黃小天，吳曉紅，吳小強(qiáng)，卿粼波

基于無線傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

黃小天，吳曉紅，吳小強(qiáng)，卿粼波

（四川大學(xué)電子信息學(xué)院圖像信息研究所，四川成都610064）

設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee無線傳感器技術(shù)與嵌入式Linux平臺的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過多種傳感器獲取實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息，并將信息通過ZigBee構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到嵌入式Linux平臺。嵌入式Linux平臺作為Web服務(wù)器將數(shù)據(jù)共享給局域網(wǎng)中的用戶計(jì)算機(jī)，達(dá)到監(jiān)控的目的。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靈活、運(yùn)行穩(wěn)定、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

無線傳感器技術(shù)；嵌入式平臺；Linux；安全監(jiān)控

0　引言

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)一般是基于有線專用網(wǎng)絡(luò)來設(shè)計(jì)的，需要安裝專用的固定線路，這使得系統(tǒng)移動性差，不易擴(kuò)展，同時(shí)系統(tǒng)的維護(hù)與更新也很不方便。無線傳感器技術(shù)恰好能夠解決這些問題。無線傳感器技術(shù)具有較低的系統(tǒng)成本、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、極強(qiáng)的可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)均符合實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要求，而且無線傳感器技術(shù)具備靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。ZigBee是一種新興的基于IEEE 802.15.4的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備網(wǎng)絡(luò)容量大、功耗低等優(yōu)點(diǎn)［1］。本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)是以ZigBee技術(shù)和嵌入式Linux技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)室的安全監(jiān)控。該系統(tǒng)首先通過傳感器實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)室的溫度、煙霧等環(huán)境數(shù)據(jù)，然后將這些信息經(jīng)由ZigBee構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到嵌入式Linux平臺，用戶計(jì)算機(jī)可以通過B/S模式對嵌入式Linux平臺進(jìn)行訪問，從而獲取監(jiān)控信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1　ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

1.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)是以單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)，通過無線通信構(gòu)成一個(gè)協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中定義了三種功能不同的節(jié)點(diǎn)設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設(shè)備（End Device）［2］。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器，它的功能是建立和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)；路由器的主要功能是在其通信范圍內(nèi)允許其他終端設(shè)備或者其他路由器加入網(wǎng)絡(luò)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)；終端設(shè)備與監(jiān)控傳感器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳送。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的情況構(gòu)成三種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型、簇狀、網(wǎng)狀，如圖2所示。根據(jù)本系統(tǒng)具體的應(yīng)用環(huán)境，簇狀網(wǎng)絡(luò)是最合適的選擇。

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2傳感器

傳感器位于整個(gè)系統(tǒng)的最末端，用于獲取實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境信息。系統(tǒng)選用溫度、紅外和煙霧三種傳感器。

溫度傳感器用于獲取實(shí)驗(yàn)室的溫度信息，選用DS18B20［3］，其內(nèi)部已經(jīng)集成了傳感器元件及轉(zhuǎn)換電路，其溫度測量范圍是-55℃～+125℃，滿足實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控的要求。

紅外傳感器用于實(shí)驗(yàn)室空閑無人的情況下監(jiān)測是否有人員非法闖入。當(dāng)檢測到有人員位置移動時(shí)，紅外傳感器節(jié)點(diǎn)將向協(xié)調(diào)器發(fā)送觸發(fā)信號并由監(jiān)控終端發(fā)出報(bào)警信息。紅外傳感器由BISS0001［4］熱釋電紅外開關(guān)和LHI-778熱釋電紅外傳感器組合構(gòu)成。LHI-778檢測到紅外輻射時(shí)會將其轉(zhuǎn)換為電信號送入BISS0001，BISS0001對輸入信號進(jìn)行處理后會向終端節(jié)點(diǎn)輸出一個(gè)數(shù)字信號。

采用MQ-7氣敏傳感器作為本系統(tǒng)的煙霧傳感器，該傳感器對一氧化碳的檢測靈敏度較高。一氧化碳的濃度在一般情況下很低，但在火災(zāi)發(fā)生時(shí)其濃度會迅速上升，因此煙霧傳感器可以作為檢測火災(zāi)的傳感器。

1.3節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種設(shè)備的核心電路相同，均由MCU模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成其最小系統(tǒng)。本文采用TI公司開發(fā)的滿足一體化ZigBee解決方案的CC2430芯片，它結(jié)合了一個(gè)高性能的射頻收發(fā)核心和一顆工業(yè)級的8051內(nèi)核。CC2430功耗低，工作時(shí)電流損耗為27 mA，電壓范圍較寬（2.0～3.6 V），工作頻帶范圍為2.400～2.483 5 GHz，具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性能［5］。

CC2430是無線SoC設(shè)計(jì)，內(nèi)部已經(jīng)集成了大量電路，添加較少的外圍電路便可以實(shí)現(xiàn)無線收發(fā)功能［5］。根據(jù)功能的不同，協(xié)調(diào)器需增加與嵌入式平臺通信的串行通信電路，終端傳感器節(jié)點(diǎn)需增加傳感器模塊。節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)

1.4節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間通信遵循ZigBee協(xié)議棧。ZigBee協(xié)議棧的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，具體由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）4個(gè)子層構(gòu)成。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的程序均是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)的，為了實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的功能，需要在ZigBee協(xié)議棧中添加特定的任務(wù)事件處理函數(shù)。

協(xié)調(diào)器一方面組建和管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中其他路由器和終端節(jié)點(diǎn)通信，接收其發(fā)來的數(shù)據(jù)；另一方面通過串行通信接口與嵌入式Linux平臺通信。Coordinator_ProcessEvent（）是協(xié)調(diào)器的任務(wù)事件處理函數(shù)，程序流程如圖4所示。協(xié)調(diào)器開始運(yùn)行后，首先初始化硬件和ZigBee協(xié)議棧并建立網(wǎng)絡(luò)，然后運(yùn)行Coordinator_ProcessEvent（）函數(shù)。本系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器的任務(wù)事件函數(shù)只需處理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件和數(shù)據(jù)接收事件。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功后便會觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件，指示燈閃爍用以示意網(wǎng)絡(luò)建立成功；如果待處理事件是接收到的數(shù)據(jù)，則從數(shù)據(jù)中提取出傳感器的類型、數(shù)值等信息并將這些數(shù)據(jù)打包，然后通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給嵌入式平臺。

圖4　Coordinator_ProcessEvent（）流程圖

終端設(shè)備將采集到的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給路由器，其任務(wù)事件處理函數(shù)為End_ProcessEvent（），程序流程如圖5所示。終端設(shè)備開始運(yùn)行后，首先初始化硬件和Zig-Bee協(xié)議棧，然后尋找并加入已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)，成功加入網(wǎng)絡(luò)后觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)事件，在End_ProcessEvent（）中設(shè)置定時(shí)器從而周期性地觸發(fā)傳感器采集事件，定時(shí)器設(shè)定為1 s。

Coordinator_ProcessEvent（）是路由器的任務(wù)事件處理函數(shù)，負(fù)責(zé)將終端設(shè)備的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，其流程圖與終端設(shè)備相似。

圖5　End_ProcessEvent（）流程圖

2　嵌入式Linux平臺

嵌入式Linux平臺在本系統(tǒng)起到信息樞紐的作用，一方面通過串口接收協(xié)調(diào)器設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)，另一方面通過局域網(wǎng)將數(shù)據(jù)共享給用戶計(jì)算機(jī)。

2.1嵌入式平臺硬件設(shè)計(jì)

嵌入式平臺主控芯片選用Samsung公司的S3C2440A微處理器，該處理器具有功耗低、性能高等特點(diǎn)。S3C2440A是以ARM920T為核心，具備16 KB的數(shù)據(jù)緩存和16 KB的指令緩存以及MMU［6］。該芯片集成了外部存儲控制器、LCD控制器、4通道DMA、3通道UART等片上資源。本系統(tǒng)構(gòu)建的嵌入式平臺硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。系統(tǒng)主要由處理器、32 MB SDRAM、32 MB Nand Flash、串口、網(wǎng)絡(luò)接口等模塊組成。

圖6　嵌入式平臺硬件結(jié)構(gòu)框圖

硬件系統(tǒng)搭建完成后，將Bootloader和Linux內(nèi)核燒寫到Flash中，上電后Bootloader完成系統(tǒng)初始化，將Linux拷貝并解壓到SDRAMD中適當(dāng)?shù)奈恢?，然后直接跳到Linux的入口點(diǎn)即可使系統(tǒng)運(yùn)行起來［7］。

2.2Linux應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

為了通過B/S模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在局域網(wǎng)中的共享，需要在嵌入式平臺上搭建Web服務(wù)器。Boa是一種小型的Web服務(wù)器，源代碼開放，所需運(yùn)行空間小，在嵌入式開發(fā)中很常見。Boa是單任務(wù)的Web服務(wù)器，工作時(shí)依次完成用戶的請求，但Boa能夠?yàn)镃GI程序創(chuàng)建新進(jìn)程。Boa處理速度快，占用資源少，符合本系統(tǒng)的需求?？梢詮木W(wǎng)站www.boa.org獲取Boa的源碼，然后將其解壓并移植［8］到嵌入式平臺，完成Web服務(wù)器的搭建。

嵌入式Linux平臺上還需要運(yùn)行兩個(gè)進(jìn)程：串口數(shù)據(jù)接收進(jìn)程和CGI進(jìn)程。這兩個(gè)進(jìn)程通過共享內(nèi)存的方式實(shí)現(xiàn)通信，使用信號量實(shí)現(xiàn)各個(gè)進(jìn)程對共享內(nèi)存的互斥訪問。

串口接收進(jìn)程的程序流程如圖7所示。首先創(chuàng)建鍵值為sem_key的共享內(nèi)存和鍵值為shm_key的信號量，然后進(jìn)程開始監(jiān)聽串口數(shù)據(jù)；接收到數(shù)據(jù)后，獲取shm_key信號量，保證進(jìn)程對共享內(nèi)存的互斥訪問，然后將數(shù)據(jù)寫入到共享內(nèi)存中，釋放shm_key信號量，之后繼續(xù)監(jiān)聽串口。

嵌入式平臺的Web服務(wù)器運(yùn)行起來后，便開始等待客戶端的請求。服務(wù)器收到請求后，調(diào)用fork（）創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程，在子進(jìn)程上下文中調(diào)用execve（）運(yùn)行CGI進(jìn)程。CGI流程如圖8所示，首先將串口接收進(jìn)程創(chuàng)建的共享內(nèi)存映射到自己的地址空間，獲取串口接收進(jìn)程創(chuàng)建的信號量，然后讀取環(huán)境變量QUERY_STRING中的參數(shù)，對參數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若參數(shù)為“Start_Monitoring”，則在獲取到共享內(nèi)存資源后讀出所需信息。如果發(fā)現(xiàn)有任何數(shù)據(jù)超過閾值，則設(shè)置報(bào)警信息，接著更新瀏覽器頁面，顯示監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息。顯示完成之后調(diào)用sleep（）函數(shù)，將進(jìn)程掛起1 s，然后重復(fù)上述過程。

圖7　串口接收程序流程圖

圖8　CGI流程圖

3　系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試以三個(gè)實(shí)驗(yàn)室為例進(jìn)行，每個(gè)實(shí)驗(yàn)室配備溫度、紅外、煙霧三種傳感器終端節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)搭建完成并運(yùn)行起來后，打開用戶計(jì)算機(jī)上的瀏覽器，在URL中輸入嵌入式Linux平臺的IP地址，即可訪問本系統(tǒng)的Web監(jiān)控頁面，如圖9所示。

圖9　監(jiān)控頁面

瀏覽器頁面中顯示實(shí)驗(yàn)室的狀態(tài)信息，每隔1 s刷新一次數(shù)據(jù)。在各個(gè)實(shí)驗(yàn)室中，采用人工干預(yù)的方式依次觸發(fā)溫度、紅外、煙霧傳感器后，監(jiān)控頁面刷新之后便會用紅色字體顯示出異常信息。經(jīng)過大量測試，系統(tǒng)工作正常，滿足設(shè)計(jì)需求。

4　結(jié)論

本文以ZigBee無線傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)，并結(jié)合嵌入式Linux平臺，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)室監(jiān)控系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)安全監(jiān)控系統(tǒng)自由度低，不易擴(kuò)展、維護(hù)與更新等缺點(diǎn)。同時(shí)，系統(tǒng)還具有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活、低功耗、易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，采用B/S模式使得局域網(wǎng)中的計(jì)算機(jī)用戶都能實(shí)時(shí)掌握傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，從而大大提高了系統(tǒng)的監(jiān)控性能。本系統(tǒng)雖然是以實(shí)驗(yàn)室為背景設(shè)計(jì)的，但是同樣適用于其他需要安全監(jiān)控的場合。

［1］鐘勇鋒，劉永俊.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2011.

［2］賀志楠，宋旭文，沈冬冬，等.ZigBee家庭組網(wǎng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)［J］.電子科技，2014，27（8）：36-39.

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［5］李文仲，段朝玉.ZigBee2006無線網(wǎng)絡(luò)與無線定位實(shí)戰(zhàn)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［6］Samsung Electronics Co.，Ltd.S3C2440A 32-bit RISC Microprocessor User′s Manual（Preliminary）Revison 0.12［S］. 2004.

［7］韋東山.嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)完全手冊［M］.北京：人民郵電出版社，2008.

［8］王建敏，魏海波.基于Linux3.0.1和S3C6410的智能家居控制系統(tǒng)的嵌入式Web服務(wù)器的移植和應(yīng)用［J］.江西科技師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（6）：95-99.

Design o f security monitoring system for laboratory based on embedded p latform and the w ireless sensor technology

Huang Xiaotian，Wu Xiaohong，Wu Xiaoqiang，Qing Linbo

（Image Information Institute，School of Electronics and Information Engineering，Sichuan University，Chengdu 610064，China）

A design of security monitoring system for laboratory based on wireless sensor technology and embedded platform is proposed.The environmental information of the laboratory was acquired through various kinds of sensors，which were sent to the Linux embedded platform through the ZigBee wireless network.The Linux embedded platform worked as the Web Server and shared the environmental parameters with the computer in the local area network.This system is stable，flexible and easy to expand.

wireless sensor technology；embedded platform；Linux；security monitoring

TP303

A

1674-7720（2015）04-0004-04

國家自然科學(xué)基金（61201388）

（2014-10-27）

黃小天（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)，移動通信網(wǎng)絡(luò)。

吳曉紅（1970-），通信作者，女，副教授，主要研究方向：圖像處理與模式識別。E-mail：wxh@scu.edu.com。

吳小強(qiáng)（1969-），男，副教授，主要研究方向：圖像處理，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)。