基于无线传感器网络的嵌入式应用研究
摘要：嵌入式系统的应用已经成为研究的热点，该文从嵌入式系统的选题、需求分析、软硬件设计及调试等进行了详细介绍和设计实例。力图为人们今后的学习、工作和研究提供一定的帮助与借鉴。
关键词：嵌入式；无线传感器；应用
1 嵌入式系统的概述
嵌入式系统本身是一个相对模糊的定义。一种被广泛认可的定义是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。它与通用计算机技术最大的差异是必须支持硬件裁剪和软件裁剪，以适应应用系统对体积、功能、功耗、可靠性和成本等的特殊要求。
嵌入式系统的开发主要可分为硬件层、驱动层、操作系统层和应用层等4个。
硬件层：硬件层开发的主要工作是根据应用的需求选择适合的嵌入式处理器芯片，配置相应的接口电器，为嵌入式应用搭建一个硬件平台。
驱动层：该层是介于嵌入式硬件和上层软件之间的一个底层软件开发包，主要目的是屏蔽下层硬件。本层一般有两种功能：一是系统引导，包括嵌入式处理器和基本芯片的初始化；二是提供设备的驱动接口，负责嵌入式系统与外设的信息交互。
操作系统层：嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分。通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面等。嵌入式操作系统还可以分为实时操作系统和分时操作系统。
应用层：应用层的基本任务则相对简单，主要是开发最终运行在目标机上的应用软件。如嵌入式游戏、家电控制软件和多媒体播放软件等。
2 嵌入式应用系统的开发步骤
对于嵌入式应用系统的一般开发步骤主要可分为以下几个步骤。
1）方案论证：应用系统的开发首先要确定开发题目，然后围绕题目进行方案调研。这个过程至关重要。制定方案的好坏，会直接影响以后开发工作的顺利进行。调研内容则主要为了解决了解用户需求，掌握软硬件技术难度，针对主攻问题开展调研工作等问题。嵌入式应用开发技术是一个软硬件相结合的技术，方案的论证设计还要权衡任务的软硬件分工，尽量采纳可借鉴的成熟技术。
2）硬件系统的设计：硬件系统的设计主要包括处理器芯片的选择、各个功能部件的选择和接口的设计等。在处理器芯片的选择上，大多要考虑所设计产品的应用角度，综合考虑性能、成本、技术支持等因素，选取满足系统要求的芯片。功能部件的选择一般都在相应的输入/输出部件如数据采集系统的传感器、控制系统的驱动部件和输入用的键盘和鼠标等。接口设计则要将硬件系统的各个功能模块与微处理器连接到一起，构成满足对象全部要求的单片机硬件环境。
3）应用软件的设计：应用系统中任务的实现最终依靠程序的执行来完成。应用软件设计的好坏，将决定系统的效率和优劣。应用软件的设计依据就是使用流程。系统的控制流程和软件模块都要根据使用流程来确定。
4）软硬件调试：一个嵌入式应用系统的开发，经过了方案论证、硬件设计、软件编写和印刷板加工和焊接后，还要进行软硬件的调试来验证其设计的准确性。利用开发装置进行调试时，应先把硬件电路调通。硬件调试可采用分块调试的方法先易后难、先局部再整体。对于分块调试还可编制相应模块的测试程序。硬件调试成功后，验证存储空间分配可行时，进行自上而下的主程序设计调试。程序调试可在DEBUG环境下采用断电调试或连续调试等方法进行。
3 无线传感器网络应用实例
“以应用为中心”是嵌入式系统的基本特点。基于无线传感器网络的安防系统在开发设计时也充分体现了这一特点。
1）系统的功能：在设计一个网络系统前必须首先明确系统设计的需求。这样才能顺利规划处系统功能以及功能模块，从而确定系统的设计规模和总体框架。无线传感器监测系统主要需对监测区域能够实现实时监测，主控制器通过监测无线传感器的输入信号进行分析判别。在有报警信息时，由驱动报警输出模块输出报警信息。
2）系统的主要模块：根据系统网络功能分析可知，系统的主要功能模块将由无线传感器模块、控制器模块和报警输出模块构成。控制模块是系统的控制中心，控制协调整个系统的操作运行；无线传感器模块用来对监测对象环境进行实时监测；报警输出模块则在发现有报警信息时，驱动报警输出模块输出报警信息。
3）系统的框架组成：
系统的框架主要由通信模块、控制器、报警输出模块和传感器模块构成。其布局框架和相互关系具体如图1所示。
4）系统的操作流程：明确了系统的框架组成和模块之后，则可以很清晰的绘制出流程图，然后由此确定出系统的控制流程和软件模块。系统网络一旦通电后即可开始运行，进入布防状态。在布防状态下，当传感器检测到报警信息时则向控制器发出信号，由驱动报警输出模块完成输出报警等活动。如果在布防状态下，接收到了有遥控手柄发出的撤防命令后，进入撤防状态。
4 系统设计
系统搭建思路完成之后，一般认识到该系统的主要功能模块得出的系统设计方案均需包含无线传感器模块、控制器模块和报警输出模块等。
1）硬件设计
硬件设计首先要考虑无线传感器技术。当前应用比较广泛的传感器技术包含有无线门磁感应器、无线烟雾传感器、无线红外线热释电人体传感器和无线遥控手柄等。无线门磁传感器主要是监测系统防护对象门窗的开关状态。当门窗不论以何种方式被打开后，无线门磁感应器将立即发出特定的电波，向主机报警。无线红外线热释电人体传感器主要用于探测活动的人体。无线烟雾传感器的主要价值就体现在其采用离子式烟雾传感，可广泛应用于各种消防报警系统。
报警输出模块可以采用就地声光报警、电话线路远程报警和发送短信等方式完成报警信息。值得一提的是就地声光报警只能惊动非法入侵者，若无人在场则起不到报警作用，而电话线远程报警虽然可以实现远程报警功能，但是若入侵者事先切断报警线路，则报警也会失效。所以，随着GSM移动通信网络的普及，利用GSM模块实现基于远程消息的报警方式可以有效达到报警目的。而这一切的操作都要在控制器的操作运行下完成。 2）接口设计
该系统中的接口设计主要考虑无线传感器网络的接口设计和报警输出模块的接口设计。传感器的接入可采用有线接入和无线接入。受到传输距离、环境和可变性等多种因素的影响，传统安全防范工作中大多采用有线方式连接。无线传感器的连接则可以免去繁琐的接线工作，直接通过RF射频技术实现。
为了实现以短信方式的输出报警，则该系统的输出模块接口设计采用GSM模块，通过UART串行接口与主控制器连接。
3）软件设计
系统控制器的工作主要通过执行程序来实现。程序软件的设计主要有主程序、布撤防控制中断服务程序、传感器中断服务程序和报警短信发送程序等几部分。主程序为开机初始化启动，其他程序则均以中断方式启动。
① 主程序。主程序的控制流程主要是在系统通电开机以后，依次完成系统时钟、LED、蜂鸣器、UART口、GPIO口的初始化等工作，然后延时十几秒左右等待GSM模块的初始化。最后调用init_sim（）等函数，完成初始化响应后，系统进入循环，等待中断事件。
② 布撤防控制中断服务程序。其启动由按钮引发。系统的开、关传感器（GPIO）被相应的打开和关闭，然后通过设置高优先级达到控制低优先级的布撤防控要求。同时伴以LED灯的亮灭和蜂鸣器的不同提示音来达到指示布撤防的成功与否。
③ 传感器中断服务程序。传感器动作时引发中断服务后，首先要确定引发中断的传感器号，然后发送相应的报警短信。传感器号的数量可根据实际需要添加。
④ 报警短信发送程序。报警主要通过UART接口，向GSM模块发送AT命令来实现。短信发送是一个AT命令执行的过程，这里将短信息的格式设为PDU模式。
4）软硬件调试
在所有开发装置调试通过的程序，最终都要下载到应用系统中的程序存储器内进行脱机运行。若脱机运行正常则完成，若运行有问题则应分析原因，并修改程序重新输入。
5 结束语
在计算机技术和信息网络技术大发展的环境下，嵌入式系统的应用越来越广泛，而嵌入式产品以其小巧、使用方便、实用等特点越来越受到人们的青睐。嵌入式系统开发，从选题、需求分析、软硬件设计及调试等的研究，对嵌入式技术的推广和产品的开发具有很大的促进作用，符合社会对创新型、应用型人才的需要。
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