智能傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計

周小利，蘇紹璟，周靖

（國防科技大學(xué) 儀器科學(xué)與技術(shù)系，長沙410073）

周小利（碩士研究生），主要從事網(wǎng)絡(luò)化測試方向的研究。

引 言

隨著嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展，具有數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸功能的智能傳感器節(jié)點(diǎn)近年來得到飛速發(fā)展。該節(jié)點(diǎn)可以內(nèi)置多種傳感器，采集聲、光、力學(xué)、化學(xué)、生物、位置等多種信息，并通過通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程處理中心。嵌入式智能傳感器節(jié)點(diǎn)是物聯(lián)網(wǎng)（ⅠOT）的重要組成部分，目前已經(jīng)在環(huán)境監(jiān)測、航空航天、通信設(shè)備、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、智能儀器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

本文設(shè)計了一種基于ARM微處理器的嵌入式智能傳感器節(jié)點(diǎn)，并設(shè)計了一種并發(fā)數(shù)據(jù)的處理方案。該節(jié)點(diǎn)集成了溫度傳感器、聲傳感器、圖像傳感器，可以滿足對目標(biāo)對象的監(jiān)測需求，并可根據(jù)具體應(yīng)用配置相應(yīng)的傳感器。該技術(shù)可以廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、智能家居、戰(zhàn)場偵察等領(lǐng)域。節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)之后進(jìn)行簡單處理，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，無線通信采用ⅠEEE 802.11b協(xié)議。

1 系統(tǒng)組成與原理

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)以ARM微處理器為數(shù)據(jù)采集、處理與轉(zhuǎn)發(fā)的核心，主要包括傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通信模塊。傳感器模塊包括溫度傳感器、聲傳感器、圖像傳感器，完成對監(jiān)測對象的數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)處理模塊主要包括嵌入式微處理器和相應(yīng)的外圍電路，完成數(shù)據(jù)的緩存、封裝等操作；通信模塊采用比較成熟的 Wi－Fi模塊，完成封裝后的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包由該模塊轉(zhuǎn)發(fā)出去。

系統(tǒng)采用三星公司的ARM微處理器S3C2410X［1］，其核心部件采用了ARM公司設(shè)計的16／32位ARM920T內(nèi)核。ARM處理器采用RSⅠC架構(gòu)，具有體積小、功耗低、成本低、性能高等特點(diǎn)，在消費(fèi)電子、工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)、通信終端等領(lǐng)域用途廣泛。為了有效減少微控制器外部擴(kuò)展接口的數(shù)量，最大限度地降低整個系統(tǒng)的設(shè)計成本，S3C2410X內(nèi)部集成了一套較為完善的Ⅰ／O接口功能模塊。許多Ⅰ／O接口部件不僅支持中斷控制操作，也支持DMA 控制操作［1－2］。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，作為一種源碼開放的系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)具有開發(fā)成本低、內(nèi)核可定制、適用于多種硬件平臺、性能優(yōu)異、網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大、穩(wěn)定性強(qiáng)、開發(fā)工具豐富等優(yōu)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

由于系統(tǒng)主要由于監(jiān)測，對實(shí)時性要求較高，而節(jié)點(diǎn)集成了多個傳感器，所以節(jié)點(diǎn)必須具有對并發(fā)數(shù)據(jù)較強(qiáng)的實(shí)時處理能力。

并發(fā)數(shù)據(jù)的采集方面，一般有3種方式：查詢、中斷和DMA。查詢方式比較簡單，但是CPU的負(fù)擔(dān)較重，實(shí)時性不好，效率不高；中斷方式下CPU利用率要高，實(shí)時性較好，但CPU負(fù)擔(dān)較重，并且當(dāng)多個中斷同時發(fā)生時也會發(fā)生中斷不能及時響應(yīng)的情況；DMA采用純硬件技術(shù)控制源設(shè)備和目的設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，CPU除了在數(shù)據(jù)傳輸開始和結(jié)束時進(jìn)行簡單處理外，在傳輸過程中可以進(jìn)行其他工作，因此數(shù)據(jù)傳輸速率高，多個DMA通道即可實(shí)現(xiàn)并行采集。

由于Linux是一個多用戶、多任務(wù)的操作系統(tǒng)，并且基于單一的體系結(jié)構(gòu)，具有良好的速度和性能，同時又不失擴(kuò)展性，在并發(fā)數(shù)據(jù)處理方面具有一定的優(yōu)勢，所以本系統(tǒng)采用Linux下的多進(jìn)程／多線程方法來實(shí)現(xiàn)并發(fā)數(shù)據(jù)的處理、轉(zhuǎn)發(fā)。同時，由于各個傳感器的數(shù)據(jù)類型、速率不同，所以采用消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行進(jìn)程間通信，而在本地節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心則采用套接字（Socket）進(jìn)行通信。

綜上所述，系統(tǒng)采用DMA＋多進(jìn)程／多線程方法來提高并發(fā)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性，該方法軟硬結(jié)合，充分利用了系統(tǒng)軟硬件各方面的資源，最大限度地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、處理和轉(zhuǎn)發(fā)的實(shí)時性。

3 并發(fā)數(shù)據(jù)處理技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 并發(fā)數(shù)據(jù)采集技術(shù)——DMA

大多數(shù)ARM微控制器都集成了DMA控制器（以下簡稱DMAC），作為一種獨(dú)立于CPU的后臺批量數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。DMA以其快速、高效的特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

S3C2410X微處理器內(nèi)置4通道DMAC，位于系統(tǒng)總線和外圍總線之間，每個通道分別對應(yīng)于5個硬件請求源。DMA傳送包括3種方式：Ⅰ／O接口到存儲器、存儲器到Ⅰ／O接口以及存儲器到存儲器。本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)從Ⅰ／O接口傳送到存儲器中。

典型DMAC工作原理如圖2所示，其數(shù)據(jù)傳送工作過程如下：

①外設(shè)向DMAC發(fā)出DMA傳送請求。

②DMAC通過連接到CPU的HOLD信號向CPU提出DMA請求。

③CPU在完成當(dāng)前總線操作后會立即對DMA請求作出響應(yīng)——CPU將控制總線、數(shù)據(jù)總線和地址總線浮空，放棄對這些總線的控制權(quán)；CPU將有效的HLDA信號加到DMAC上，通知DMAC CPU己經(jīng)放棄了總線的控制權(quán)。

④CPU放棄對總線控制權(quán)后，DMAC接管系統(tǒng)總線的控制權(quán)，并向外設(shè)送出DMA應(yīng)答信號。

⑤DMAC送出地址信號和控制信號，實(shí)現(xiàn)外設(shè)與內(nèi)存或內(nèi)存之間大量數(shù)據(jù)的快速傳送。

⑥D(zhuǎn)MAC將規(guī)定的數(shù)據(jù)字節(jié)傳送完之后，通過向CPU發(fā)HOLD信號，撤消對CPU的DMA請求。CPU收到此信號，使HLDA無效，同時重新開始控制總線，實(shí)現(xiàn)正常指令操作。

圖2 典型DMAC工作原理

DMA操作可以通過軟件、內(nèi)部外設(shè)的請求或者外部請求引腳（nXDREQ0，1）來啟動。DMAC的初始化也比較簡單，主要是相關(guān)寄存器的設(shè)置，包括源地址寄存器、目的地址寄存器和各自的控制器，以及配置DMA模式的控制寄存器等。下面以系統(tǒng)用到的UART0通道為例說明DMAC的初始化［2］：

① 初始化源地址寄存器（DⅠSRC）端口。寫入源數(shù)據(jù)存儲區(qū)首地址。

② 初始化源控制寄存器（DⅠSRCC）端口。指明源數(shù)據(jù)存儲區(qū)處于地址總線，地址自增。

③ 初始化目的寄存器（DⅠDST）端口。寫入UART0的FⅠFO隊(duì)列地址，由FⅠFO隊(duì)列接收來自源數(shù)據(jù)存儲區(qū)的數(shù)據(jù)。

④ 初始化目的控制寄存器（DⅠDSTC）端口。指明UART0處于外設(shè)總線，地址不變。

⑤ 初始化控制寄存器（DCON）端口。因?yàn)槭莾?nèi)部DMA傳送，可以任意選擇請求與響應(yīng)協(xié)議——選擇與系統(tǒng)總線同步、開放DMA通道中斷請求、單元（Unit）傳送模式、全服務(wù)（Whole Service）模式、UART0通道、硬件請求模式、非自動裝入、8位數(shù)據(jù)字長、數(shù)據(jù)塊長度為16。

⑥ 初始化觸發(fā)掩碼寄存器（DMASKTRⅠG）端口。開放DMA通道0，屏蔽軟件DMA請求。

⑦UART0的初始化。設(shè)置串行數(shù)據(jù)幀格式，使能FⅠFO發(fā)送模式，設(shè)置DMA請求模式，設(shè)置FⅠFO觸發(fā)電平，發(fā)送第一組FⅠFO數(shù)據(jù)。

接收數(shù)據(jù)時，初始化UART0的接收緩沖區(qū)為16字節(jié)。當(dāng)接收緩沖區(qū)滿時，會產(chǎn)生DMA請求，然后在DMAC的控制下，將UART0的FⅠFO中16字節(jié)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到指定的緩沖區(qū)SRAM中。當(dāng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移完畢（DMA計數(shù)到0）后，DMAC一方面自動重載和自動啟動，設(shè)置好目標(biāo)（緩沖區(qū)）首地址、源地址（UART接收寄存器）以及DMA計數(shù)器，準(zhǔn)備好下次DMA請求，同時產(chǎn)生DMA中斷。DMA中斷服務(wù)程序?qū)θ謽?biāo)志Rev＿flag置位，通知主程序有新的命令需要處理。然后主程序可以直接讀取SRAM中的數(shù)據(jù)，并對Rev＿flag清零，這樣就不需要花費(fèi)時間去讀取UART的接收緩沖區(qū)。

本系統(tǒng)中，由于DMA請求源包括溫度傳感器、聲傳感器等外設(shè)，可以通過以下方法解決多請求源的問題：充分利用已有的4個通道，選擇帶有合適接口的傳感器；利用總線或者多路轉(zhuǎn)換邏輯對通道進(jìn)行擴(kuò)展；多個DMA控制器級聯(lián)。在這里不作過多闡述。

3.2 并發(fā)數(shù)據(jù)處理技術(shù)——多進(jìn)程／多線程模型

當(dāng)各傳感器對應(yīng)的存儲空間到達(dá)設(shè)定的閾值時，會置位Rev＿flag，通知主程序有新的命令需要處理。這里存在多個中斷源的并發(fā)處理問題，采用軟件中斷來解決。這里的“并發(fā)”并非真正同時處理多個請求，而是利用多進(jìn)程、多線程等技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶看上去的“并發(fā)”。

Linux提供進(jìn)程和線程兩種形式的“并發(fā)”。多線程作為一種多任務(wù)、并發(fā)的模式，消耗的資源較少，而且同一個進(jìn)程所包含的多個線程間不需要通信，具有效率高、共享存儲空間等優(yōu)點(diǎn)，所以系統(tǒng)在讀取存儲器的數(shù)據(jù)時使用多線程來實(shí)現(xiàn)“并發(fā)”。

在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)通信時，為了提高發(fā)送的效率和實(shí)時性，借鑒了操作系統(tǒng)設(shè)計中“生產(chǎn)者—消費(fèi)者”模型的思想，流動的商品是數(shù)據(jù)。該模型包括兩個進(jìn)程：生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程。生產(chǎn)者進(jìn)程從存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并存放在公共緩沖區(qū)中；消費(fèi)者進(jìn)程負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)的通信，將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)中讀出，然后封裝成網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

生產(chǎn)者進(jìn)程和消費(fèi)者進(jìn)程使用消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行進(jìn)程間的通信，將消息隊(duì)列作為公共緩沖區(qū)。消息隊(duì)列能傳送更多的數(shù)據(jù)信息，組織方式也更加靈活，并可避免線程共享進(jìn)程資源和地址空間所導(dǎo)致的復(fù)雜的互斥和同步問題。消息隊(duì)列主要用于進(jìn)程間傳遞大量不同長度和格式的數(shù)據(jù)。

消息隊(duì)列機(jī)制如圖3所示［3］。消息隊(duì)列中存放不同類型的消息包，同類型消息包由消息類型頭部結(jié)構(gòu)來組織，構(gòu)成虛擬的鏈表式消息子隊(duì)列。線程通過向消息隊(duì)列注冊模塊消息類型，創(chuàng)建專用子隊(duì)列。向消息隊(duì)列發(fā)送消息包數(shù)據(jù)時，必須指明消息包的類型，消息包將插入對應(yīng)的子隊(duì)列末尾。接收方模塊則從相應(yīng)的子隊(duì)列中獲取期望消息包。

圖3 消息隊(duì)列機(jī)制

進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的多進(jìn)程／多線程模型如圖4所示。

圖4 基于多進(jìn)程／多線程的數(shù)據(jù)處理模型

圖4中主線程一直在運(yùn)行，負(fù)責(zé)偵聽和接收來自中斷源的連接請求。當(dāng)Rev＿flag置位時，就會向主線程發(fā)出連接請求，主線程將創(chuàng)建對應(yīng)的從線程負(fù)責(zé)處理連接，接收存儲器中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到消息隊(duì)列中，直到數(shù)據(jù)接收完畢，從線程終止。在系統(tǒng)中，使用消息類型來區(qū)分不同的線程，也就是不同的數(shù)據(jù)源。

要使用消息隊(duì)列，首先要創(chuàng)建一個消息隊(duì)列，創(chuàng)建的消息隊(duì)列位于內(nèi)核中。消息隊(duì)列的編程接口（APⅠ）共有4個［4］，如表1所列。

表1 消息隊(duì)列API

下面列出了對消息隊(duì)列進(jìn)行操作的部分程序代碼［5］：

4 無線通信模塊

Wi－Fi（Wireless Fidelity）是ⅠEEE定義的無線通信標(biāo)準(zhǔn)ⅠEEE 802.11，它是1種無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。相比其他無線通信方式，Wi－Fi具有傳輸速率高、部署容易、應(yīng)用規(guī)模大、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢，同時還具有易擴(kuò)展、易管理、易維護(hù)、抗干擾等特點(diǎn)。

在Linux系統(tǒng)中，可以調(diào)用Socket套接字實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，用戶只需要完成模塊的移植和配置，而無需了解底層網(wǎng)絡(luò)細(xì)節(jié)。在工作時，嵌入式節(jié)點(diǎn)充當(dāng)客戶端，運(yùn)行發(fā)送進(jìn)程，在需要傳輸數(shù)據(jù)時發(fā)送連接請求。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心節(jié)點(diǎn)為服務(wù)器端，運(yùn)行接收進(jìn)程來響應(yīng)客戶端的連接，接收數(shù)據(jù)。

目前，Ⅰnternet給分布式應(yīng)用提供兩類服務(wù)：面向連接的服務(wù)和無連接的服務(wù)，分別由TCP和UDP提供。由于系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性要求較高，所以在這里使用UDP，因?yàn)閁DP協(xié)議不需要建立一個明確的連接，并且不需要每次對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行確認(rèn)，所以比TCP更高效，能更好地解決實(shí)時性問題。

在使用Wi－Fi模塊前，首先編譯好模塊的驅(qū)動程序，并將其移植到目標(biāo)板上。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將消息隊(duì)列里的數(shù)據(jù)交給TCP／ⅠP協(xié)議棧，TCP／ⅠP協(xié)議棧根據(jù)目的地址和端口將該數(shù)據(jù)封裝成完整的UDP數(shù)據(jù)包，接著在ⅠP層被封裝為ⅠP包，然后提交給Wi－Fi驅(qū)動模塊，并封裝成ⅠEEE 802.11b格式的數(shù)據(jù)包，由 Wi－Fi模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。

結(jié) 語

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣泛，本文設(shè)計了一種基于ARM微處理器S3C2410X和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的智能傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠同時采集、處理多種環(huán)境參數(shù)，可以廣泛地應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。針對多種數(shù)據(jù)并發(fā)處理的難題，本文提出了一種DMA＋多進(jìn)程／多線程的方法，該方法軟硬結(jié)合，相比于其他技術(shù)，可以有效提高監(jiān)測的速度和實(shí)時性。目前，該技術(shù)已在某監(jiān)控系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

［1］Samsung Electronics.S3C2410X［EB／OL］.（2004－03－26）［2011－07］.http：／／www.samsung.com.

［2］大獎賽組委會.ARM應(yīng)用技術(shù)論文大獎賽論文集［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006：67－72.

［3］黃杰生，張宇，許潔斌.結(jié)合消息隊(duì)列機(jī)制的多線程TCP通信開發(fā)平臺［J］.計算機(jī)應(yīng)用研究，2004，21（5）：247－249.

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