（测试计量技术及仪器专业论文）基于嵌入式web服务器的粮仓温湿度无线监测系统.pdf

郑州大学硕士论文摘要 摘要 科学储粮是粮食生产的一个重要环节，若管理不当，粮食发霉或生虫会造成 极大浪费。粮仓管理中最重要的问题是监测粮堆中的温、湿度变化。国家为粮食 储藏每年支付很高的费用，主要是因为监测设备成本较高，管理方式不够先进。 随着无线通信，微电子技术，嵌入式及传感器技术的发展，使得研制低成本 的先进粮仓温湿度监测方法成为现实。 本文针对传统粮仓监测方法的不足，提出并设计了一种基于嵌入式w e b 服务 器，将嵌入式技术，无线通信，网络技术相结合的嵌入式无线温湿度监测系统。 该系统以无线嵌入式w e b 服务器为核心，若干无线数字式温湿度传感器模块为数 据采集终端。无线传感器模块将采样点的温湿度值通过无线方式传送给嵌入式服 务器，用户通过i n t e r n e t 浏览器访问嵌入式服务器，便可方便地获得现场数据 和历史数据。管理员可通过浏览器增删账号、修改设置粮仓信息和服务器的相关 参数。 本文详细介绍并分析了嵌入式无线温湿度监测系统的软硬件设计原理和实 现方法。无线传感器模块采用了射频芯片n r f g e 5 和数字式温湿度传感器s h t l l 。 嵌入式服务器的硬件采用了a r m 7 微处理器和r t l 8 0 1 9 a s 以太网芯片来实现嵌入 式服务器的功能；并采用u s b 接口连接大容量u 盘，使嵌入式服务器可进行长时 间、大容量的采样数据的备份和存储。软件方面，采用u c o s i i 作为嵌入式操 作系统，针对a r m 7 微处理器作了系统移植；以l w i p 协议栈为基础，采用c g i 接口实现动态网页；并通过u s b 接口访问f a t 3 2 文件系统。 关键词：嵌入式、w e b 服务器、u c o s i i 、a r m 、l w i p 郑于 f 大学硕l 论文 a b s t r a c t s c i e n t i f i cs t o r a g eo fg r a i ni sav e r yi m p o r t a n ts t e po fp r o d u c i n g g r a i n i fa d m i n i s t r a t i o no fg r a n a r yi si m p r o p e r g r a i nm i i d e wo ri n s e c t p e s tc a nb r i n gah u g ew a s t e t h ek e yp r o b l e mo fa d m i n i s t r a t i o no fg r a n a r y i sm o n i t o r i n gt h et e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yi ng r a i ns t a c k b e c a u s et h e i n s p e c t i n ge q u i p m e n t sa r ee x p e n s i v ea n dt h em a n a g e m e n tm e t h o d sa r en o t a d v a n c e d ，t h eg o v e r n m e n te x p e n d sl a r g e l yo ns t o r a g eo fg r a i ne v e r yy e a r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n m i c r o e l e c t r o n i c s ， e m b e d d e da n ds e n s o rt e c h n o l o g y ，i tb e c o m e sp o s s i b l et od e s i g nt h el o w e r p r i c ea n da d v a n c e dm e a s u r em e t h o do fg r a n a r yt e m p e r a t u r ea n dh u m i d it y ak i n do fg r a n a r yt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ym e a s u r es y s t e mb a s e do n e m b e d d e dw e bs e r v e ra n dc o m b i n e dw i t hw i r e l e s s e m b e d d e da n dn e t w o r k t e c h n o l o g yi sd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h es y s t e mi sc e n t e r e do ne m b e d d e d w e bs e r v e ra n dd a t ac o l l e c t i o nt e r m i n a l sc o n s i s to fs o m ew i r e l e s sd i g i t a l t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o rm o d u l e s w i r e l e s ss e n s o rm o d u l e st r a n s m i t t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yd a t ao fn o d et oe m b e d d e ds e r v e rb yw i r e l e s s u s e r sa c c e s se m b e d d e ds e r v e rb yi n t e r n e tb r o w s e rt og e tl o c a l ea n dh i s t o r y d a t ae x p e d i e n t l y a d m i n i s t r a t o r sc a na d do rd e l e t ea c c o u n t sa n dm o d i f y o rs e ti n f o r m a ti o no fg r a n a r ya n dp a r a m e t e r so fe m b e d d e ds e r v e r t h i sp a p e rp a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e sa n da n a l y z e st h ed e s i g nt h e o r ya n d m e t h o do fs o f t w a r ea n dh a r d w a r ei ne m b e d d e dw i r e l e s sg r a n a r yt e m p e r a t u r e a n dh u m i d it ym e a s u r es y s t e m w i r e l e s ss e n s o rm o d u l e sa d o p tr fc h i pn r f 9 e 5 a n dd i g i t a lt e m p e r a t u r ea n dn u m l d i t ys e n s o r ss h t l l h a r d w a r eo fe m b c u a e a s e r v e ra d o p t sa r m 7m p ua n de t h e r n e tc o n t r o l l e rr t l 8 0 1 9 a st oc o m d l e t e f u n c t i o n so fe m b e d d e ds e r v e r ，a n du s bt oc o n n e c tud i s kt os t o r ea n db a c k u p l a r g ec o l l e c t i o nd a t ac o n s t a n t l y i ns o f t w a r e ，e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m i su c o s i i ，i ti st r a n s p l a n t e dt oa r m 7 t h ew e bs e r v e ri sb a s e do nl w i p p r o t o c o ls t a c k ，u s e sc g it or e a li z ed y n a m i cw e bp a g ea n da c c e s s e sf a t 3 2 f i l es y s t e mb yu s b k e y o r d s ：e m b e d d e d ，w e bs e r v e r ，u c o s i i ，a r m , l w i p 郜蝌大学硕上学位论文第一章绪论 第一章绪论 t 1 粮仓温湿度监测的现状及发展趋势 随着国家经济的快速发展、粮食储备的日益增加。粮库的建设对粮食温、湿 度监测技术也提出了越来越高的要求。粮库管理中最重要的问题是监测粮堆中的 温、湿度变化，若管理不当，尤其是夏天，可能在几小时内粮食就会发生霉变而 损坏。国家为粮食储藏每年支付很高的费用，主要是因为监测设备成本较高， 管理方式不够先进。 目前，粮仓温湿度监测系统在我国的应用己相当普及。粮库通常采用由p c 机和单片机组成的主从式的多机联网系统，单片机作为下位机，负责粮仓现场各 采样点的温湿度数据采集，作为上位机的p c 机，则负责粮仓温湿度的集中显示 和管理记录。p c 机作为通用机，在用于专项的应用上时，难免会在很多方面存 在问题，比如体积大，功耗大，运行不稳定、很难做到不问断运行等。 p c 机与单片机之间的通讯方式主要采用r s 4 8 5 总线技术和现场总线技术两 种。r s 4 8 5 是使用较为广泛的双向有补偿传输线标准，其最大每段总线长度为 1 2 0 0 米，采用单组双绞线双向主从通信。当总线加长或节点增多时需要使用中 继器连接，全网络支持最多2 5 6 个节点。r s 4 8 5 通信技术应用时问较长，软硬件 实现较为容易，因此是国内粮情测控系统采用较多的通信方式。但是由于主控室 与各粮仓之间要架设电缆，对于粮仓多、分布散的粮库，安装与维护这种多机联 网系统是一项较大的工程，其次，要解决因电缆而引起的雷击问题也决非一件易 事。所以随着现代化粮食储备库的逐年增多，使用r s 4 8 5 通信方式愈来愈少。 现场总线技术是一种互连现场自动化设备及其控制系统的双向数字通信协 议，目前国内粮情测控系统多采用l o n w o r k s 和c a n 两种现场总线”。l o n w o r k s 的技术特点是总线开放、互操作性强、可靠性高、通信速度最高可达1 2 5 m b i t t s ， 最大通信距离可达2 7 0 0 米，最多节点数为3 2 0 0 个。c a n 总线技术在粮情测控系 统中的应用比l o n w o r k s 总线技术更为广泛。c a n 总线技术具有先进的多主网络 结构、通讯距离远、价位低、可靠性高、系统容量大等优点“1 ，c a n 总线技术废 除了传统的站地址编码，取而代之的是对通信数据块进行编码，使得网络中的节 点数在理论上不受限制，从而大大增加了系统的容量，使得现代化储备粮库的粮 情检测控制在同一系统下得以实现。先进的多主结构不仅使系统内可以有多台上 郑州丈学硕士学位论文第一章绪论 位机存在，以适应不同操作人员和管理人员多种需要，而且使得网络中智能分机 摆脱了只能被动受控状况，整个系统高度智能化，从而大大提高了系统运行的可 靠性。 将现场总线应用于粮仓温湿度测量，虽然节省了许多信号电缆，但由于是有 线通信，由电缆引起的安装复杂，需要布线和改线，而且，扩展新的设备需要架 设新的电缆，可扩展性差。在软件构架上采用c s 模型，不但结构复杂，而且只 能实现数据的小范围共享。 随着i n t e r n e t 的快速发展和普及，w e b 技术正逐渐的被应用于远程监控系统 中。同样，随着微电子技术的不断创新和进步，嵌入式系统成为计算机应用的一 个新领域，具有功能强、实时性强、低功耗、可靠性高和结构小巧等优点”1 。基 于嵌入式w e b 的远程监控系统结合了先进的w e b 技术和嵌入式技术，其服务器采用 嵌入式技术实现，通过w e b 方式实现服务器端与客户端的信息交互，是今后远程 监控技术发展的主流方向“刀。 在无线技术飞速的发展的今天，如何把无线技术应用到实际的产品中去也是 一个非常热门的话题。1 。目前在我国，无线射频技术正显示出越来越广阔的发展 前景，一些高速公路的收费站口，使用射频技术可以实现不停车收费，我国铁路 系统也使用r f 纪录货车车厢编号的试点已运行了一段时间。它使我们摆脱了线缆 束缚，并在技术上几乎保留了传统有线技术的所有功能。针对粮仓温湿度监测的 特点，短距离、低速率的无线射频技术完全可用于前端采集数据的传输”1 。 因此，针对传统粮仓监测方法的不足，结合当前的一些热门技术，本文提出 了一种基于嵌入式w e b 服务器的粮仓温湿度无线监测系统。 1 2 本论文研究的意义 随着计算机的日益普及，互联网络( i n t e r n e t ) 已经成为人们日常生活的一 部分。互联网络是覆盖率极广、联网设备众多、协议完善、功能强大的一种通信 方式，已经成为社会重要的基础信息设施，是重要的信息流通渠道。具备互联网 络的接入功能，已经成为众多使用微处理器的嵌入式应用的发展方向。 随着微电子技术和嵌入式技术的快速发展，使得w e b 服务器运行于单片机上 成为可能，我们将之称为嵌入式w e b 服务器。尤其是a r m 系列3 2 位微处理器的普及， 和嵌入式操作系统的不断发展，使得嵌入式w e b 服务器可以实现更加强大的功能 2 帮： f i 大学硕上学位论文第一章绪论 和更高的运行效率。用户可通过i n t e r n e t 浏览器对基于嵌入式w e b 的设备进行远 程配置和访问，让设备利用w e b 内容来报告采样数据、工作状态，实现对嵌入式 w e b 设备的远程监控等。 基于i n t e r n e t 的嵌入式w e b 远程监测系统，既是嵌入式系统应用的发展方向， 也是远程数据监测系统的发展方向。它在工业应用中有着极其迫切的需求和非常 广阔的市场。 首先，用嵌入式远程数据监测系统替代测控网络中传统的工业p c 和数据采 集仪表有着十分重要的意义。基于i n t e r n e t 的嵌入式w e b 远程监测系统把嵌入式 实时系统嵌入到仪器仪表，使之成为测量与控制的核心，是现代监测系统的主要 发展方向。它充分利用了嵌入式系统集成度高、可靠性好、免维护的特点，提高 了终端设备的工业适应性，大大降低了工业生产中的成本；同时，满足了野外设 站、无人值守的应用要求，大大提高了工作效率。 其次，它具有不可抵挡的优势。利用无所不在的互联网络，可以从全球的任 何一个角落实现对设备的监控；利用开放的t c p i p 网络通信协议，任何的计算 机都可以使用通用的网络浏览软件访问设备，不需要专门的计算机和专门的软 件：设备的信息通过网页的形式体现，可以使用数据、图表、动画等各种丰富的 表现方式。在网络环境中，集传感器信号实时检测、信息融合、远程诊断、决策 等与一体，嵌入式w e b 服务器可对潜在的设备故障预警，缩短了设备维修服务的 响应时间，同时能及时得到设备制造企业的网上支持，进行软件的在线升级，降 低了设备非计划停机带来的损失；嵌入式样e b 测控技术的发展，实现了控制网络 到数据网络的信息融合。 基于嵌入式w e b 的远程监测系统满足了现代监测系统在系统可扩展性、分布 式和实时性等方面的技术要求，它不仅可以用于粮仓的温湿度测量，还可以应用 于工业控制，智能建筑，远程医疗，环境及水文检测以及农业科技应用等领域。 是实现国家工业生产自动化、优质高产低耗、提高企业经济效益的重要技术手段。 发展基于嵌入式w e b 技术的监测系统，对改造传统产业、实现工业现代化、促进 产业信息化都有重要意义。 1 3 系统的主要性能指标 本系统的主要性能指标为： 郑州大学硕士学位论文第一章绪论 1 温度测量范围：一4 0 + 1 2 3 8 c ，测量精度：0 4 ( 2 5 ) ； 2 湿度测量范围：o 1 0 0 r h ，测量精度：3 o r h ； 3 数据无线传输距离：1 0 0 米； 4 无线传感器模块电池使用寿命一年以上； 5 嵌入式服务器的正常工作温度范围：- 4 0 + 8 5 ； 6 管理员可通过i n t e r n e t 浏览器设置帐号，采样点信息，采样时间间隔以 及服务器的相关设置： 7 通过u s b 接口扩展存储，可接大容量u 盘，实现采样数据的长时期大容 量存储； 8 用户可通过i n t e r n e t 浏览器察看各采样点的现场实时数据和历史数据。 该系统的主要性能指标完全符合现场的条件，充分满足粮仓温湿度监测系统 的实际需求。 1 4 本论文的主要内容 本文针对传统粮仓监测方法的不足，提出并设计了一种基于嵌入式w e b 服务 器，将嵌入式技术，无线通信，网络技术结合起来的嵌入式粮仓无线温湿度监测 系统。 论文的主要内容如下： 1 针对粮仓温湿度监测的特点，提出了系统的总体设计方案。 2 无线传感器模块的设计，详细介绍了1 2 c 总线接口的数字式温湿度传感 器s h t ll 和射频芯片n r f 9 e 5 的特性及电路的设计。 3 嵌入式核心板的硬件设计，详细介绍了基于a r m 7 t d m i 核的a t 9 1 m 4 0 8 0 0 处理器的特性及外部总线的扩展。 4 嵌入式主板的硬件设计，a t 9 1 m 4 0 8 0 0 处理器与r t l 8 0 1 9 网卡芯片的连接， u s b 接口芯片c h 3 7 5 的电路设计。 5 详细介绍了嵌入式实时系统u c o s - i i ，并具体给出的其在a t 9 1 m 4 0 8 0 0 处理器上的移植方法。 6 详细介绍并分析了l w i p 协议栈的特点，其在u c o s i i 上的移植方法及 r t l 8 0 1 9 驱动的编写。给出了嵌入式w e bs e r v e r 的具体实现方法及其在粮仓温湿 度监测中的应用。 4 郑： f 大学硕+ 学位论文第一章绪论 7 u s b 存储设备的文件系统层次和访f a f a t 3 2 文件系统的方法。 最后，对整个系统的设计过程和系统本身的性能作了简单总结，并初步探讨 系统进一步改进的可能。 郑州大学硕上学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 第二章系统的总体设计方案及背景知识 2 1 粮仓温湿度监测系统的总体设计方案 针对传统粮仓监测方法的不足，结合当前的一些热门技术，本文提出了一种 以嵌入式w e b 服务器为数据处理中心，无线传感器模块为数据采集终端的粮仓温 湿度监测系统监测系统。 2 1 1 系统实现的功能 该系统根据粮仓温湿度监测的实际需要，利用i n t e r n e t 和无线通信技术，主 要实现以下功能： ( 1 ) 用户可以通过i n t e r n e t 浏览器察看当前采样数据和全部的历史数据。管 理员可以通过i n t e r n e t 浏览器增删账号，增删改粮仓和测量节点的信息，报警设 置及嵌入式服务器的相关参数。 ( 2 ) 嵌入式服务器与温湿度数据采集终端之间通过无线方式传输数据，要求 传输准确、抗干扰能力强。 ( 3 ) 系统性能要符合指标。 ( 4 ) 系统具备存储扩展功能，可通过u s s n ) 接u 盘，实现大容量的数据备份。 2 1 2 系统的总体结构 系统以粮仓的温湿度为监测对象，主要由计算机，嵌入式w e b 服务器，无线 传感器模块三部分组成。系统设计采用了分层式系统结构，分散式系统安装。系 统结构可分为三层： ( 1 ) 最底层是无线传感器数据采集终端，它完成温湿度的测量并通过无线射 频技术与嵌入式服务器交换数据。 ( 2 ) 嵌入式w e b 服务器是连接本地无线数据采集系统和i n t e r n e t 的桥梁，实 现了本地数据的远程共享。 ( 3 ) 最上层是i n t e r n 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 r n e t 浏览器访问嵌入式服务器。 系统的整体结构原理图如图2 1 所示。 粮仓内的空间较大，温湿度呈不均匀分布，所以要采用多点测量，才能达到 对粮仓温湿度的全面监测。无线传感器模块分别被部署在不同的测量点上，每个 模块分别被设置为不同的i d 号。 6 郑州大学顶上学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 图2 1粮仓温湿度监测系统的结构原理图 嵌入式服务器与无线传感器模块间为主从结构，无线传感器模块不主动与嵌 入式服务器通信，而是等待嵌入式服务器轮询。针对粮仓监测的特点，由于温湿 度不会发生剧烈的变化，所以嵌入式服务器采用定时查询的方式，每隔一个周期 依次向每个传感器模块发送读取数据的命令，然后将收到的数据存入数据存储 区，并定期将数据存储区中的数据备份到外部扩展的u 盘中。 嵌入式服务器基于嵌入式w e b 技术，直接接入i n t e r n e t ，这样就实现了本 地数据的远程共享。用户可以随时随地通过i n t e r n e t 浏览器察看粮库的现场温 湿度数据和历史数据，并可设置或修改相关信息。 7 该系统在粮仓内采用无线方式传输数据，避免了粮仓内布线所带来的麻烦。 嵌入式服务器的使用使整个系统更加小巧，性能更加可靠，可实现不间断运行。 基于w e b 的信息共享技术省去了客户端软件的开发，更有利于信息的共享。和传 统的粮仓监测系统相比，该系统在保证性能和功能的前提下，大大降低了成本， 易于安装，维护方便，具有很强的灵活性，为粮情监测提供了一种全新的获取信 息和处理信息的方法。 2 2 嵌入式系统与嵌入式服务器 本系统是以嵌入式w e b 服务器为核心的，是一个典型的嵌入式系统。下面就 介绍一下嵌入式系统的基本概念，嵌入式系统的选型，和嵌入式w e b 服务器的设 7 郑手h 大学硕士学位论文第一二章系统的总体设计方案及背景知识 计思想。 2 2 1 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 ) 是当今最热门的概念之一。目前嵌入式系统 已经渗透到我们生活中的每个角落，其在工业、服务业、消费电子等领域的应用 范围都不断扩大。 根据i e e e ( 国际电机工程师协会) 的定义，嵌入式系统是“控制、监视或 者辅助装置、机器和设备运行的装置”( d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o r a s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。这主要是从应 用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖 机械等附属装置。 不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认 同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 这个定义上，可从几方面来理解嵌入式系统： ( 1 ) 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会具有生命力、才更具有优势。因此可以这样理解上述三个面向的含义， 即嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需 求进行合理的裁减利用。 ( 2 ) 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业 的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、 高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 3 ) 嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、 可靠性，成本，体积等要求。所以，如果能建立相对通用的软硬件基础，然后在 其上开发出适应各种需要的系统，是一个比较好的发展模式。目前的嵌入式系统 的核，t l , 往往是一个只有几k 到几十k 微内核，需要根据实际的使用进行功能扩展 或者裁减，但是由于微内核的存在，使得这种扩展能够非常顺利的进行。 实际上，嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的 具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，而且有时很难以给它下一个准 确的定义。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热的具有操作系 郑州丈学硕l 学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 统的嵌入式系统。 一般而言，嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输 出( i o ) 和软件( 操作系统和应用程序) 。 本文所讨论的嵌入式w e b 服务器采用a r 1 7 处理器，u c o s i i 嵌入式操作系 统，嵌入式t c p i p 协议栈，嵌入式服务器程序，因此，该系统是一个典型的嵌 入式系统“”。 2 2 2 嵌入式系统的选型 2 2 。2 。1 嵌入式微处理器的选型 从硬件方面来讲，嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器具 备以下4 个特点： ( 1 ) 对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应 时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 ( 2 ) 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模 块化，而为了避免在软件模块之问出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区 保护功能，同时也有利于软件诊断。 ( 3 ) 可扩展的处理器结构，能快速地开发出满足各种应用的高性能的嵌入式 微处理器。 ( 4 ) 嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于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更是如此级。 嵌入式微处理器与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和 嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其它功能冗余的部分，这样就以最低的功 耗和资源实现了嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理 器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类 型有a i l l l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s e 一4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g h r m 系 列等。 a r m 处理器是一种高性能，低成本、低功耗的嵌入式r i s e 微处理器，由a r m 公司设计，然后授权给各半导体厂商生产，它目前已成为应用最为广泛的嵌入式 处理器“”。在本系统的设计中，考虑到粮仓的环境和实际需要，采用了a t m e l 公司工业级的h t 9 1 m 4 0 8 0 0 微处理器“。 9 郑手舛大学硕士学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 该处理器是采用1 6 3 2 位a r m 7 t d m i 精简指令结构的处理器。它的性价比很 高，具有工业级温宽，抗干扰能力强，同时具有非常低的功耗。a t 9 1 m 4 0 8 0 0 具 有大量的内部寄存器，因而中断处理能非常快速地完成( 上下文直接保存在寄存 器中，而不需要保存在内存中) ，是实时控制应用的理想选择。a t 9 1 m 4 0 8 0 0 通过 可编程的e b i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) 与片外存储器直接相连，因此具有较快 的访问速度；同时它还具有8 个优先级向量中断控制器，能够与常用的外围设备 实现无缝连接，功能强大。这些使得a t 9 1 m 4 0 8 0 0 非常适用于实时控制领域。该 芯片除了微处理器内核外，而且在芯片中还集成了许多外围设备，使设计者可以 快速开发产品。目前该处理器在工业控制领域应用较为广泛，是工控领域嵌入式 微处理器的最佳选择之一“。 2 2 2 2 嵌入式操作系统的选型 嵌入式系统的软件部分核心是嵌入式操作系统。嵌入式操作系统被定义为一 种支持嵌入式系统应用的操作系统软件。嵌入式操作系统为多样的嵌入式系统提 供统一的基本操作系统特性和软件资源支持，同时又满足目标系统的特定的运行 性能要求，而且达到隔离与系统结构无关的应用层软件的目的。它是嵌入式系统 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱 动接口、通信协议、图形界面等。目前，嵌入式操作系统的品种较多，其中较为 流行的主要有：w i n d o w sc e ，p a l m o s 、r e a l t i m el i n u x ，v x w o r k s ，p s o s ，u c o s i i 等。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。 在工控应用领域，嵌入式操作系统的一个发展倾向是采用实时多任务操作系 统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m 。r t o s ) 。实时操作系统的引入和应用系统的复 杂化直接相关。过去，一个单片机应用程序所控制的外设和执行的任务并不多， 采取一个主循环和几个顺序调用的子程序模块即可满足要求。随着应用系统的不 断复杂化，一个嵌入式处理器可能要同时控制和监视很多不同的外设，并要求实 时响应，同时系统还要处理多个并行任务。如果仍采用原先的程序设计方法就会 有两个问题：一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一些控制场 合是不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量；二是并行的任 务多，要考虑的可能性也多，如果资源调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性， 1 0 郑州大学硕士学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 程序的复杂度将随任务数的增加成指数增长。 使用嵌入式实时操作系统，在编写应用程序时，可以分别编写各个任务，并 通过任务之白j 的通信和同步机制保证任务之间的协调，大大简化了程序复杂度， 减小了程序设计的工作量，而且减小了出错的可能，提高了程序的可靠性和可维 护性。 随着嵌入式系统的发展，各种嵌入式的实时操作系统得到了广泛的应用。各 类商用的实时操作系统如v x w o r k s ，p s o s 己相当完善，但价格相当昂贵，对于中 小型系统来说软件成本太高。丽且商用实时操作系统一般都不提供源代码，无法 对代码进行调整和优化。 u c 0 s i i 是一个公开源代码的实时嵌入式内核，它提供了实时系统所需的 基本功能。其包含全部功能的核心部分代码只占用8 3 k 字节，短小精悍。 u c o s i i 不仅使用户得到廉价的解决方案，而且u c 0 s i i 开放源代码，用户还 可以针对自己的硬件优化代码，以获得更好的性能。 u c o s i i 实际上仅是一个实时操作系统内核，只包含了任务调度、任务管 理、时间管理、简单内存管理、任务间的通信与同步等基本功能。没有提供输入 输出管理、文件系统、网络协议之类的额外服务。但是由于u c o s i i 的可移植 性和开源性，用户可以自己添加所需的模块。目前，已经出现了许多开源的文件 系统、t c p i p 协议栈、g u i 等模块，可移植到u c o s i i 上“。 u c o s i i 是一个抢占式实时操作系统，即己经准备就绪的高优先级任务可 以剥夺正在运行的低优先级任务的c p u 使用权。这个特点使得它的实时性比非占 先式的内核要好。另外内核的实现都仔细考虑了运行时间的确定性问题，任务调 度、任务间通信、内存分配都是采用执行时间可确定的设计，不会因为任务数变 化、顺序变化等出现执行时间的差异。这点确保了调度延时、中断延时的准确计 算，在内核上保证了系统的实时性o ”。 u c o s i i 和l i n u x 等分时操作系统不同，不支持时间片轮转法。它是一个 基于优先级的实时操作系统。为简化系统，规定每个任务的优先级必须不同。进 入就绪态的优先级最高的任务首先得到c p u 的使用权，只有等它交出c p u 的使用 权后，其他任务才可以被执行。u c 0 s i i 的这种特性可以保证重要任务总是优 先占有c p u 。 郯于阿人学硕l 学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 u c 0 s i i 移植方便，系统大部分代码采用c 语言编写，与硬件有关的部分 都集中在一两个文件中，并给出了规范的接口说明，移植相当方便，可应用于目 前大多数型号的8 位、1 6 位、3 2 位c p u 。u c o s - i i 已广泛应用于交换机、路由 器、过程控制、汽车业、工业控制、计算机外设以及民用消费类产品，具有可靠 的稳定性。 对于a r m 7 硬件平台来说，目前可选用的开源嵌入式操作系统的典型代表是 u c o s i i 和u c l i n u x 。u c o s i i 作为微内核结构与u c l i n u x 的大而全的一体化 内核相比，u c l i n u x 在实时性方面存在不足，因为u c l i n u x 是不可抢占的内核， 同时由于u c l i n u x 的体积限制，它对硬件平台的要求较高。而在实时控制系统领 域，更多的考虑的是系统的实时性和稳定性。 因此，对于本系统的硬件平台和使用需求，u c 0 s i i 是一种非常适合的嵌 入式操作系统。 2 2 3 嵌入式服务器 2 2 3 1 嵌入式i n t e r n e t 技术的实现 目前，国内外的嵌入式系统接入i n t e r n e t 主要有以下几种方式“”： ( 1 ) m c u + 支持i n t e r n e t 的r t o s 该方案通过r t o s 自身内核或是附加网络组件提供对t c p i p 协议的支 持。例如：u c l i n u x ，v x w o r k s ，n u c l e u sp l u s 以及v r t x s a 等。 ( 2 ) m c u + 专用的t c p i p 协议芯片或模块 该方案的软硬件设计相对简单，对m c u 的硬件资源需求也较低，只需内嵌 t c p i p 协议的芯片即可实现i n t e r n e t 互联。例如，韩国w i z n e t 公司推出一种 网络芯片w 3 1 0 0 a ，它通过在硬件中安装t c p i p 协议，为数字装置的高速i n t e r n e t 连接提供了一种易于实现的解决方案。 ( 3 ) m c u + 以太网芯片 微处理器加载t c p i p 协议控制以太网芯片进行传输数据，并通过t c p i p 协议连接到互联网是一种可行的方案。适用于通信量较少，要求较低的场合。因 为微处理器内部资源有限，要完成上网任务必须精简t c p i p 协议，这需要深入 了解t c p i p 协议。此方案简单经济，但系统须自己搭建，开发周期长，需要对 微处理器、t c p i p 协议、网卡驱动程序有较深的了解。 郑州大学碗i j 学位论文 第二章系统的总体设计方案及背景知识 上述方案分别适用于不同的产品和不同的应用环境。对于粮仓的温湿度监测 来说，数据传输量并不大，且过程控制本身并不太复杂。为了更有效地利用资源， 降低成本，本系统将采用最后一种方案。微处理器采用3 2 位的a t 9 1 m 4 0 8 0 0 ；网 络芯片采用台湾r e a l t e k 公司推出的以太网控制芯片r t l s 0 1 9 a s ，其性能优良， 价格低廉，在l o m b p s 网卡市场中占有相当大的比例。t c p i p 协议通过软件实现， 采用开源的l w i p 协议栈，它是专门针对嵌入式系统设计的，可移植到u c o s - i i 上。此方案只需要几百k 的f l a s h 和几十k 的r a m ，可使用较小的硬件资源，有 利于控制成本。虽然远程数据传输时协议的封装和分解需要占用较大的系统资 源，但a t 9 1 m 4 0 8 0 0 的性能足以应付。 2 2 3 2 嵌入式w e b 服务器 w e b 技术是基于浏览器服务器模式的，采用h t t p 协议进行信息交互，是一 种成熟的、重要的网络技术，实现了真正的跨平台。基于嵌入式w e b 技术的监控 系统结合了先进的w e b 技术与嵌入式技术，其服务器采用嵌入式技术实现，通过 w e b 方式实现服务器端与客户端的信息交互。 嵌入式w e b 服务器具有一般单片机系统所具有测控能力，通过无线方式，串 行口或是以太网与其它设备通信，进行现场被测量数据的采集、存储以及对设备 的控制。同时根据远程监控的需要提供各种网络服务，包括：作为一台简单的w e b 服务器，提供简单的网页供远程主机访问：可响应远程用户的各种c g i 请求等。 在系统中的每个嵌入式w e b 服务器都有自己独立的i p 地址，远程用户可通过 i n t e r n e t 浏览器直接访问各个设备，可“面对面”地对设备进行系统监测，调 试或控制。 在本系统中，用户可以通过i n t e r n e t 浏览器访问粮仓现场的实时数据和历 史数据，并设置相关参数。所以，本系统采用了c g i ( 公用网关接口) 来实现动 态w e b 技术，c g i 规定了w e b 服务器调用其他可执行程序( c g i 程序) 的接口协议 标准。w e b 服务器通过调用c g i 程序实现和浏览器的交互，也就是c g i 程序接受 浏览器发送给w e b 服务器的信息，进行处理，将响应结果再回送给w e b 服务器及 ， 浏览器。c g i 程序的实现，本方案选用c 语言，以保证c g i 程序的快速、高效 和安全“”。 2 3 无线传感器模块在粮仓监测中的应用 郑州大学硕士学位论文第二章系统的总体设计方寰及背景知识 无线传感器模块主要由无线通信和温湿度测量两个部分组成，模块将采用电 池供电，因此应尽量降低功耗。 2 3 1 无线通信的实现方案 无线技术的出现无疑是网络发展中的一个质的飞跃，也是网络发展的一个主 要趋势。它使我们摆脱了线缆束缚，并在技术上几乎保留了传统有线技术的所有 功能。面对如此广大和丰厚的市场，各大厂商自然不会错过，相继开发出了各种 独特的无线技术。现在，无线技术己遍地开花，广泛应用于各行各业，比较流行 的无线技术有w l a n 、蓝牙、i r d a 、h o m e r f 、g s m 等。 无线射频收发一体型芯片技术是近几年来发展起来的一种新型无线通讯技 术。近年来，近距离无线数据传输一直是国内外电子通讯领域发展的重点，并在 工业控制领域、家电领域、民用通讯领域以及军用领域中 ! 导到了比较广泛的应用。 由于传统的无线射频收发装置结构比较复杂，调试困难，而且其可靠性以及安全 性都不是很好，不能满足对环境以及安全性要求比较高的场合的应用要求，因此 国外各大公司纷纷推出了无线射频收发一体型芯片。 无线射频收发一体型芯片采用了目前流行的单芯片设计，在一块芯片上集合 了信号调制解调、信号射频发射、信号接收、信号电平转换等功能，有些无线射 频收发一体型芯片内部甚至还集合了单片机单元以及c p l d 单元，允许用户直接 对其进行编程，是一种高集成度的多功能芯片。在实际应用中，无线射频收发一 体型芯片的外围电路十分简单，可方便与单片机或d s p 连接，而且有些型号的 无线射频收发体型芯片在环境以及电磁兼容性方面的要求可满足工业设备或 军工设备的使用。与传统的无线收发射频装置相比，无线射频收发一体型芯片具 有电磁兼容性好、耗电量低、体积小、外围电路简单、可靠性高、抗干扰能力强、 数据传输安全性好、价格低廉等特点。目前在各种嵌入系统、家电、军工等许多 领域都得到了广泛的应用。 表2 1 给出了目前几种主流的无线数据通信技术的具体性能比较。 通过对几种主流的无线数据通信技术的比较，考虑到粮仓内的数据传输距离 不是很长，且数据量不大，为省去布线的麻烦，本方案决定采用无线射频收发一 体型芯片来实现无线传感器模块与嵌入式服务器之间的无线数据传输。服务器端 采用n r f 9 0 5 ：无线传感器模块采用n r f 9 e 5 ，它内置了5 1 微处理器“”，可以使整 1 4 郑州丈学硕二学位论文第二章系统的总体设计方案及背景知识 个模块具有更低的功耗，延长电池使用寿命。 i e e e s 0 2i i x 蓝牙( b l u e蕈fg s m ，c d m a蓬r 嵌入式射媚收 t a a t h ) 技网络的无线数据发体爱芯 l 的毛 技术 米 传输技术线教攥抟输技术 _ l ：律颁率2 4 0 h z1 2 g h z9 0 0 m h z l l 2 g h z铂3 m h z 2 0 h z 通i a 鼬羯5 0 米左右1 0 米蠡程七戳割1 d 0 求以上 功托馈糙糍较商孺低 般，埘瘸 抗f 我缝力潮五f ，境螫求较始瓣扦 较癌 商，q f 缀嚣蜜轴；掎泓 自熏肝发程 麓较辐箍妊意制淀峻修改硬 度 件以殷邂谶拇议 ：笈 低r 办媲蒜j ：雏 成本 赢蕊离片帆譬控制芯片j f 毁 技求成熟隍轻成热较墟热较腥憩 成熟 n r 臼行定义。疲活度 避讯汝嫒 8 0 2 ，l l zb 1 u et o o t ho p r 8 c d m a l z 搬商 近营成本 先尤较蕊 蠢 表2 1 几种主流无线通信技术的性能比较 2 3 2 粮仓温湿度的测量方法 本系统的研制主要是测量粮仓的温湿度。传统的温湿度测量都需要一个温度 传感器和一个湿度传感器，传统的模拟式湿度传感器一般都要设计信号调理电路 并需要经过复杂的校准和标定过程，因此测量精度难以保证，且在线性度、重复 性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。而对于无线传感器模块来说，独立器 件越多，功耗就会越大。 微电子技术