一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

方志雄

（黃岡師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

方志雄

（黃岡師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院，湖北 黃岡 438000）

為了實現(xiàn)工廠、交通等遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，系統(tǒng)設(shè)計采用dm900芯片和cc24300為主實現(xiàn)通信，核心部分主要包括arm中央控制平臺及嵌入式linux操作系統(tǒng)移植，創(chuàng)新之處在于融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并巧妙地移植移植u boot和嵌入式linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置.按照系統(tǒng)的整個工作軟件流程圖進(jìn)行了試驗和聯(lián)調(diào)，符合原設(shè)計目標(biāo)，系統(tǒng)具有擴展性，通用性和能與其他監(jiān)控設(shè)備無縫連接等性能，以滿足不同工作環(huán)境的需要，可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒和參考.

arm；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式linux操作系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)、生活中不可缺少的重要組成部分.目前，監(jiān)控系列產(chǎn)品種類繁多，大部分廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、學(xué)校等安防領(lǐng)域.伴隨著對物聯(lián)網(wǎng)（internet of things）應(yīng)用研究的不斷深入，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛.本文創(chuàng)新點在于是基于物聯(lián)網(wǎng)、以arm內(nèi)核芯片的嵌入式系統(tǒng)為核心技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,其中巧妙地移植移植u boot和嵌入式linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置.雖然主要是關(guān)于某市幾個重要路口的交通遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心設(shè)計內(nèi)容，但亦可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒.

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能

本設(shè)計系統(tǒng)主要由控制模塊、arm中央控制平臺、zigbee無線傳輸、以太網(wǎng)通信和多個擴展接口等部分組成，實際中可根據(jù)需求和使用環(huán)境靈活地選用適合的接口進(jìn)行操作，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要是利用rs 232接口實現(xiàn)arm嵌入式系統(tǒng)與zigbee無線系統(tǒng)的連接進(jìn)而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能.通過arm中央控制平臺和zigbee芯片的rs 232線路驅(qū)動器/接收器max3221芯片來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的通信.由于采用了常見的串口作為通信媒介，簡化了硬件設(shè)計.作為接收命令端的zigbee芯片由于采用的是8051為內(nèi)核的cpu，時刻處于等待命令狀態(tài).arm中央控制平臺植入了linux操作系統(tǒng)，當(dāng)運行了串口實現(xiàn)程序后，就可向zigbee芯片發(fā)出采集信息的命令.因此系統(tǒng)主要的軟件實現(xiàn)就是linux系統(tǒng)下的串口實現(xiàn)程序的設(shè)計.

圖1系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)其中檢測控制模塊可以是溫度控制模塊、壓力控制模塊、流量控制模塊等等實際監(jiān)控需檢測的參量模塊.各檢測控制模塊通過zigbee模塊與arm中央控制平臺實現(xiàn)無線連接，組成了一個星型無線智能控制網(wǎng)絡(luò).同時arm中央控制平臺通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與外部遠(yuǎn)程連接.從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控.

1.1 arm中央控制平臺

在本設(shè)計中，arm中央控制平臺是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集判斷處理.為了提高系統(tǒng)工作效率，設(shè)計中采用了atmel公司生產(chǎn)的arm9芯片at91rm9200.由于at91rm9200處理器具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，因此根據(jù)應(yīng)用的需要很容易就可實現(xiàn)功能模塊的擴展.該芯片融合了arm920t arm thumb處理器特性：工作于180 mhz時性能高達(dá)200mips，存儲器管理單元，16 kb的數(shù)據(jù)緩存，16kb的指令緩存，寫緩沖器，含有調(diào)試信道的內(nèi)部仿真器，中等規(guī)模的嵌入式宏單元結(jié)構(gòu)(僅針對256bga封裝)；低功耗：vddcore電流為30.4ma，待機模式電流為3.1 ma；附加的嵌入式存儲器：sram為16kb；rom為128kb；外部總線接口(ebi)：支持sdram，靜態(tài)存儲器，burst flash，無縫連接的compactflash smartmedia及nand flash；提高性能而使用的系統(tǒng)外設(shè)：2個有雙pll的片上振蕩器，低速的時鐘操作模式與軟件功耗優(yōu)化能力，4個可編程的外部時鐘信號，調(diào)試單元、兩線uart并支持調(diào)試信道，有8個優(yōu)先級的高級中斷控制器，獨立的可屏蔽中斷源，偽中斷保護，7個外部中斷源及1個快速中斷源，有122個可編程i／o口線的4個32位pio控制器，各線均有輸入變化中斷及開漏能，20通道的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(dma)；10／l00 base t型以太網(wǎng)卡接口：獨立的媒體接口(mii)或簡化的獨立媒體接口(rmii)，對于接收與發(fā)送有集成的28 b fif0及專用的dma通道；usb 2.0全速(12 mb／s)主機雙端口：雙片上收發(fā)器(208引腳pqfp封裝中僅為一個)：集成的fif0及專用的dma通道；usb 2.0全速(12 mb／s)器件端口：片上收發(fā)器，2 kb可配置的集成fif0；多媒體卡接口(mci)：自動協(xié)議控制及快速自動數(shù)據(jù)傳輸，與mmc及sd存儲器卡兼容，支持2個sd存儲器；主機／從機串行外設(shè)接口(spi)：8～16位可編程數(shù)據(jù)長度，可連接4個外設(shè)；兩線接口(twi)：主機模式支持，所有兩線atmel eeprom支持；所有數(shù)字引腳的ieee 1149.1 jtag邊界掃描.

正是由于at91rm9200芯片具有以上特性，所以它完全滿足了本設(shè)計系統(tǒng)必須具備的3個條件：高速處理能力、高速數(shù)據(jù)通道、網(wǎng)絡(luò)接口.

1.2 zigbee芯片

本設(shè)計中zigbee芯片選用chipcon公司的無線收發(fā)芯片cc2430.cc2430是一個真正片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成一個高性能2.4ghz直接序列擴頻(dsss)射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級加強型8051內(nèi)核，無需再選另外的處理器，使設(shè)計簡化.

1.3 以太網(wǎng)控制器

本設(shè)計中以太網(wǎng)控制器采用是davicom公司的dm9000，這是具有10/100m自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片.其特點是：支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線寬度；寄存器操作簡單有效，有成熟的linux驅(qū)動程序支持；3.3v接口電平；成本相當(dāng)?shù)土贿€可以使用mii接口和phy芯片連接.dm9000還提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，以連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或其他收發(fā)器；其物理協(xié)議層接口完全支持使用10mb/s下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100mb/s下5類非屏蔽雙絞線.這是完全符合ieee802.3u規(guī)格.它的自動協(xié)調(diào)功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬，還支持ieee802.3x全雙工流量控制.

2 軟件設(shè)計

2.1 移植u boot

通用bootloader(universal boot loader，u boot)遵循gpl條款的開放源代碼項目.

U boot支持大多cpu.U boot可以燒寫ext2，jffs2文件系統(tǒng)映象，支持串口下載、網(wǎng)絡(luò)下載，并提供了大量的命令.系統(tǒng)引導(dǎo)支持nfs掛載、ramdisk（壓縮或非壓縮）形式的根文件系統(tǒng)；支持nfs掛載，從flash中引導(dǎo)壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核.

2.1.1 u boot的下載

可以從http://sourceforge.net/projects/u boot獲得u boot的最新版本，如果使用過程中碰到問題或是發(fā)現(xiàn)bug，可以通過郵件列表網(wǎng)站http://lists. sourceforge.net/lists/listinfo/u bootusers/獲得幫助.

2.1.2 修改 u boot配置文件

進(jìn)入存放u boot 1.1.2.tar.bz的目錄，運行tar jxvf u boot 1.1.2.tar.bz進(jìn)行解壓，進(jìn)入解壓后生成的文件夾u boot 1.1.2，它是按atmel推薦的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的配置sdram：32mbytes ncs1；flash：8 mb ncs0來配置的，若系統(tǒng)的配置和推薦的不同，則需要修改.需要修改文件主要是下面幾個：./board/ at91rm9200dk/config.mk，include/configs/+at91rm 9200dk.h，./board/at91rm9200dk/flash.c，flash.h在修改好u boot配置后，編譯運行即可.

2.2 嵌入式linux操作系統(tǒng)移植

at91rm9200芯片支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，但考慮到at91rm9200支持從內(nèi)部的bootrom啟動或從外部的dataflash、二線eeprom或8位并行存儲器引導(dǎo)啟動，因此，本設(shè)計中，主要將linux在at91rm9200上進(jìn)行移植.

2.2.1 嵌入式linux操作系統(tǒng)

嵌入式linux操作系統(tǒng)由一個kernel(內(nèi)核)及一些根據(jù)需要進(jìn)行定制的系統(tǒng)模塊組成.其kernel很小，一般只有幾百kb左右，即使加上其他必要的模塊和應(yīng)用程序，所需的存儲空間也很小.它具有多任務(wù)、多進(jìn)程的系統(tǒng)特征，有些還有具有實時性.一個小型的嵌入式linux系統(tǒng)只需要引導(dǎo)程序、linux微內(nèi)核 (由內(nèi)存管理、進(jìn)程管理和事務(wù)處理構(gòu)成)、初始化進(jìn)程3個基本元素組成.當(dāng)然，實際應(yīng)用中還需要讓它有更多的功能且繼續(xù)保持小型化，如加上文件系統(tǒng)(可以在rom，ram，flash或disk onchip中)、tcp/ip網(wǎng)絡(luò)支持、存儲更多數(shù)據(jù)用的磁盤、提供設(shè)計精簡的應(yīng)用程序等.

2.2.2 內(nèi)核下載及編譯工具獲取

在選擇system type>atmel at91 system on chip后，檢查配置是否成功.如果確認(rèn)上述配置成功，就可在menuconfig里面修改config_cmdline中的啟動參數(shù)，把ram盤大小從缺省值3 145 728 b(3mb)修改成4 194 304 b（4 mb），注意這些參數(shù)是在啟動加載時用的，尤其是整合成的內(nèi)核時啟動要用到，不可以隨便修改，本統(tǒng)最后的參數(shù)為：

config_cmdline=“mem=64m console=ttys0，115200 initrd=0x20410000，4194304 root=/dev/ram0 rw”

其他的按照硬件做一些耗配覆選擇即可. make clean make zlmage make modules

經(jīng)過編譯，可在linux 2.6.20/arch/arm/boot下面獲得zlmage.

2.3 busybox的交叉編譯

busybox最初是由bruce perens在1996年為debian gnu/linux安裝盤編寫的.其目標(biāo)是在一張軟盤上創(chuàng)建一個可引導(dǎo)的gnu/linux系統(tǒng)，這可以用作安裝盤和急救盤，是很多標(biāo)準(zhǔn)linux?工具的一個單個可執(zhí)行實現(xiàn).busybox包含了一些簡單的工具，例如cat和echo等.由于很多標(biāo)準(zhǔn)linux工具都可以共享很多共同的元素，當(dāng)這些工具被合并到一個可執(zhí)行程序中時，它們就可以共享這些相同的元素，這樣可以產(chǎn)生更小的可執(zhí)行程序，這就為可引導(dǎo)的磁盤和使用linux的嵌入式設(shè)備提供了更多功能.

2.3.1 下載busybox

busybox是按照gnu general public license(gpl)許可證發(fā)行的.目前可使用的、穩(wěn)定的版本busybox 1.3.0.bz2可以從網(wǎng)站http://www.busybox.net/下載.

2.3.2 配置編譯busybox

#tar jxvfbusybox 1.3.0.tar.bz2

#cdbusybox 1.3.0

#make distclean

#make menuconfig

busybox setting的主要修改的選項為：

buildoptions

>buildbusyboxas a static binary(no shared lib)

installationoptuions >don′t use/usr

如果這里不選擇成靜態(tài)的二進(jìn)制文件，那么在以后面做ramdisk時就需要把arm 1inux下的一些動態(tài)庫復(fù)制到ramdisk的/lib里面去；不選擇don’t use/usr，make install時busybox就不會安裝到本目錄的_install下，會覆蓋原來的usr/bin中內(nèi)容.由于linux是開放源代碼（open source）的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多l(xiāng)inux愛好者又是linux開發(fā)者的強大技術(shù)支持，所以其他需要程序的讀者按照自己的需要選擇下載后編譯整合linux內(nèi)核和initrd成bootplmage，再下載bootpimage啟動linux就可以了.

2.4 串口設(shè)計

因為zigbee cc2430為本設(shè)計的下位機，因此軟件設(shè)計主要集中在對arm中央控制平臺的實現(xiàn)和linux操作系統(tǒng)串口程序的實現(xiàn)上.因為目前l(fā)inux 2.6x系列內(nèi)核對串口有很好的支持性，所以在linux對串口驅(qū)動上的實現(xiàn)就很簡單，也可極大的簡化后期的維護，有利于推廣.linux串口實現(xiàn)程序主要是對串口包括波特率和停止位設(shè)置.串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值.在linux下串口文件位于/dev下，一般在內(nèi)核中串口1為/dev/ttys0，串口二為/dev/ttys1，打開串口是通過標(biāo)準(zhǔn)的文件打開函數(shù)來實現(xiàn)的.當(dāng)設(shè)置好后即可發(fā)送初始化的命令和等待接收命令.串口流程如圖2所示.

圖2 串口流程圖

串口流程圖在應(yīng)用層面的設(shè)計中還包括web的設(shè)計實現(xiàn)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，這里就不一一贅述.

3 結(jié)語

本文論述的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與以往的監(jiān)控系統(tǒng)不同，不僅采用了高性能的處理器芯片大大提高了系統(tǒng)的性能、還融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).使這種遠(yuǎn)程監(jiān)控能夠領(lǐng)域更加廣泛.并且在設(shè)計上充分考慮到了系統(tǒng)的可擴展性和兼容性問題，實現(xiàn)了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的無縫連接，以滿足不同工作環(huán)境的需要.

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TP277

A

1673-260X（2013）11-0022-03

湖北省教育廳科研項目（B2013143）