基于井蓋安全系統(tǒng)的WSN網(wǎng)關設計

引言

道路上的井蓋遍及城市各地，由于人為偷盜或者長期磨損導致井蓋丟失、塌陷，對過往車輛和行人造成危險。針對井蓋監(jiān)控手段欠缺，目前以人防、物防為主，急需設計一種技術防范的安全監(jiān)管系統(tǒng)。近幾年隨著無線傳感網(wǎng)絡的發(fā)展，利用無線傳感網(wǎng)絡設計安防領域已成為熱點。由于井蓋之間距離較近，結合ZigBee短距離通信技術，設計一種基于井蓋安全監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式網(wǎng)關，網(wǎng)關接收來自無線傳感網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)，處理、存儲后通過GPRS網(wǎng)絡傳輸?shù)焦簿W(wǎng)絡中。

1井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

本文的井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理圖如圖1所示，其系統(tǒng)組成為包含井蓋報警器的ZigBee網(wǎng)絡、嵌入式網(wǎng)關、GPRS短信模塊、Web服務器。井蓋報警器之間采用ZigBee無線通信技術，每個報警器作為ZigBee網(wǎng)絡中的節(jié)點，通過固定的組網(wǎng)方式形成無線傳感網(wǎng)絡。報警器以接力的方式將數(shù)據(jù)傳到ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責接收所有網(wǎng)絡中的報警器節(jié)點信息。嵌入式網(wǎng)關通過串口1獲得ZigBee無線傳感網(wǎng)絡中的報警器數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)庫存儲并處理,將必須的信號發(fā)送給GPRS模塊，GPRS電路將其轉發(fā)到具有固定IP地址的Web數(shù)據(jù)庫服務器中，實現(xiàn)報警數(shù)據(jù)的上傳。市政設施管理處以及自來水廠等政府機構可以通過網(wǎng)絡查詢自己單位的井蓋狀態(tài)，是否需要維護，并記錄，同時發(fā)送短信給檢修人員，實現(xiàn)及時維修和處理。

圖1井蓋監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

2系統(tǒng)網(wǎng)關的硬件設計

本系統(tǒng)的網(wǎng)關硬件組成框圖如圖2所示，該網(wǎng)關包含三星公司的微處理器S3C6410、存儲模塊、JTAG接口、LCD顯示接口、GPRS模塊等。

2.1處理器

系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410微處理器作為網(wǎng)關硬件電路，S3C6410采用ARM11的內(nèi)核架構，采用8級流水線與數(shù)據(jù)地址總線分離的哈佛結構［4-5］。包含多種硬件外設，支持NOR-FLASH，NAND-FLASH，OneNAND，CF，ROM等多種存儲器端口，增加的流水線設計提高了時鐘頻率和并行處理能力。是一種高性能的32位RISC處理器，可以穩(wěn)定運行在667MHz主頻以上。主要應用于嵌入式設備、消費類電子、工業(yè)控制、車載導航、行業(yè)PDA等電子產(chǎn)品。

2.2存儲模塊

網(wǎng)關的數(shù)據(jù)都放在存儲模塊中，S3C6410的平臺包含NANDFLASH,NORFLASH和SD卡三種。NANDFLASH采用三星公司的K9F1G08U0型號，大小為128MB,存放bootloader,啟動參數(shù)、內(nèi)核、根文件等，網(wǎng)關設計采用從NANDFLASH啟動，選擇德國DENX軟件中心開發(fā)的U-Boot作為bootloader進行引導。NORFLASH采用低電壓供電且具有低功耗模式的S29AL08D芯片，大小為8MB,3V供電。S3C6410提供SD卡接口，可以外接SD卡,支持從SD卡啟動。

JTAG接口

S3C6410可使用簡易JTAG電路對FLASH進行在線編程，通過標準20針接口同宿主機相連接，實現(xiàn)FLASH的擦除和編程。

GPRS模塊

GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM900A，工作頻段支持EGSM900MHz和DCS1800MHz，可以使用包含CS-4等多種編碼格式，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，采用SPI接口，同微處理器S3C6410的串口0相連。

LCD顯示接口

LCD選用7寸真彩色寬屏AT070TN92，外帶7寸電阻觸摸屏，分辨率800X480,支持LVDS接口。

3網(wǎng)關平臺的搭建

S3C6410微處理器采用移植性較強的Linux操作系統(tǒng)，能夠固化在容量小的嵌入式設備，系統(tǒng)內(nèi)核選用2.6.38.8,搭建網(wǎng)關開發(fā)平臺主要包含三個部分：引導程序、內(nèi)核、系統(tǒng)文件［6-7］。編譯環(huán)境選擇交叉編譯，選擇VMware虛擬機，交叉編譯器選用arm-linux-gcc-3.41,實現(xiàn)在Windows操作系統(tǒng)下編譯嵌入式Linux系統(tǒng)執(zhí)行的文件。

引導程序主要負責加載操作系統(tǒng)，實現(xiàn)硬件的初始化，建立設備的內(nèi)存映射表。加載方式采用將BootLoader搬移到SDRAM中進行執(zhí)行，比直接在FLASH中運行速率快。采用開源的U-boot作為BootLoader,針對S3C6410硬件修改體系結構相應代碼實現(xiàn)移植。

內(nèi)核部分主要針對需要進行內(nèi)核裁剪和添加，獲取標準的Linux內(nèi)核2.6.38.8版本，配置Kconfig文件，產(chǎn)生.config文件，通過編譯內(nèi)核生成內(nèi)核鏡像文件zlmage。將GPRS模塊驅動和LCD驅動編譯生成動態(tài)文件，采用insmod方式加載到內(nèi)核。

系統(tǒng)文件主要制作Linux系統(tǒng)的根文件系統(tǒng)，Linux所有設備都是以文件形式存在，選擇常用的cramfs文件系統(tǒng)，啟動內(nèi)核需要根文件系統(tǒng)來掛載。下載Busybox工具進行配置，利用mkcramfs制作文件系統(tǒng)的鏡像。

4網(wǎng)關的軟件設計

井蓋監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)關設計軟件工作流程如圖3所示，包含三個處理事件：串口、數(shù)據(jù)庫和QT界面設置。

串口處理需要通過啟動進程實現(xiàn)，本系統(tǒng)需要接收ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，網(wǎng)關和ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器通過串口1連接，網(wǎng)關啟動一個進程接收ZigBee網(wǎng)絡的節(jié)點數(shù)據(jù),包括節(jié)點地址和采集的傳感器參數(shù)。當有數(shù)據(jù)傳輸過來時,按照節(jié)點ID將數(shù)據(jù)存儲在SQlite3數(shù)據(jù)庫中。

數(shù)據(jù)庫采用SQlite3的小型嵌入式數(shù)據(jù)庫，占用250KB空間大小，支持數(shù)據(jù)庫達到2TB。網(wǎng)關啟動后在相應路徑建立數(shù)據(jù)庫，同時建立數(shù)據(jù)庫表項，包含節(jié)點ID和節(jié)點地址以及傳感器采集的井蓋狀態(tài)信息等。

應用程序界面采用QTCreater設計，基于C++進行開發(fā)的應用程序框架。設計良好的UI界面，通過按鍵的觸發(fā)調(diào)用數(shù)據(jù)庫和串口提供的API接口函數(shù)，顯示出各個井蓋模塊的安全狀態(tài)。后臺運行串口服務程序和數(shù)據(jù)庫，QT通過動態(tài)庫的方式調(diào)用相關數(shù)據(jù)。

圖3網(wǎng)關工作流程圖

5實驗分析

針對井蓋分布狀況，進行無障礙距離測試，實驗以丟包率進行測試。每隔5s從無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到網(wǎng)關,網(wǎng)關收到數(shù)據(jù)后分析并記錄。測試范圍在130m以內(nèi)，10m為間隔，在每個距離點上發(fā)送300組數(shù)據(jù)，實驗結果如圖4所示。實驗結果表明，節(jié)點距離在60m范圍內(nèi)丟包率為0,數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸，合理安置井蓋節(jié)點報警器可以滿足系統(tǒng)的應用要求。

6結語

系統(tǒng)采用低功耗ARM11的S3C6410的處理器設計井蓋安全報警系統(tǒng)，結合ZigBee無線傳感網(wǎng)絡布控井蓋報警器,通過GPRS網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送給遠程監(jiān)控系統(tǒng)，達到實時監(jiān)控的效果。該網(wǎng)關可擴展接口較豐富，將井蓋安全狀態(tài)信息通過串口接收，發(fā)送控制命令給無線傳感網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器。基于QT開發(fā)了友好的應用界面，可以實時查詢井蓋狀態(tài)，并對歷史數(shù)據(jù)進行存儲。該網(wǎng)關功能豐富，可擴展性較強，具有低功耗、高通信效率的特點，可廣泛應用與井蓋安全監(jiān)控領域。

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