【正文】 簡介 無線傳感網(wǎng)絡的概念 無線傳感網(wǎng)絡 [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 成的無線網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡所覆蓋區(qū)域內(nèi)對象的監(jiān)測信息，并報告給用戶。 無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展歷史 無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展最早可以追溯到 20 世紀 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)絡的雛形；接著就是 20 世紀 80 年代至 90 年代之間，美軍研制的分布式傳感器網(wǎng)絡系統(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 世紀最具影響力的 21 項技術之一；最后就是現(xiàn)在的傳感器網(wǎng)絡技術，其特點主要是網(wǎng)絡傳輸自組織、節(jié)點設計低功耗，由于無線傳感網(wǎng)絡在國際上被認為是繼互聯(lián)網(wǎng)之后的第二大網(wǎng)絡，美國的《技術評 論》雜志評出對人類未來生活產(chǎn)生深遠影響的十大新興技術，傳感器網(wǎng)絡被列為第一。一方面是傳感器節(jié)點分布在很大的地理區(qū)域內(nèi)，如在原始森林采用傳感器網(wǎng)絡進行森林防火和環(huán)境監(jiān)測，需要部署大量的傳感器節(jié)點；另一方面，傳感器節(jié)點部署很密集，在一個面積不是很大的空間內(nèi)，密集部署了大量的傳感器節(jié)點。在應用中傳感器節(jié)點被放置在沒有基礎結構的地方，傳感器節(jié)點的位置不能預先精確設定，所以這就要求傳感器節(jié)點具有自組織的能力，能夠自動進行配置和 管理，通過拓撲控制機制和網(wǎng)絡協(xié)議自動形成轉發(fā)監(jiān)測數(shù)據(jù)的多跳無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器網(wǎng)絡的拓撲結構可能會因為一些因素而改變，如環(huán)境因素或電能耗盡造成的傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障或失效， 傳感器、感知對象和觀察者都可能具有移動性等。傳感器網(wǎng)絡特別適合部署在惡劣環(huán)境或人類不宜到達的區(qū)域，傳感器節(jié)點可能工作在露天環(huán)境中，遭受太陽的暴曬或風吹雨打，甚至遭到破壞，這些都要求傳感器節(jié)點非常堅固，不易損壞，適應各種惡劣條件。相信隨著相關技術的發(fā)展和推進，無線傳感網(wǎng)絡將會用于更多的領域。從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。 正是由于它的體積小，成本低，可靠性高，能夠完成特定的功能，所以在一些特定的場合非常適用 嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的 。 我們可以從以下幾方面來理解嵌入式系統(tǒng) 。其次，嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術、半導體技術以及電子技術和各行業(yè)的具體應用技術相結合的產(chǎn)物，這就決定了它必然是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。綜上，凡是與產(chǎn)品結合在一起的具有嵌入式特點的控制系統(tǒng)都可以叫嵌入式系統(tǒng)。硬件是系統(tǒng)正常工作的基礎，而軟 件是系統(tǒng)實現(xiàn)的靈魂 。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)場可編程邏輯器件 FPGA。外圍相關的硬件電路主要有內(nèi)存 SDRAM， 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 4 NAND FLASH, SD 卡，觸摸屏，顯示器， USB 接口，網(wǎng)卡，串口等接口電路，這些設備和普通 PC 機上的不同，因為它們需要適應于特定場合環(huán)境 。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、任務調(diào)度、控制以及保證它們協(xié)調(diào)工作，它位于硬件和應用軟件之間 。C/OSII，嵌入式Linux， VxWorks 以及 Wince 等。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）和北京飛漫公司開發(fā)的 MiniGUI， Qtopia 支持幾乎所有的操作系統(tǒng)，可以裁減，它的類庫支持跨平臺，它是一個非常強大的編寫圖形界面的軟件，而 “Mini”是 MiniGUI 的特色，輕量、高性能和高效率的 MiniGui 已經(jīng)應用在電視機頂盒，實時控制系統(tǒng)，掌上電腦等場合。由于芯片技術的發(fā)展，目前已經(jīng)有大量的 1 32 位嵌入式微控制器應用于工業(yè)自動化設備中，如工業(yè)工程控制、數(shù)控機床、電力系統(tǒng)、電網(wǎng)安全、電網(wǎng)設備檢測、石油化工系統(tǒng)，這樣不僅大大減少了人 力的需求而且使得控制更加的方便和智能。 ? 智能家居領域。 ? 消費電子領域。 ? 軍事領域。 嵌入式系統(tǒng)在我們的生活中隨處可見 ，無所不包，但是嵌入式技術還在不斷的發(fā)展，未來的發(fā)展趨勢主要有嵌入式微處理器的發(fā)展，使得系統(tǒng)運行更快，功能更強大；隨著因特網(wǎng)技術的發(fā)展，系統(tǒng)更加網(wǎng)絡化和信息化，各種系統(tǒng)可以統(tǒng)一杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 5 組網(wǎng)，從而達到更加高效管理的目的；嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核更加精簡、功耗和系統(tǒng)成本更低，這些都要求更先進的嵌入式軟件技術；能夠提供更加友好的人機界面，方便用戶的使用。 USB 發(fā)展經(jīng)歷了四個時代，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)（目前還沒有普及），但是這些數(shù)據(jù)都是理論上的，現(xiàn)實中根本就達不到這個速度。日常生活中，帶有 USB 接口的設備隨處可見，有鼠標、鍵盤、打印機、掃描儀、攝像頭、 U 盤等幾乎所有的外圍設備。本文主要是論述 USB 在一 些領域的應用。以下描述了USB 系統(tǒng)的結構即總線拓撲： （ 1）總線的物理拓撲結構 USB 采用四線電 纜，其中兩根是用來傳輸數(shù)據(jù)的串行通道，另兩根為下游設備 提供電源 。 USB是基于令牌的總線，類似于令牌環(huán)網(wǎng)絡， USB 主機廣播令牌，總線上設備檢測令牌中的地址是否與自己的相符，通過接收或發(fā)生數(shù)據(jù)來響應主機。 如圖 22 圖中的集線器（ Hub）是一組 USB 的連接點，主機中有一個被嵌入的集線器叫根集線器（ root Hub）。提供具體應用功能的設備是應用設備。 主 機設 備設 備H u bH u bH u b設 備H u b設 備復 合 設 備 圖 22 USB 的物理拓撲結構 （ 2）總線的邏輯拓撲結構 在物理結構上，設備通過 Hub 連接到主機上，但在邏輯上，主機是直接與各個邏輯設備通信的。 主 機邏 輯 設 備 邏 輯 設 備 邏 輯 設 備 邏 輯 設 備 圖 23 USB 的邏輯拓撲結構 USB 的數(shù)據(jù)流 傳輸 USB是為主機軟件和它的 USB應用設備問的通信服務的，對 客戶與應用間不同的交互， USB設備對數(shù)據(jù)流有不同的要求。每個通信流最終到達設備上某個對應的端口。 圖 24 USB通信流 主機控制器負責主機和 USB設備間數(shù)據(jù)流的傳輸。每個設備提供了一個或多個可以與客戶程序通信的接口，每個接口由多個管道組成，它們分別獨立的在客戶程序和設備的特定端點間傳輸數(shù)據(jù)。 USB支持四種基本的數(shù)據(jù)傳輸模式：控制傳輸，等時傳輸，中斷傳輸和批量傳輸。 ? 等時傳輸類型支持周期性、有限的時延和帶寬且數(shù)據(jù)傳輸速率不變的外設與主機間的數(shù)據(jù)傳輸。 ? 中斷傳輸類型支持像游戲手柄、鼠標鍵盤等輸入設備，這些設備與主機間數(shù)據(jù)傳輸量小，無周期 性，但要求相應速度快。自從 總線協(xié)議推出后， USB 總線就因其便捷、快速和即插即用等優(yōu)點得到迅速的應用?；?USB 總線的虛擬儀器系統(tǒng)主要由計算機模塊用于數(shù)據(jù)處理， USB 接口模塊用于計算機模塊和單片機模塊的通信，單片機模塊是為了控制被測設備，這是虛擬儀器技術應用的平臺。 USB KEY 現(xiàn)代社會網(wǎng)絡已經(jīng)普及，各種交易都在網(wǎng)上進行，因此網(wǎng)絡安全問題受到人們的普遍關注。但是這種保障并不是萬能的，因此研究人員就有了軟件和硬件相結合的方法來更好地保證網(wǎng)絡的安全的想法，基于 USB KEY[1]的網(wǎng)絡安全系統(tǒng)就是這一想法 的具體實現(xiàn)。控制服務器主要完成截獲用戶發(fā)向資源服務器認證的請求連接，將其轉發(fā)到認證服務器進行用戶的身份認證，當認證成功為用戶建立訪問資源服務器的透明代理。認證客戶端主要包括一個 USB KEY 作為用戶資源訪問認證的物理設備，還包括讀取和操作 USB KEY 的驅動 程序，用戶在向認證服務器注冊時，管理員在用戶的 USB KEY 中寫于標識 KEY 的唯一 ID 號、用戶客戶端認證信息以及認證服務器的公鑰，同時認證服務器在本地的數(shù)據(jù)庫中為用戶生成注冊信息，這樣用戶就成為了網(wǎng)絡資源服務器的合法用戶，用戶要訪問資源服務器必須要有網(wǎng)絡密鑰和 USB KEY，這樣有了雙重保障才讓網(wǎng)絡更安全。其工作原理主要是，通過電化學磷傳感器檢測溶液中有機磷 的殘留量并轉化成微電信號，再由信號檢測電路及 AD轉換電路將轉化后的信號發(fā)送給控制單元 ARM 控制電路，然后控制模塊使用 USB總線技術將數(shù)據(jù)傳遞給上位機 PC，最后是 PC 機完成數(shù)據(jù)的分析和處理。 USB 事務中繼技術 USB協(xié)議的實現(xiàn)是典型的主從結構模型，一條總線上只有一個主設備或者主機，所有其他的設備都是從設備，只有主設備才能發(fā)起傳輸事務，其他的從設備只能對事務應答。因為我們的系統(tǒng)允許原來的 USB 設備驅動不用進行修改就可以用于訪問現(xiàn)在的虛擬 USB 設備，所以我們可以像訪問本地設備一樣訪問遠杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 10 程的 USB 設備。 無線 USB USB 技術使得許多的外圍設備很容易接入計算機，但是當這些設備都接入時，這些有線 的設備聚集在一起就變得很繁雜，為了解決這個問題，一些廠商就開始發(fā)布無線 USB 的產(chǎn)品，現(xiàn)在無線 USB 的設備也很常見，如鼠標、鍵盤燈，據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)在的 USB 設備中有 %是無線 USB 設備，相信這個數(shù)據(jù)會逐年增加。除了作為一個單一的芯片， WUSB 也可以以集成電路的形式集成進母板，集成卡和各種設備。 家庭醫(yī)療 隨著儀器技術及通訊技術的發(fā)展，家庭醫(yī)療 [9]已經(jīng)進入我們的生活。因此，研究人員就提出了基于 ARM 的嵌入式醫(yī)療系統(tǒng)。這個平臺可以連接至少 127 個從設備或 USB 端口的醫(yī)療請求，因此，用戶可以很容易的通過 PDA 或者 GPRS 遠程通信設備控制盒連接遠程檢查設備和控制設備，這樣系統(tǒng)就變得成本低而且更加人性化。 USB 主機 USB主機控制器驅動負責檢測 USB設備的連接和拆除，管理 USB接口之間的通信和 USB數(shù)據(jù)的傳輸，為 USB設備提供電源，其硬件本身一般都是一個 PCI的設備，主機控制器驅動涉及到 PCI設備的驅動，因此在這里就不討論主機控制器驅動的開杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 11 發(fā)。它使用 USB核心提供的函數(shù) 與設備通信，所以它是與平臺無關的。創(chuàng)建一個 urb用usb_alloc_urb(int iso_packets, intmem_flags)函數(shù)，釋放一個 urb用 usb_free_urb(struct urb *urb)函數(shù)，提交一個 urb給 USB核心用 usb_submit_urb(struct urb *urb,gfp_t mem_flags)。 一般 USB設備驅動的開發(fā)包括以下步驟： ? 實現(xiàn) usb_driver結構和相應的 file_operations結構； ? 在模塊的加載函數(shù)中調(diào)用 usb_register函數(shù)向內(nèi)核注冊設備，在模塊的卸載函數(shù)中調(diào)用 usb_deregister函數(shù)注銷設備； ? 調(diào)用 usb_alloc_urb函數(shù)分配一個 urb，調(diào)用相關的填充函數(shù)（如中斷 urb用 usb_fill_int_urb）構造一個 urb，記得實現(xiàn)相應的完成函數(shù)，因為主機控制器返回 urb時會調(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。由于本課題中 USB攝像頭用到的驅動是 Linux內(nèi)核提供的萬能驅動，其實現(xiàn)非常復雜，因此在這里就不過多的闡述，感興趣的讀者可以參考內(nèi)核源代碼 USB驅動模塊。 Qt/Embedded 通過 Qt API 與 Linux I/O 設施直接交互，成為嵌入式 Linux 端口。信號和插槽是一種高級接口，應用于對象直接的通信，它是 Qt 的核心特性，也是 Qt 區(qū)別與其它工具包的重要地方。只有定義了這個信號的類及其派生類才能夠發(fā)射這個信號。插槽是普通的 C++成員 函數(shù)，可以被正常調(diào)用，它們唯一的特殊性就是很多信號可以與其相關聯(lián)。插槽可以有參數(shù)，但插槽的參數(shù)不能有默認值。 Qt/Embedded 應用程序開發(fā) 圖 41 Qt 應用程序流程圖 （ 1）生成一個工程文件 (.pro 文件 ) Progen –t –o （ 2） 新建一個窗體 ./designer （ 3） 生成 Hello 窗體類的頭文件和實現(xiàn)文件 cd uic –o uic –o –impl （ 4）編寫主函數(shù) include “” include 主函數(shù) 類源文件 窗體 工程文件 修改工程文件 Makefile 文件 鏈接工程 可執(zhí)行文件 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 14 i