基于Win CE6.0的物聯網系統架構設計與實現

徐麗娜 郭志強 張鐵君

1吉林大學珠海學院 廣東 519041

2吉林大學通信工程學院 吉林 130012

0 前言

國際電信聯盟(ITU)發布的《ITU互聯網報告 2005：物聯網》一文中提出了物聯網(Internet of things)一詞，將其定義為利用RFID和Internet構建一個遍及全球、覆蓋世界上萬事萬物的網絡，從而實現對物品的自動識別和對物品屬性的互聯與共享。由于物聯網尚處于發展初期，目前國內對物聯網的組建多局限于小規模范圍。

本文提出了一種基于嵌入式系統Win CE6.0的物聯網組建方法，并以遠程智能監控系統驗證該方法的可行性。遠程智能監控系統采用無線傳感器網絡(WSN)，實現了對社區的遠程智能監控。本設計采用的傳感器網絡擴展性能好，容易進行擴展，從而達到更多功能的監測效果。同時使用 GPRS技術，管理者只要隨身帶一部手機或者本系統中的便攜式智能終端，就可以隨時隨地對社區進行監控。

1 系統方案

該系統由總控終端、主節點及普通節點模塊組成。其系統體系結構圖如圖1和圖2所示。普通節點由傳感器網絡和控制網絡組成，負責把采集到的數據上報到所屬的區域監控中心，區域監控中心整理數據，將有用的信息通過無線網絡上報到系統中央監控中心，即完成整個系統上報過程。

圖1 系統體系結構圖

圖2 系統體系結構圖

1.1 硬件平臺

系統的中央監控中心設備CPU采用基于ARM 11的 S3C6410。S3C6410X是一個16/32位RISC微處理器，是韓國三星公司為移動電話和通用產品設計的低成本、低功耗、高性能的應用處理器方案。S3C6410X具有 64/32位內部總線，由AXI/AHB/APB總線構成，為3G應該提供優良的硬件性能。S3C6410X含有多個強大的硬件加速器，非常適合音視頻、2D圖形、顯示運算等應用。內部集成的MFC(多格式CODEC)支持MPEG4/H.263/H.264的編解碼，這個硬件編解碼器支持實時視頻會議和電視輸出(NTSC和PAL制式)。3D圖形引擎(3D圖形硬件加速器)包含兩個可編程著色器(頂點著色器vertex shader和像素著色器pixel shader)，能加速OpenGL ES 1.1和1.2渲染繪圖。

系統的區域監控中心設備采用STM32F103作為控制器。STM32F103增強型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的 RISC內核，工作頻率為 72MHz，內置高速存儲器(高達128K字節的閃存和20K字節的SRAM)，豐富的增強I/O端口和聯接到兩條APB總線的外設。所有型號的器件都包含2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：多達2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。STM32F103xx增強型系列工作于-40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。

系統采用XL02-232AP1微功率無線透明傳輸模塊，它是UART 接口半雙工無線傳輸模塊，可以工作在433MHz 公用頻段，采用高性能無線收發IC，抗干擾性好，通訊穩定可靠。

1.2 軟件平臺

系統中央監控中心采用了 Win CE6.0系統平臺。Win CE6.0是一種具有搶先式多任務功能與強大通信能力的嵌入式操作系統。根據其應用環境的特點，Win CE6.0被設計成具有高度模塊化、良好實時性、強大通信能力、支持多種CPU的嵌入式操作系統。Win CE6.0具備完整的操作系統特性集包和端對端開發環境，它包括創建一個基于Windows的定制設備的強大聯網能力、強勁的實時性和小內存體積占用以及豐富的多媒體和Web瀏覽功能。

系統的區域監控中心采用 uCOSII的實時操作系統。uCOSII具有多任務和實時性強的特點，因而適用于本系統。

2 系統工作流程

系統工作流程由兩部分組成，監測工作流程和控制工作流程(如圖3、圖4所示)。

2.1 監測工作流程

（1）普通節點先采集傳感器網絡中的傳感器數據。

（2）普通節點通過無線發送數據到所屬的區域監控中心。

（3）區域監控中心收到采集數據后，集中發送到中央監控中心。在發送過程中，首選采用433MHz無線通訊發送，當該通訊無法鏈接時，則采取GPRS發送短信方式發送。

（4）中央監控中心收到區域監控中心的數據后，根據實際情況顯示在屏幕上并報警。

圖3 監測流程圖

2.2 控制工作流程

（1）系統管理員通過中央監控中心輸入控制命令。

（2）中央監控中心接收到管理員的命令后，轉換命令格式，發送命令到控制點所在的區域監控中心。在發送過程中，首選采用433MHz無線通訊發送，當該通訊無法鏈接時，則采取GPRS發送短信方式發送。

（3）區域監控中心收到命令后，根據命令地址把命令轉發到普通節點。

（4）普通節點收到命令后，根據命令組成中的控制對象，去控制對象。

圖4 控制流程圖

3 實現原理

3.1 自適應無線路由算法

為了構建最優最小延時的通訊網絡，本設計采用自適應無線路由算法，如圖5所示，流程如下：

（1）區域監控中心發送基準時間信息到各節點。

（2）區域監控中心發送測試數據。

（3）節點反饋接收到數據的時間給區域監控中心。

（4）區域監控中心根據收到的時間信息，將時延最小的節點Ni確定為第j個路由點Rj。

（5）重復步驟2至4，直到所有節點都被確定為路由點。

（6）把所確定的路由點，按順序記錄在路由表中。

圖5a 無線路由表的建立流程圖

圖5b 無線路由表的建立流程圖

3.2 區域節點間通訊實現原理

區域節點間的無線通訊是廣播的，因此必須要有一個規則，使所有網點間的通訊不會出現混亂。本設計采用自適應無線路由算法來實現網點間通訊。自上向下發信息時，區域監控中心根據目的地址，查找路由表，找出區域監控中心發送數據到目的地址的路徑，按照路由表路徑逐個節點傳遞數據，一直傳到目的地址為止。同理，自下向上發送信息時，也是如此(圖6)。

圖6 節點間通訊原理圖

4 系統實現

通過遠程智能監控系統為實例，實現了基于嵌入式系統Win CE6.0的物聯網的組建。該遠程智能監控系統可以實現遠程空調控制，環境參數檢測，火災預警，防盜預警，園林綠化自動化等功能。圖7-圖10為該實例的實物圖。

圖7 節點實物圖

圖8 區域監控中心實物圖

圖9 Win CE監控中心界面

圖10 物聯網監控系統實物圖

5 結束語

本文梳理了物聯網的概念，結合嵌入式系統技術、無線通信技術以及傳感器網絡技術，提出了物聯網系統架構的一種設計方法。詳細分析了物聯網的體系架構、各組成模塊的功能及系統的工作原理，以嵌入式系統Win CE6.0為平臺，介紹了物聯網系統的組建方法，并以遠程智能監控系統為實例，驗證了基于嵌入式系統Win CE6.0的物聯網組建方法的可行性。物聯網研究對我國在該領域自主知識產權的確定具有十分重要的意義，本文的研究成果對探討物聯網技術及產品設計具有一定的指導意義。

[1]ITU.The Internet of Things[EB/OL].(2005-11-18).www.itu. int/dms_pub/itu-s/opb/pol/S-POL-IR. IT-2005-SU M-PDF-E.pdf.

[2]陳向群.Windows CE.NET系統分析及實驗教程[M].北京:機械工業出版社.2003.

[3]任豐原,黃海寧,林闖.無線傳感器網絡[J].軟件學報.2003.

[4]張劍,黃本雄,張帆.無線多跳傳感器網絡中能量消耗均衡分簇策略[J].華中科技大學學報:自然科學版.2008.

[5]狄振強.基于平臺的GPRS行業應用開發技術研究[J].計算機科學.2007.

[6]侯殿有,劉曉光,吉鶴.S3C6410X(ARM11)精簡指令系統微處理機(RISC Microprocessor)的特點和使用實例[J].電腦學習.2009.

[7]葉賢淼,劉敬彪,于海濱.基于 STM32F103的深海遠程電機控制系統[J].電子器件.2010.

[8]趙躍華,蔣軍,蔡貴賢.基于uCOSII 的MAC 設計與實現[J].微計算機信息.2006.

[9]張聰聰.熱網遠程監控工程無線通訊方式的選擇分析[J].工業控制計算機.2006.