基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)儀器智能管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

湯莉莉 王紅心 張卓 王泉濤 劉進(jìn)

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，它逐漸被應(yīng)用于各行各業(yè)，甚至人們的生活中。本設(shè)計(jì)是把物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)儀器智能化管理上，以移植了嵌入式Linux系統(tǒng)的主板為管理平臺(tái)；向下通過(guò)RS232、485、USB、WLAN等接口，連接到各種電子實(shí)驗(yàn)儀器，根據(jù)儀器廠家提供的通信協(xié)議與儀器通信，操作和控制儀器；向上由局域網(wǎng)或無(wú)線傳輸模塊，根據(jù)定義的通信協(xié)議，與PC客戶端交互，實(shí)施授權(quán)管理和狀態(tài)檢測(cè)。該設(shè)計(jì)提出了一種新的思路，或?yàn)榻窈髮?shí)驗(yàn)室儀器智能化管理提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：嵌入式 ARM Linux操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Linux網(wǎng)絡(luò)編程 串口通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP399；TN91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）12（c）-0018-02

“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保等各行各業(yè)，并廣泛惠及民生。

目前本科階段學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)主要是在院校實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，各院校為緊跟社會(huì)需求，在學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)上花費(fèi)了大量人力和物力，采購(gòu)了大量的實(shí)驗(yàn)器材，但往往器材采購(gòu)后，由于人力有限，加上不能對(duì)設(shè)備直接進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，資源利用率并不高，只有為數(shù)不多的實(shí)驗(yàn)室對(duì)部分學(xué)生開(kāi)放，而且需要配備相當(dāng)?shù)娜肆ΑＭㄟ^(guò)引入最新的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器智能管理平臺(tái)系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)平臺(tái)，可以實(shí)時(shí)的監(jiān)控到儀器的使用狀況，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，合理的調(diào)配實(shí)驗(yàn)室資源、及時(shí)報(bào)告存在故障的儀器、認(rèn)定儀器損壞的責(zé)任，最終達(dá)到減少人力投入和提高使用效率的目的。

1 硬件設(shè)計(jì)要求與方案選擇

該設(shè)計(jì)主要的硬件選擇就取決于采用何種芯片的開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，選擇的要求如下：

（1）能夠移植Linux系統(tǒng)。

（2）NANDflash不小于2 G。

（3）外設(shè)接口，如USB、RS232、485、CAN、WLAN等接口要盡可能的多。其他不必要的接口，如LCD、LVDS、TFT、HDMI等顯示接口要盡可靠裁剪，避免浪費(fèi)資源。

（4）易于開(kāi)發(fā)，選用的開(kāi)發(fā)板要有可靠的可以開(kāi)發(fā)手段，如程序開(kāi)發(fā)工具、仿真調(diào)試手段等。另外，還需要有完備的技術(shù)資料。

（5）選用的開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，要實(shí)用，但價(jià)格不能太昂貴。

鑒于以上的要求，首先考慮ARM系列開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，雖然最新的Cortex系列應(yīng)用廣泛，但考慮到開(kāi)發(fā)難易度，價(jià)格因素，該設(shè)計(jì)選擇了一款以ARM11芯片（三星S3C6410）作為主處理器的嵌入式核心板Tiny6410。

2 嵌入式Linux系統(tǒng)移植

2.1 移植重難點(diǎn)分析

移植的重難點(diǎn)在于需要耐心地去配置新的系統(tǒng)。選取需要的源代碼，編譯成可執(zhí)行文件，使其能啟動(dòng)所用的主板。u-boot主要配置包括工程配置和代碼移植。工程配置目的是使u-boot能夠支持主板，需要添加所用主板的配置信息到u-boot工程，關(guān)鍵要添加主板配置文件、主板目錄文件；代碼移植的目的是為了添加和修改我們所需要的源代碼，使這個(gè)通用的u-boot能夠更好地支持我們主板的芯片，能夠啟動(dòng)它[1-2]。

2.2 移植步驟

首先搭建交叉編譯環(huán)境，交叉工具鏈為arm-linux-gcc-4.5.1。然后再根據(jù)需要配置編譯u-boot、kernel、rootfs文件系統(tǒng)，經(jīng)編譯和執(zhí)行生成得到u-boot.bin、zImage、ramdisk.img文件，再通過(guò)u-boot下載到FLASH上完成整個(gè)燒寫(xiě)，啟動(dòng)系統(tǒng)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

此管理平臺(tái)核心為各軟件模塊的設(shè)計(jì)，以RS232作為數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器作為橋梁、PC作為客戶端，實(shí)施監(jiān)控與管理。

3.1 USB-RS232驅(qū)動(dòng)加載

內(nèi)核模塊有動(dòng)態(tài)與靜態(tài)加載，由于驅(qū)動(dòng)模塊加載到內(nèi)核會(huì)一直用到，不存在卸載，且方便使用、節(jié)省內(nèi)存空間，所以選擇靜態(tài)加載方式[3]。

3.2 網(wǎng)關(guān)服務(wù)器程序

ARM11開(kāi)發(fā)板作為主要控制平臺(tái)，它的主要功能有兩個(gè)，（1）通過(guò)不同的接口，與各種儀器進(jìn)行通訊，獲取我們需要的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)起來(lái)；（2）通過(guò)TCP/IP協(xié)議與客戶端進(jìn)行交互，交流信息。

根據(jù)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器要實(shí)現(xiàn)的功能，把編寫(xiě)代碼分為3個(gè)模塊[4]，各模塊之間的關(guān)系如下圖所示，3個(gè)模塊文件中串口配置文件和數(shù)據(jù)存數(shù)文件是被主程序調(diào)用的，主程序模塊是現(xiàn)實(shí)服務(wù)器功能的核心。

如下圖所示，服務(wù)器端程序啟動(dòng)后，在主程序中，先創(chuàng)建鏈表[5-6]，為后面存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備；再初始化串口，創(chuàng)建兩個(gè)線程，最后一直向串口中寫(xiě)數(shù)據(jù)；在主程序中創(chuàng)建的線程，一個(gè)實(shí)現(xiàn)TCP服務(wù)，一個(gè)監(jiān)測(cè)，讀串口數(shù)據(jù)。在TCP服務(wù)中，實(shí)際是一個(gè)用select輪詢實(shí)現(xiàn)的并發(fā)的服務(wù)器，可以同時(shí)接受多個(gè)客戶端的請(qǐng)求。

3.3 客戶端（PC端）程序開(kāi)發(fā)

客戶端程序，相對(duì)于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器的程序來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單很多，整個(gè)程序的執(zhí)行流程都是單線程，客戶端端程序和TCP服務(wù)端的程序很相似，執(zhí)行流程也大致一直。先創(chuàng)建socket套接字；填充socket，主要填寫(xiě)服務(wù)端的IP地址，和連接端口號(hào)。綁定bind操作，在客戶端上，可有可無(wú)，但在服務(wù)端，必須要做，否則客戶端無(wú)法連接。接下來(lái)就是客戶端connect操作，請(qǐng)求連接服務(wù)器，連接成功，進(jìn)行通信。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 Linux系統(tǒng)啟動(dòng)調(diào)試

（1）方法與步驟：內(nèi)核調(diào)試→文件系統(tǒng)調(diào)試→修改啟動(dòng)參數(shù)，上電自啟動(dòng)。

（2）結(jié)果：經(jīng)調(diào)試，移植到板子上的Linux系統(tǒng)可以正常啟動(dòng)，能正常掛載根文件系統(tǒng)。啟動(dòng)中沒(méi)有出現(xiàn)kernel panic 和kernel dump的系統(tǒng)錯(cuò)誤。

4.2 串口模塊調(diào)試

用USB-RS232串口線將示波器和PC相連，裝好驅(qū)動(dòng)后，打開(kāi)putty，進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。經(jīng)調(diào)試，Linux啟動(dòng)后，用USB-RS232串口線連接示波器，系統(tǒng)能識(shí)別。在管理平臺(tái)上運(yùn)行server程序，并打開(kāi)示波器的電源，終端上就可以打印出來(lái)。

4.3 TCP服務(wù)模塊調(diào)試

經(jīng)調(diào)試，在Ubuntu上server端可以與client端連接成功。將server程序移植到平臺(tái)上，再次運(yùn)行server端程序，Ubuntu上客戶端依然能連接成功。

4.4 聯(lián)合調(diào)試

管理平臺(tái)上Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后，用USB-RS232串口線，將兩個(gè)示波器和管理平臺(tái)連接，用網(wǎng)線將管理平臺(tái)和Ubuntu PC相連接。在Ubuntu上交叉編譯服務(wù)端工程文件，得到可執(zhí)行文件server，拷貝到管理平臺(tái)上，用命令：./server運(yùn)行。打開(kāi)示波器的電源。在Ubuntu上用Gcc編譯客戶端程序，得到可執(zhí)行的文件client；運(yùn)行程序：./client 192.168.1.127 8888。在終端上打印出和服務(wù)端連接成功的信息，按任意鍵，可得到關(guān)于示波器的信息，調(diào)試成功。用組合鍵Ctrl+Alt+T另開(kāi)多個(gè)終端，切換到工程目錄下，再運(yùn)行客戶端，結(jié)果和上面一樣，表明多客戶端調(diào)試成功。

5 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)驗(yàn)儀器管理平臺(tái)能夠獲取示波器啟動(dòng)時(shí)的信息和運(yùn)行狀態(tài)，并且存儲(chǔ)起來(lái)；位于PC上的客戶端，可以通過(guò)TCP服務(wù)訪問(wèn)管理平臺(tái)，得到想要的數(shù)據(jù)。另外，其PC客戶端可跨平臺(tái)，解決了單平臺(tái)Linux的局限性。在局域網(wǎng)的所有PC都能訪問(wèn)管理平臺(tái)，獲取實(shí)驗(yàn)儀器的使用情況，能多個(gè)客戶端通信，還可以實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控畫(huà)面。

實(shí)現(xiàn)了管理平臺(tái)的基本功能，完成了物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術(shù)在實(shí)驗(yàn)儀器智能化管理上的應(yīng)用的實(shí)物模型驗(yàn)證，或?yàn)楦咝?shí)驗(yàn)儀器智能化管理提出一種新的思路，同時(shí)為未來(lái)的管理智能化提供一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 程姚根，苗德行.嵌入式操作系統(tǒng)（Linux篇）[M].北京：人民郵電出版社，2014.

[2] 劉剛，趙劍川.Linux系統(tǒng)移植[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[3] 宋寶華.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010

[4] 譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（第四版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[5] 程杰.大話數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[6] Robert Mecklenburg.GNU Make項(xiàng)目管理（第三版）[M].北京：人民郵電出版社，2006.