基于井蓋安全系統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

李志+羅青青

摘 要：目前我國大城市的井蓋數(shù)目隨著城市化的發(fā)展逐漸增加，井蓋被盜導(dǎo)致多起意外事故的發(fā)生。針對上述情況，設(shè)計(jì)了一種以S3C6410為核心的無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以S3C6410處理器和ZigBee CC2530芯片為核心，結(jié)合GPRS模塊進(jìn)行無線通信，并采用SQlite3的嵌入式數(shù)據(jù)庫進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)存儲。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；S3C6410；GPRS

中圖分類號：TP393；G620.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）02-0051-02

0 引 言

道路上的井蓋遍及城市各地，由于人為偷盜或者長期磨損導(dǎo)致井蓋丟失、塌陷，對過往車輛和行人造成危險(xiǎn)。針對井蓋監(jiān)控手段欠缺，目前以人防、物防為主，急需設(shè)計(jì)一種技術(shù)防范的安全監(jiān)管系統(tǒng)。近幾年隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)安防領(lǐng)域已成為熱點(diǎn)[1-2]。由于井蓋之間距離較近，結(jié)合ZigBee短距離通信技術(shù)[3]，設(shè)計(jì)一種基于井蓋安全監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)接收來自無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，處理、存儲后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦簿W(wǎng)絡(luò)中。

1 井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

本文的井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示，其系統(tǒng)組成為包含井蓋報(bào)警器的ZigBee網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、GPRS短信模塊、Web服務(wù)器。井蓋報(bào)警器之間采用ZigBee無線通信技術(shù)，每個(gè)報(bào)警器作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡(luò)。報(bào)警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收所有網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)警器節(jié)點(diǎn)信息。嵌入式網(wǎng)關(guān)通過串口1獲得ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的報(bào)警器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲并處理，將必須的信號發(fā)送給GPRS模塊，GPRS電路將其轉(zhuǎn)發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)的上傳。市政設(shè)施管理處以及自來水廠等政府機(jī)構(gòu)可以通過網(wǎng)絡(luò)查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護(hù)，并記錄，同時(shí)發(fā)送短信給檢修人員，實(shí)現(xiàn)及時(shí)維修和處理。

圖1 井蓋監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)硬件組成框圖如圖2所示，該網(wǎng)關(guān)包含三星公司的微處理器S3C6410、存儲模塊、JTAG接口、LCD顯示接口、GPRS模塊等。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件框圖

2.1 處理器

系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410微處理器作為網(wǎng)關(guān)硬件電路，S3C6410采用ARM11的內(nèi)核架構(gòu)，采用8級流水線與數(shù)據(jù)地址總線分離的哈佛結(jié)構(gòu)[4-5]。包含多種硬件外設(shè)，支持NOR-FLASH，NAND-FLASH，OneNAND，CF，ROM等多種存儲器端口，增加的流水線設(shè)計(jì)提高了時(shí)鐘頻率和并行處理能力。是一種高性能的32位RISC處理器，可以穩(wěn)定運(yùn)行在667 MHz主頻以上。主要應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、消費(fèi)類電子、工業(yè)控制、車載導(dǎo)航、行業(yè)PDA等電子產(chǎn)品。

2.2 存儲模塊

網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)都放在存儲模塊中，S3C6410的平臺包含NAND FLASH，NOR FLASH和SD卡三種。NAND FLASH采用三星公司的K9F1G08U0型號，大小為128 MB，存放bootloader、啟動參數(shù)、內(nèi)核、根文件等，網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)采用從NAND FLASH啟動，選擇德國DENX軟件中心開發(fā)的U-Boot作為bootloader進(jìn)行引導(dǎo)。NOR FLASH采用低電壓供電且具有低功耗模式的S29AL08D芯片，大小為8 MB，3 V供電。S3C6410提供SD卡接口，可以外接SD卡，支持從SD卡啟動。

2.3 JTAG接口

S3C6410可使用簡易JTAG電路對FLASH進(jìn)行在線編程，通過標(biāo)準(zhǔn)20針接口同宿主機(jī)相連接，實(shí)現(xiàn)FLASH的擦除和編程。

2.4 GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A，工作頻段支持EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz，可以使用包含CS-4等多種編碼格式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，采用SPI接口，同微處理器S3C6410的串口0相連。

2.5 LCD顯示接口

LCD選用7寸真彩色寬屏AT070TN92，外帶7寸電阻觸摸屏，分辨率800×480， 支持LVDS接口。

3 網(wǎng)關(guān)平臺的搭建

S3C6410微處理器采用移植性較強(qiáng)的Linux操作系統(tǒng)，能夠固化在容量小的嵌入式設(shè)備，系統(tǒng)內(nèi)核選用2.6.38.8，搭建網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺主要包含三個(gè)部分：引導(dǎo)程序、內(nèi)核、系統(tǒng)文件[6-7]。編譯環(huán)境選擇交叉編譯，選擇VMware虛擬機(jī)，交叉編譯器選用arm-linux-gcc-3.41，實(shí)現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下編譯嵌入式Linux系統(tǒng)執(zhí)行的文件。

引導(dǎo)程序主要負(fù)責(zé)加載操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)硬件的初始化，建立設(shè)備的內(nèi)存映射表。加載方式采用將BootLoader搬移到SDRAM中進(jìn)行執(zhí)行，比直接在FLASH中運(yùn)行速率快。采用開源的U-boot作為BootLoader，針對S3C6410硬件修改體系結(jié)構(gòu)相應(yīng)代碼實(shí)現(xiàn)移植。

內(nèi)核部分主要針對需要進(jìn)行內(nèi)核裁剪和添加，獲取標(biāo)準(zhǔn)的Linux內(nèi)核2.6.38.8版本，配置Kconfig文件，產(chǎn)生.config文件，通過編譯內(nèi)核生成內(nèi)核鏡像文件zImage。將GPRS模塊驅(qū)動和LCD驅(qū)動編譯生成動態(tài)文件，采用insmod方式加載到內(nèi)核。

系統(tǒng)文件主要制作Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，Linux所有設(shè)備都是以文件形式存在，選擇常用的cramfs文件系統(tǒng)，啟動內(nèi)核需要根文件系統(tǒng)來掛載。下載Busybox工具進(jìn)行配置，利用mkcramfs制作文件系統(tǒng)的鏡像。

4 網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)軟件工作流程如圖3所示，包含三個(gè)處理事件：串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設(shè)置。

串口處理需要通過啟動進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口1連接，網(wǎng)關(guān)啟動一個(gè)進(jìn)程接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)地址和采集的傳感器參數(shù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸過來時(shí)，按照節(jié)點(diǎn)ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，占用250 KB空間大小，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫達(dá)到2 TB。網(wǎng)關(guān)啟動后在相應(yīng)路徑建立數(shù)據(jù)庫，同時(shí)建立數(shù)據(jù)庫表項(xiàng)，包含節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應(yīng)用程序界面采用QT Creater設(shè)計(jì)，基于C++進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序框架。設(shè)計(jì)良好的UI界面，通過按鍵的觸發(fā)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù)，顯示出各個(gè)井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運(yùn)行串口服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫，QT通過動態(tài)庫的方式調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

針對井蓋分布狀況，進(jìn)行無障礙距離測試，實(shí)驗(yàn)以丟包率進(jìn)行測試。每隔5 s從無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130 m以內(nèi)，10 m為間隔，在每個(gè)距離點(diǎn)上發(fā)送300組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)距離在60 m范圍內(nèi)丟包率為0，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，合理安置井蓋節(jié)點(diǎn)報(bào)警器可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)丟包率測試

6 結(jié) 語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設(shè)計(jì)井蓋安全報(bào)警系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)布控井蓋報(bào)警器，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展接口較豐富，將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收，發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器?；赒T開發(fā)了友好的應(yīng)用界面，可以實(shí)時(shí)查詢井蓋狀態(tài)，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。該網(wǎng)關(guān)功能豐富，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有低功耗、高通信效率的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用與井蓋安全監(jiān)控領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]于海斌，曾鵬. 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]李長鋒，滕國庫，常闖.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（7）：150-153.

[3]鄭靈翔. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]張曉林，崔迎煒. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]歐明，魏臻. S3C2410在ZigBee無線通信中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007（7）：4308-4310.

[6]崔光照，陳富強(qiáng)，張海霞.基于ARM9 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（11）：115-118.

[7]匡興紅，邵惠鶴.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（ 6）： 228-230.

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)軟件工作流程如圖3所示，包含三個(gè)處理事件：串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設(shè)置。

串口處理需要通過啟動進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口1連接，網(wǎng)關(guān)啟動一個(gè)進(jìn)程接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)地址和采集的傳感器參數(shù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸過來時(shí)，按照節(jié)點(diǎn)ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，占用250 KB空間大小，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫達(dá)到2 TB。網(wǎng)關(guān)啟動后在相應(yīng)路徑建立數(shù)據(jù)庫，同時(shí)建立數(shù)據(jù)庫表項(xiàng)，包含節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應(yīng)用程序界面采用QT Creater設(shè)計(jì)，基于C++進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序框架。設(shè)計(jì)良好的UI界面，通過按鍵的觸發(fā)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù)，顯示出各個(gè)井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運(yùn)行串口服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫，QT通過動態(tài)庫的方式調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

針對井蓋分布狀況，進(jìn)行無障礙距離測試，實(shí)驗(yàn)以丟包率進(jìn)行測試。每隔5 s從無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130 m以內(nèi)，10 m為間隔，在每個(gè)距離點(diǎn)上發(fā)送300組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)距離在60 m范圍內(nèi)丟包率為0，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，合理安置井蓋節(jié)點(diǎn)報(bào)警器可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)丟包率測試

6 結(jié) 語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設(shè)計(jì)井蓋安全報(bào)警系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)布控井蓋報(bào)警器，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展接口較豐富，將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收，發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器?；赒T開發(fā)了友好的應(yīng)用界面，可以實(shí)時(shí)查詢井蓋狀態(tài)，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。該網(wǎng)關(guān)功能豐富，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有低功耗、高通信效率的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用與井蓋安全監(jiān)控領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]于海斌，曾鵬. 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[2]李長鋒，滕國庫，常闖.基于ZigBee的無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2011，39（7）：150-153.

[3]鄭靈翔. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[4]張曉林，崔迎煒. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]歐明，魏臻. S3C2410在ZigBee無線通信中的應(yīng)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2007（7）：4308-4310.

[6]崔光照，陳富強(qiáng)，張海霞.基于ARM9 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2008，34（11）：115-118.

[7]匡興紅，邵惠鶴.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)研究[J].計(jì)算機(jī)工程，2007，33（ 6）： 228-230.

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)軟件工作流程如圖3所示，包含三個(gè)處理事件：串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設(shè)置。

串口處理需要通過啟動進(jìn)程實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，網(wǎng)關(guān)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器通過串口1連接，網(wǎng)關(guān)啟動一個(gè)進(jìn)程接收ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，包括節(jié)點(diǎn)地址和采集的傳感器參數(shù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸過來時(shí)，按照節(jié)點(diǎn)ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，占用250 KB空間大小，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫達(dá)到2 TB。網(wǎng)關(guān)啟動后在相應(yīng)路徑建立數(shù)據(jù)庫，同時(shí)建立數(shù)據(jù)庫表項(xiàng)，包含節(jié)點(diǎn)ID和節(jié)點(diǎn)地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應(yīng)用程序界面采用QT Creater設(shè)計(jì)，基于C++進(jìn)行開發(fā)的應(yīng)用程序框架。設(shè)計(jì)良好的UI界面，通過按鍵的觸發(fā)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù)，顯示出各個(gè)井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運(yùn)行串口服務(wù)程序和數(shù)據(jù)庫，QT通過動態(tài)庫的方式調(diào)用相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)關(guān)工作流程圖

5 實(shí)驗(yàn)分析

針對井蓋分布狀況，進(jìn)行無障礙距離測試，實(shí)驗(yàn)以丟包率進(jìn)行測試。每隔5 s從無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130 m以內(nèi)，10 m為間隔，在每個(gè)距離點(diǎn)上發(fā)送300組數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)距離在60 m范圍內(nèi)丟包率為0，數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，合理安置井蓋節(jié)點(diǎn)報(bào)警器可以滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

圖4 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)丟包率測試

6 結(jié) 語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設(shè)計(jì)井蓋安全報(bào)警系統(tǒng)，結(jié)合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)布控井蓋報(bào)警器，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關(guān)可擴(kuò)展接口較豐富，將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收，發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器?；赒T開發(fā)了友好的應(yīng)用界面，可以實(shí)時(shí)查詢井蓋狀態(tài)，并對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。該網(wǎng)關(guān)功能豐富，可擴(kuò)展性較強(qiáng)，具有低功耗、高通信效率的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用與井蓋安全監(jiān)控領(lǐng)域。

參 考 文 獻(xiàn)

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