黃小天，吳曉紅，吳小強，卿粼波

基于無線傳感器技術的實驗室監(jiān)控系統設計*

黃小天，吳曉紅，吳小強，卿粼波

（四川大學電子信息學院圖像信息研究所，四川成都610064）

設計了一種基于ZigBee無線傳感器技術與嵌入式Linux平臺的實驗室監(jiān)控系統。系統通過多種傳感器獲取實驗室的環(huán)境信息，并將信息通過ZigBee構建的無線網絡發(fā)送到嵌入式Linux平臺。嵌入式Linux平臺作為Web服務器將數據共享給局域網中的用戶計算機，達到監(jiān)控的目的。該系統具有結構靈活、運行穩(wěn)定、易于擴展等優(yōu)點。

無線傳感器技術；嵌入式平臺；Linux；安全監(jiān)控

0　引言

傳統的實驗室安全監(jiān)控系統一般是基于有線專用網絡來設計的，需要安裝專用的固定線路，這使得系統移動性差，不易擴展，同時系統的維護與更新也很不方便。無線傳感器技術恰好能夠解決這些問題。無線傳感器技術具有較低的系統成本、可靠的數據傳輸、極強的可擴展性等特點，這些特點均符合實驗室安全監(jiān)控網絡的設計要求，而且無線傳感器技術具備靈活的網絡結構，可以根據不同的應用場合調整網絡結構。ZigBee是一種新興的基于IEEE 802.15.4的無線網絡技術，具備網絡容量大、功耗低等優(yōu)點［1］。本文設計的實驗室監(jiān)控系統是以ZigBee技術和嵌入式Linux技術為基礎，實現對實驗室的安全監(jiān)控。該系統首先通過傳感器實時獲取實驗室的溫度、煙霧等環(huán)境數據，然后將這些信息經由ZigBee構建的無線網絡發(fā)送到嵌入式Linux平臺，用戶計算機可以通過B/S模式對嵌入式Linux平臺進行訪問，從而獲取監(jiān)控信息。系統結構如圖1所示。

圖1　系統結構圖

1　ZigBee無線傳感器網絡

1.1ZigBee網絡結構

ZigBee網絡是以單獨的節(jié)點為基礎，通過無線通信構成一個協同工作的網絡。ZigBee網絡中定義了三種功能不同的節(jié)點設備類型：協調器（Coordinator）、路由器（Router）和終端設備（End Device）［2］。一個ZigBee網絡中必須有一個協調器，它的功能是建立和管理整個網絡；路由器的主要功能是在其通信范圍內允許其他終端設備或者其他路由器加入網絡并轉發(fā)數據；終端設備與監(jiān)控傳感器連接，實現數據的采集和傳送。ZigBee網絡可以根據不同的情況構成三種不同的拓撲結構：星型、簇狀、網狀，如圖2所示。根據本系統具體的應用環(huán)境，簇狀網絡是最合適的選擇。

圖2　ZigBee網絡拓撲結構

1.2傳感器

傳感器位于整個系統的最末端，用于獲取實驗室的環(huán)境信息。系統選用溫度、紅外和煙霧三種傳感器。

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

紅外傳感器用于實驗室空閑無人的情況下監(jiān)測是否有人員非法闖入。當檢測到有人員位置移動時，紅外傳感器節(jié)點將向協調器發(fā)送觸發(fā)信號并由監(jiān)控終端發(fā)出報警信息。紅外傳感器由BISS0001［4］熱釋電紅外開關和LHI-778熱釋電紅外傳感器組合構成。LHI-778檢測到紅外輻射時會將其轉換為電信號送入BISS0001，BISS0001對輸入信號進行處理后會向終端節(jié)點輸出一個數字信號。

采用MQ-7氣敏傳感器作為本系統的煙霧傳感器，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，但在火災發(fā)生時其濃度會迅速上升，因此煙霧傳感器可以作為檢測火災的傳感器。

1.3節(jié)點硬件設計

ZigBee網絡中的協調器、路由器、終端三種設備的核心電路相同，均由MCU模塊、無線通信模塊和電源模塊構成其最小系統。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，它結合了一個高性能的射頻收發(fā)核心和一顆工業(yè)級的8051內核。CC2430功耗低，工作時電流損耗為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的抗干擾性能［5］。

CC2430是無線SoC設計，內部已經集成了大量電路，添加較少的外圍電路便可以實現無線收發(fā)功能［5］。根據功能的不同，協調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)點需增加傳感器模塊。節(jié)點硬件結構如圖3所示。

圖3　網絡節(jié)點硬件結構

1.4節(jié)點軟件設計

ZigBee網絡中節(jié)點之間通信遵循ZigBee協議棧。ZigBee協議棧的基礎是IEEE802.15.4，具體由物理層（PHY）、媒體接入控制層（MAC）、網絡層（NWK）和應用層（APL）4個子層構成。本系統中網絡節(jié)點的程序均是基于TI公司的Z-Stack協議棧開發(fā)的，為了實現各節(jié)點的功能，需要在ZigBee協議棧中添加特定的任務事件處理函數。

協調器一方面組建和管理ZigBee網絡，并與ZigBee網絡中其他路由器和終端節(jié)點通信，接收其發(fā)來的數據；另一方面通過串行通信接口與嵌入式Linux平臺通信。Coordinator_ProcessEvent（）是協調器的任務事件處理函數，程序流程如圖4所示。協調器開始運行后，首先初始化硬件和ZigBee協議棧并建立網絡，然后運行Coordinator_ProcessEvent（）函數。本系統中協調器的任務事件函數只需處理網絡狀態(tài)事件和數據接收事件。網絡構建成功后便會觸發(fā)網絡狀態(tài)事件，指示燈閃爍用以示意網絡建立成功；如果待處理事件是接收到的數據，則從數據中提取出傳感器的類型、數值等信息并將這些數據打包，然后通過串口將數據發(fā)送給嵌入式平臺。

圖4　Coordinator_ProcessEvent（）流程圖

終端設備將采集到的傳感器數據發(fā)送給路由器，其任務事件處理函數為End_ProcessEvent（），程序流程如圖5所示。終端設備開始運行后，首先初始化硬件和Zig-Bee協議棧，然后尋找并加入已經建立的網絡，成功加入網絡后觸發(fā)網絡狀態(tài)事件，在End_ProcessEvent（）中設置定時器從而周期性地觸發(fā)傳感器采集事件，定時器設定為1 s。

Coordinator_ProcessEvent（）是路由器的任務事件處理函數，負責將終端設備的數據轉發(fā)給協調器，其流程圖與終端設備相似。

圖5　End_ProcessEvent（）流程圖

2　嵌入式Linux平臺

嵌入式Linux平臺在本系統起到信息樞紐的作用，一方面通過串口接收協調器設備發(fā)來的數據，另一方面通過局域網將數據共享給用戶計算機。

2.1嵌入式平臺硬件設計

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。S3C2440A是以ARM920T為核心，具備16 KB的數據緩存和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。本系統構建的嵌入式平臺硬件結構如圖6所示。系統主要由處理器、32 MB SDRAM、32 MB Nand Flash、串口、網絡接口等模塊組成。

圖6　嵌入式平臺硬件結構框圖

硬件系統搭建完成后，將Bootloader和Linux內核燒寫到Flash中，上電后Bootloader完成系統初始化，將Linux拷貝并解壓到SDRAMD中適當的位置，然后直接跳到Linux的入口點即可使系統運行起來［7］。

2.2Linux應用程序設計

為了通過B/S模式實現數據在局域網中的共享，需要在嵌入式平臺上搭建Web服務器。Boa是一種小型的Web服務器，源代碼開放，所需運行空間小，在嵌入式開發(fā)中很常見。Boa是單任務的Web服務器，工作時依次完成用戶的請求，但Boa能夠為CGI程序創(chuàng)建新進程。Boa處理速度快，占用資源少，符合本系統的需求?？梢詮木W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服務器的搭建。

嵌入式Linux平臺上還需要運行兩個進程：串口數據接收進程和CGI進程。這兩個進程通過共享內存的方式實現通信，使用信號量實現各個進程對共享內存的互斥訪問。

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

嵌入式平臺的Web服務器運行起來后，便開始等待客戶端的請求。服務器收到請求后，調用fork（）創(chuàng)建一個子進程，在子進程上下文中調用execve（）運行CGI進程。CGI流程如圖8所示，首先將串口接收進程創(chuàng)建的共享內存映射到自己的地址空間，獲取串口接收進程創(chuàng)建的信號量，然后讀取環(huán)境變量QUERY_STRING中的參數，對參數據進行判斷，若參數為“Start_Monitoring”，則在獲取到共享內存資源后讀出所需信息。如果發(fā)現有任何數據超過閾值，則設置報警信息，接著更新瀏覽器頁面，顯示監(jiān)控數據和報警信息。顯示完成之后調用sleep（）函數，將進程掛起1 s，然后重復上述過程。

圖7　串口接收程序流程圖

圖8　CGI流程圖

3　系統測試

系統測試以三個實驗室為例進行，每個實驗室配備溫度、紅外、煙霧三種傳感器終端節(jié)點。系統搭建完成并運行起來后，打開用戶計算機上的瀏覽器，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驗室的狀態(tài)信息，每隔1 s刷新一次數據。在各個實驗室中，采用人工干預的方式依次觸發(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。經過大量測試，系統工作正常，滿足設計需求。

4　結論

本文以ZigBee無線傳感器技術為基礎，并結合嵌入式Linux平臺，設計了實驗室監(jiān)控系統，克服了傳統安全監(jiān)控系統自由度低，不易擴展、維護與更新等缺點。同時，系統還具有網絡結構靈活、低功耗、易于擴展等特點，采用B/S模式使得局域網中的計算機用戶都能實時掌握傳感器網絡采集的數據，從而大大提高了系統的監(jiān)控性能。本系統雖然是以實驗室為背景設計的，但是同樣適用于其他需要安全監(jiān)控的場合。

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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，移動通信網絡。

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（1969-），男，副教授，主要研究方向：圖像處理，數據庫系統，嵌入式系統。