基于Win CE6.0的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐麗娜 郭志強(qiáng) 張鐵君

1吉林大學(xué)珠海學(xué)院 廣東 519041

2吉林大學(xué)通信工程學(xué)院 吉林 130012

0 前言

國際電信聯(lián)盟(ITU)發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告 2005：物聯(lián)網(wǎng)》一文中提出了物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things)一詞，將其定義為利用RFID和Internet構(gòu)建一個(gè)遍及全球、覆蓋世界上萬事萬物的網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的自動(dòng)識(shí)別和對(duì)物品屬性的互聯(lián)與共享。由于物聯(lián)網(wǎng)尚處于發(fā)展初期，目前國內(nèi)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的組建多局限于小規(guī)模范圍。

本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)Win CE6.0的物聯(lián)網(wǎng)組建方法，并以遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)驗(yàn)證該方法的可行性。遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)社區(qū)的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控。本設(shè)計(jì)采用的傳感器網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性能好，容易進(jìn)行擴(kuò)展，從而達(dá)到更多功能的監(jiān)測(cè)效果。同時(shí)使用 GPRS技術(shù)，管理者只要隨身帶一部手機(jī)或者本系統(tǒng)中的便攜式智能終端，就可以隨時(shí)隨地對(duì)社區(qū)進(jìn)行監(jiān)控。

1 系統(tǒng)方案

該系統(tǒng)由總控終端、主節(jié)點(diǎn)及普通節(jié)點(diǎn)模塊組成。其系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1和圖2所示。普通節(jié)點(diǎn)由傳感器網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)組成，負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)上報(bào)到所屬的區(qū)域監(jiān)控中心，區(qū)域監(jiān)控中心整理數(shù)據(jù)，將有用的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到系統(tǒng)中央監(jiān)控中心，即完成整個(gè)系統(tǒng)上報(bào)過程。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1.1 硬件平臺(tái)

系統(tǒng)的中央監(jiān)控中心設(shè)備CPU采用基于ARM 11的 S3C6410。S3C6410X是一個(gè)16/32位RISC微處理器，是韓國三星公司為移動(dòng)電話和通用產(chǎn)品設(shè)計(jì)的低成本、低功耗、高性能的應(yīng)用處理器方案。S3C6410X具有 64/32位內(nèi)部總線，由AXI/AHB/APB總線構(gòu)成，為3G應(yīng)該提供優(yōu)良的硬件性能。S3C6410X含有多個(gè)強(qiáng)大的硬件加速器，非常適合音視頻、2D圖形、顯示運(yùn)算等應(yīng)用。內(nèi)部集成的MFC(多格式CODEC)支持MPEG4/H.263/H.264的編解碼，這個(gè)硬件編解碼器支持實(shí)時(shí)視頻會(huì)議和電視輸出(NTSC和PAL制式)。3D圖形引擎(3D圖形硬件加速器)包含兩個(gè)可編程著色器(頂點(diǎn)著色器vertex shader和像素著色器pixel shader)，能加速OpenGL ES 1.1和1.2渲染繪圖。

系統(tǒng)的區(qū)域監(jiān)控中心設(shè)備采用STM32F103作為控制器。STM32F103增強(qiáng)型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的 RISC內(nèi)核，工作頻率為 72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。STM32F103xx增強(qiáng)型系列工作于-40℃至+105℃的溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。

系統(tǒng)采用XL02-232AP1微功率無線透明傳輸模塊，它是UART 接口半雙工無線傳輸模塊，可以工作在433MHz 公用頻段，采用高性能無線收發(fā)IC，抗干擾性好，通訊穩(wěn)定可靠。

1.2 軟件平臺(tái)

系統(tǒng)中央監(jiān)控中心采用了 Win CE6.0系統(tǒng)平臺(tái)。Win CE6.0是一種具有搶先式多任務(wù)功能與強(qiáng)大通信能力的嵌入式操作系統(tǒng)。根據(jù)其應(yīng)用環(huán)境的特點(diǎn)，Win CE6.0被設(shè)計(jì)成具有高度模塊化、良好實(shí)時(shí)性、強(qiáng)大通信能力、支持多種CPU的嵌入式操作系統(tǒng)。Win CE6.0具備完整的操作系統(tǒng)特性集包和端對(duì)端開發(fā)環(huán)境，它包括創(chuàng)建一個(gè)基于Windows的定制設(shè)備的強(qiáng)大聯(lián)網(wǎng)能力、強(qiáng)勁的實(shí)時(shí)性和小內(nèi)存體積占用以及豐富的多媒體和Web瀏覽功能。

系統(tǒng)的區(qū)域監(jiān)控中心采用 uCOSII的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。uCOSII具有多任務(wù)和實(shí)時(shí)性強(qiáng)的特點(diǎn)，因而適用于本系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)工作流程由兩部分組成，監(jiān)測(cè)工作流程和控制工作流程(如圖3、圖4所示)。

2.1 監(jiān)測(cè)工作流程

（1）普通節(jié)點(diǎn)先采集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器數(shù)據(jù)。

（2）普通節(jié)點(diǎn)通過無線發(fā)送數(shù)據(jù)到所屬的區(qū)域監(jiān)控中心。

（3）區(qū)域監(jiān)控中心收到采集數(shù)據(jù)后，集中發(fā)送到中央監(jiān)控中心。在發(fā)送過程中，首選采用433MHz無線通訊發(fā)送，當(dāng)該通訊無法鏈接時(shí)，則采取GPRS發(fā)送短信方式發(fā)送。

（4）中央監(jiān)控中心收到區(qū)域監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)后，根據(jù)實(shí)際情況顯示在屏幕上并報(bào)警。

圖3 監(jiān)測(cè)流程圖

2.2 控制工作流程

（1）系統(tǒng)管理員通過中央監(jiān)控中心輸入控制命令。

（2）中央監(jiān)控中心接收到管理員的命令后，轉(zhuǎn)換命令格式，發(fā)送命令到控制點(diǎn)所在的區(qū)域監(jiān)控中心。在發(fā)送過程中，首選采用433MHz無線通訊發(fā)送，當(dāng)該通訊無法鏈接時(shí)，則采取GPRS發(fā)送短信方式發(fā)送。

（3）區(qū)域監(jiān)控中心收到命令后，根據(jù)命令地址把命令轉(zhuǎn)發(fā)到普通節(jié)點(diǎn)。

（4）普通節(jié)點(diǎn)收到命令后，根據(jù)命令組成中的控制對(duì)象，去控制對(duì)象。

圖4 控制流程圖

3 實(shí)現(xiàn)原理

3.1 自適應(yīng)無線路由算法

為了構(gòu)建最優(yōu)最小延時(shí)的通訊網(wǎng)絡(luò)，本設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)無線路由算法，如圖5所示，流程如下：

（1）區(qū)域監(jiān)控中心發(fā)送基準(zhǔn)時(shí)間信息到各節(jié)點(diǎn)。

（2）區(qū)域監(jiān)控中心發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)。

（3）節(jié)點(diǎn)反饋接收到數(shù)據(jù)的時(shí)間給區(qū)域監(jiān)控中心。

（4）區(qū)域監(jiān)控中心根據(jù)收到的時(shí)間信息，將時(shí)延最小的節(jié)點(diǎn)Ni確定為第j個(gè)路由點(diǎn)Rj。

（5）重復(fù)步驟2至4，直到所有節(jié)點(diǎn)都被確定為路由點(diǎn)。

（6）把所確定的路由點(diǎn)，按順序記錄在路由表中。

圖5a 無線路由表的建立流程圖

圖5b 無線路由表的建立流程圖

3.2 區(qū)域節(jié)點(diǎn)間通訊實(shí)現(xiàn)原理

區(qū)域節(jié)點(diǎn)間的無線通訊是廣播的，因此必須要有一個(gè)規(guī)則，使所有網(wǎng)點(diǎn)間的通訊不會(huì)出現(xiàn)混亂。本設(shè)計(jì)采用自適應(yīng)無線路由算法來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)點(diǎn)間通訊。自上向下發(fā)信息時(shí)，區(qū)域監(jiān)控中心根據(jù)目的地址，查找路由表，找出區(qū)域監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)到目的地址的路徑，按照路由表路徑逐個(gè)節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù)，一直傳到目的地址為止。同理，自下向上發(fā)送信息時(shí)，也是如此(圖6)。

圖6 節(jié)點(diǎn)間通訊原理圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

通過遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式系統(tǒng)Win CE6.0的物聯(lián)網(wǎng)的組建。該遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空調(diào)控制，環(huán)境參數(shù)檢測(cè)，火災(zāi)預(yù)警，防盜預(yù)警，園林綠化自動(dòng)化等功能。圖7-圖10為該實(shí)例的實(shí)物圖。

圖7 節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

圖8 區(qū)域監(jiān)控中心實(shí)物圖

圖9 Win CE監(jiān)控中心界面

圖10 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物圖

5 結(jié)束語

本文梳理了物聯(lián)網(wǎng)的概念，結(jié)合嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提出了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法。詳細(xì)分析了物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)、各組成模塊的功能及系統(tǒng)的工作原理，以嵌入式系統(tǒng)Win CE6.0為平臺(tái)，介紹了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的組建方法，并以遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)例，驗(yàn)證了基于嵌入式系統(tǒng)Win CE6.0的物聯(lián)網(wǎng)組建方法的可行性。物聯(lián)網(wǎng)研究對(duì)我國在該領(lǐng)域自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的確定具有十分重要的意義，本文的研究成果對(duì)探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

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