【正文】 ................................................ 21 A/D 驅(qū)動設(shè)計 .............................................. 21 USB 設(shè)備驅(qū)動分析 ......................................... 21 7 系統(tǒng)實現(xiàn)及改進 .................................................... 22 致謝 ................................................................ 24 參考文獻 ............................................................ 25 附錄 ................................................................ 26 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 1 1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡介 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的概念 無線傳感網(wǎng)絡(luò) [1]（ Wireless Sensor Network）簡稱 WSN，它是由大量靜止 或者移動的傳感器節(jié)點有組織的分布在一定區(qū)域而構(gòu) 成的無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)所覆蓋區(qū)域內(nèi)對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。 后臺系統(tǒng)的任務(wù)主要是 分析判斷從 前臺系統(tǒng) 接收 的信息， 達到實時監(jiān)測前臺區(qū)域 各種參數(shù) 的目的 ， 無線傳感網(wǎng)絡(luò) 一般應(yīng)用于監(jiān)測生物棲息環(huán)境和工業(yè)生產(chǎn)控制過程中的溫度、濕度、噪音和各種化學(xué)成分濃度等 參數(shù)。 本文主要是研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)中前臺嵌入式系統(tǒng)的 實現(xiàn)，簡單介紹了無線通信模塊的相關(guān)內(nèi)容 ，詳細論述了信號采集和信息處理的具體實現(xiàn)，其中包括硬件部分和軟件部分。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點一般由一個小型的嵌入式系統(tǒng)組成，負責(zé)完成傳感器信號的采集，數(shù)據(jù)的存儲以及信息的傳輸?shù)裙δ?，它融合了傳感器技術(shù)、計算機技術(shù)以及通信技術(shù)這三大信息技術(shù) ，實現(xiàn)了 真正意義上的 網(wǎng)絡(luò)化、信息化和智能化。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 2 四、可靠的網(wǎng)絡(luò)。 70 年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能，這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點，但是還談不上系統(tǒng)的概念，但是隨著程序員開始用基于操作系統(tǒng)編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲得更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，真正意義上的 “嵌入式系統(tǒng) ”出現(xiàn)了 。 硬件部分 嵌入式硬件主要包括嵌入式處理器以及外圍 設(shè)備構(gòu)成的電路。由于嵌入式 Linux 是完全免費而且是開源的，它是由全世界最優(yōu)秀的程序員開發(fā)，因此它比像 Windows 這樣的商用操作系統(tǒng)更穩(wěn)定，目前幾乎所有種類的嵌入式產(chǎn)品都有使用 Linux 的，應(yīng)用軟件是評價一個系統(tǒng)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，而且嵌入式平臺上的開發(fā)比普通 PC 機上更復(fù)雜，因為資源、功耗等都有嚴格的限制，需要程序員具有良好的資源利用意識。這也是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用最多的領(lǐng)域之一，各種消費類電子產(chǎn)品有手機、 MP MP4 以及 PDA 等 都是小型的嵌入式系統(tǒng)。 USB 接口的應(yīng)用范圍十分廣泛，涉及的領(lǐng)域也越來越多，但是人們從沒有停止過對 USB 接口的研究以及將它應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。主機通過根集線器提供若干連接點。圖 24說明了數(shù)據(jù)如何在主機中的內(nèi)存緩沖和設(shè)備中的端口中傳送。常見的有多媒體設(shè)備，如音頻和視頻傳輸。傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全密鑰雖然能夠保證絕大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)安全。此系統(tǒng)能夠完成有機磷農(nóng)藥的快速高效的檢測和相關(guān)分析及處理工作。同樣， WUSB的發(fā)展也會面臨一些問題，首先就是無線連接的不可靠性，可能受到各方面的 干擾，還有如何降低 WUSB 設(shè)備的成本，提高設(shè)備的性能，通常 WUSB 設(shè)備的價格比有線設(shè)備高，而性能往往比有線設(shè)備低，因此 WUSB 設(shè)備完全代替有線 USB 設(shè)備還有漫長的路。 USB 設(shè)備 USB設(shè)備類驅(qū)動程序是與應(yīng)用程序交互的軟件模塊，它主要實現(xiàn)特定 USB設(shè)備的訪問，為應(yīng)用程序提供訪問接口 。 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 4 Qt/Embedded 開發(fā) Qt/Embedded 簡介 Qt/Embedded[7] 以原始 Qt 為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。當(dāng)與其相關(guān)聯(lián)的信號被發(fā)射時，這個插槽就會被調(diào)用。 (amp。 A：音頻信號輸出線（綠色線） 注意：當(dāng)信號太強，或監(jiān)聽器與揚聲器太近時，可能會阻塞，或自激現(xiàn)象，這時把音量關(guān)小，錄音時不受監(jiān)聽音量控制 。 TQ2440 開發(fā)板 TQ2440 開發(fā)板主控芯片使用的是韓國三星的 S3C2440，其核心是 ARM920T，實現(xiàn)了 MMU， AMBA BUS 和哈佛緩存體系結(jié)構(gòu) 。 在本課題中主要利用無線通訊芯片 進行數(shù)據(jù)的傳輸?，F(xiàn)在就可以將 linux 內(nèi)核鏡像下載到 NAND Flash 中。嵌入式軟件開發(fā)所采用的編譯為交叉編譯，所謂的交叉編譯就是在一個平臺上生成可以在另一個平臺上執(zhí)行的代碼，一般我們將進行交叉編譯的主機成為宿主機，將程序最終運行的環(huán)境稱為目標(biāo)機，由于目標(biāo)機資源有限，不方便集成開發(fā)環(huán)境的搭建和調(diào)試工具的安裝，因此，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)需要借助宿主機來生成目標(biāo)程序和調(diào)試可執(zhí)行代碼。 應(yīng)用程序開發(fā) 本課題設(shè)計到的應(yīng)用程序開發(fā) [1,5]主要有以下兩方面：在 Qtopia 環(huán)境下實現(xiàn)多通道 A/D 采樣及波形顯示和視頻采集及顯示。 圖 63 驅(qū)動流程圖 A/D 驅(qū)動 設(shè)計 我們將 A/D 接口看成混雜設(shè)備 [8]，其驅(qū)動主要是實現(xiàn)以下幾部分： 實現(xiàn)混雜設(shè)備的結(jié)構(gòu)，也就是構(gòu)造 struct miscdevice 結(jié)構(gòu)； 實現(xiàn)混雜設(shè)備的操作函數(shù)集，也就是填充 struct file_operation 結(jié)構(gòu)，具體的函數(shù)操作集有， open,close,read,write,ioctl 等等；實現(xiàn)相應(yīng)的中斷處理函數(shù) 由于驅(qū)動是設(shè)計成模塊方式，所以還必須包含 module_init 和 module_exit 函數(shù) ，具體源碼見附錄 4。 解決辦法：首先就是升級 qt 的版本，使其支持 RGB 格式的數(shù)據(jù)，這樣就省去了轉(zhuǎn)化為 JPEG 文件的時間，其次可以通過多線程技術(shù)，一個線程采樣數(shù)據(jù)，一個線程顯示數(shù)據(jù)，達到并行執(zhí)行的目的，最后就是購買直接輸出 qt 支持俄數(shù)據(jù)流，這樣就不需要中間的轉(zhuǎn)化過程，使顯示的效率進一步的提高，這樣視頻將更加流杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 23 暢，基本無延遲。 Measurement Magazine, 2022, 11(3):2433. 杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 26 附錄 void * my_process (void *arg) //線程執(zhí)行函數(shù) { ADC *adc = (ADC*)arg。 //命令參數(shù) ioctl(fd,cmd,argu)。 adcdata = data。 bitBlt(amp。 int Xnew, Xold。 int y0 = ().y()。 ( ().x(), ().y(), ().x(), ().y() )。 //得到獲取數(shù)據(jù)列表的迭代器 QValueListdouble::Iterator Yit = ()。saveBuffer,0, 0,amp。tempdata)。 //文件描述符 int cmd = adccmd。 Petri, D。 解決辦法：可以通過將讀取的數(shù)據(jù)存儲在一個 緩沖區(qū)中，當(dāng)達到一定的數(shù)據(jù)時，一次顯示在界面上，這樣將大大提高顯示的效率，讀取的數(shù)據(jù)也不會覆蓋，只是顯示的時間有點延遲，但這并不影響最終的結(jié)果，系統(tǒng)的靈敏度也提高了許多。所謂設(shè)備驅(qū)動程序 [2]就是控制與管理硬件設(shè)備數(shù)據(jù)收發(fā)的軟件，它是應(yīng)用程序與硬件設(shè)備溝通的橋梁。 在宿主機上運行的是 armlinuxgdb 程序，而在開發(fā)板上運行的程序師 gdbserver，兩者通過串口或者網(wǎng)口通訊，完成調(diào)試工作。make ARCH=arm CROSS_COMPILE=armlinux。 讀寫 NAND FLASH： ? Nand erase 0x30000 0x300000 把 Flash 從地址 0x30000 開 始的長度為0x300000 的區(qū)域擦除； ? Nand write 0x30008000 0x30000 0x300000 把內(nèi)存地址 0x30008000 開始的數(shù)據(jù)寫入 Flash 中從地址 0x30000 開始的區(qū)域，寫入的長度為 0x300000字節(jié)； ? Nand read 0x30008000 0x30000 0x300000 把 Flash 中從地址 0x30000 開始的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中地址 0x30008000開始的區(qū)域，讀取長度為 0x300000字節(jié)。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動物體之間建立微波通信聯(lián)系。 主控模塊是 TQ2440 開發(fā)板，它提供了 USB 接口，因此只需將 USB 攝像頭接杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 在其接口上就完成了硬件方面的工作，其主要開發(fā)過程在軟件方面。 （ 1）本監(jiān)聽器能在 40 度到 20 度的氣溫下長期工作； （ 2）信號輸出引線能長達 1000 米； （ 3）靜態(tài)電流： ； （ 4）供電電壓： 12v 直流 （ 5）最大不失真輸出信號電壓 ； （ 6）監(jiān)聽場合 100 平方米內(nèi)不會失真。dlg,SIGNAL(clicked()),amp。當(dāng)一個信號被發(fā)射時，與其相關(guān)聯(lián)的插槽就將被執(zhí)行，就像一個正常的函數(shù)調(diào)用一樣，信號和插槽機制完全獨立與任何 GUI 事件循環(huán)。 這只是一般驅(qū)動都會實現(xiàn)的基本步驟，實際的驅(qū)動比這要復(fù)雜得多。 USB 驅(qū)動 USB驅(qū)動程序的開發(fā)涉及主機驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動兩個部分， USB主機控制器主要有 UHCI， OHCI,EHCI和 OTG四種主要類型的主機控制器， USB設(shè)備一般按類來分，有存儲類、人機接口類、通信類等，驅(qū)動的開發(fā)也是對于特定的類而不是某個設(shè)備。隨著集成電路，無線電以及無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線 USB 技術(shù)也會得到快速的應(yīng)用，現(xiàn)在 WUSB[8]無線電在移動終端上的應(yīng)用已經(jīng)成為可能。 有 機磷農(nóng)藥檢測系統(tǒng) 為了實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對有機磷農(nóng)藥的殘留量進行快速有效地檢測，研究人員設(shè)計了一種基于 USB 的有機磷農(nóng)藥檢測系統(tǒng) [2]。各個模塊運行相應(yīng)的軟件，實現(xiàn)特定的功能。 ? 控制傳輸類型支持外設(shè)與主機之間的控制、狀態(tài)及配置等信息的傳輸，為外設(shè)與主機之間提供一個控制通道，每種外設(shè)都支持控制傳輸類型，這樣主機與外設(shè)之間就可以傳輸配置、命令和狀態(tài)信息。每種通信流都采用了某種總線訪問方杭州電子科技大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 法來完成主機上的軟件與設(shè)備之間的通信。 USB 系統(tǒng)主要由三個部分組成： USB 主機， USB 集線器和 USB 設(shè)備，采用級聯(lián)星型的拓撲結(jié)構(gòu)，一個系統(tǒng)中只有一個 USB 主機。 USB 接口除了使用方便、傳輸速度快外，它還具有熱插拔的特性，這也是為什么現(xiàn)在越來越多的設(shè)備支持 USB 接口的原因。這將是嵌入式系統(tǒng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域 之一 ，各種信息家電的網(wǎng)絡(luò)化智能化將引領(lǐng)人們的生活步入一個方便、快捷和安全的新環(huán)境，通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制家里的一切，水、電 、煤氣表的遠程控制，安全防火、防盜系統(tǒng)等等，只有想不到的，沒有通過網(wǎng)絡(luò)做不到的。目前嵌入式操作系統(tǒng)一般有 181。 嵌入式系統(tǒng)的組成 嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式硬件和嵌入式軟件組成。目前國內(nèi)一個普遍被認可的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、適應(yīng)于系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求 的專用計算機系統(tǒng)。 三、動態(tài)性網(wǎng)絡(luò)。 Linux Device Driver。前臺系統(tǒng) 就是 由 一些小型的嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成，而這些嵌入式系統(tǒng)又包括各種傳感器、控制和無線通信模塊 ， 它們分布在一定的區(qū)域范圍內(nèi)完成信號采 集、數(shù)據(jù)存儲和信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，相互之間也可以交換信息 。硬件部分主要有各種傳感器，如微音監(jiān)聽器、 USB 攝像頭， TQ2440 開發(fā)板，軟件部分 是研究的重點，包括引導(dǎo)程序 uboot， Linux 內(nèi)核和文件系統(tǒng)移植以及 整個基于 Qtopia 的交叉 開發(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)動程序的開發(fā)，簡單介紹了 USB 協(xié)議的一些內(nèi)容 。 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷史 無線傳感網(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，美國為了切斷越南軍隊輸送物資的秘密通道，就通過飛機投放了許多的 “熱帶樹 ”，它實際上是由震動和聲響傳感器組成的系統(tǒng)，落地后插 入泥土中，只露出偽裝成樹枝的無線電天線，只要有車隊經(jīng)過，傳感器探測出目標(biāo)產(chǎn)生的震動和聲響信息，自動發(fā)送到指揮中心 ，這是無線傳感網(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)、遠程戰(zhàn)場傳感器系統(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)，其特點主要是網(wǎng)絡(luò)傳輸