湯莉莉 王紅心 張卓 王泉濤 劉進

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展，它逐漸被應用于各行各業(yè)，甚至人們的生活中。本設計是把物聯(lián)網(wǎng)技術應用于實驗儀器智能化管理上，以移植了嵌入式Linux系統(tǒng)的主板為管理平臺；向下通過RS232、485、USB、WLAN等接口，連接到各種電子實驗儀器，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)或無線傳輸模塊，根據(jù)定義的通信協(xié)議，與PC客戶端交互，實施授權管理和狀態(tài)檢測。該設計提出了一種新的思路，或為今后實驗室儀器智能化管理提供一定的參考價值。

關鍵詞：嵌入式 ARM Linux操作系統(tǒng) 數(shù)據(jù)結構 Linux網(wǎng)絡編程 串口通信

中圖分類號：TP399；TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）12（c）-0018-02

“物聯(lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎上，將其用戶端延伸和擴展到任何物品與物品之間，進行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡概念。物聯(lián)網(wǎng)技術現(xiàn)已廣泛應用于醫(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。

目前本科階段學生實踐能力的培養(yǎng)主要是在院校實驗室內(nèi)進行，各院校為緊跟社會需求，在學生實踐能力的培養(yǎng)上花費了大量人力和物力，采購了大量的實驗器材，但往往器材采購后，由于人力有限，加上不能對設備直接進行實時管理，資源利用率并不高，只有為數(shù)不多的實驗室對部分學生開放，而且需要配備相當?shù)娜肆?。通過引入最新的物聯(lián)網(wǎng)技術，構建一個實驗儀器智能管理平臺系統(tǒng)，通過這個平臺，可以實時的監(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)配實驗室資源、及時報告存在故障的儀器、認定儀器損壞的責任，最終達到減少人力投入和提高使用效率的目的。

1 硬件設計要求與方案選擇

該設計主要的硬件選擇就取決于采用何種芯片的開發(fā)板平臺，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，避免浪費資源。

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

（5）選用的開發(fā)板平臺，要實用，但價格不能太昂貴。

鑒于以上的要求，首先考慮ARM系列開發(fā)板平臺，雖然最新的Cortex系列應用廣泛，但考慮到開發(fā)難易度，價格因素，該設計選擇了一款以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 移植重難點分析

移植的重難點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，使這個通用的u-boot能夠更好地支持我們主板的芯片，能夠啟動它[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u-boot下載到FLASH上完成整個燒寫，啟動系統(tǒng)。

3 軟件系統(tǒng)設計

此管理平臺核心為各軟件模塊的設計，以RS232作為數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)關服務器作為橋梁、PC作為客戶端，實施監(jiān)控與管理。

3.1 USB-RS232驅(qū)動加載

內(nèi)核模塊有動態(tài)與靜態(tài)加載，由于驅(qū)動模塊加載到內(nèi)核會一直用到，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)關服務器程序

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

根據(jù)網(wǎng)關服務器要實現(xiàn)的功能，把編寫代碼分為3個模塊[4]，各模塊之間的關系如下圖所示，3個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)實服務器功能的核心。

如下圖所示，服務器端程序啟動后，在主程序中，先創(chuàng)建鏈表[5-6]，為后面存儲數(shù)據(jù)做準備；再初始化串口，創(chuàng)建兩個線程，最后一直向串口中寫數(shù)據(jù)；在主程序中創(chuàng)建的線程，一個實現(xiàn)TCP服務，一個監(jiān)測，讀串口數(shù)據(jù)。在TCP服務中，實際是一個用select輪詢實現(xiàn)的并發(fā)的服務器，可以同時接受多個客戶端的請求。

3.3 客戶端（PC端）程序開發(fā)

客戶端程序，相對于網(wǎng)關服務器的程序來說，簡單很多，整個程序的執(zhí)行流程都是單線程，客戶端端程序和TCP服務端的程序很相似，執(zhí)行流程也大致一直。先創(chuàng)建socket套接字；填充socket，主要填寫服務端的IP地址，和連接端口號。綁定bind操作，在客戶端上，可有可無，但在服務端，必須要做，否則客戶端無法連接。接下來就是客戶端connect操作，請求連接服務器，連接成功，進行通信。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 Linux系統(tǒng)啟動調(diào)試

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

（2）結果：經(jīng)調(diào)試，移植到板子上的Linux系統(tǒng)可以正常啟動，能正常掛載根文件系統(tǒng)。啟動中沒有出現(xiàn)kernel panic 和kernel dump的系統(tǒng)錯誤。

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)動后，打開putty，進行相關設置。經(jīng)調(diào)試，Linux啟動后，用USB-RS232串口線連接示波器，系統(tǒng)能識別。在管理平臺上運行server程序，并打開示波器的電源，終端上就可以打印出來。

4.3 TCP服務模塊調(diào)試

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

4.4 聯(lián)合調(diào)試

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

5 結語

該實驗儀器管理平臺能夠獲取示波器啟動時的信息和運行狀態(tài)，并且存儲起來；位于PC上的客戶端，可以通過TCP服務訪問管理平臺，得到想要的數(shù)據(jù)。另外，其PC客戶端可跨平臺，解決了單平臺Linux的局限性。在局域網(wǎng)的所有PC都能訪問管理平臺，獲取實驗儀器的使用情況，能多個客戶端通信，還可以實時顯示實驗室監(jiān)控畫面。

實現(xiàn)了管理平臺的基本功能，完成了物聯(lián)網(wǎng)嵌入式技術在實驗儀器智能化管理上的應用的實物模型驗證，或為高校實驗儀器智能化管理提出一種新的思路，同時為未來的管理智能化提供一定的參考價值。

參考文獻

[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：清華大學出版社，2010.

[3] 宋寶華.Linux設備驅(qū)動開發(fā)詳解[M].北京：人民郵電出版社，2010

[4] 譚浩強.C語言程序設計（第四版）[M].北京：清華大學出版社，2012.

[5] 程杰.大話數(shù)據(jù)結構[M].北京：清華大學出版社，2011.

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