（通信与信息系统专业论文）嵌入式环境监测系统及其应用软件开发.pdf

中文摘要 环境对工业产品的生产影响很大，温度、湿度等环境参数已经成为决定产品 质量的较为重要的影响因素，在很多领域中都需要对这些环境参数进行有效的监 测。 随着科学技术的发展，特别是计算机技术和无线网络技术不断取得新的突 破，嵌入式系统应用的开发日渐成熟，利用嵌入式技术开发的产品也越来越多的 融入人类生产和生活。低廉的成本、丰富的接口和强大的功能等特点也使得嵌入 式系统应用越来越广泛。本课题面向产品生产、存储等需要对室内的温度、湿度 等环境参数进行监控的领域，设计集数据采集和数据传输于一体的软、硬件环境 监测平台。用户可以在现场根据需求，利用具有彩色液晶显示功能的手持设备， 查看任意节点的环境温度、湿度等参数值，便于掌握各时刻的环境情况；同时还 可以用通过串口、i n t e r n e t 或无线网络将数据传至上位机，并利用上位机的监控 软件进行数据打印、图形显示和超限报警等功能，完成远程环境状况的监控。 目前实际应用的环境参数监测系统主要是基于单片机开发的，设计较为容 易，存储容量较小，很难进行无线通信。直接购买组态软件费用较高又不易满足 用户自定义的要求。本课题设计的基于三星$ 3 c 2 4 1 0 x 芯片的a r m 嵌入式系统和 z i g b e e 无线组网技术的环境参量监测系统，解决了数据容量小、布线困难、不 易无线传输等问题，能够采集到稳定的数据，满足用户需要。 本文首先介绍了无线环境监测系统的总体设计方案，然后详细的论述了该系统 上位机软件各个模块的设计思路和实现要点，重点内容是介绍用d e l p h i 开发的上 位机软件平台。使用d e l p h i 这种开发工具既可使系统的开发周期缩短、成本降低、 增加可维护性，又能很好地实现用户自定义的功能，生成友好的用户界面。本软 件平台包括用户登陆模块、功能选择模块、数据查询模块、串口通信模块、网络 通信模块、用户设置模块等。参照本文介绍的设计思路和方法，能很快开发出适 合用户需要的环境监测系统上位机软件。本软件开发完成后进行了运行测试，达 到了预期的效果。目前该软件的大部分功能模块已经应用在实际的环境监测系统 中，并且运行正常。 关键词：环境监测a r m 嵌入式无线d e l p h i a b s t r a c t e n v i r o n m e n t a li n f l u e n c e sa r ev e r yi m p o r t a n tt ot h ei n d u s t r i a lp r o d u c t i o n t h e e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r ss u c ha st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yh a v eb e c o m et h ec r u c i a l f a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eq u a l i t yo fp r o d u c t s i ti sv e r yi m p o r t a n tt om o n i t o rt h e s e e n v i r o n m e n t a lp a r a m e t e r se f f e c t i v e l yi nm a n ya r e a s i nt h ep a p e rw ed e v e l o p e da l l e n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mo nt h eu s eo fe m b e d d e da n dw i r e l e s st e c h n o l o g y b a s e do nt h ea n a l y s i so fu s e rn e e d s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yt h eb r e a k t h r o u g hi nt h ea r e a so f c o m p u t e ra n dw i r e l e s sn e t w o r k m ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do n e m b e d d e ds y s t e mh a sw o nag r e a tc h a n c et od e v e l o p t h el o wc o s t ，v a r i o u sk i n d so f i n t e r f a c e sa n dt 1 5 l g h p e r f o r m a n c eh a v em a d et h e e m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e m p o p u l a r i t y t h i sd i s s e r t a t i o na i m sa td e s i g n i n ga ne n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e m w h i c hu s e di nt h ef i e l do fm a n u f a c t u r i n ga n ds t o r a g e t h i ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r mc o m b i n e st h ef u n c t i o no f d a t ag a t h e r i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g w ec a l lg e tt h e t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi n f o r m a t i o nu s i n gt h ei n s t r u m e n tw i t hc o l o rl c dd i s p l a y o nt h es p o t a l s ow ec a np r i n td a t a ，a l a r mw h e na b n o r m a l ，a n dr e a lt i m eg r a p hd i s p l a y u s i n gt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi nc o m p u t e rt h r o u g ht h es e r i a lp o r t , i n t e r n e to r w i r e l e s sn e t w o r k a tp r e s e n t ，m o s to ft h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db yu s i n go f s i n g l ec h i p ，i ti se a s yt od e s i g nw h i l et h ed a t ac a p a c i t yi ss m a l la n dt h ew i r e l e s s f u n c t i o nc a nn o tb ea c h i e v e d p u r c h a s et h ew h o l es e to fs o f t w a r ea n dh a r d w a r em e a n s e x p e n s i v ea n ds o m e t i m e sc a nn o tm e e ta l lt h ed e m a n d so fc u s t o m e r s t h i sp a p e r f o c u s e so nt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to fa l le n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n gs y s t e mi np c t h ee m b e d d e ds y s t e mw a sd e s i g n e dt a k i n gs a m s u n g $ 3 c 2 410 xa st h ec o r ea n du s i n g t h en e t w o r kt e c h n o l o g yo fz i g b e e ，w h i c hc a ns o l v et h ep r o b l e m s ，g e tt h es t e a d yd a t a a n dm e e tt h en e e do fc u s t o m e r t h ef r a m ed e s i g no ft h ew h o l es y s t e mi sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h e s o f t w a r ed e s i g n i n gi d e aa n dk e yp o i n t so fa l lt h em o d u l e s i np ca r ed i s c u s s e di nd e t a i l o nt h em a i np a r to ft h ep a p e r t h ef o c u si st h ed e v e l o p m e n to fp cs o f t w a r ep l a t f o r m u s i n gd e l p h i t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tp e r i o da n dc o s tc a nb er e d u c e dw h i l e m a i n t e n a n c ee n h a n c e db yu s i n go fd e l p h i u s e rr e q u i r e m e n t sc a nb ew e l la c h i e v e d w i t haf h e l l d l yu s e rn e 融e t h es o f t w a r es y s t e m i n c l u d e s1 。g i nm o d u l e ，s e l e c t l o n m o d u l e ，d a t aq u e r ym o d u l e ，s e r i a lc 。m m u n i c a t i o nm o d u l e ，n 咖。r kc o m 埘哪c a t l o n ， m o d u l e tu s e rs e t t i n gm o d u l e b a s e d o nt h ed e s i g ni d e a ，m o n i t o r i n gs y 吼e i - n s o f t w a ，r e m p cc a l lb eq u i c l 【l yd e v e l o p e d t om e e tt h en e e do ft h ec u s t o m e r - t e s t 彻衄g l s ： s o ， i m p l e m e n t e da f t e rs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a n d a l lt h ee x p e c t e d 劬c t i 。i l sa r er e a l l z e d m 二s to ft h em o d u l e si su s e di nr e a lp r o d u c t i o n ，a n d t h eo p e r a t i o ni sg o o d k e yw o r d s ：e n v i r 0 衄e n t a l m o i l i t 0 血g ，a r m ，e m b e d d e d ，w i r e l e s s , d e l 出 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕盗态堂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。 学位论文作者签名卉漉 签字日期矽g 年月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：加矿年 、 、 ： 卉切劭 i z 月占日 导师签名： 别斫华 签字日期：莎叫年乡月占日 第一章绪论 1 1 环境监测应用现状 第一章绪论 目前，环境监测仪器设备被广泛的应用在工农业生产和环境保护等众多领域 中，能够监测的参数有温度、湿度、压强、水位、酸碱度和二氧化碳浓度等多个 环境参数，这些环境监测仪器设备主要用于产品生产环境的监测、大气和水污染 的监测、噪声与振动的监测、放射性和电磁波的监测等多个方面【1 1 。 1 1 1 国内外发展概况 在国外，环境监测仪器设备的技术已经达到了很高的水平，除了常规的监测 手段，在某些特定的领域甚至已经借助卫星进行环境的监测。国内环境监测产品 较之国外技术还显得比较单一，关键零部件需要依赖进口。当然近年来我国的环 境监测仪器设备取得了长足的发展，与西方发达国家的技术差距正在缩小。目前 已经有一部分环境监测仪器设备接近或达到国际先进水平，在市场上占有很大比 例，但还存在着诸多问题【2 j ，比如： ( 一) 开发核心层次不高。目前的很多环境监测仪器设备基本是使用基于单 片机技术的开发芯片，由于受数据总线所限，其外围和存储空间受到比较大的限 制。且受到单片机的操作指令的限制，对复杂数据处理运算无能为力。中断处理 仅能逐一按级别逐项处理，单任务运行，高级功能软件包无法使用，难以支持复 杂的外部设备。 ( 二) 重复生产多，规模效益差。很多生产环境监测仪器设备的企业规模较 小，从而使生产成本提高。很多企业研制的产品功能大同小异，不能满足目前市 场多元化的需求。 ( 三) 通信方式简单。现有的产品在数据传输上大都采用技术简单的 r s 2 3 2 r s 4 8 5 串行通讯接口，前者仅支持点对点通讯且速度慢、距离短。后者 支持多点通讯、距离远，但由于普通计算机大多不带该接口且仍受地域限制。这 种产品仅提供有线数据采集方式，使产品的现场安装受使用环境所限，产品的环 境应用适用性、灵活性差。 ( 四) 显示方式简单。很多产品只用液晶、l e d 等方式简单显示，没有现场 数据分析、图形打印等功能。实时性、分析处理效率大打折扣，直观效果不佳。 需要人工进行分析总结，增加操作的复杂性。 第章绪论 ( 五) 量程较窄，难以满足超高温，超低温的特殊要求。 ( 六) 部分产品的质量性能相对不稳定，使用寿命较短，某些设备的故障率 较高，不能满足精度的需要。 即使是先进的国外技术在某些方面也存在着缺陷与不足。总体来看，环境监 测设备还需要进一步提高功能水平。 1 1 2 环境监测的发展趋势 国内外的环境监测设备随着计算机和网络技术的发展而发展，设备的技术含 量在逐步提高，技术水平和监测手段也在逐渐完善。环境监测设备的发展趋势有 下面几个方面1 3 j ： 1 、技术水平逐渐提高，由简单应用向综合应用领域发展； 2 、生产企业向标准化、规范化和规模化方向发展； 3 、由单一的生产向合作化方向发展； 4 、向多功能、集成化和系统化方向发展； 5 、向自动化、智能化和网络化方向发展。 1 2 课题的提出和现实意义 人类的生存与温度、湿度等环境因素密切相关，工业生产也不同程度的受这 些环境因素的影响。随着生活水平的逐步提高和科学技术的不断发展，人类在很 多应用领域对环境提出更严格的要求，特别是当环境因素的微小波动都会影响关 键产品质量的时候。在某些特殊的工业生产、运输和存储领域对环境参数的要求 非常苛刻。 随着计算机相关技术的不断发展，嵌入式系统以其很多优点逐步得到广泛的 应用。在嵌入式系统中，核心的技术就是嵌入式处理器芯片的技术，a r m 内核 处理器是由英国a r m 公司开发并授权给其他芯片生产商进行生产的系统级芯 片，在嵌入式3 2 位处理器市场中占有很高的份额。由于其明显的性能优势以及在 网络、多媒体、通信及信息家电中的广泛应用，目前基于a r m 的嵌入式技术已 经成为这个行业的主流产品。 网络技术随着计算机技术的发展而日新月益，网络技术尤其是无线网络技术 的产生和发展使人们摆脱的线缆的束缚。自从1 9 9 7 年w i r e l e s sl a n ( i e e e 8 0 2 1 1 ) 标准确定以来，无线网络以其无需布线、灵活性强等优点迅速赢得了市场，也为 红外、蓝牙、射频和z i g b e e 等无线技术的实用化铺平了道路。 嵌入式和无线网络的广泛应用为实用的新型环境监测系统的开发提供了理 第一章绪论 论基础和技术上的支持。 环境参数的监测在保证产品质量，节约社会能源和安全生产等方面起着关键 的作用。但是目前实际应用的环境监测设备很少能进行远距离的无线实时监测， 部分系统功能用户不能自定义。为了设计出功能强大又实用的环境监测系统，提 出了本课题的研究。该系统兼有无线监测功能和有线监测功能，组网方式灵活， 成本低廉，能对大面积的多点温度、湿度进行监测，并将数据传输到远程计算机 上进行数据存储与分析，并输出动态曲线。本系统适用于粮库、食品厂房、医药 工厂、电子生产车间、温室、实验室等对环境温度、湿度要求较高的场合，对扩 展的需求也预留部分接口并实现多通道并行通信，满足实际的温、湿度监测的需 要，具有广泛的应用价值。 1 3 论文的工作 本课题设计的温湿度环境监测系统可采集采集空间室内任意多点的温度、湿度 实时数据，既能在小型手持设备的彩色液晶屏上显示，又能通过有线或者无线传 输的方式将数据远距离传送到管理中心的计算机上，显示在管理人员面前，并可 以将数据以表格或者图形方式打印，以便分析处理和存档。有线的方式可以通过 计算机的串口进行实时通信，为了扩展功能还可将数据存入移动存储设备形成数 据文件，通过计算机的u s b 端口传入计算机中已经设计好的数据库中，这样更便 于保存和随时查看历史数据，并能根据用户的需求删除无用的数据。无线的方式 通过查找指定下位机的i p 地址和端口号进行通信【4 】，并实时的传送温湿度的数 据。本系统主要实现的功能如下： 1 、实时显示功能：连续实时的采集温湿度参数的数据，以数字、图形、表格方 式进行实时显示； 2 、超限报警功能：用户设置温湿度上下界限报警点，在出现异常数据的时候， 如温度、湿度超过上下限时，可以通知的用户进行相应操作； 3 、数据查询功能：可以同时显示多通道的环境参数曲线，更方便比较分析。能 够现实温湿度的最大值和最小值； 4 、导入存储功能：所有的数据可以保存在计算机的数据库中，可以定时自动保 存和备份； 5 、打印输出功能：按要求打印各个监测点的温温度变化曲线，并可以按照使用 人员的特定要求，输出数据报表； 6 、用户管理功能：不同的用户具有不同的管理权限。系统管理员具有最高级的 管理权限，可以增减操作用户，普通用户只能拥有查询和显 第一章绪论 示的功能； 7 、远程通信功能：有线和无线方式分别通过串口和网络进行通信，在远端监测。 本课题在各个方面对现有环境监测系统整体的功能实现上有了很大的提高， 技术含量和产品价值都处于国内领先水平，具有极高的研究价值。 在本课题开发的环境监测系统中我的主要任务是与课题组其他成员一起讨 论用户需求和功能的实现，并在此基础上进行开发芯片和开发工具的选择。主要 做的开发工作是上位机软件监控平台的代码编写，利用d e l p l l i 已经编写了u s b 数据读取，串口数据读取，历史数据查询等功能，这些功能已经在制药车间的环 境监测中实际应用。目前无线网络传输正在完善，并将要交付使用。为了能实现 以上的功能，我进行了相关知识的学习，在理论知识学习的基础上进行了软件的 编程，并参与了硬件的设计的可行性研究工作。在课题开发组的明确分工下，各 个成员团结协作开展工作，目前所有的功能已经基本实现。 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 2 1 系统整体框图 本课题设计的温湿度环境监测系统是集数据采集、传输和分析于一体的软硬 件平台，可以根据实际需求，查看任意节点温度、湿度参数值，如图21 所示： 0 。pp ” 1 、 唑、亳掣- 一。紫“ 一一b c m 。 e 面西 f l a s i i 面啪t # 目镕一 i j r 二二二二i j 二二_ _ _ r 一_ d # 一 n 目“ 谢 m 二0 二一 习_ ，“，”麟 裟4 漂嚣量璺 u i 图21 嵌入式环境监测系统框图 厂 隧 本课题设计的系统可以实现对温度、湿度等环境参数的实时采集、存储。无 线传感器网络用于准确、可靠的采集环境监铡数据，与嵌入式网关之间实时通信， 并能通过互联网对监测数据实现异地实时查询。在下位机上，集成t f r 液晶屏 界面可进行触摸屏操作和显示，并能查询数据和图形分段显示。本系统集成了微 型打印机，可以打印数据、列表和图形。主要的测量范围如下： 温度测量精确到小数点后两位。 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 湿度测量精确n d , 数点后一位。 上位机通过无线网络、有线网络、串口和u s b 端口与下位机进行通信。下 位机是基于s 3 c 2 4 10 】【为核心开发的监控终端。上位机的串口通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 转换口可与多个下位机通信。监控终端可以定时采集温湿度数据并将采集的数据 存到内存中，随时准备接受上位机的查询和数据传送的命令。温湿度数据还可以 存为特定文件名的文件，然后用户通过移动存储设备将文件通过计算机的u s b 口传输到上位机的数据库中，从而实现数据的查询和分析功能。上位机在通过 i n t e m e t 或无线网络通信的时候，利用指定的i p 和端口号与指定的设备通信。 2 2 系统下位机设计方案 下位机的设计分为硬件设计和软件的设计，分别有两个同学完成相应的软 硬件设计工作。这部分工作是本课题数据采集的主体部分，体现了课题的设计 方面的先进性。本课题采用最新的z i g b e e 组网技术，与嵌入式技术很好的结合 了起来。具有超长时间的数据备份功能。高质量的液晶屏彩色显示及触摸屏操 作使用户界面更丰富、直观。微型打印机体积小，控制方便。经过天津星望科 学仪器有限公司长期的市场调研，本课题所研发的环境监测系统完全处于国内 领先水平。 2 2 1 下位机硬件设计 下位机的硬件设计包括芯片选型、原理图设计、p c b 版图设计等步骤。其中 硬件芯片采用基于a r m 处理器的嵌入式芯片，传感器可同时采集多个通道温湿 度的数据，最大存储容量为4 g b 。数据传输采用u s b 接口、以太网和串口方式将 数据传到上位机。采集到的数据可以进行数据和图形打印【5 1 。 下位机由各种微处理器、温湿度传感器、信号采集、a i d 转换、输入输出端 口等构成。各环境参数经信号采集电路和a d 转换后送微处理器。微处理器对采 集来的数据进行处理。通过触摸屏可以查看系统的工作状态及各通道采集的数 据，并在液晶上显示采集到的温湿度数据。 结合系统的功能要求，本方案选择三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 作为嵌入式微处理 器芯片。它的主频可达4 0 0 m h z ，处理速度更快，可以满足系统功能的要求，性 价比很高。具有集成s d m m c 接口，实现存储卡的扩展。集成u s b 、a u d i o 、 e t h e m e t 以及l c d 、触摸屏等功能。 传感器一般采用热电阻测温和热电偶测温两种。热电阻测温的工作原理是在 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 温度的作用下，电阻丝的电阻值也随之变化，且电阻与温度的关系即分度特性完 全和i e c 标准等同，铂电阻丝主要用来测量2 0 0 度+ 8 5 0 度的温度，测量的范围 很宽。热电偶测温的工作原理是用两种不同材质的导体，两端焊接，形成回路， 直接测量端叫工作端，也被称为热端，接线端子端叫冷端。当热端和冷端存在温 差时，就会在回路中形成热电势，对于每一个温度值都有相应的电势值与之对应。 模数转换采用m a x l 9 7 ，模拟信号输入后相应放大转换电路把模拟信号转换成数 字信号，并送入单片机最小系统再传到嵌入式系统中【6 】。用户可以在l c d 触摸屏 直接查看温湿度值和进行相应的操作并设定时间间隔等参数。 设计完成之后就要制作正确的p c b 板图。在原理图绘制完成以后，进行电气 规则检查，在绘带i j p c b 板的过程中，最好选用手工布局元件，这样，可以把同一 功能的元件放在一起，使板子比较清晰、有条理。当元件布局好以后，可以在p c b 板上对管脚连线直接进行修改。对不合理、不美观的布线可用手工进行调整，加 宽电源和接地线可以提高抗干扰能力，增加系统的可靠性【2 3 1 。 2 2 2 下位机软件设计 下位机软件设计要求能够进行数据采集、数据处理、数据存储，并可通过对 中英文菜单显示、华氏摄氏数据转换、触摸屏操作、图形显示、实时曲线显示 等实现系统的功能。本系统具有人性化的人机交互界面，除了现场手持设备还可 以与上位机进行数据传输7 1 。下位机软件设计方案如图2 2 所示。 图2 2 下位机软件设计 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 ，下位机实现的主要功能是定时采集各环境温湿度参数数据，经过处理后存入 存储器保存，并将数据通过串口和网络实时传输给上位机。对温湿度数据采集系 统的设计有很多种方法，上面已经介绍过了。数据实时采集到上位机数据库中保 存，使数据更能安全可靠、方便调用。 2 3 系统上位机软件设计方案 上位机软件在用户友好界面的基础上实现远程环境参数的监测，具体功能设 计如图2 3 所示： 2 4 本章小结 图2 3 上位机软件整体设计 本章从整个系统出发，介绍了嵌入式环境监测系统总体设计方案。并分别介 第二章嵌入式环境监测系统总体设计方案 绍了下位机的软、硬件设计和上位机的总体设计。在用户需求的基础上，根据现 有的芯片及技术水平，选择了适合本课题开发的硬件。在软件的设计上尽量满足 操作简便，用户自定义等功能。 第三章系统开发所用技术 第三章系统开发所用技术 3 1 基于a r m 的嵌入式技术 嵌入式技术是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可定制，适合于 各种实际场合的应用技术，嵌入式系统是对系统功能、运行可靠性、成本、体积 和功耗严格要求的专用计算机系统【8 】。虽然现在家用和商用计算机的普及化程度 已经很高，但嵌入式系统应用的数量早已经超过了各种通用计算机的数量。大到 汽车、自动售货机、电梯、油田的集散控制系统和工厂流水线系统，小到电视机、 微波炉、空调等家用电器和移动电话以及数码相机、m p 4 等消费电子产品，甚 至组成普通计算机的终端设备如键盘、光驱、硬盘和打印机等均包含嵌入式处理 器控制的系统。可以说嵌入式技术几乎包括了生活中的几乎所有电器设备，已经 渗透到人类的日常生活中。 嵌入式系统通常是具有特定应用功能的，能把普通计算机中许多由板卡完成 的任务集成在芯片内部，用这块芯片单独完成，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化。与此同时，嵌入式芯片处理的功能强大，可以使移动能力大为增强，跟 网络的关系也越来越紧密。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级 换代也是和具体产品同步进行，故而嵌入式系统产品一旦进入市场，都具有较长 的生命周期。为了提高执行速度和系统的可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固 化在存储器芯片本身中，而不是存贮于外带的磁盘等载体中【2 1 1 。但嵌入式系统本 身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进 行修改，必须有一套开发工具和开发的环境才能进行开发设计。 嵌入式系统一般由硬件和软件两部分组成。软件部分包括操作系统软件和应 用程序编程。应用程序控制系统的运行，操作系统控制程序编程与硬件的交互作 用。硬件包括微处理器、存储器及外设器件和输入输出端口、图形控制器等。具 体的如图3 1 所示。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器相当于嵌入式系统的 心脏，它一般具备以下特点： ( 一) 具有支持实时多任务的能力，能完成并行任务并且有较短的中断响应 时间，使内部的代码和实时内核的执行时间减少。 ( 二) 具有存储区保护功能。由于嵌入式系统的软件结构已模块化，避免软 件模块之间出现错误交叉作用，也有利于软件的错误诊断。 第三章系统开发所用技术 ( 三) 处理器结构具有可扩展性能，满足实际应用的需求。 ( 四) 处理器功耗低，便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电 的嵌入式系统非常节省电能。 图3 1 嵌入式系统 嵌入式系统硬件主要部分的微处理器厂商a r m 公司自正式成立以来，在3 2 位r i s c 开发领域不断取得突破，设计的芯片核心功耗低而且成本也很低，所以 众多的半导体厂商都大力支持，在嵌入式应用领域获得了非常大的成功，目前已 经占有嵌入式产品市场的大部分份额。现在设计、生产a r m 芯片的国际大公司 已经超过5 0 多家，我国中兴和华为等公司也已经购买a r m 公司的芯片核心设 计用于通讯专用芯片。 a r m 内核目前有一系列产品，包括a r m 7 、a r m 7 t d m i 和a r m 9 t d m i 等。本课题开发的下位机是用基于a r m 9 的三星$ 3 c 2 4 1 0 x 作为嵌入式核心。 a r m 系列产品各自的特点如下： a r m 7 的特点是小型、快速、集成式r j s c 内核，主要应用于移动通信； a r m 7 t d m i 的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器； a r m 9 t d m i 配备有t h u m b 扩展，常用于机顶盒和网络产品的开发一j 。 除a r m 微处理器核心以外，嵌入式芯片扩展了许多功能模块，并把这些模 块集成在芯片之中，称之为片内外围电路，如u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制 器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 和d s p 协处理器等。在设计嵌入式系统的 时候在分析系统需求的基础上，可以根据不同的用途采用片内外围电路完成所需 的功能，简化系统的设计，提高系统的可靠性。 嵌入式软件的操作系统有很多种，主要的有w i n d o w sc e 、l i n u x 、v x w o r k s 等。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统是微软开发的，在p d a 、手机和显示仪表等界 第三章系统开发所用技术 面要求较高的场合得到了广泛的应用。由于w i n d o w sc e 开发是软件开发者常用 的v i s u a lc + + 环境，所以w i n d o w sc e 很容易被开发这接受。选择w i n d o w sc e 开发的优点很多比如开发快速，微软的强大技术支持，开发难度较低等。根据不 同的侧重点，w i n d o w sc e 有两个特殊版本，一个是p o c k e t p c 操作系统专用于掌 上电脑的开发，另一个是s m a r tp h o n e 用于智能手机的开发上。当然在掌上电脑 和和智能手机的开发上，除了w i n d o w sc e ，还有p a l mo s 、s y m b i a n 等，我们 熟悉的n o k i a 智能手机就是用s y m b i a n 做为操作系统。v x w o r k s 的性能非常卓 越，它具有很强的实时性并且内核可做到极其微小，而且可靠性较高，在北美市 场v x w o r k s 占据了嵌入式系统的很大比重。美国军方的很多嵌入式设备都选择 用v x w o r k s 。在通信设备等实时性要求较高的系统中，几乎都是用v x w o r k s 的。 v x w o r k s 的很多概念和技术跟l i n u x 非常类似，都主要是用c 语言开发的。但它 最大的缺点就是价格很高，一些小公司或小产品中基于开发成本的考虑很少选择 用v x w o r k s 。l i n u x 作为服务器操作系统外，最成功的便是在嵌入式领域的应用， 原因很简单那就是是免费、开源、支持软件多，大大的降低了嵌入式产品的开发 成本，得到了很多开发企业特别是中小型企业的青睐。但是l i n u x 本身并不是为 嵌入式设计的操作系统，实时性不强。所以目前应用在嵌入式领域的l i n u x 系统 都是经过改动后的版本，最常用的是u c l i n u x 。 3 2 通信技术概述 本课题所用到的通信技术有串口通信技术和网络通信技术。其中串口通信技 术是r s 2 3 2 r s 4 8 5 通信，网络通信技术包括有线网络通信技术和z i g b e e 无线 组网技术。 3 2 1 串口通信 串口是大多数计算机上一种非常普遍的输入输出端口，利用串口可以进行数 据的通信，可以获取远程采集设备的数据。串口通信发展到目前先后出现了几个 标准：r s 2 3 2 、r s - 4 2 2 和r s 4 8 5 标准【1 u j 。 r s 2 3 2 串行连接标准可用于计算机连接鼠标、打印机等外设，也可以连接 仪器仪表等设备。r s 2 3 2 可以进行计算机串口和设备间点对点的通信，传输距 离比较短。 r s 4 2 2 使用差分信号，使用两根线发送和接收信号，与r s 2 3 2 比较它具有 更好的抗噪声性能和有更远的传输距离。 r s 4 8 5 标准是r s 4 2 2 的改进，它增加了设备的个数，可以连接多大3 2 个 第三章系统开发所用技术 设备，在应用中建立连向计算机的分布式设备网络、其他数据收集控制器或者其 他操作时，串行连接会选择r s 4 8 5 标准。r s 4 8 5 的传输距离比较长基本上可以 满足生产需要。 串口通信按位发送和接收字节。尽管比按字节的并行通信慢，但是由于串口 通信是异步的，可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。串口通 信可用于a s c i i 码字符的传输，使用地线、发送和接收3 根线完成任务。串口通 信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。通信的两个端口这些参 数必须匹配。波特率表示每秒钟传送的字节的个数，是衡量通信速度的参数。数 据位这是衡量通信中实际数据位的参数。当计算机发送一个信息包，实际的数据 设置取决于传送的信息。实际传输的字节，包括开始位、数据位、停止位和奇偶 校验位。停止位用于表示单个包的最后一位，表示传输的结束。奇偶校验位是串 口通信中简单的检错方式，有偶校验和奇校验方式。在实际通信中没有校验位也 可以。基本原理就是用一个值确保传输的数据有偶个或者奇个逻辑高位。如果传 输的数据是0 1 1 ，如果是奇校验，校验位为l ，如果是偶校验，校验位为0 。 3 2 2s o c k e t 通信 实际上s o c k e t 就是应用程序接口，用于描述网络资源的端口，计算机通过 s o c k e t 向网络发出请求或者应答网络的请求。有了这样一种接口技术，一台计算 机就可以通过软件的方式与任何一台具有s o c k e t 接口的计算机进行通信，也就 是通过i p 地址和端口，计算机与外界进行的通信。 网络通信工作方式是将要发送的数据包发往连接的计算机。在包头中包括有 接收数据包计算机的i p 地址和端口，只有与数据包中目标地址一致的那台计算机 才能接收到信息包。源计算机将写有目的计算机地址的数据包直接发向目的i p 地 址。具体的通信过程可以是这样的：服务器i p 地址和端口指定以后，等待客户连 接请求，客户连接后，会话产生，在完成会话后，关闭连接。客户端对网络上某 一个i p 地址的服务器的指定端口发出连接请求，一旦连接成功，打开会话，会话 完成后，关闭连接j 。进行s o c k e t 通信可以对端口进行侦听和扫描。端口侦听是 对目标计算机的端口进行监视，查看目标计算机上有哪能些端口是空闲可以利用 的。端口侦听属于一种被动的过程，等待别人的连接的出现，通过对方的连接才 能侦听到需要的信息。端口扫描是通过连接到目标系统的t c p 协议或u d p 协议端 口，来确定什么服务正在运行，然后获取相应的用户信息，是一种主动过程，它 是主动对目标计算机的选定端口进行扫描，实时地发现所选定端口的所有活动。 计算机的端口通常可以分为公认端口、注册端口和私有端口。其中，公认端 口标号从0 到1 0 2 4 ，它们紧密绑定于一些特定的服务。通常这些端口的通信已 第三章系统开发所用技术 定义服从某种服务的协议，不可再重新定义它的作用对象。例如8 0 端1 3 是h 卸 通信所使用的，而2 3 号端口则是t e l n e t 服务专用的。注册端口号从1 0 2 5 到4 9 1 5 1 ， 这些端口多数没有明确的定义服务对象，不同程序可根据实际需要自己定义，如 远程控制软件和木马程序中都会有这些端口的定义的。私有端口号从4 9 1 5 2 到 6 5 5 3 5 。理论上，不应把常用服务分配在这些端口上。另外端口又可分为t c p 协 议端口和u d p 协议端口两种。发送信息以后，可以确认信息是否到达，这种方 式大多采用t c p 协议端口；不是直接与接收方进行连接，只管把信息放在网上 发出去，而不管信息是否到达，大多采用u d p 协议端口。 3 3z i g b e e 组网技术 z i g b e e 这一名称的英文含义是蜜蜂的八字舞。它是一种新型的短距离、低功 耗的无线通信技术，主要适用于自动控制和远程监控领域。z i g b e e 自身的技术优 势有很多【1 2 1 ，下面详细介绍一下： 1 、在低耗电待机模式下，2 节5 号干电池可支持1 个节点工作两年甚至更长的 时间。相比较蓝牙工作数周、w i f i 工作数小时，z i g b e e 技术的低功耗优势显 而易见。 2 、目前z i g b e e 的协议不到比较简化，降低了对通信控制的要求，全功能的主节 点需要的代码一般只有几十k 字节，还有最重要的就是z i g b e e 协议是没有专 利费的。 3 、z i g b e e 可提供2 4 g h z 和9 1 5m h z 等速率，满足低速率传输数据的应用。 4 、z i g b e e 的传输范围一般在1 0 米到1 0 0 米之间，但是这里指出的居室是相邻节 点间的距离，所以如果通过路由和节点间通信的接力，z i g b e e 的传输距离可以 达到很大。 5 、z i g b e e 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需1 5i l l s ，节点连接进 入网络只需3 0m s 。比较其他无线技术蓝牙入网时间需要3 到1 0 秒中，而w i f i 需要3 秒钟【2 2 j 。 6 、z i g b e e 可采用星状和网状等网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多 一个主节点可管理2 5 4 个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理， 这样最多可组成比较大的网络。这就满足了很多需要大容量数据节点的工程 的需要。 7 、z i g b e e 的安全模式包括无安全设定、使用接入控制清单防止非法获取数据以 及采用高级加密标准的对称密码。这使得它的安全性提高了一个层次。 8 、自动动态组网、自主路由【2 4 1 。网络是动态变化的，当网络中的节点的能量耗 第三章系统开发所用技术 尽，该节点能自动退出网络。当需要扩大网络规模的时候可以向已有的网络 中加入新的传感器节点。从技术的角度来说每个节点又都能作为路由来用， 这就使得网络更加的灵活。z i g b e e 无线网络如图3 2 所示： 霍孔 匡三蚕z * * 一匡三蓼a * m 莲三蓼m 一匡兰蚕无线t 一 图3 2 五曲e e 无线网络 虽然z 1 曲e e 跟蓝牙、w i f i 等都是无线通信的技术但它并与蓝牙或者其他已 经存在的标准竞争，定位于现实的系统还不能满足其需求的特定的市场，有着广 阔的应用前景，它的应用领域主要包括 农业控制和教育医疗等多个行业。总之 器网络的最好选择。 3 4 数据库查询语言s q l 家庭和楼宇网络、工业控制、环境监潮、 z i g b e e 的技术特性决定它将是无线传感 目前应用的数据库有很多，其中关系型数据库包括s q ls e r v e r 、o r a c l e 、 s y b a s e 和a c c e s s 等，对各种关系型数据库中的记录进行查询、修改等操作，使 用结构查询语句s q l 语句。s q l 是功能强大的数据库语言，它是关系数据库管 理系统的标准语言。s q l 语句通常用于完成一些数据库的操作任务比如在数 侈 第三章系统开发所用技术 据库中更新数据，或者从数据库中检索数据。用户通常不需要指定对数据的访问 方法，而要知道得到什么结果就可以，使用起来代码简单，方便易行。 s q l 是非过程化的语言，一次处理一个记录，对数据提供自动导航功能，允 许用户操作记录集。所有s q l 语句接受集合作为输入，返回集合作为输出。s q l 的集合特性允许一条s q l 语句的结果作为另一条s q l 语句的输入。它不要求用户 指定对数据的存放方法。这种特性使用户更易集中精力于要得到的结果。所有 s q l 语句使用查询优化器，由它决定对指定数据存取