基于嵌入式Web服務(wù)器和ZigBee的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳 舵，王永強(qiáng)

(唐山學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河北 唐山 063000)

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常經(jīng)濟(jì)生活中的應(yīng)用日益廣泛。嵌入式Web服務(wù)器(Embedded Web Server，EWS)，是在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和控制設(shè)備中嵌入的Web服務(wù)器[1]，是一類(lèi)基于嵌入式設(shè)備的、低資源消耗的、小型或微型的Web服務(wù)器。EWS通常采用Browse/Server的工作方式，即在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行支持腳本或通用網(wǎng)關(guān)接口(Common Gateway Interface，CGI)功能的Web服務(wù)器，能夠生成動(dòng)態(tài)頁(yè)面，遠(yuǎn)端用戶(hù)通過(guò)Ineternet瀏覽器可以對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行管理和監(jiān)控，使用非常方便，逐步成為嵌入式設(shè)備的主流管理與交互方式。ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最具發(fā)展?jié)摿脱芯績(jī)r(jià)值的網(wǎng)絡(luò)之一，獲得軍界、工業(yè)界和學(xué)術(shù)屆的高度關(guān)注[2]。綜合應(yīng)用傳統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)技術(shù)和近來(lái)迅速發(fā)展的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和傳送，是一種可靠和簡(jiǎn)潔的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，也正是本文的研究?jī)?nèi)容。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

基于嵌入式Web服務(wù)器和ZigBee的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)端客戶(hù)端、嵌入式Web服務(wù)器、ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分組成。本系統(tǒng)使用開(kāi)源的GoAheadWeb服務(wù)器，基于三星Exynos4412處理器搭建嵌入式Web服務(wù)器；ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型結(jié)構(gòu)，這是一種較為簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，只需要協(xié)調(diào)器和端節(jié)點(diǎn)，不需要路由器。其中，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)發(fā)起和建立網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)串行總線與現(xiàn)場(chǎng)嵌入式Web服務(wù)器建立聯(lián)接，其他所有端節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備，終端設(shè)備中配置有相應(yīng)的傳感器，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，這些數(shù)據(jù)通過(guò)端節(jié)點(diǎn)直接上傳給協(xié)調(diào)器，若端節(jié)點(diǎn)之間需要通信，也必須通過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)

2.1 嵌入式Web服務(wù)器硬件方案

本文選擇采用ARM Cortex-A9內(nèi)核的處理器Samsung Exynos4412微處理器為主控芯片，處理器Exynos4412內(nèi)部集成了Mali-400 MP高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1080P大尺寸高清視頻，運(yùn)行主頻高達(dá)1.5 GHz。提供UART，I2C，I2S，USB，SPI，SDIO等總線接口，配置1 GB的DDR3內(nèi)存、4 GB的FLASH存儲(chǔ)器。Cortex-A9處理器利用動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度、八級(jí)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)、多事件管道及推斷性亂序執(zhí)行機(jī)制，能在頻率超過(guò)1 GHz設(shè)備的每個(gè)循環(huán)中執(zhí)行多達(dá)4條指令，運(yùn)行效率得到很大提高，并與其他Cortex系列處理器以及廣受歡迎的ARM MPCore技術(shù)兼容，支持通用的包括操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、中間件以及相關(guān)應(yīng)用程序在內(nèi)的豐富軟件資源，完全滿(mǎn)足本系統(tǒng)的需求。

2.2 嵌入式Web服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 EWS的選擇

常見(jiàn)的EWS有Httpd，Apache，Boa和GoAhead等[1]。其中，Httpd是一種輕量級(jí)Web服務(wù)器，提供HTTP支持；Apache是重量級(jí)服務(wù)器，成熟穩(wěn)定，但體積較大，適合復(fù)雜的嵌入式應(yīng)用，但在高負(fù)載的情況下，沒(méi)有單進(jìn)程的服務(wù)器性能高[1]；Boa支持HTTP和CGI，具有較高的請(qǐng)求速度及效率，最多可以同時(shí)響應(yīng)50個(gè)請(qǐng)求；GoAhead是一款面向嵌入式系統(tǒng)的Web服務(wù)器，主要用于解決嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的相關(guān)問(wèn)題，僅管它的體積非常小巧，但提供了常見(jiàn)的服務(wù)特性，支持HTTP，ASP，嵌入式JavaScript，CGI以及靜態(tài)頁(yè)面HTML格式。因此，本文選擇GoAhead作為嵌入式Linux操作系統(tǒng)下的Web服務(wù)器。

2.2.2 EWS的移植

本系統(tǒng)采用的LINUX版本為2.6.32，交叉編譯器為gcc version 4.5.1，移植步驟如下：

①下載服務(wù)器源碼，webs218.tar.gz，下載地址：http：//www.goahead.com。

②解壓源碼工程：tar-xzvf webs218.tar.gz。

③修改Makefile文件：進(jìn)入源碼目錄，修改LINUX目錄下的Makefile文件，

cd ws031202/LINUX/

vim Makefile

添加編譯器宏定義，加入變量CC和AR的定義：

CC=arm-linux-gcc

AR=arm-linux-ar

④交叉編譯：

make

編譯成功后，即可生成Web服務(wù)器鏡像，將其燒寫(xiě)到目標(biāo)機(jī)后，進(jìn)行相關(guān)配置并運(yùn)行，即可啟動(dòng)嵌入式Web服務(wù)。

2.2.3 EWS服務(wù)程序設(shè)計(jì)

嵌入式Web服務(wù)器涉及的主要技術(shù)是超文本傳輸協(xié)議HTTP和CGI，EWS工作過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 EWS工作過(guò)程示意圖

在嵌入式Web服務(wù)器的工作過(guò)程中，通過(guò)CGI實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)服務(wù)，CGI接口標(biāo)準(zhǔn)包括標(biāo)準(zhǔn)輸入、環(huán)境變量、標(biāo)準(zhǔn)輸出三部分，規(guī)定了嵌入式Web服務(wù)器調(diào)用其他程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，Web服務(wù)器通過(guò)調(diào)用CGI程序?qū)崿F(xiàn)和Web瀏覽器的交互，CGI程序接受Web瀏覽器發(fā)送給Web服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理，將響應(yīng)結(jié)果再回送給Web服務(wù)器及Web瀏覽器，完成Web網(wǎng)頁(yè)中表單數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)和實(shí)現(xiàn)以及與傳統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的集成等工作。

常用的CGI編程語(yǔ)言有shell script，C，visual basic，perl等，其中C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔緊湊、靈活方便、運(yùn)算豐富，并允許直接訪問(wèn)物理地址，支持直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，執(zhí)行效率高，且可移植性好，是一種廣泛使用的結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。本文選擇C語(yǔ)言進(jìn)行CGI程序的開(kāi)發(fā)，嵌入式Web服務(wù)器算法流程圖如圖3所示。

圖3 EWS算法流程圖

3 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)

ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。綜合應(yīng)用了ZigBee和傳感器技術(shù)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具備簡(jiǎn)單、方便、穩(wěn)定和低成本等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。

3.1 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件方案

目前ZigBee的實(shí)現(xiàn)方案主要有三種：MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案、集成RF和MCU的單芯片SOC方案以及ZigBee協(xié)處理器和MCU的雙芯片方案。在主要的ZigBee芯片提供商中，德州儀器的ZigBee產(chǎn)品覆蓋了以上三種方案，飛思卡爾，ST，Ember，Jennic可以提供單芯片方案，Atmel，Microchip等其他廠商大都提供MCU和RF收發(fā)器分離的雙芯片方案。

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案，結(jié)合高性DSSS射頻收發(fā)器和工業(yè)級(jí)8051控制器，這種解決方案能夠提高性能，并滿(mǎn)足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用，具備低成本、低功耗等特點(diǎn)，所以本文選擇這種硬件方案。

3.2 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計(jì)

Z-Stack是由美國(guó)德州儀器開(kāi)發(fā)，符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的免費(fèi)和半開(kāi)源ZigBee協(xié)議棧，它可以運(yùn)行在CC2530以及TI別的硬件體系上，支持ZigBee2007及ZigBee2007Pro協(xié)議。本文的軟件設(shè)計(jì)是基于ZigBee2007協(xié)議的。

ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，先選擇信道和網(wǎng)絡(luò)ID(也稱(chēng)之為PAN ID，即Personal Area Network ID)，隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee2007協(xié)議棧規(guī)范使用了IEEE 802.15.4定義的物理層(PHY)和介質(zhì)訪問(wèn)層(MAC)，并進(jìn)一步定義了網(wǎng)絡(luò)層(NWK)和應(yīng)用層(APL)，開(kāi)發(fā)人員需要在此協(xié)議棧的基礎(chǔ)之上增添自己的定義來(lái)滿(mǎn)足具體設(shè)計(jì)需求。本文采用ZigBee協(xié)調(diào)器與子節(jié)點(diǎn)形成星型網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，ZigBee協(xié)調(diào)器主要功能是創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行通信。本文采用定長(zhǎng)通信協(xié)議，一幀固定為25字節(jié)，協(xié)議的定義如下：

u8 DataHead[2]：包頭0xEE，0xCC

u8 NodeAddress[4]：節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址

u8 FamilyAddress[4]：根節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址

u8 NodeState：節(jié)點(diǎn)狀態(tài)

u8 NodeChannel：物理信道

u8 ConnectPort：節(jié)點(diǎn)ID

u8 SensorType：傳感器類(lèi)型

u8 SensorID：相同類(lèi)型傳感器ID

u8 SensorCMD：節(jié)點(diǎn)命令

u8 Sensordata[8]：節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)

u8 DataEnd：包尾0xFF

其中，符號(hào)“u8”表示單字節(jié)無(wú)符號(hào)整數(shù)數(shù)據(jù)類(lèi)型。

ZigBee端節(jié)點(diǎn)既可以是全功能設(shè)備，也可以是簡(jiǎn)化功能設(shè)備，但通常只需要一個(gè)簡(jiǎn)功能設(shè)備作為端節(jié)點(diǎn)。在基于ZigBee的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中，端節(jié)點(diǎn)的主要作用是采集傳感器數(shù)據(jù)，開(kāi)發(fā)人員需要在應(yīng)用層中加入傳感器驅(qū)動(dòng)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的數(shù)據(jù)讀取。

4 系統(tǒng)測(cè)試

本文以溫度、濕度和壓力為數(shù)據(jù)采集實(shí)例，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式Web服務(wù)器和ZigBee的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。選用的溫濕度傳感器型號(hào)為DHT95，壓力傳感器型號(hào)為FSR400。其中，DHT95是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，IIC數(shù)據(jù)總線工作方式屬于數(shù)字傳感器，測(cè)量范圍分別為：溫度-20～128 ℃和濕度0～100% RH。FSR400是一款超薄型電阻式壓力傳感器，測(cè)量范圍為0～10 kg，屬于模擬傳感器。遠(yuǎn)程客戶(hù)端軟件平臺(tái)為：Windows7及以上操作系統(tǒng)、IE8.0及以上Web瀏覽器。URL測(cè)試地址為：http：//192.168.1.6/：8000。瀏覽器主界面如圖4所示。

圖4 瀏覽器主界面

輸入要獲取的物品編號(hào)和數(shù)據(jù)類(lèi)型，0代表溫度，1代表濕度，2代表壓力。點(diǎn)擊頁(yè)面中的“獲取”按鈕，則服務(wù)器程序接受請(qǐng)求，并傳回用戶(hù)請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。例如，用戶(hù)獲取“物品1”的“溫度”數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖5 獲取溫度數(shù)據(jù)界面

用戶(hù)獲取濕度和壓力數(shù)據(jù)等操作，與獲取溫度數(shù)據(jù)的操作相似，不再贅述。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種綜合應(yīng)用嵌入式Web服務(wù)技術(shù)和ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并給出了系統(tǒng)硬件和軟件的一種可行的實(shí)現(xiàn)方法。ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，遠(yuǎn)端用戶(hù)通過(guò)Ineternet瀏覽器訪問(wèn)嵌入式Web服務(wù)器，獲取遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。本文以溫度、濕度和壓力為數(shù)據(jù)采集實(shí)例，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件和軟件測(cè)試，結(jié)果表明本文提出的設(shè)計(jì)方案是可行的。今后的研究工作會(huì)進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性，優(yōu)化人機(jī)交互界面。

參考文獻(xiàn)：

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