第第5章章 网络化嵌入式仪器网络化嵌入式仪器 5.1 网络化嵌入式仪器的概述网络化嵌入式仪器的概述 5.1.1 网络化嵌入式仪器的提出网络化嵌入式仪器的提出 IEEE对于嵌入式系统的定义是：An Embedded system is the devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants，即嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。在中国嵌入式系统领域，比较认同的嵌入式系统概念是：嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗均有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点：嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： （1）嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式）嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型与通用型的最大不同就是嵌入式的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、系统中，它通常都具有低功耗、体积小、 集成度高等特点，集成度高等特点，能够把通用能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。与网络的耦合也越来越紧密。 （2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。的知识集成系统。 （3）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁）嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 （4）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换）嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。市场，具有较长的生命周期。 （5）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件）为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。盘等载体中。 （6）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以）嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。一套开发工具和环境才能进行开发。5.1.2 网络化嵌入式仪器的功能网络化嵌入式仪器的功能 （1）测试功能 满足特定应用的数据采集和数据交换。 （2）输入/输出控制 一般采用简单方便的按键输入作为主要形式，根据具体情况辅以其他形式，输出主要采用LCD显示，可以显示文字、标识、简单的曲线及操作界面。 （3）数据通信功能 数据打包后由通信接口进行数据通信和消息发送，通信接口包括有线方式的通信接口（RS232、Ethernet卡、Modem）和无线方式的通信接口（短波通信、红外或蓝牙、ZigBee发收设备） （4）安全性及存取控制 5.2 网络化嵌入式仪器的体系结构网络化嵌入式仪器的体系结构 5.2.1 网络化嵌入式仪器的结构 一般而言，典型的网络化嵌入式仪器应具有数据采集、数据分析和处理、参数输入、结果显示、控制和网络通讯等功能，相应地一个典型的网络化嵌入式仪器系统主要由基于微处理器中心控制模块、数据采集模块、数据分析处理模块、人机交互模块（包括参数输入和结果显示等）、控制功能模块和网络模块等组成。其简单结构框图如图5-1所示。 数据采集模块控制功能模块数据分析处理模块人机交互模块网络模块基于微处理器的中心控制模块图5-1网化嵌入式仪器结构框图5.2.2 网络化嵌入式仪器的控制部分网络化方案网络化嵌入式仪器的控制部分常有3种实现方案。（1）单片机系统 一般有8位或16位、32位的处理器，这类嵌入式控制系统具有集成度较高、功能比较丰富等优点。但是，存在有存储器容量较小、系统资源有限且功能不够强大等不足。（2）单板机系统 如PC104工业单板机，这类系统实现了小型化、模块化、低功耗、较高的可靠性，且功能强大，能满足工业生产领域的应用需要。但是，对硬件的剪裁工作只能从板卡级进行，对于不同的应用场合显得灵活性不够。（3）嵌入式操作系统 例如ARM、DSP等嵌入式芯片组建的嵌入式系统，可以按照应用的要求对硬件和软件系统实现完全剪裁，由于有嵌入式操作系统支持，如嵌入式Linux，这类系统具有的强大软硬件平台具有最低冗余度和最大专用性。 5.2.3 网络化嵌入式仪器的嵌入式操作系统网络网络化嵌入式仪器的嵌入式操作系统网络化方案化方案 在嵌入式操作系统方案中，实现网络化通常有以下几种组合在嵌入式操作系统方案中，实现网络化通常有以下几种组合方案。方案。 （1）集成有网络接口的微控制器配合实时操作系统）集成有网络接口的微控制器配合实时操作系统 （2）MCU配合配合TCP/IP协议芯片协议芯片 （3）MCU配合以太网控制芯片配合以太网控制芯片 5.3 网络化嵌入式仪器设计网络化嵌入式仪器设计 5.3.1 网络化嵌入式仪器的入网方式 连接Internet的仪器设计主要是把嵌入式系统嵌入到仪器中，让其成为测试和控制的核心。目前，嵌入式仪器接入Internet主要方式有三种方法。 （1）由32位高档MCU构建的嵌入式仪器 （2）由低档8位机组成的嵌入式仪器 （3）由8位单片机组成直接接入Internet的网络化嵌入式仪器 5.3.2 网络化嵌入式仪器设计举例 下面给出利用“8位单片机构建嵌入式系统并接入Internet组成网络化嵌入式仪器”的例子 1系统总体方案设计 2控制系统的硬件实现控制部分的结构如图控制部分的结构如图5-2所示所示 3系统仪器网络部分的设计系统仪器网络部分的设计 嵌入式网络服务器的程序流程如图5-3所示。 键盘LCD输入信号CPU打印机存储器执行机构开始收到HTTP请 求 信 息？结束服务器初始化进入监听状态发布web网页关闭TCP连接GET方 法？是是否否4RTOS的引入的引入 软件系统用信号量进行任务的通讯。主要用到两个信号量软件系统用信号量进行任务的通讯。主要用到两个信号量:按按键信号量键信号量SemKeybd和打印信号量和打印信号量SemPrint。典型任务的框架。典型任务的框架结构如下：结构如下： TaskKeyScan( ) /*键扫描任务键扫描任务*/ KeyScan( );If (key=1)OSScmPost(scmKeybd);OSTimeDly(2);TaskMeasureCtrl( ) /*计量控制任务计量控制任务*/MeasureCtrl(); OSTimeDly(20);其他任务的设计是类似的。其他任务的设计是类似的。 5.4 无线通信技术的网络化嵌入式测控系统无线通信技术的网络化嵌入式测控系统 无线接入具有以下特点：（1）较好的传输带宽：无线局域网WLAN的IEEE802.11a和802.11g标准的最大带宽可以达到54Mb/s,更大带宽的技术标准正在发展中；（2）无线延伸：有限网络难以延伸的区域可有无线网络覆盖；（3）较好的抗干扰性：无线网络可以通过采用调整自身无线信号发射的强度、频率等技术来增强抗干扰性能；（4）具有一定的安全性：无线网络技术通过数字加密等技术来保证无线网络的安全性；（5）移动性好：在野外、机场、码头、大型会所等移动性突出的场所，无线通信具有明显优势。 5.4.1典型的无线通信技术 典型的无线通信技术有：蓝牙（典型的无线通信技术有：蓝牙（Bluetooth）、）、UWB(超宽带超宽带)、Wi-Fi、ZigBee、无线局域网、无线局域网、GSM、GPRS、CDMA等。等。 应用蓝牙技术将传统意义上的测控系统接入因特网实现网络应用蓝牙技术将传统意义上的测控系统接入因特网实现网络测控的示意图如图测控的示意图如图5-4所示。所示。 基于基于ZigBee的网络化传感器结构示意图的网络化传感器结构示意图 测控系统蓝牙收发模块A网 关因特网蓝牙收发模块B智能传感器敏感元件信号调理A/D转换微处理器智能算法传感器参数表物理层数据链接层TCP/IP协议层用户层通信介质网络接口网络4.4.2无线网络视频监控系统无线网络视频监控系统 无线网络视频监控系统是无线网络技术应用最多的领域之一。无线网络视频监控系统主要用于对重要区域或远程地点的监视和控制，无线网络视频监控技术在电力系统、电信机房、工厂、城市交通、水利系统、小区治安等领域正得到越来越广泛的应用。 图5-6所示为无线网络视频监控系统示意图。 无线网络监控和传统的监控方案相比，具有以下优点： （1）综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至于根本无法实现。这时，采用无线网可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。 （2）组网灵活，可扩展性好，即插即用，网络管理人员可以迅速将新的监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程视频监控。 （3）维护费用低，无线网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。 无线网络监控系统是计算机、无线网络和视频编码技术的结合，它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到监控中心，并自动形成视频数据库便于日后的检索（如图5-7所示）。 5.4.3基于GSM的住宅智能报警系统的设计系统结构如图5-8所示。 5.4.4 ZigBee和GPRS技术在水文监测系统中的应用 5.4.5 工业控制网络将向有线和无线相结合方向发展 红外探头信号处理电路声光电报警电路GSM通讯加密解密电路单片机手机用户