嵌入式服務(wù)器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

童喜 武俊

摘 要：文章首先簡(jiǎn)要分析了在無線信號(hào)傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中研究選擇和設(shè)計(jì)使用各種嵌入式無線服務(wù)器的具體方法，論證其可行性與必要性，然后就使用嵌入式無線服務(wù)器的軟硬件結(jié)構(gòu)選擇以及方法特點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的理論研究、結(jié)果分析和實(shí)例說明。

關(guān)鍵詞：無線互聯(lián)網(wǎng);無線嵌入式;無線網(wǎng)絡(luò)傳感器

0 引言

隨著傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，其應(yīng)用范圍也越來越廣泛，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也從早期的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視等軍事應(yīng)用;領(lǐng)域逐步向環(huán)境與生態(tài)監(jiān)視、健康保護(hù)、家居自動(dòng)化以及交通管理與控制等民用領(lǐng)域方向發(fā)展。這些嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器已經(jīng)能夠迅速地自動(dòng)處理無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的所有數(shù)據(jù)信息，并同時(shí)加強(qiáng)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。無線數(shù)據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)主要指的是一種利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器處理技術(shù)、通信處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信工程學(xué)等多種綜合手段獲取信息和實(shí)時(shí)處理海量數(shù)據(jù)的一種技術(shù)手段。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種將數(shù)以萬計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)按照各種自由式的方法對(duì)其進(jìn)行組織或者相互結(jié)合所形成的網(wǎng)絡(luò)。構(gòu)成傳感器節(jié)點(diǎn)的各個(gè)單元主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字化傳輸、數(shù)據(jù)處理、單元及其他能源的供給[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的節(jié)點(diǎn)大致可以劃分為兩種，一種是匯聚節(jié)點(diǎn)，一種是傳感器節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)主要是指網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能夠在各個(gè)傳感器的節(jié)點(diǎn)當(dāng)中將錯(cuò)誤報(bào)告數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)上剔除，并與網(wǎng)絡(luò)上相關(guān)的報(bào)告數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的事故進(jìn)行預(yù)警和判斷。匯聚節(jié)點(diǎn)和用戶節(jié)點(diǎn)之間的連接可以借助于廣域網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星，并對(duì)收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行處理。

1.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

早在20世紀(jì)70年代，我國開始出現(xiàn)了直接采用數(shù)字點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸方式進(jìn)行傳輸、鏈接數(shù)字傳感器和控制器而逐步形成的數(shù)字傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)雛形，其被稱為第一代數(shù)字傳感器傳輸網(wǎng)絡(luò)。隨著傳感器處理學(xué)科的不斷發(fā)展以及信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，傳感器處理網(wǎng)絡(luò)同時(shí)也逐漸具有了對(duì)多種重要信息和復(fù)雜數(shù)據(jù)的同時(shí)獲取和數(shù)據(jù)處理的能力，并且這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以直接通過與多種傳感器微控制器交互相連，組成了一個(gè)可以同時(shí)獲取多種信息，具有多種數(shù)據(jù)處理綜合能力的第二代新型傳感器處理網(wǎng)[2]。而從20世紀(jì)末以來，現(xiàn)場(chǎng)傳感器和總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐步發(fā)展，廣泛應(yīng)用于各類現(xiàn)場(chǎng)傳感器和總線網(wǎng)絡(luò)，人們甚至可以通過利用其他的技術(shù)手段來直接設(shè)計(jì)和組建一個(gè)更加智能化的現(xiàn)場(chǎng)傳感器和總線網(wǎng)絡(luò)。大量的多功能現(xiàn)場(chǎng)傳感器被廣泛地投入和運(yùn)用，并且可以直接利用無線通信的技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接，傳感器總線的網(wǎng)絡(luò)也在逐漸形成。普遍認(rèn)為無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)的基本概念及其技術(shù)發(fā)展史，大致可劃分成以下幾個(gè)階段：無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)—有線傳感器—無線網(wǎng)絡(luò)傳感器—系列無線傳感器應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。

1.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)。大量傳感器節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)部或附近，能夠通過一種自發(fā)或組織的網(wǎng)絡(luò)方式將其統(tǒng)一起來并構(gòu)成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)[3]。傳感器的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)需要監(jiān)控的一個(gè)數(shù)據(jù)，沿著其他一個(gè)傳感器數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的逐次追跳線路進(jìn)行多次的傳輸。在整個(gè)過程中，所謂的一個(gè)節(jié)點(diǎn)需要跟蹤傳輸?shù)囊粋€(gè)數(shù)據(jù)，很大概率可能被多個(gè)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)一起跟蹤并進(jìn)行逐次追跳處理。經(jīng)過多次的逐跳后，一個(gè)路由器將會(huì)得到一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置，可以匯聚的是數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，最后再通過一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)或者一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接器來到達(dá)一個(gè)需要進(jìn)行管理的節(jié)點(diǎn)。用戶同時(shí)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控多個(gè)節(jié)點(diǎn)任務(wù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)配置與運(yùn)行管理，發(fā)布相關(guān)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)任務(wù)和實(shí)時(shí)采集相關(guān)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

（1）大量的節(jié)點(diǎn)傳感器運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)自動(dòng)部署，通過各種自動(dòng)和組織的運(yùn)動(dòng)方式建立組合，形成一個(gè)對(duì)于特定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)感覺場(chǎng)和視場(chǎng)。傳感兩個(gè)節(jié)點(diǎn)被本地檢測(cè)接收到的兩個(gè)目標(biāo)傳感信號(hào)在本地簡(jiǎn)單進(jìn)行處理之后，通過連接相鄰相同傳感兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的多字串跳線將數(shù)據(jù)傳遞運(yùn)輸給未被觀測(cè)到的節(jié)點(diǎn)。用戶和其他遠(yuǎn)程無線任務(wù)系統(tǒng)管理工作單位之間可以通過外部無線網(wǎng)絡(luò)，例如無線衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信無線網(wǎng)絡(luò)或者因特網(wǎng)，與各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行無線互動(dòng)。觀察數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)傳感器向節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)控制發(fā)出節(jié)點(diǎn)查詢數(shù)據(jù)要求和網(wǎng)絡(luò)控制指令，接收器得到由網(wǎng)絡(luò)傳感器觀察節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)返回的關(guān)于觀察節(jié)點(diǎn)目標(biāo)值的數(shù)據(jù)。

（2）傳感器的節(jié)點(diǎn)必須具有原始數(shù)據(jù)采集、本土化和網(wǎng)絡(luò)信息處理、無線數(shù)據(jù)傳輸及與其他節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同和工作的技術(shù)能力，依據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，有可能會(huì)自己攜帶定位、能源供給補(bǔ)充或移動(dòng)等功能。

（3）目標(biāo)性是指一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生興趣的物體和它們所屬的性質(zhì)，有時(shí)還可能會(huì)專門用來指某一種類型的信號(hào)源。傳感器的節(jié)點(diǎn)可以通過接收到目標(biāo)發(fā)射熱、紅外、聲吶、雷達(dá)或者震動(dòng)等信號(hào)，獲得目標(biāo)溫度、光強(qiáng)度、噪聲、壓力、行駛方向或轉(zhuǎn)移速度等數(shù)據(jù)和屬性。傳感節(jié)點(diǎn)對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中感興趣的節(jié)點(diǎn)所進(jìn)行的信息采集和獲取的范圍被稱為這個(gè)節(jié)點(diǎn)的感覺視場(chǎng)，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)和感覺視場(chǎng)的整個(gè)集合被統(tǒng)稱為這個(gè)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)的感覺視場(chǎng)。例如，當(dāng)一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)所得到的目標(biāo)信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定的閥值，必須要將其提交給觀察節(jié)點(diǎn)上時(shí)，被稱為有效的節(jié)點(diǎn)。

2 嵌入式系統(tǒng)與嵌入式服務(wù)器

2.1 嵌入式系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)主要特點(diǎn)是以嵌入式操作程序的架構(gòu)設(shè)計(jì)理論為其技術(shù)核心，以充分結(jié)合現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)工程科學(xué)和現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷發(fā)展作為主要理論和技術(shù)依據(jù)，能夠根據(jù)不同行業(yè)和用戶的不同要求（主要內(nèi)容包括操作程序系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等）而進(jìn)行靈活地設(shè)計(jì)和裁剪軟硬件的應(yīng)用模塊。

2.2 嵌入式操作系統(tǒng)

從外部的特征上來說，一個(gè)基于嵌入式的系統(tǒng)通常被認(rèn)為是一個(gè)功能完善、幾乎不需要依賴其他外部設(shè)備或者裝置就能夠獨(dú)立地運(yùn)行的軟、硬件相互集成的系統(tǒng)。

嵌入式計(jì)算系統(tǒng)最核心的一個(gè)基本層次架構(gòu)是作為中央處理控制單元的組成部分，包含了中央運(yùn)算器和中央控制器兩個(gè)模塊，在CPU的架構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步分別搭配上了中央存儲(chǔ)器接口模塊、電源模塊、復(fù)位控制模塊等，基本構(gòu)成了最小計(jì)算系統(tǒng)。由于現(xiàn)代信息科學(xué)和技術(shù)的不斷發(fā)展和信息化技術(shù)的進(jìn)步，集成電路的主要產(chǎn)品制造者通常每年都會(huì)把許多其他外設(shè)元件都全部安裝在同一個(gè)小型集成電路中，在實(shí)際的應(yīng)用中就更加便捷，這樣的一個(gè)集成芯片通常被稱為集成微控制器。在目前所有傳統(tǒng)的嵌入式微控制器模塊基礎(chǔ)上進(jìn)一步拓展和擴(kuò)寬了所有的電源、輸出電流傳感、輸入電壓檢測(cè)、執(zhí)行器控制模塊以及配套的控制軟件，并且可以使其組合成一個(gè)能夠具有特殊控制功能的完整控制單元，被稱之為一個(gè)新型嵌入式操作系統(tǒng)或一個(gè)新型嵌入式應(yīng)用。

2.3? 硬件結(jié)構(gòu)

雖然各種具體的嵌入式系統(tǒng)在其功能、外觀以及用戶界面、運(yùn)行方式等各個(gè)環(huán)節(jié)上都不一樣，甚至千差萬別，但基本的硬件架構(gòu)卻是大同小異的，而且它們與普通計(jì)算機(jī)的軟硬件系統(tǒng)具有很高的相似性。嵌入式系統(tǒng)的軟硬件部分雖然設(shè)計(jì)上看起來與其他通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟件部分相比沒有什么區(qū)別，也由處理器、內(nèi)部存儲(chǔ)裝置、外部設(shè)備、I/O接口、圖形控制器等部分共同構(gòu)成，但是由于嵌入式系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的獨(dú)特性致使其嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及其實(shí)現(xiàn)形態(tài)上與普遍的通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有很大的差異。為了充分滿足所有嵌入式系統(tǒng)對(duì)于運(yùn)行速度、體積及功耗的控制要求，操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、專門數(shù)據(jù)等一切需要長(zhǎng)期處理和保存的數(shù)據(jù)，通常并非建議選擇使用磁盤這類能夠具有高容量且運(yùn)行速度緩慢的存儲(chǔ)介質(zhì)，而大多數(shù)都是選擇使用eprom，e2prom或閃存。在一般的通用和嵌入式控制系統(tǒng)中，a/d或者d/a控制模塊廣泛地應(yīng)用于溫度計(jì)測(cè)量和自動(dòng)控制系統(tǒng)方面，這在普通PC和一般的平板計(jì)算機(jī)中已很少使用。按照實(shí)際的市場(chǎng)應(yīng)用需求及其市場(chǎng)規(guī)模，一些大型嵌入式操作系統(tǒng)可能需要重新選擇外部數(shù)據(jù)總線。隨著傳統(tǒng)嵌入式操作系統(tǒng)在整個(gè)應(yīng)用開發(fā)場(chǎng)景中所占的地位越來越高，嵌入式操作系統(tǒng)趨于用戶個(gè)性化，根據(jù)其自身的應(yīng)用特點(diǎn)可以選擇所有用戶采用的接口總線。另外，為了針對(duì)一些嵌入式處理器的內(nèi)部邊界電路而重新設(shè)計(jì)的電路測(cè)試，處理器中的芯片一般都已經(jīng)采用了內(nèi)部邊界電路掃描電路測(cè)試等的技術(shù)。

3 ? 結(jié)語

嵌入式服務(wù)器技術(shù)在無線傳感器和網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于我國國防建設(shè)、醫(yī)療裝備發(fā)展、智能家居、設(shè)備的量控制和運(yùn)營管理等各個(gè)領(lǐng)域均具有非常重要的意義。

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（編輯 王永超）