嵌入式服務器在無線傳感器網絡中的應用

童喜 武俊

摘 要：文章首先簡要分析了在無線信號傳感器應用網絡中研究選擇和設計使用各種嵌入式無線服務器的具體方法，論證其可行性與必要性，然后就使用嵌入式無線服務器的軟硬件結構選擇以及方法特點進行了簡單的理論研究、結果分析和實例說明。

關鍵詞：無線互聯網;無線嵌入式;無線網絡傳感器

0 引言

隨著傳感器網絡技術的不斷進步和發展，其應用范圍也越來越廣泛，無線傳感器網絡也從早期的戰場監視等軍事應用;領域逐步向環境與生態監視、健康保護、家居自動化以及交通管理與控制等民用領域方向發展。這些嵌入式網絡服務器已經能夠迅速地自動處理無線網絡傳感器應用網絡的所有數據信息，并同時加強對無線網絡傳感器應用網絡的實時監控。無線數據傳感器網絡主要指的是一種利用計算機網絡技術、傳感器處理技術、通信處理技術、網絡通信工程學等多種綜合手段獲取信息和實時處理海量數據的一種技術手段。

1 無線傳感器網絡

無線傳感器網絡是一種將數以萬計傳感器節點按照各種自由式的方法對其進行組織或者相互結合所形成的網絡。構成傳感器節點的各個單元主要包括：數據采集、數字化傳輸、數據處理、單元及其他能源的供給[1]。無線傳感器網絡當中的節點大致可以劃分為兩種，一種是匯聚節點，一種是傳感器節點。匯聚節點主要是指網關系統能夠在各個傳感器的節點當中將錯誤報告數據從網絡上剔除，并與網絡上相關的報告數據進行融合，對已經發生的事故進行預警和判斷。匯聚節點和用戶節點之間的連接可以借助于廣域網絡或者衛星，并對收集到的數據實時地進行處理。

1.1 傳感器網絡的發展

早在20世紀70年代，我國開始出現了直接采用數字點對點的傳輸方式進行傳輸、鏈接數字傳感器和控制器而逐步形成的數字傳感器傳輸網絡的技術雛形，其被稱為第一代數字傳感器傳輸網絡。隨著傳感器處理學科的不斷發展以及信息技術的不斷進步，傳感器處理網絡同時也逐漸具有了對多種重要信息和復雜數據的同時獲取和數據處理的能力，并且這個網絡可以直接通過與多種傳感器微控制器交互相連，組成了一個可以同時獲取多種信息，具有多種數據處理綜合能力的第二代新型傳感器處理網[2]。而從20世紀末以來，現場傳感器和總線網絡技術逐步發展，廣泛應用于各類現場傳感器和總線網絡，人們甚至可以通過利用其他的技術手段來直接設計和組建一個更加智能化的現場傳感器和總線網絡。大量的多功能現場傳感器被廣泛地投入和運用，并且可以直接利用無線通信的技術進行網絡的連接，傳感器總線的網絡也在逐漸形成。普遍認為無線傳感器應用網絡的基本概念及其技術發展史，大致可劃分成以下幾個階段：無線傳感器應用網絡—有線傳感器—無線網絡傳感器—系列無線傳感器應用網絡。

1.2 傳感器網絡的體系結構

無線傳感器網絡系統通常包括傳感器節點、匯聚節點和管理節點。大量傳感器節點隨機部署在監測區域內部或附近，能夠通過一種自發或組織的網絡方式將其統一起來并構成一個新的網絡[3]。傳感器的數據節點需要監控的一個數據，沿著其他一個傳感器數據節點的逐次追跳線路進行多次的傳輸。在整個過程中，所謂的一個節點需要跟蹤傳輸的一個數據，很大概率可能被多個的數據節點一起跟蹤并進行逐次追跳處理。經過多次的逐跳后，一個路由器將會得到一個節點的位置，可以匯聚的是數據節點，最后再通過一個互聯網或者一個衛星網絡連接器來到達一個需要進行管理的節點。用戶同時可以通過實時監控多個節點任務，同時實現對運動傳感器監控網絡的實時配置與運行管理，發布相關監控節點任務和實時采集相關監控節點數據。

（1）大量的節點傳感器運動節點被隨機自動部署，通過各種自動和組織的運動方式建立組合，形成一個對于特定目標的運動感覺場和視場。傳感兩個節點被本地檢測接收到的兩個目標傳感信號在本地簡單進行處理之后，通過連接相鄰相同傳感兩個節點的多字串跳線將數據傳遞運輸給未被觀測到的節點。用戶和其他遠程無線任務系統管理工作單位之間可以通過外部無線網絡，例如無線衛星網絡通信無線網絡或者因特網，與各個網絡節點之間進行無線互動。觀察數據節點將網絡傳感器向節點網絡控制發出節點查詢數據要求和網絡控制指令，接收器得到由網絡傳感器觀察節點數據返回的關于觀察節點目標值的數據。

（2）傳感器的節點必須具有原始數據采集、本土化和網絡信息處理、無線數據傳輸及與其他節點之間進行數據協同和工作的技術能力，依據實際應用的要求，有可能會自己攜帶定位、能源供給補充或移動等功能。

（3）目標性是指一個網絡中最能夠對其產生興趣的物體和它們所屬的性質，有時還可能會專門用來指某一種類型的信號源。傳感器的節點可以通過接收到目標發射熱、紅外、聲吶、雷達或者震動等信號，獲得目標溫度、光強度、噪聲、壓力、行駛方向或轉移速度等數據和屬性。傳感節點對于一個網絡中感興趣的節點所進行的信息采集和獲取的范圍被稱為這個節點的感覺視場，網絡中所有的節點和感覺視場的整個集合被統稱為這個節點網絡的感覺視場。例如，當一個傳感節點在檢測所得到的目標信息量遠遠大于設定的閥值，必須要將其提交給觀察節點上時，被稱為有效的節點。

2 嵌入式系統與嵌入式服務器

2.1 嵌入式系統

嵌入式操作系統主要特點是以嵌入式操作程序的架構設計理論為其技術核心，以充分結合現代電子計算機工程科學和現代信息網絡技術不斷發展作為主要理論和技術依據，能夠根據不同行業和用戶的不同要求（主要內容包括操作程序系統的功能、可靠性、成本、體積、功耗、環境等）而進行靈活地設計和裁剪軟硬件的應用模塊。

2.2 嵌入式操作系統

從外部的特征上來說，一個基于嵌入式的系統通常被認為是一個功能完善、幾乎不需要依賴其他外部設備或者裝置就能夠獨立地運行的軟、硬件相互集成的系統。

嵌入式計算系統最核心的一個基本層次架構是作為中央處理控制單元的組成部分，包含了中央運算器和中央控制器兩個模塊，在CPU的架構基礎上進一步分別搭配上了中央存儲器接口模塊、電源模塊、復位控制模塊等，基本構成了最小計算系統。由于現代信息科學和技術的不斷發展和信息化技術的進步，集成電路的主要產品制造者通常每年都會把許多其他外設元件都全部安裝在同一個小型集成電路中，在實際的應用中就更加便捷，這樣的一個集成芯片通常被稱為集成微控制器。在目前所有傳統的嵌入式微控制器模塊基礎上進一步拓展和擴寬了所有的電源、輸出電流傳感、輸入電壓檢測、執行器控制模塊以及配套的控制軟件，并且可以使其組合成一個能夠具有特殊控制功能的完整控制單元，被稱之為一個新型嵌入式操作系統或一個新型嵌入式應用。

2.3? 硬件結構

雖然各種具體的嵌入式系統在其功能、外觀以及用戶界面、運行方式等各個環節上都不一樣，甚至千差萬別，但基本的硬件架構卻是大同小異的，而且它們與普通計算機的軟硬件系統具有很高的相似性。嵌入式系統的軟硬件部分雖然設計上看起來與其他通用計算機系統的軟件部分相比沒有什么區別，也由處理器、內部存儲裝置、外部設備、I/O接口、圖形控制器等部分共同構成，但是由于嵌入式系統在實際應用中的獨特性致使其嵌入式系統的硬件構成及其實現形態上與普遍的通用計算機系統相比具有很大的差異。為了充分滿足所有嵌入式系統對于運行速度、體積及功耗的控制要求，操作系統、應用軟件、專門數據等一切需要長期處理和保存的數據，通常并非建議選擇使用磁盤這類能夠具有高容量且運行速度緩慢的存儲介質，而大多數都是選擇使用eprom，e2prom或閃存。在一般的通用和嵌入式控制系統中，a/d或者d/a控制模塊廣泛地應用于溫度計測量和自動控制系統方面，這在普通PC和一般的平板計算機中已很少使用。按照實際的市場應用需求及其市場規模，一些大型嵌入式操作系統可能需要重新選擇外部數據總線。隨著傳統嵌入式操作系統在整個應用開發場景中所占的地位越來越高，嵌入式操作系統趨于用戶個性化，根據其自身的應用特點可以選擇所有用戶采用的接口總線。另外，為了針對一些嵌入式處理器的內部邊界電路而重新設計的電路測試，處理器中的芯片一般都已經采用了內部邊界電路掃描電路測試等的技術。

3 ? 結語

嵌入式服務器技術在無線傳感器和網絡領域的廣泛應用，對于我國國防建設、醫療裝備發展、智能家居、設備的量控制和運營管理等各個領域均具有非常重要的意義。

[參考文獻]

[1]洪家平.基于嵌入式系統的無線傳感器網絡的應用研究[J].工業儀表與自動化裝置，2007（2）：19-21，28.

[2]鄺自力.無線傳感器網絡及其應用[J].現代電子技術，2006（22）：29-31.

[3]劉金娟.無線傳感器網絡協議及操作系統研究[D].淮南：安徽理工大學，2009.

（編輯 王永超）