基于嵌入式wifi技術(shù)的機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(論文)

基于嵌入式Wi-Fi技術(shù)的機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)瞿偉軍G10074摘要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，支持信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)環(huán)境設(shè)備也是越來越多，在信息化建設(shè)中，強(qiáng)電和弱電機(jī)房已經(jīng)成為信息化建設(shè)中的重要組成部分，因此機(jī)房的環(huán)境設(shè)備或子系統(tǒng)（如供配電、UPS、空調(diào)等）必須時(shí)時(shí)刻刻為各類系統(tǒng)提供正常的運(yùn)行環(huán)境。為了保證機(jī)房運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，傳統(tǒng)的機(jī)房管理模式下，管理人員不得不采取24小時(shí)專人值班的方式，定時(shí)巡查機(jī)房各種環(huán)境設(shè)備。但這樣做不僅加重了管理人員的負(fù)擔(dān)，而且在很多情況下往往不能及時(shí)排除故障，對(duì)事故發(fā)生時(shí)間、頻率及原因等也無科學(xué)的管理與數(shù)據(jù)分析。IEEE802.11b無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在語音通信、無線辦公等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但主要還是局限在PC機(jī)、筆記本電腦等通用平臺(tái)的無線通信。本文研究利用Wi-Fi技術(shù)的無需布線、傳輸速度快、安裝簡(jiǎn)單和安全性能高的特點(diǎn)，將Wi-Fi技術(shù)嵌入到機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。通過在原有設(shè)備上構(gòu)建處理器模塊、電源模塊、傳感器模塊和無限通信模塊，通過設(shè)備信息的信息采集，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，然后通過無線Wi-Fi技術(shù)，快速傳輸?shù)胶笈_(tái)管理平臺(tái)，使得管理人員能夠及時(shí)對(duì)發(fā)生的情況作出響應(yīng)。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)，Wi-Fi技術(shù)，機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)，無線傳感器一、引言（一）選題的目的和意義隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和普及，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)量與日俱增，其配套的環(huán)境設(shè)備也日益增多，計(jì)算機(jī)房已成為各大單位的重要組成部分，因此機(jī)房的環(huán)境設(shè)備或子系統(tǒng)（如供配電、UPS、空調(diào)等）必須時(shí)時(shí)刻刻為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供正常的運(yùn)行環(huán)境。一旦機(jī)房環(huán)境設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)影響到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性構(gòu)成威脅，若事故嚴(yán)重又沒有得到及時(shí)的處理，就可能損壞硬件設(shè)備，造成嚴(yán)重后果。尤其對(duì)于銀行，稅務(wù)，公安，證券，電力、電信、煙草、海關(guān)、郵局、大型企業(yè)等需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的單位的機(jī)房，機(jī)房管理顯得更為重要，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，造成的經(jīng)濟(jì)損失更是不可估量。因此，為了保證機(jī)房運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，目前許多機(jī)房的管理人員不得不采取24小時(shí)專人值班的方式，定時(shí)巡查機(jī)房各種環(huán)境設(shè)備。但這樣做不僅加重了管理人員的負(fù)擔(dān)，而且在很多情況下往往不能及時(shí)排除故障，對(duì)事故發(fā)生時(shí)間、頻率及原因等也無科學(xué)的管理與數(shù)據(jù)分析。尤其是目前國內(nèi)普遍缺乏專業(yè)的機(jī)房環(huán)境設(shè)備管理人員，在許多地方的機(jī)房不得不安排軟件人員或者不太懂機(jī)房設(shè)備管理的維護(hù)人員值班，這對(duì)機(jī)房的安全運(yùn)行無疑又是一個(gè)不利因素。因此，如何在無人的情況下能夠迅速告知相關(guān)人員機(jī)房的環(huán)境情況是關(guān)鍵問題所在，為實(shí)現(xiàn)機(jī)房設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控，減輕機(jī)房維護(hù)人員負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的可靠性，實(shí)現(xiàn)機(jī)房的科學(xué)管理，引入機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是解決機(jī)房環(huán)境安全隱患的非常重要的途徑。而今，隨著無線技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)對(duì)Wi-Fi技術(shù)有了深入的研究和應(yīng)用。利用Wi-Fi技術(shù)的無需布線、傳輸速度快、安裝簡(jiǎn)單和安全性能高的特點(diǎn)，將Wi-Fi技術(shù)嵌入到機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，能夠在無需對(duì)原有機(jī)房相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整的情況下，建立起一套完善的無線局域網(wǎng)機(jī)房監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來保證機(jī)房運(yùn)行環(huán)境的安全。（二）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1、研究現(xiàn)狀目前，IEEE802.11無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)在語音通信、無線辦公等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但主要還是局限在PC機(jī)、筆記本電腦等通用平臺(tái)的無線通信。無線局域網(wǎng)在信息家電、工業(yè)控制、移動(dòng)手持設(shè)備等嵌入式環(huán)境中的應(yīng)用需求日益增多。如何在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信，成為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)熱點(diǎn)。而今，隨著信息技術(shù)水平的不斷提升，現(xiàn)代化樓宇的機(jī)房也在發(fā)生著巨大的變革。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)量與日俱增、相關(guān)配套的智能化環(huán)境設(shè)備的日益增多，機(jī)房已成為各大單位的重要組成部分。一旦機(jī)房相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障，就會(huì)影響到整個(gè)通信系統(tǒng)和智能化管理系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)以及整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性構(gòu)成威脅，若事故嚴(yán)重又沒有得到及時(shí)的處理，就可能損壞硬件設(shè)備，造成嚴(yán)重后果。為了保證機(jī)房運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，目前許多機(jī)房的管理人員不得不采取24小時(shí)專人值班的方式，定時(shí)巡查機(jī)房各種環(huán)境設(shè)備。但這樣做不僅加重了管理人員的負(fù)擔(dān)，而且在很多情況下往往不能及時(shí)排除故障，對(duì)事故發(fā)生時(shí)間、頻率及原因等也無科學(xué)的管理與數(shù)據(jù)分析。尤其是目前國內(nèi)普遍缺乏專業(yè)的機(jī)房環(huán)境設(shè)備管理人員，在許多地方的機(jī)房不得不安排軟件人員或者不太懂機(jī)房設(shè)備管理的維護(hù)人員值班，這對(duì)機(jī)房的安全運(yùn)行無疑又是一個(gè)不利因素。2、發(fā)展趨勢(shì)Wi-Fi(WirelessFidelity)技術(shù)具備傳輸速率高、傳播距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，在無線局域網(wǎng)應(yīng)用中得到了迅猛的發(fā)展。但是在嵌入式系統(tǒng)中整合WLAN寬帶通信，將Wi-Fi技術(shù)嵌入式系統(tǒng)整合與其他系統(tǒng)中的應(yīng)用相對(duì)比較少?；赪i-Fi技術(shù)的機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是能夠完成處理器模塊，協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，電源模塊，傳感器模塊和無線通信通信模塊的構(gòu)建，準(zhǔn)確獲取市電輸入、配電開關(guān)、UPS、溫濕度、精密空調(diào)和門禁系統(tǒng)等傳感器數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)與服務(wù)器建立連接并完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，成功地實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息采集。服務(wù)器根據(jù)各節(jié)點(diǎn)無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的定位，同時(shí)以B/S的架構(gòu)搭建WEB實(shí)時(shí)觀測(cè)平臺(tái)，通過通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收傳感數(shù)據(jù)，完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、定位及其它相關(guān)的應(yīng)用。運(yùn)用Wi-Fi技術(shù)傳輸速率高、傳播距離遠(yuǎn)、覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，使得對(duì)機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)能夠快速傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)管理平臺(tái)上。當(dāng)機(jī)房相關(guān)設(shè)備出現(xiàn)故障或者機(jī)房環(huán)境發(fā)生某些特殊情況時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備發(fā)出的告警信號(hào)能及時(shí)的告知相關(guān)管理人員，并迅速派出技術(shù)人員對(duì)機(jī)房的環(huán)境設(shè)備做出故障排除。這種24小時(shí)的實(shí)時(shí)機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)省了人力物力，保證了機(jī)房運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。二、嵌入式系統(tǒng)（一）嵌入式系統(tǒng)概述嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處器、處圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。（二）嵌入式系統(tǒng)組成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用軟件層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對(duì)象，它可以接受嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。嵌入式系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)層面：1、硬件層硬件層中包含嵌入式微處理器、存儲(chǔ)器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用設(shè)備接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時(shí)鐘電路和存儲(chǔ)器電路，就構(gòu)成了一個(gè)嵌入式核心控制模塊。其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ＲＯＭ中。2、中間層硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層（HardwareAbstractLayer,HAL）或者板級(jí)支持包（BoardSupportPackage,BSP），它半系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。實(shí)際上,BSP是一個(gè)介于操作系統(tǒng)和底層硬件之間的軟件層次，包括了系統(tǒng)中大部分與硬件聯(lián)系緊密的軟件模塊。設(shè)計(jì)一個(gè)完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入工系統(tǒng)的硬件初始化的BSP功能，設(shè)計(jì)硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。3、系統(tǒng)軟件層系統(tǒng)軟件層由實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（Real-timeOperationSystem,RTOS）、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口(GraphicUserInterface,GUI)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺(tái)。（三）嵌入式系統(tǒng)的主要應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)具有非常廣闊的應(yīng)用前景，其應(yīng)用領(lǐng)域可以包括：工業(yè)控制、交通管理、信息家電、家庭智能系統(tǒng)、POS網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)、環(huán)境工程與自然、機(jī)器人。這些應(yīng)用中，可以著重于在控制方面的應(yīng)用。就遠(yuǎn)程家電控制而言，除了開發(fā)出支持TCP/IP的嵌入系統(tǒng)之外，家電產(chǎn)品控制協(xié)議也需要制訂和統(tǒng)一，這需要家電生產(chǎn)廠家來做。同樣的道理，所有基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制協(xié)議也需要與嵌入式系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)接口，然后再由嵌入式系統(tǒng)來控制并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制。所以，開發(fā)和探試嵌入式系統(tǒng)有著十分重要的意義。相對(duì)于其他的領(lǐng)域，機(jī)電產(chǎn)品可以說是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最典型最廣泛的領(lǐng)域之一。從最初的單片機(jī)以現(xiàn)在的工控機(jī)、SOC在種機(jī)電產(chǎn)品中均有著巨大的市場(chǎng)。工業(yè)設(shè)備是機(jī)電產(chǎn)品中最大的一類，在目前的工業(yè)控制設(shè)備中，工控機(jī)的使用非常廣泛，這些工控機(jī)一般采用的是工業(yè)級(jí)的處理器和各種設(shè)備，其中以X86的MPU最多。家電行業(yè)是嵌入式應(yīng)用的另一大行業(yè)，我們傳統(tǒng)的電視，電冰箱當(dāng)然其中也嵌有處理器，但是這些處理器只是在控制方面應(yīng)用。而現(xiàn)在只有按鈕、開關(guān)的電器顯然已經(jīng)不能滿足人們的日常需求，具有用戶界面，能遠(yuǎn)程控制，智能管理的電器是未來的發(fā)展趨勢(shì)。三、嵌入式Wi-Fi技術(shù)（一）IEEE802.11b無線局域網(wǎng)IEEE802.11系列包括IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.1lb、IEEE802.1lg四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)階段IEEE802.11b的產(chǎn)品比較多。IEEE802.11b標(biāo)準(zhǔn)是在IEEE802.11的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，工作在2.4GHz頻段，采用CCK調(diào)制技術(shù)，最高傳輸率能夠達(dá)到11Mbps，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性好、移動(dòng)性強(qiáng)、高吞吐量等特點(diǎn)。它使得無線用戶可以得到以太網(wǎng)級(jí)的網(wǎng)絡(luò)性能、速率和可用性，并且可以無縫地將多種LAN技術(shù)集成起來，形成一種能夠最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)。Wi-Fi是WirelessFidelity的縮寫，專指IEEE802.11b無線標(biāo)準(zhǔn)。（二）IEEE802.11b的工作模式IEEE802．1lb有兩種工作模式：Ad-hoe和Infra—structure模式。IEEE標(biāo)準(zhǔn)以獨(dú)立的基本服務(wù)集(IBSS)來定義Ad-hoc模式工作的客戶端集合，以基本服務(wù)集(BSS)定義以Infrastructure模式工作的客戶端集合。在Ad-hoc模式中，客戶端不能直接和網(wǎng)絡(luò)外其他的客戶端通信。Ad-hoc模式的設(shè)計(jì)目的是使在同一個(gè)頻譜覆蓋范圍內(nèi)的客戶間能夠互相通信。如果一個(gè)Ad—hoc網(wǎng)絡(luò)模式中的客戶想要和該網(wǎng)絡(luò)外的客戶通信，則該網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)客戶做網(wǎng)關(guān)并執(zhí)行路由功能。而在Infrastructure模式中，每一個(gè)客戶將其通信報(bào)文發(fā)向AP.AP轉(zhuǎn)發(fā)所有的通信報(bào)文。這些報(bào)文可以是發(fā)往以太網(wǎng)的，也可以是發(fā)往無線網(wǎng)絡(luò)的。這是一種整合以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用模式。無線訪問節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)頻段管理及漫游等指揮工作。一個(gè)AP最多可連接1024個(gè)站點(diǎn)。四、機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（一）系統(tǒng)組成本項(xiàng)目中整個(gè)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)主要由本地監(jiān)控站及機(jī)房?jī)?nèi)各種智能設(shè)備、遠(yuǎn)程WEB(IE)瀏覽站組成。以下將進(jìn)行詳細(xì)介紹。機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-1所示：AccessPoint領(lǐng)導(dǎo)辦公室機(jī)房管理員內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)短信報(bào)警多媒體報(bào)警圖4.1AccessPoint領(lǐng)導(dǎo)辦公室機(jī)房管理員內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)短信報(bào)警多媒體報(bào)警1、本地監(jiān)控站本地監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控主機(jī)、智能采集模塊、協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、無線通信模塊、無線AP、智能設(shè)備等組成。在機(jī)房?jī)?nèi)配置1臺(tái)監(jiān)控主機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)所有被監(jiān)控設(shè)備環(huán)境的集中管理，接收各種實(shí)時(shí)信息、報(bào)警信息和視頻信息、顯示監(jiān)控畫面和視頻內(nèi)容、處理所有的報(bào)警信息、發(fā)送管理人員的控制命令、記錄報(bào)警事件，存儲(chǔ)及保存監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，完成各種控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)之間聯(lián)動(dòng)等。監(jiān)控主機(jī)與智能設(shè)備之間通過RS485、RS232、SNMP、TCP/IP，采用主從方式通過各種通訊協(xié)議相互通訊，取得各設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。為保障系統(tǒng)實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)采用多線程方式，同時(shí)與各端口的設(shè)備通訊，便于對(duì)事件的即時(shí)響應(yīng)。同時(shí)通過用戶的網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)把采集到數(shù)據(jù)打包送往監(jiān)控中心的管理站。2、遠(yuǎn)程WEB瀏覽站為了便于管理人員隨時(shí)隨地了解機(jī)房的實(shí)際工作狀況，實(shí)現(xiàn)管控一體化，系統(tǒng)提供內(nèi)嵌于IE瀏覽器的遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊,方便用戶的遠(yuǎn)程管理。系統(tǒng)可采用管理站或?yàn)g覽站的客戶軟件實(shí)時(shí)查看用戶的各分站點(diǎn)機(jī)房設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，還可方便地查看各分站點(diǎn)的實(shí)時(shí)視頻及歷史視頻，還可進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)功能。同時(shí)還利用最新的IE瀏覽器技術(shù)，及ACTIVE控件技術(shù)，直接支持遠(yuǎn)程瀏覽器WEB查看，管理人員無需安裝任何軟件，就可直接在任何計(jì)算機(jī)的瀏覽器中，查看各分機(jī)房的所有實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和視頻信息，畫面刷新速度將小于2S，可確保其實(shí)時(shí)性。因此管理人員將可以隨時(shí)隨地通過網(wǎng)絡(luò)，在WEB(IE)瀏覽器中，直接觀看監(jiān)控畫面，并且該監(jiān)控畫面與當(dāng)?shù)乇O(jiān)控站一致，可以通過該界面遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，同時(shí)遠(yuǎn)程瀏覽站也能分別瀏覽各機(jī)房的視頻信息。瀏覽站的主要功能是遠(yuǎn)程瀏覽功能，不進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等操作。3、監(jiān)控對(duì)象及內(nèi)容根據(jù)現(xiàn)今計(jì)算機(jī)通信機(jī)房和智能化環(huán)境設(shè)備機(jī)房需要，機(jī)房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)控內(nèi)容包括：機(jī)房動(dòng)力監(jiān)控、機(jī)房環(huán)境監(jiān)控、安保監(jiān)控等三大部分監(jiān)控。機(jī)房動(dòng)力監(jiān)控：市電輸入監(jiān)控、配電開關(guān)監(jiān)控、UPS監(jiān)控。機(jī)房環(huán)境監(jiān)控：精密空調(diào)監(jiān)控、溫濕度監(jiān)控、消防報(bào)警監(jiān)控。機(jī)房安保監(jiān)控：門禁管理監(jiān)控、紅外探測(cè)監(jiān)控。（二）智能采集模塊智能采集模塊用于采集及輸出模擬量、開關(guān)量等信號(hào)，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)信號(hào)，然后經(jīng)過信號(hào)處理模塊處理數(shù)據(jù)信號(hào)，并通過無線傳輸模塊經(jīng)過AP無線數(shù)據(jù)點(diǎn)將信號(hào)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)本地站，并接受現(xiàn)場(chǎng)本地站的控制信號(hào)輸出給相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行控制功能。智能模塊分為四種，即智能模擬量采集模塊，智能開關(guān)量采集模塊，智能控制輸出模塊。智能模塊采用IEEE802.1lb通訊接口，通過Wi-Fi技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。五、Wi-Fi技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、系統(tǒng)框圖室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的方式建立，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)無線智能采集節(jié)點(diǎn)而形成的網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)具有體積小、價(jià)廉、功耗低的特點(diǎn)，它們以特定的協(xié)議高效、穩(wěn)定、可靠地自組織起來，通過協(xié)同工作來完成某種特定的任務(wù)。各節(jié)點(diǎn)通過無線信道組成網(wǎng)絡(luò)化的分布式嵌入系統(tǒng)。圖5.1.1室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖5.1.1所示，網(wǎng)絡(luò)可以分為智能采集模塊、無線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊三個(gè)部分。智能采集模塊是由部署在某個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)及其相互間的信息傳輸協(xié)議組成，能夠?qū)^(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過一定的協(xié)議進(jìn)行傳輸，最終到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)接入通信模塊；無線通信模塊負(fù)責(zé)將接收到的傳感器數(shù)據(jù)通過Wi-FiAccessPoint無線接收設(shè)備，在IEEE802.1lb標(biāo)準(zhǔn)無線通信網(wǎng)絡(luò)無失真地傳送給需要這些數(shù)據(jù)的用戶；數(shù)據(jù)處理模塊與通信模塊相連，通過通信網(wǎng)絡(luò)接收傳感數(shù)據(jù)，完成對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)目標(biāo)的監(jiān)測(cè)、跟蹤及其它相關(guān)的應(yīng)用，此模塊的功能可在客戶端或者服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，根據(jù)具體的應(yīng)用執(zhí)行相應(yīng)的操作。2、環(huán)境節(jié)點(diǎn)模塊圖節(jié)點(diǎn)主要由電源供應(yīng)模塊、處理器模塊、智能采集模塊和無線通信模塊四部分組成，如圖5.1.2所示。傳感器傳感器AC/DC處理器存儲(chǔ)器網(wǎng)絡(luò)MAC 收發(fā)器電源供應(yīng)模塊智能采集模塊處理器模塊無線通信模塊智能采集模塊圖5.1.2 電源供應(yīng)模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供正常運(yùn)行所需要的能量，通常采用小型電池供電；處理器模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；智能采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，如配電柜、UPS、溫濕度、空調(diào)、消防報(bào)警器、門禁、紅外探測(cè)器等傳感器的信息經(jīng)過轉(zhuǎn)換，得到各種傳感器的數(shù)字信息，供處理器模塊進(jìn)行處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無線通信，交換控制信息和收發(fā)所采集到的數(shù)據(jù)。（二）硬件設(shè)計(jì)本課題需要完成基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制作，并以有無線的方式為上層應(yīng)用提供室內(nèi)定位所需要的RSSI值，如配電柜、UPS、溫濕度、空調(diào)、消防報(bào)警器、門禁、紅外探測(cè)器參數(shù)值。設(shè)計(jì)此傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺(tái)如圖5.2.1所示，圖5.2.1 1、 處理器模塊GS1010SoC是一個(gè)高度集成、超低功耗的無線片上系統(tǒng)，它包含一個(gè)802.11射頻前端、媒體控制器（MAC）和基帶處理器，片上Flash和片上SRAM，一個(gè)應(yīng)用處理器和豐富的I/O外設(shè)。選用GS1010作為此設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)，它將兩個(gè)ARM732位微處理器，384K閃存，224KSRAM，多種外圍電路，A/D，RTC和802.11無線芯片等全部設(shè)計(jì)成一只非常小的微型單芯片當(dāng)中，真正實(shí)現(xiàn)了Wi-Fi的單片機(jī)化、無線化、微型化，這樣可以使得我們采用GS1010來設(shè)計(jì)微型的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，以及像信用卡一樣薄的微型RFID電子標(biāo)簽。GS1010將IEEE802.11b/g需要的高頻部分電路全部集成到了電路內(nèi)部，從GS1010高頻輸出到天線之間，只需要一個(gè)濾波器件，就可以進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)設(shè)計(jì)。2、傳感器模塊本設(shè)計(jì)中采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11數(shù)字式傳感器，SHT11工作電壓范圍2.4~5.5V，通過串行時(shí)鐘線SCK和串行數(shù)據(jù)線SDA與GS1010的GPIO口相連進(jìn)行通信。應(yīng)用 GS1010的A53 和A57 管腳進(jìn)行編程操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)SHT11的控制，以讀寫溫濕度的數(shù)據(jù)。以濕度測(cè)量為例，測(cè)量命令的時(shí)序，如圖5.2.2所示。圖5.2.2SHT11測(cè)量命令時(shí)序圖3、無線通信模塊GS1010 內(nèi)部集成了WLAN子系統(tǒng)[6]，應(yīng)用內(nèi)部2.45GHz的RF收發(fā)器連接WLAN網(wǎng)絡(luò)并實(shí)現(xiàn)IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)據(jù)通信。GS1010芯片可以采用內(nèi)部或者外部的功率放大器兩種不同的模式，本設(shè)計(jì)中考慮到節(jié)點(diǎn)能耗和設(shè)計(jì)復(fù)雜性等方面，最終確定采用內(nèi)部功率放大器來驅(qū)動(dòng)RF信號(hào)的收發(fā)。4、配置模塊配置模塊用于對(duì)GS1010芯片的編程和調(diào)試。GS1010支持有線和無線兩種配置模式，在此僅介紹有線模式。有線模式下，應(yīng)用客戶端軟件 WildConfigurator 通過 RS-232 串口線纜連接GS1010節(jié)點(diǎn)，即可進(jìn)行程序的下載及內(nèi)存寄存器的配置等操作。其中，RS-232串口線纜采用FTDI公司生產(chǎn)的TTL-232R-3V3，是一種USB轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)TTL電平UART串口的線纜，其各信號(hào)的功能描述見表1所示。表1串行接口信號(hào)描述編號(hào)名稱類型功能描述1GNDGND設(shè)備接地管腳2CTS#Input清楚發(fā)送控制/握手信號(hào)3VCCOutput-5V電壓輸出4TXDOutput發(fā)送異步數(shù)據(jù)5RXDInput接受異步數(shù)據(jù)6RTS#Output請(qǐng)求發(fā)送控制/握手信號(hào)配置接口與GS1010的連接原理如圖5.2.4：圖5.2.4連接原理圖（三）軟件設(shè)計(jì)1、簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)中，采用GreenHills公司開發(fā)的uVelOSity實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperatingSystem,TOS），底層編寫傳感器設(shè)備驅(qū)動(dòng)，上層嵌入IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和系統(tǒng)I/O調(diào)用，從而在頂層做相關(guān)的應(yīng)用編程，最終通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為應(yīng)用程序提供諸如配電柜、UPS、溫濕度、空調(diào)、消防報(bào)警器、門禁、紅外探測(cè)器等傳感器參數(shù)及無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI等參數(shù)信息。2、軟件分布如圖5.3.2所示，節(jié)點(diǎn)軟件分為WLAN和APP兩部分。其中，WLAN軟件部分包括IEEE802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)的物理層、MAC層協(xié)議棧和系統(tǒng)的控制等；APP軟件即面向用戶的應(yīng)用軟件，包括一整套的應(yīng)用開發(fā)工具，如 uVelOSity 操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧和GainSpan提供的節(jié)點(diǎn)軟件等。系統(tǒng)上電后，BootROM中的程序首先運(yùn)行，經(jīng)過系統(tǒng)監(jiān)測(cè)和初始化之后，啟動(dòng)WLANCPU執(zhí)行與WLAN相關(guān)的操作，執(zhí)行完畢后，向APPCPU發(fā)出復(fù)位型號(hào)，啟動(dòng)APP程序并初始化uVelOSity操作系統(tǒng)內(nèi)核，然后即由操作系統(tǒng)來控制和管理應(yīng)用程序的執(zhí)行。圖5.3.2軟件分布圖3、軟件流程圖（1）節(jié)點(diǎn)第一次上電后，執(zhí)行冷啟動(dòng)(coldboot)，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中冷啟動(dòng)往往只執(zhí)行一次，除非切斷電源重新加電。冷啟動(dòng)后，系統(tǒng)初始化，然后加載 Flash 當(dāng)中的程序以執(zhí)行，完成這個(gè)過程之后，節(jié)點(diǎn)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，進(jìn)行WLAN網(wǎng)絡(luò)的連接。（2）節(jié)點(diǎn)連接上配置服務(wù)器后，在配置服務(wù)器上注冊(cè)本節(jié)點(diǎn)的信息，并允許此服務(wù)器向本節(jié)點(diǎn)發(fā)送配置信息或進(jìn)行節(jié)點(diǎn)軟件的升級(jí)操作。由于偵聽配置服務(wù)器的消息是需要耗費(fèi)電能的，所以設(shè)計(jì)中盡量減少偵聽配置消息的次數(shù)。（3）節(jié)點(diǎn)參數(shù)配置完畢后，執(zhí)行用戶程序UserAPP，例如讀取傳感器的 數(shù)據(jù)及接受信號(hào)強(qiáng)度RSSI值等信息，然后傳送到連接在IP網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)服務(wù)器。應(yīng)用程序執(zhí)行完畢后，UserAPP啟動(dòng)定時(shí)器，確定下一次應(yīng)用程序執(zhí)行的時(shí)間，然后進(jìn)入低能耗的待機(jī)狀態(tài)。由于節(jié)點(diǎn)連接WLAN網(wǎng)絡(luò)的過程功耗比較大，所以節(jié)點(diǎn)一旦接入網(wǎng)絡(luò)后，除非應(yīng)用需要，應(yīng)該盡量避免其重復(fù)接入。然后，考慮到很多AP接入點(diǎn)如果在一段時(shí)間內(nèi)(往往大于1分鐘)，沒有偵聽到節(jié)點(diǎn)的消息后會(huì)將記錄表中對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的記錄刪除，所以節(jié)點(diǎn)需要在一定的時(shí)間內(nèi)喚醒發(fā)送一個(gè)連接消息（LinkTrap），以維持節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)之間的連接。節(jié)點(diǎn)的軟件流程圖如圖5.3.3所示：圖5.3.3軟件流程圖4、室內(nèi)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)定位系統(tǒng)采用的是基于接收無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位。圖5.3.4為定位系統(tǒng)的框架圖。圖5.3.4定位系統(tǒng)框架圖需要在定位區(qū)域內(nèi)部署多個(gè)AP接入點(diǎn)，定位系統(tǒng)根據(jù)節(jié)點(diǎn)所觀測(cè)到的各個(gè)AP的無線信號(hào)強(qiáng)度RSSI值實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的定位功能。整個(gè)定位過程主要包括以下幾個(gè)步驟：（1）管理員向管理服務(wù)器發(fā)起對(duì)節(jié)點(diǎn)GSN1的定位請(qǐng)求；（2）管理服務(wù)器通過ID向節(jié)點(diǎn)GSN1發(fā)出RSSI觀測(cè)請(qǐng)求并進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)配置；（3）節(jié)點(diǎn)GSN1收到請(qǐng)求信息后，以一定的頻率收集所觀測(cè)的各AP的RSSI值，并發(fā)送到定位服務(wù)器以供定位計(jì)算；（4）定位服務(wù)器接收節(jié)點(diǎn)的RSSI觀測(cè)值，計(jì)算節(jié)點(diǎn)的位置信息，并將結(jié)果發(fā)送至管理服務(wù)器；（5）管理服務(wù)器向管理員匯報(bào)節(jié)點(diǎn)的位置信息。本設(shè)計(jì)中，應(yīng)用GS1010節(jié)點(diǎn)，收集部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)AP的RSSI信息，并通過WLAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到定位服務(wù)器。六、結(jié)束語目前，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣泛。但是相對(duì)于機(jī)電設(shè)