码实现。 7 1 可靠的系统安全，l i n u x 采取了很多安全技术措施，例如对读写进行许可权 控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等等。这在网络多用户环境下为用户 提供了很好的安全保障。 l i n u x