【正文】 絡(luò)技術(shù)和無(wú)線通信 技術(shù)的發(fā)展，人們就開(kāi)始不斷將這些新的技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)和生活中 ，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)就是一個(gè)很好的應(yīng)用實(shí)例。它主要由 前臺(tái)系統(tǒng)和后臺(tái)系統(tǒng)組成。硬件部分主要有各種傳感器，如微音監(jiān)聽(tīng)器、 USB 攝像頭， TQ2440 開(kāi)發(fā)板，軟件部分 是研究的重點(diǎn)，包括引導(dǎo)程序 uboot， Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植以及 整個(gè)基于 Qtopia 的交叉 開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建，最重要的是基于 Qtopia 的應(yīng)用程序和 Linux 驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，簡(jiǎn)單介紹了 USB 協(xié)議的一些內(nèi)容 。 Cross Development。 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀(jì) 70 年代越戰(zhàn)期間，美國(guó)為了切斷越南軍隊(duì)輸送物資的秘密通道，就通過(guò)飛機(jī)投放了許多的 “熱帶樹(shù) ”，它實(shí)際上是由震動(dòng)和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，落地后插入泥土中，只露出偽裝成樹(shù)枝的無(wú)線電天線，只要有車(chē)隊(duì)經(jīng)過(guò)，傳感器探測(cè)出目標(biāo)產(chǎn)生的震動(dòng)和聲響信息，自動(dòng)發(fā)送到指揮中心 ，這是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò) 的雛形；接著就是 20 世紀(jì) 80 年代至 90 年代之間，美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、海軍協(xié)同交戰(zhàn)能力系統(tǒng)、遠(yuǎn)程戰(zhàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)等，這種現(xiàn)代微型化的傳感器具備感知能力、計(jì)算能力和通信能力，因此商業(yè)周刊將它列為 21 世紀(jì)最具影響力的 21 項(xiàng)技術(shù)之一；最后就是現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其特點(diǎn)主要是網(wǎng)絡(luò)傳輸自組織、節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)低功耗，由于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)在國(guó)際上被認(rèn)為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡(luò)，美國(guó)的《技術(shù)評(píng)論》雜志評(píng)出對(duì)人類(lèi)未來(lái)生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響的十大新興技術(shù)，傳感器網(wǎng)絡(luò)被列為第一。在應(yīng)用中傳感器節(jié)點(diǎn)被放置在沒(méi)有基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的地方，傳感器節(jié)點(diǎn)的位置不能預(yù)先精確設(shè)定，所以這就要求傳感器節(jié)點(diǎn)具有自組織的能力，能夠自動(dòng)進(jìn)行配置和管理，通過(guò)拓?fù)淇刂茩C(jī)制和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議自動(dòng)形成轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多跳無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡(luò)特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類(lèi)不宜到達(dá)的區(qū)域，傳感器節(jié)點(diǎn)可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽(yáng)的暴曬或風(fēng)吹雨打，甚至遭到破壞，這些都要求傳感器節(jié)點(diǎn)非常堅(jiān)固，不易損壞，適應(yīng)各種惡劣條件。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)械等附屬裝置。 我們可以從以下幾方面來(lái)理解嵌入式系統(tǒng)。綜上，凡是與產(chǎn)品結(jié)合在一起的具有嵌入式特點(diǎn)的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)。其核心部件就是嵌入式處理器，包 括基于 ASIC（專用集成電路）的嵌入式微處理器， DSP 系統(tǒng)，SOC 系統(tǒng)以及基于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件 FPGA。嵌入式操作系統(tǒng)主要用于系統(tǒng)硬件和軟件資源的分配、任務(wù)調(diào)度、控制以及保證它們協(xié)調(diào)工作，它位于硬件和應(yīng)用軟件之間 。一般的嵌入式產(chǎn)品都有友好的用戶界面，在嵌入式系統(tǒng)中比較有名的編寫(xiě)圖形界面軟件主要有 Qtopia（ Qt的嵌入式版本）和北京飛漫公司開(kāi)發(fā)的 MiniGUI， Qtopia 支持幾乎所有的操作系統(tǒng)，可以裁減，它的類(lèi)庫(kù)支持跨平臺(tái)，它是一個(gè)非常強(qiáng)大的編寫(xiě)圖形界面的軟件，而 “Mini”是 MiniGUI 的特色，輕量、高性能和高效率的 MiniGui 已經(jīng)應(yīng)用在電視機(jī)頂盒，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，掌上電腦等場(chǎng)合。 ? 智能家居領(lǐng)域。 ? 軍事領(lǐng)域。 USB 發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)時(shí)代，從 1996 年推出 USB (LowSpeed)，支持最大的傳輸速率為 ，然后是 USB 支持 12Mbps(FullSpeed) ，接著是(HighSpeed) 支持 480Mbps ， 最 后 就 是 現(xiàn) 在 的 支持5Gbps(SuperSpeed)（目前還沒(méi)有普及），但是這些數(shù)據(jù)都是理論上的，現(xiàn)實(shí) 中根本就達(dá)不到這個(gè)速度。本文主要是論述 USB 在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。 USB是基于令牌的總線，類(lèi)似于令牌環(huán)網(wǎng)絡(luò)， USB 主機(jī)廣播令牌，總 線上設(shè)備檢測(cè)令牌中的地址是否與自己的相符，通過(guò)接收或發(fā)生數(shù)據(jù)來(lái)響應(yīng)主機(jī)。提供具體應(yīng)用功能的設(shè)備是應(yīng)用設(shè)備。 主 機(jī)邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 邏 輯 設(shè) 備 圖 23 USB 的邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) USB 的數(shù)據(jù)流 傳輸 USB是為主機(jī)軟件和它的 USB應(yīng)用設(shè)備問(wèn)的通信服務(wù)的，對(duì)客戶與應(yīng)用間不同的交互， USB設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)流有不同的要求。 圖 24 USB通信流 主機(jī)控制器負(fù)責(zé)主機(jī)和 USB設(shè)備間數(shù)據(jù)流的傳輸。 USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時(shí)傳輸，中斷傳輸和批量傳輸。 ? 中斷傳輸類(lèi)型支持像游戲手柄、鼠標(biāo)鍵盤(pán)等輸入設(shè)備，這些設(shè)備與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸量小，無(wú)周期性，但要求相應(yīng)速度快。基于 USB 總線的虛擬儀器系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)模塊用于數(shù)據(jù)處理， USB 接口模塊用于計(jì)算機(jī)模塊和單片機(jī)模塊的通信，單片機(jī)模塊是為了控制被 測(cè)設(shè)備，這是虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用的平臺(tái)。但是這種保障并不是萬(wàn)能的，因此研究人員就有了軟件和硬件相結(jié)合的方法來(lái)更好地保證網(wǎng)絡(luò)的安全的想法，基于 USB KEY[1]的網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)就是這一想法的具體實(shí)現(xiàn)。認(rèn)證客戶端主要包括一個(gè) USB KEY 作為用戶資源訪問(wèn)認(rèn)證的物理設(shè)備，還包括讀取和操作 USB KEY 的驅(qū)動(dòng)程序，用戶在向認(rèn)證服務(wù)器注冊(cè)時(shí)，管理員在用戶的 USB KEY 中寫(xiě)于標(biāo)識(shí) KEY 的唯一 ID 號(hào)、用戶客戶端認(rèn)證信息以及認(rèn)證服務(wù)器的公鑰， 同時(shí)認(rèn)證服務(wù)器在本地的數(shù)據(jù)庫(kù)中為用戶生成注冊(cè)信息，這樣用戶就成為了網(wǎng)絡(luò)資源服務(wù)器的合法用戶，用戶要訪問(wèn)資源服務(wù)器必須要有網(wǎng)絡(luò)密鑰和 USB KEY，這樣有了雙重保障才讓網(wǎng)絡(luò)更安全。 USB 事務(wù)中繼技術(shù) USB協(xié)議的實(shí)現(xiàn)是典型的主從結(jié)構(gòu)模型，一條總線上只有一個(gè)主設(shè)備或者主機(jī)，所有其他的設(shè)備都是從設(shè)備，只有主設(shè)備才能發(fā)起傳輸事務(wù)，其他的從設(shè)備只能對(duì)事務(wù)應(yīng)答。 無(wú)線 USB USB 技術(shù)使得許多的外圍設(shè)備很容易接入計(jì)算機(jī)，但是當(dāng)這些設(shè)備都接入時(shí)，這些有線的設(shè)備聚集在一起就變得很繁雜，為了解決這個(gè)問(wèn)題，一些廠商就開(kāi)始發(fā)布無(wú)線 USB 的產(chǎn)品，現(xiàn)在無(wú)線 USB 的設(shè)備也很常見(jiàn)，如鼠標(biāo)、鍵盤(pán)燈， 據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在的 USB 設(shè)備中有 %是無(wú)線 USB 設(shè)備，相信這個(gè)數(shù)據(jù)會(huì)逐年增加。 家庭醫(yī)療 隨著儀器技術(shù)及通訊技術(shù)的發(fā)展，家庭醫(yī)療 [9]已經(jīng)進(jìn)入我們的生活。這個(gè)平臺(tái)可以連接至少 127 個(gè)從設(shè)備或 USB 端口的醫(yī)療請(qǐng)求，因此，用戶可以很容易的通過(guò) PDA 或者 GPRS 遠(yuǎn)程通信設(shè)備控制盒連接遠(yuǎn)程檢查設(shè)備和控制設(shè)備，這樣系統(tǒng)就變得成本低而且更加人性化。它使用 USB核心提供的函數(shù)與設(shè)備通信，所以它是與平臺(tái)無(wú)關(guān)的。 一般 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)的開(kāi)發(fā)包括以下步驟： ? 實(shí)現(xiàn) usb_driver結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的 file_operations結(jié)構(gòu)； ? 在模塊的加載函數(shù)中調(diào)用 usb_register函數(shù)向內(nèi)核注冊(cè)設(shè)備，在模塊的卸載函數(shù)中調(diào)用 usb_deregister函數(shù)注銷(xiāo)設(shè)備； ? 調(diào)用 usb_alloc_urb函數(shù)分配一個(gè) urb，調(diào)用相關(guān)的填充函數(shù)（如中斷 urb用 usb_fill_int_urb）構(gòu)造一個(gè) urb，記得實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的完成函數(shù)，因?yàn)橹鳈C(jī)控制器返回 urb時(shí)會(huì)調(diào)用完成函數(shù)，用 usb_submit_urb向內(nèi)核提交 urb； ? 在完成函數(shù)中完成后續(xù)操作，可以重新提交 urb，也可以釋放 urb。 Qt/Embedded 通過(guò) Qt API 與 Linux I/O 設(shè)施直接交互，成為嵌入式 Linux 端口。只有定義了這個(gè)信號(hào)的類(lèi)及其派生類(lèi)才能夠發(fā)射這個(gè)信號(hào)。插槽可以有參數(shù)，但插槽的參數(shù)不能有默認(rèn)值。 Qobject::connect(amp。dlg)。 微音監(jiān)聽(tīng)器 微音監(jiān)聽(tīng)器專為 CCTV 音頻監(jiān)聽(tīng)設(shè)計(jì)，是采用目前世界最先進(jìn)之運(yùn)放王，加上高保真微音拾音器，結(jié)合成為一個(gè)能與任何音頻輸入之功放連接，能直接監(jiān)聽(tīng)現(xiàn)場(chǎng)微型聲音。 微音監(jiān)聽(tīng)器主要是用來(lái)采集外界的聲音信息，其信號(hào)線接在開(kāi)發(fā)板的一個(gè) A/D通道上，從而將采集到的數(shù)據(jù)傳至主控模塊處理，其電路組成主要是微音監(jiān)聽(tīng)器本身的供電模塊以及同主控模塊的連接部分。我們使用的攝像頭就是普通的 CCD 型，分辨率為 320X240，輸出的數(shù)據(jù)格式為 YUV4:2:2，利用 linux 內(nèi)核自帶的 USB 類(lèi)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，通過(guò) Video4linux 編程接口訪問(wèn) USB 攝像頭。主要由以下部分組成：外部?jī)?nèi)存控制器 、 LCD 控制器、四通道的 DMA 控制器、三通道的通用異步接收發(fā)送器、二通道的 SPI 控制器 、 IIS 總線接口、 IIS 音頻編解碼接口、 AC?97 編解碼接口、 SD主機(jī)接口、兩通道的 USB 主機(jī)控制器和一通道的 USB 設(shè)備控制器接口、四通道的PWM 定時(shí)器、八通道十位的 ADC 和觸摸屏接口、帶有日歷功能的 RTC、攝像頭接口、 130 個(gè)通用的 I/O 端口， 24 個(gè)外部中斷源、電源控制模塊、片上帶鎖相環(huán)的時(shí)鐘發(fā)生器等模塊。 無(wú)線通信技術(shù)簡(jiǎn)介 無(wú)線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信，微波是一種無(wú)線電波，它傳輸?shù)木嚯x一般只有幾十千米 ，但微波的頻帶很寬，通信容量大，微波通信需要每隔幾十千米要建一個(gè)微波中繼站。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 6 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 編譯開(kāi)發(fā)板鏡像 一個(gè)嵌入式系統(tǒng)要運(yùn)行起來(lái)，必須包括三個(gè)部分，首先就是系統(tǒng)的 bootloader及引導(dǎo)程序，然后就是嵌入式操作系統(tǒng)的內(nèi)核，最后就是 根文件系統(tǒng)，三者缺一不可。 UBOOT 支持的命令很多，比如設(shè)置環(huán)境變量： ? Setenv serverip 設(shè)置服務(wù)器 IP 地址為 ； ? Setenv bootargs ?console=ttySAC0 root=/dev/mtdblock2 rootfstype=yaffs2 init=/linuxrc?設(shè)置內(nèi)核默認(rèn)的控制臺(tái)為第一個(gè)串口，根文件系統(tǒng)所在的設(shè)備是塊設(shè)備第二個(gè)分區(qū)，文件系統(tǒng)類(lèi)型為 yaffs2，初始化執(zhí)行程序?yàn)?/linuxrc。 根文件系統(tǒng)制作 根文件系統(tǒng)和普通的文件系統(tǒng)并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但它作為內(nèi)核掛載的最頂層的文件系統(tǒng)有其自身的特點(diǎn)。make menuconfig。 嵌入式軟件開(kāi)發(fā)中，調(diào)試時(shí)采用的是在宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間進(jìn)行的交叉調(diào)試，杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 調(diào)試器仍然運(yùn)行在宿主機(jī)上，但被調(diào)試的代碼卻是在嵌入式平臺(tái)上運(yùn)行，兩者通常通過(guò)串口或網(wǎng)絡(luò)通信。make install ? 配置 gdbserver:./configure –target = armtq2440linuxgnu ? 編譯 gdbserver： make CC=armlinuxgcc 之后將 gdbserver 下載到開(kāi)發(fā)板上。 多通道 A/D 采樣及波形顯示 這部分程序設(shè)計(jì)的程序流圖如下，我們只選擇數(shù)據(jù)采樣和顯示波形界面的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析 。 驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā) Linux 系統(tǒng)中包含字符設(shè)備、塊設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三類(lèi)基本的設(shè)備驅(qū)動(dòng) 。 USB 設(shè)備 驅(qū)動(dòng) 分析 由于 USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)非常復(fù)雜，在這里 就不分析了，感興趣的讀者可以參閱linux 內(nèi)核源代碼。 解決辦法： 第一，通過(guò)通用的 I/O 口，模擬 A/D 接口的邏輯，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣； 第二，采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，將單通道采樣實(shí)現(xiàn)為多通道采樣； （ 3）波形顯示效率 因?yàn)槌绦蛟O(shè)計(jì)是通過(guò)每讀一個(gè)數(shù)據(jù)就在界面上顯示，這樣大大的降低了顯示的效率，雖然采樣的速度很快，但是實(shí)際上數(shù)據(jù)的更新必須要等到顯示完成之后，因此采樣的數(shù)據(jù)被覆蓋，這導(dǎo)致了有時(shí)不能采樣到有效的數(shù)據(jù)，靈敏度不是很好。 這些都是本人現(xiàn)階段覺(jué)得系統(tǒng)中存在的一些問(wèn)題及相關(guān)的解決辦法，由于能力有限，系統(tǒng)中還存在著一些 bug，需要在以后的測(cè)試過(guò)程中才能發(fā)現(xiàn)，這里就不深入探討。 De Cecco, M。 //將傳給線程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為 ADC 結(jié)構(gòu) static int data = 0。 //存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)的臨時(shí)緩存 int fd = adcfd。 //執(zhí)行 ioctl系統(tǒng)調(diào)用設(shè)置采樣通道 while(1) //主循環(huán)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采樣 { memset(buffer,0,20)。 sscanf(buffer,%d,amp。 //賦值給 ADC 結(jié)構(gòu)的 data 變量 if(adcquit == TRUE) //設(shè)置 通道采集 結(jié)束標(biāo)記 break。pDrawCurve) { //建立三個(gè)界面的緩沖 bitBlt(amp。midBuffer, ().x(), ().y(), amp。midBuffer,().x()+1, ().y()+1, ()2, () )。 。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 double Ynew, Yold。 bitBlt(amp。newBuffer, 0, 0, (), () )。 //睡眠 100us } return NULL。 //將字符型數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)化為整型 if(tempdata=0) //有效數(shù)據(jù) data = tempdata。 //從 A/D 口讀取數(shù)據(jù) buffer[len] = 39。 //執(zhí)行命令 unsigned long argu = adcarg。 int tempdata = 0。 Tutorial 14: