無(wú)線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)計(jì)研究

周怡

【摘 要】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的重要組成部分，在生活、工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大。本文結(jié)合筆者多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，重點(diǎn)探討了無(wú)線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)計(jì)的研究工作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)從信息采集到告警的整個(gè)過(guò)程，為類似的設(shè)計(jì)工作提供借鑒意義。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式；監(jiān)控中心；模塊設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加快，人們的物質(zhì)生活水平得到不斷的提高，許多現(xiàn)代人們對(duì)于醫(yī)療等服務(wù)性行業(yè)的實(shí)時(shí)性、靈活性、智能化及人性化的要求越來(lái)越高，這無(wú)疑加快了醫(yī)療等服務(wù)行業(yè)內(nèi)部系統(tǒng)的升級(jí)及改造。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域非常活動(dòng)的一個(gè)研究分支，在民用和軍事方面有著廣泛的應(yīng)用，目前也受到業(yè)界人士的高度關(guān)注。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、低成本、分布式和自組織等特點(diǎn)，其綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線通信及分布式信息處理技術(shù)，可以不受時(shí)間、地點(diǎn)和環(huán)境的限制，以最快的速度獲取大量詳盡而可靠的信息，有效降低了工作人員的工作量、提高了工作效率。本文通過(guò)探討無(wú)線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)計(jì)的研究工作，提出一些個(gè)人見解，希望可以進(jìn)一步拓寬無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

1.系統(tǒng)分析

基于無(wú)線傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)是以UP-CUPS2410硬件平臺(tái)為基礎(chǔ)，以Linux操作系統(tǒng)為核心，通過(guò)ARM9平臺(tái)同無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合完成個(gè)人生理特征數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理，最終達(dá)到遠(yuǎn)距離無(wú)線智能監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)，使醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性、人性化、智能化。系統(tǒng)是基于Arm9開發(fā)平臺(tái)的一項(xiàng)綜合技術(shù)，結(jié)合Liunx嵌入式操作系統(tǒng)，利用程序?qū)λ邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析。用戶端采集好信息后，可以利用無(wú)線傳感器傳到中央監(jiān)控系統(tǒng)；中央監(jiān)控系統(tǒng)能正確接收信息，并做處理（比較，保存）。

2.軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本監(jiān)控系統(tǒng)的核心功能都采用應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，該系統(tǒng)所涉及的應(yīng)用軟件模塊如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)軟件的邏輯框圖

其中，各種驅(qū)動(dòng)程序包括USB串口驅(qū)動(dòng)、觸摸屏驅(qū)動(dòng)、鼠標(biāo)驅(qū)動(dòng)、文件驅(qū)動(dòng)等負(fù)責(zé)和具體的硬件交互，為上層提供硬件抽象層；Linux內(nèi)核負(fù)責(zé)任務(wù)調(diào)度、中斷處理等操作系統(tǒng)核心功能，為應(yīng)用程序提供API調(diào)用接口。這兩層主要都在Linux操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其中USB串口驅(qū)動(dòng)并沒(méi)有在UP-CUPS2410標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布版中提供，在實(shí)現(xiàn)的時(shí)候重新編譯了USB串口驅(qū)動(dòng)并集成到Linux內(nèi)核中。數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、告警模塊以及用戶GUI都是應(yīng)用層程序，是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的核心，其中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊將采集來(lái)的數(shù)據(jù)存入日志文檔中，后期可將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，下面將重點(diǎn)介紹USB串口驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、告警模塊、用戶界面模塊的軟件設(shè)計(jì)。

2.1 USB串口驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Sink節(jié)點(diǎn)只提供USB接口，而UP-CUPS2410開發(fā)箱Linux標(biāo)準(zhǔn)版中并沒(méi)有提供此驅(qū)動(dòng)，因此需要對(duì)內(nèi)核重新配置和編譯。

2.1.1 內(nèi)核配置

進(jìn)入Linux內(nèi)核所在目錄，然后執(zhí)行make menuconfig，進(jìn)入內(nèi)核編譯菜單，在內(nèi)核配置菜單中選擇FTDIUSB接口，驅(qū)動(dòng)采用集成進(jìn)內(nèi)核的方法，這樣就可以在插入U(xiǎn)SB接口的時(shí)候可以自動(dòng)加載其驅(qū)動(dòng)。

2.1.2 內(nèi)核編譯

在內(nèi)核配置修改完成后，就可以進(jìn)行內(nèi)核的編譯，分別執(zhí)行make clean；make dep；make zImage三個(gè)命令，最終生成zImage內(nèi)核文件。

將重新生成的內(nèi)核文件燒寫進(jìn)開發(fā)板，參考步驟如下：

（1）并用串口線連接pc和2410-CL，打開超級(jí)終端，先按住pc機(jī)“Back Space”鍵，然后啟動(dòng)2410-CL，進(jìn)入vivi>狀態(tài)下，設(shè)置開發(fā)板IP，其命令為：ifconfigip192.168.1.115。

（2）設(shè)置tftp服務(wù)器的IP（啟動(dòng)tftp服務(wù)器的主機(jī)），其命令為：ifconfig server192.168.1.85。

（3）保存IP設(shè)置：其命令為：ifconfig save。

（4）Windows平臺(tái)下tftp服務(wù)的配置：雙擊“D：＼bootloader”目錄下的tftpd32.exe文件，對(duì)Windows下的tftp服務(wù)進(jìn)行配置。

（5）在vivi狀態(tài)下，輸入燒寫內(nèi)核的命令為：tftp flash kernel zImage。

（6）燒寫根文件系統(tǒng)，在vivi狀態(tài)下，輸入燒寫根文件的命令為：ftp flash root root.cramfs。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

信息采集模塊采集的溫度、脈搏等信號(hào)，利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)最終到達(dá)Sink節(jié)點(diǎn)，監(jiān)護(hù)中心終端模塊同Sink節(jié)點(diǎn)以USB接口連接，但在系統(tǒng)內(nèi)部USB接口會(huì)映射為串口，因此數(shù)據(jù)采集模塊就可以直接訪問(wèn)對(duì)應(yīng)的串口而取得所采集的數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)使用多線程來(lái)完成串口的收發(fā)處理，傳感器每隔三秒會(huì)通過(guò)串口發(fā)送一次數(shù)據(jù)。所涉及到的線程函數(shù)主要有：

線程創(chuàng)建函數(shù)：int pthread_create（pthread_t*thread_id，__const pthread_attr_t*__attr，void*（*__start_routine）（void*），void*__restrict__arg）

線程退出函數(shù)：voidpthread_exit（void*__retval）

等待指定的線程結(jié)束：int pthread_join（pthread_t__th，void**__thread_return）

2.3 告警模塊

當(dāng)監(jiān)測(cè)到有超標(biāo)數(shù)據(jù)時(shí)，即可以在監(jiān)護(hù)終端的界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警顯示，也可及時(shí)地觸發(fā)GPRS功能的短信業(yè)務(wù)，將出現(xiàn)的報(bào)警信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到提前指定的手機(jī)上。下面分別介紹界面告警和短信告警的實(shí)現(xiàn)。

2.3.1告警界面設(shè)計(jì)

告警模塊從數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)得到任意節(jié)點(diǎn)采集的體征數(shù)據(jù)，當(dāng)某些數(shù)據(jù)數(shù)值超過(guò)設(shè)定門限時(shí)，告警模塊在用戶界面上進(jìn)行告警提示。論文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了體溫的告警，即當(dāng)某節(jié)點(diǎn)的體溫超過(guò)37.5度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)記錄該時(shí)刻溫度數(shù)值，并在界面上報(bào)警。這一模塊是采用QT界面構(gòu)架，用C++及QT結(jié)合編程，warning（）函數(shù)實(shí)現(xiàn)，在MyForm1.h中定義有關(guān)告警的參數(shù)如下：

typedefstruct{

inttowarn；

intwarncounter；

charwarnmsg[128]；

}str_warn；

采用QT編程，告警界面用的是QlistBox類，用到的頭文件有。

2.3.2 短信告警

使用GPRS的短信業(yè)務(wù)，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)超過(guò)所設(shè)門限值時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)GPRS的功能，將出現(xiàn)的報(bào)警信息實(shí)時(shí)地發(fā)送到提前指定的手機(jī)上，讓監(jiān)護(hù)人第一時(shí)間得到病人信息?？梢愿奖愕刈龅奖O(jiān)護(hù)。此處調(diào)用gprs_read（）函數(shù)調(diào)用GPRS模塊，用gprs_init（）初始化GPRS各個(gè)參數(shù)，調(diào)用gprs_msg（）函數(shù)發(fā)送短信。

2.4 用戶界面模塊

用戶界面是用戶同系統(tǒng)的接口，是用戶使用系統(tǒng)的重要手段。本系統(tǒng)采用Qt2.3.2版本實(shí)現(xiàn)用戶界面。其中需要用到QT本身的類，本次用的類有Qlist-ViewItem，QlistBox，Qtime，Qdate，QmessageBox，Qinput-Dialog，QgridLayout，QlineEdit，QpushButton，class QV-BoxLayout，QHBoxLayout，Qframe，QLCDNumber，Qlabel，QlistBoxIte，QlistView，QlistViewItem，QPushButton，Qtab-Widget，Qwidget。

用到相關(guān)QT的頭文件有qmessagebox.h，qlistbox.h，qstring.h，qapplication.h，qlistview.h，qlcdnumber.h，qdatetime.h，qinputdialog.h，qpushbutton.h，qlabel.h，qvariant.h，qdialog.h，qvariant.h，qwizard.h，qlineedit.h。

設(shè)計(jì)的槽位有slot_start（），slot_close（），slot_stop（），slot_set（），slot_tele（），showTime（），stopDate（），loginclick（），exitClick（）。

具體的界面主要包括登錄界面、數(shù)據(jù)查看界面、告警界面等。用戶如果想使用系統(tǒng)，則必須是合法用戶，因此系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)必須先輸入賬號(hào)和密碼，系統(tǒng)驗(yàn)證用戶的合法性，如果用戶賬號(hào)和密碼正確則允許登錄，否則將不能使用本系統(tǒng)。

3. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)探討無(wú)線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嵌入式設(shè)計(jì)的研究工作可知，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)從系統(tǒng)上來(lái)說(shuō)是比較完整的，實(shí)現(xiàn)了信息收集到告警的全過(guò)程，并凸顯出系統(tǒng)安全性高、成本低、智能化程度高等特點(diǎn)。相信隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，無(wú)線傳感監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)可以得到不斷的完善，這對(duì)拓寬系統(tǒng)的應(yīng)用范圍具有重要影響。

參考文獻(xiàn)：

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