（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式的无线手持监测系统的设计与实现.pdf

摘要 随着数字信息技术、网络技术、嵌入式技术的高速发展，人们物质生活水 平的不断提高，信息化社会正在逐步改变人们的生活方式与工作习惯。同时， 无线网络的日益发展为许多领域带来了巨大的变化，也在测控领域提出了新的 挑战，智能监测也随之诞生。 本文将z i g b e e 技术与a r m 技术结合，以嵌入式无线手持终端的设计与应 用为背景，对手持系统的国内外发展现状进行了分析，根据实际需要提出了 z i g b e e + a r m + l i n u x 的嵌入式平台设计方案。该平台可以作为嵌入式手持设备的 二次开发平台，为实际应用提供了很好的开发起点。 论文充分考虑到实际应用中智能监测系统对集中监测显示、近距离访问的 需求，以及低成本实现的实际需要，设计了以无线z i g b e e 技术组成网络体系总 体结构，并且满足了功耗低，成本低，网络容量大等要求。论文主要研究的内 容如下： ( 1 ) 分析了系统进行的可行性，介绍了手持式无线监测终端设计的总体方 案。包括简要的理论基础，处理器和开发板的选型，系统性能参数的设定。 ( 2 ) 研究t l i n u x 操作系统平台的构建过程，建立了嵌入式系统交叉编译环 境，进行了l i n u x 内核配置和移植，完成了系统驱动程序的加载、根文件系统的 制作等，编写了l i n u x 系统下串口读写操作，为系统开发打下了基础。 ( 3 ) 研究了嵌入式图形化界面以及q t o p i a 开发的关键技术。尤其是在开发 板上进行操作系统、嵌入式文件系统和嵌入式数据库的移植，实现了支持触摸 功能的q t e 在硬件平台上的移植。在应用程序方面，本次设计选择用q t o p i a 2 2 编写用户界面和无线网络监测数据分析的应用程序，最终完成对整个嵌入式手 持系统的搭建。 ( 4 ) 研究了z i g b e e 无线通信协议，对z i g b e e 协议的层次，网络拓扑结构， 设备的路由做了深入的研究，结合监测需要实现了一种近距离无线网络的应用。 该系统具有良好的人机交互界面和灵敏的检测功能，良好的可移植性和扩 展性，可以根据具体要求方便的在z i g b e e 模块和a r m 板上进行扩充以实现更 多的功能。 关键词：智能监测，z i g b e e ，a r m 9 ，q t o p i a ，嵌入式l i n u x a b s t r a c t p e o p l e sl i v i n gs t a n d a r dh a sb e e ni m p r o v i n gw i t ht h eh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to f d i g i t a li n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n t e r n e tt e c h n o l o g y , a n de m b e d d e dt e c h n o l o g y t h e i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o m m u n i t yi sg r a d u a l l yc h a n g i n gp e o p l e sw a yo fl i f ew i t h w o r kh a b i t s ，b u ta l s op o s e dac h a l l e n g et ot h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , i n t e l l i g e n t s e c u r i t ym o n i t o r i n ga l s oc o m ea b o u t t h i sa r t i c l ec o m b i n e dz i g b e ew i t ha r mt e c h n o l o g i e st ot h ee m b e d d e dw i r e l e s s t e r m i n a ld e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h eb a c k g r o u n d ，t h ed e v e l o p m e n to fh a n d h e l d d e v i c ea n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na th o m ea n da b r o a d ，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l n e e d so ft h ez i g b e ea r ml i n u xf o re m b e d d e dp l a t f o r m sf o rt h ep r o g r a m t h e p l a t f o r mc a nb eu s e da st h ec u s t o m i z e dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e dh a n d h e l dd e v i c e p l a t f o r mf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n sag o o ds t a r t i n gp o i n tf o rd e v e l o p m e n t f u l la c c o u n to ft h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n i nt h ei n t e l l i g e n tt e r m i n a lo ft h e c e n t r a l i z e dc o n t r o l ，r e m o t ea c c e s sn e e d s ，a n dl o wc o s to ft h ea c t u a ln e e d s ，d e s i g na w i r e l e s sz i g b e et e c h n o l o g yt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo fan e t w o r ks y s t e m ，a n dm e e tt h e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，l o wc o s t ，n e t w o r k - c a p a c i t yr e q u i r e m e n t s m a j o rr e s e a r c h p a p e r r e a d sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y z i n gt h ep o s s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，i n c l u d i n gb r i e ft h e o r e t i c a lb a s i s ， p r o c e s s o ra n dd e v e l o p m e n tb o a r d a n dt h es y s t e mp e r f o r m a n c ep a r a m e t e rs e t t i n g s ( 2 ) o ft h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r mf o rb u i l d i n gp r o c e s s b u i l d c r o s s - c o m p i l e re n v i r o n m e n t f o re m b e d d e ds y s t e m s ，c o n d u c t e dal i n u xk e m e l c o n f i g u r a t i o na n dm i g r a t i o n ，t oc o m p l e t et h es y s t e ml o a d st h ed r i v e r , m a k i n gt h er o o t f i l es y s t e m ，e t c ，p r e p a r e du n d e rt h el i n u xs y s t e m ，r e a dt h es e r i a lp o r tw r i t eo p e r a t i o n ， t h ef o u n d a t i o nf o rt h es y s t e md e v e l o p m e n t ( 3 )o ft h eg r a p h i c a li n t e r f a c e ，a n dq t o p i ae m b e d d e dk e yt e c h n o l o g y e s p e c i a l l yi nt h ed e v e l o p m e n tb o a r df o rt h eo p e r a t i n gs y s t e m ，e m b e d d e df i l es y s t e m a n de m b e d d e dd a t a b a s em i g r a t i o n ，i m p l e m e n t a t i o ns u p p o r tt o u c hf u n c t i o nq t eo n t h eh a r d w a r ep l a t f o r mm i g r a t i o n i nt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r e s ，t h i sd e s i g nc h o i c e p r e p a r e dw i t hq t o p i a 2 2w i r e l e s sn e t w o r km o n i t o r i n gu s e ri n t e r f a c ea n dd a t aa n a l y s i s a p p l i c a t i o n s ，t h ef i n a lc o m p l e t i o no ft h ee m b e d d e dh a n d h e l dp l a t f o r m i i ( 4 ) o ft h ez i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 t h el e v e lo ft h ez i g b e e p r o t o c o l ，n e t w o r kt o p o l o g y , r o u t i n ge q u i p m e n t ，d e e p l yr e s e a r c h ，c o m b i n e dw i t h m o n i t o r i n gn e e dt or e a l i z ea s t a rn e t w o r ka p p l i c a t i o n s t h i ss y s t e mh a san i c em a n - m a c h i n ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n ds e n s i t i v e d e t e c t i o n ，g o o dp o r t a b i l i t ya n de x p a n s i b i l i t y ；s p e c i f i cr e q u i r e m e n t sc a nb ee a s i l y e x p a n d e di nz i g b e ea n da r m i no r d e rt oa c h i e v em o r e k e y w o r d s ： i n t e l l i g e n tt e r m i n a l ，z i g b e e ，a r m 9 ，q t o p i a ，e m b e d d e dl i n u x i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：多铂导师( 签名) ：幻期加f 。歹 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 嵌入式作为本世纪最有生命力的技术，由于具有便携性，高可靠性，低功 耗等特点，使得其在消费电子、网络通信、工业控制等许多领域方兴未艾。而 随着嵌入式技术的发展，嵌入式手持设备也渗透到人们生活的方方面面，生活 中随处可见的各种手持数据终端广泛应用于消费电子，移动通信以及数据采集 等领域【l 】，因此，嵌入式手持系统的未来市场和应用前景非常光明。 近年来，随着无线通信技术的不断发展，基于z i g b e e 的近距离无线网络技 术也逐渐出现在人们的视野当中，因为其低成本、低功耗、复杂度低的特性在 消费电子以及工业控制领域的发展势头相当迅猛【2 j 。采用z i g b e e 这项新技术与 嵌入式技术结合来实现无线监测，不仅为传统应用带来技术变革，扩大了嵌入 式设备的控制范围，也为广大用户带来许多便利。在环境监测、医疗健康、智 能家居和其他商业领域中p j ，z i g b e e 技术与嵌入式结合形成的无线传感器网络己 成为一片研究开发的新的热点领域。 本文选题的应用背景是基于上述技术的监测系统的设计。与其他信息采集 终端中的应用相比，结合z i g b e e 无线网络和嵌入式技术的应用开发要求很高， 要想开发出高水平、高效能的嵌入式系统，就必须深入分析嵌入式系统和近距 离无线网络，充分发挥它们的技术优势。因此，最终根据需求分析提出了 z i g b e e + a r m 9 + l i n u x 的平台设计方案，该方案可以作为其他嵌入式手持设备的 二次开发的参考模型。随着今后科技水平的提高，特别是各种新兴的低功耗电 子元器件以及软件产品的日益成熟，相信无线手持系统会逐渐在各个行业得到 广泛的应用和发展。 1 2 国内外发展的现状 从嵌入式手持设备的发展历程来看，国外特别是发达国家嵌入式技术起步 较早，在超市和物流行业早已经得到了广泛的应用，因此其产品较为成熟，功 能较为完善，交互性也较好。而在我国，嵌入式系统发展的主要特点是嵌入式 武汉理工人学硕+ 学位论文 系统核心技术发展迅猛，日臻成熟。从市场上最新发售的高端智能手机、p d a 到现在同常生活中各种手持条码数据采集器、i c 卡手持终端等的大量运用，嵌 入式手持设备在物流、门禁安全、卫生医疗和餐饮行业都前所未有的广泛应用【l 】。 因此，国内从事嵌入式的公司虽然起步较晚，但也已经有不少公司从事针对其 特定领域的手持类产品的开发，在可预计的将来，相信会有更多的专用手持设 备面世。 从2 0 0 4 年到2 0 0 9 年，i e e e8 0 2 1 4 芯片组市场的复合年增率将高达2 0 0 ， 而预计到2 0 1 0 年的芯片出货量将会达到1 亿个，z i g b e e 技术的产业链已经基本 形成，芯片达到了批量生产的阶段1 2 j 。其中j e n n i e 选用的2 4 g h z 频道开发出 z i g b e e 单芯片；而其他厂商也已经完成了开发套件，并能够提供系统厂商整合 方案。目前国内企业正在积极开发z i g b e e 的应用市场，分别为家庭与楼宇自动 化、消费电子、工业自动化、监控检测、医疗监护、物流管控和农业监控等【3 】。 国内众多厂商也开始从事利用z i g b e e 技术读取水电表资料。预计在未来的5 年 之内，每一个家庭将会被安装大约5 0 个z i g b e e 设备。 国内的监测领域中嵌入式和z i g b e e 技术的应用也正在进行，例如：清华大 学核能与新能源研究院的饶星等人在文献1 4 j 中阐述了关于一种新型无线局域网 络传输技术z i g b e e 的放射源保安系统。天津大学的李王辉等在文蒯5 】中提出了 利用z i g b e e 无线通信技术组建企业电力信息管理系统中电力用户电表的无线数 据传输平台，以实现对变电站关口表计和用户表计的数据采集与监控。华南师范 大学的吴俊君在文献【6 j 中对目前楼宇门禁装置应用现状进行了分析，结合当前热 门的无线视频传输技术设计了一种新型的基于8 0 2 1 1 网络协议的嵌入式无线可 视化门铃系统。通过上面的阐述，说明无线手持系统会逐渐在各个行业得到广 泛的应用和发展。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要从z i g b e e 近距离无线网络的结构和建立、数据传送机制；嵌入式 系统的建立，g u i 图形化界面的开发等方面进行详细的讨论和研究，提出了自 己的设计方案，并最终搭建了基于z i g b e e 无线网络和嵌入式的监测演示系统。 本论文的章节安排如下： 论文首先在第l 章介绍了论文的研究背景，叙述了国内外的发展现状，并 给出了基于z i g b e e + a r m 9 + l i n u x 手持设备平台的开发方案。 2 武汉理j = 人学硕士学位论文 第2 章给出了本次设计的系统总体框架结构并研究了每个子模块的作用， 特别讨论了系统的软件和硬件选型依据，并介绍了y c 2 4 4 0 开发板的资源以及 z i g b e e 无线网络的框架结构和技术特点。 第3 章给出了系统软件平台的搭建方法和步骤，包括a r m l i n u x 交叉编译器 的配置及供开发使用的n f s 文件系统的建立，l i n u x 内核的移植及相关设备的驱 动的完善和移植，b u s y b o x 工具的配置和文件系统的移植等。 第4 章主要阐述图形界面g u i 的设计。分析了人机交互的图形化界面的各 种要素和要点，探讨了如何移植q t e m b e d e d 以及在q t e 上开发应用程序和仿 真；还对s q l i t e 数据库移植与开发的主要过程进行了详细的研究，同时以z i g b e e 无线网络为具体背景进行了详细的设计，体现了良好的针对性和交互性。 第5 章给出了z i g b e e 无线网络的构建原理和过程，探讨了应用程序的架构， 并基于z i g b e e 协议栈研究了节点控制程序的设计和编写。 最后在第6 章介绍了目前该系统所取得的成果和存在的缺陷，结合个人的 开发体会，提出了以后的发展方向和系统的改进意见。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章智能监测系统的总体设计 2 1 系统总体架构的需求分析及设计 随着无线网络技术的应用和普及，并结合嵌入式技术向安全监测领域不断 扩展，智能监测呈现出了消费电子、计算机、通信一体化的趋势。从智能监测 的功能可以看出，在它的市场需求越来越大的同时，系统对控制器的处理速度、 存储器容量、实时人机界面等许多方面提出了较高的要求 7 1 。本文设计的智能监 测系统要处理来自近距离无线网络的监测数据，要求实现智能监测系统的必须 能够实时显示监测数据并进行相应的处理工作。本章讨论研究了智能监测系统 的总体设计方案。 2 1 1 系统总体框架的需求分析 手持监测系统器作为整个网络的控制中心，因此其需要获得网络内各个功 能节点的相关信息以实现与它们的通信，通信所需要的必要信息为它们的地址 以及它们所获得的监测信息，通过手持系统所提供的可视化界面，实时的现实 各个节点所传送的信息。同时分析并判断监测点的情况将它们自动存储在手持 监测系统中。本文的最终目的是将其设计成一个具有监测功能的手持设备，所 以在硬件的选择上，采用资源丰富、功能强大的3 2 位处理芯片。考虑到系统开 发中要使用图形用户接口g u i ，并且要实现的任务较多，因此软件设计中引入 了嵌入式操作系统。系统为实现监测的主要功能将重点考虑以下几个因素： ( 1 ) z i g b e e 协调器模块与$ 3 c 2 4 4 0 微处理器之间的串口通讯。当z i g b e e 模块接收到无线节点板上的传感器发来的环境监测信号后，将通过特定的程序 指令将处理过的检测信号发给嵌入式手持终端，这个过程中连接z i g b e e 网络和 嵌入式设备的硬件通道是r s 2 3 2 串口，然后再把信号在液晶屏上实时显示出来。 ( 2 ) 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 的数据存储。$ 3 c 2 4 4 0 处理器将经过了处理的结果 通过液晶屏显示出来的同时，需要对环境监测信号进行判断和处理。如果环境 信号已经超过了预设的门限值，就将手持终端接收到的异常数据信息存入嵌入 式数据库，同时进行报警处理。 ( 3 ) 传感器与z i g b e e 模块的无线传输。这里主要使用了无线节点上的两类 4 武汉理工人学硕+ 学位论文 传感器：温度火灾传感器湿度传感器和板载电压a d 采样【8 】，这两类传感器采 集的环境数据通过近距离无线网络与处理器进行信息的传输。 ( 4 ) 手持监测系统主要要完成的功能包括g u l 人机画面的显示、文件存储、 报警处理等功能。按照功能要求将系统划分为三个任务：即串口任务、嵌入式 数据库任务、温度报警任务，再加上系统必备的一个任务g u i 主任务，因此系 统中一共实现了四个任务。 2 1 2 系统总体设计 本次设计中以$ 3 c 2 4 4 0 处理器为核心控制器，在嵌入式l i n u x 系统平台上， 通过接受传感器网络发送来的监测数据来检测环境的异常，当传感器向处理器 发送信号达到或超过报警门限值时，处理器经过一系列的实时处理，把结果通 过手持终端上的液晶屏幕显示出来并发出蜂鸣报警，与此同时还将超过门限值 的数据存储到嵌入式数据库中去。系统的总体结构如图2 1 所示。 图2 1 系统总体框架结构图 具体而言，以$ 3 c 2 4 4 0 处理器和j n 5 1 2 1 无线收发模块为核心的硬件系统。 设备的硬件系统主要利用微控制器实现远程数据的接收和实时显示，从而达到 实时监测目的。$ 3 c 2 4 4 0 是高性能的3 2 位微控制器，具有完整的通用外围设备 接口，使得整个系统的功耗达到最低。而主站设备则以$ 3 c 2 4 4 0 为核心，外扩 2 5 6 m b 的n a n df l a s h 和6 4 m b 的s d r a m 等存储芯片，利用i o 接口扩展了彩 色液晶屏、蜂鸣器、存储卡等设备；连接j n 5 1 2 1 模块实现与路由器的无线通讯。 其中j n 5 1 2 1 模块是由j e n n i c 公司推出的符合i e e e8 0 2 1 5 4 标准射频收发器。 j n 5 1 2 1 模块具有超低电流消耗( 接收时1 9 7 m a ，发射时1 7 4 m a ) 、高接收灵敏 度( 9 9 d b m ) 临频道高抗干扰能力( 3 9 d b ) 以及2 5 0 k b p s 速率高效传输等显著特点 武汉理j ：人学硕十学位论文 【8 1 。该设备可独立进行工作，它本身就是一个可移动的便携式工作站。设备还能 通过网线与i n t e r n e t 进行连接。 2 2 嵌入式硬件的选型以及嵌入式操作系统的选择 因为嵌入式系统开发与硬件平台紧密相连，所以一个完整的系统必须要有 良好的硬件平台来支持的嵌入式系，更重要的是一个良好的硬件平台，会为嵌 入式应用软件的开发提供可靠的保证和开发上的诸多便利。但是据不完全统计， 世界上已经开发出了近1 0 0 0 种的处理器，其中涵盖了流行的3 0 多种体系结构【9 】， 所以选择合适的硬件平台是一项需要一定经验的复杂工作。在手机和p d a 等嵌 入式行业，大部分采用a r m 核结构的处理器，因此在选择处理器时，更倾向于 选择具有主流体系结构的，能得到广泛技术支持的处理器，这样就能够快速、 准确的解决开发中遇到的问题。 2 2 1 嵌入式处理器的分类及选型 在开发一个系统的过程中选择什么样的处理器主要取决于该系统的应用领 域，嵌入式系统的核心部件是品种繁多的嵌入式处理器，当前主流处理器架构 有a r m 、m i p s 、p o w e r p c 等几大类，而且几乎主要的半导体制造商都生产上述 的三类嵌入式处理器。表2 1 就这三种类型的处理器的简要比较说明。 表2 1 主流嵌入式芯片比较 处理器类型价格主要应用领域 手持设备、可视电话、楼宁的对讲系统、v o l p 、网络监测、 a r m低 多媒体终端产品、医疗电子设备和各种其它移动无线应用7 1 m i p s 低应用范围广泛，主要针游戏机，路由器和超级计算机等市场 适合于集成灵活、通用的通信功能和多种控制应用功能的通 p o w e r p c高 信和网络设备 基本的处理器部分，外围扩展，人机接口以及存储部分等是作为一个手持 设备必须包含的组成部件。而以上这些部分都可以立足于嵌入式系统中应用最 广泛的3 2 位嵌入式处理器为核心来进行搭建和开发。目前采用了a r m 公司的 芯片设计技术的授权的a r m 微处理器已遍及工业控制、消费类电子产品、通信 系统、网络系统等各类产品市场。据统计，基于a r m 技术的微处理器已经渗入 到生活的各个方面，其应用约占据3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额【9 1 。 6 武汉理上人学硕士学位论文 a r m 处理器以低成本、低功耗和高性能等优点成为了嵌入式解决方案的 r i s c 标准。而$ 3 c 2 4 4 0 微处理器是一款由s a m s u n g 公司为手持终端设计的低价 格、低功耗，高性能，基于a r m 9 2 0 t 核的微处理器。因此这也是本次设计中将 要采用的处理器。a r m 微处理器的特点如下f 1 0 1 ： ( 1 ) 采用r i s c 架构；支持t h u m b a r m 双指令集，能很好的兼容8b i t 1 6 位器件； ( 2 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快，大多数数据操作都在寄存器 中完成： ( 3 ) 指令长度固定，寻址方式灵活简单执行效率高。 2 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 处理器以及y c 2 4 4 0 开发板资源介绍 a r m 微处理器目前包括a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 和s t r o n g a r m 几个系列。$ 3 c 2 4 4 0 处理 器内部带有内存管理单元( m m u ) 采用0l g r a m 工艺和a m b a 新型总线结构， 主频可达4 0 0 m h z 。同时它支持t h u m b1 6 位压缩指令集，从而能以较小的存 储空间获得3 2 位的系统性能i l q 。对比p o w e r p c 等处理器的手持设备方案的规划， $ 3 c 2 4 4 0 处理器中的m m u 的存在保证了嵌入式l i n u x 操作系统的良好运行，而 且从芯片级提供了诸多的外设支持。 图2 - 2 扬创2 4 4 0 开发板 武汉理下大学硕士学位论文 为了使开发有一个良好的硬件平台，本次设计采用了扬创公司设计的一套 基于三星公司提供的公版s m d k 2 4 4 0 的嵌入式系统开发板y c 2 4 4 0 开发板。 y c 2 4 4 0 开发板充分考虑到了开发手持设备对体积和外观的要求，$ 3 c 2 4 4 0 处理 器组成的核心电路使用了6 层布线，大大缩小了开发板的尺寸，使开发者可以 集中精力去完成应用软件的开发。y c 2 4 4 0 开发板配套$ 3 c 2 4 4 0 芯片的管脚做了 以下的扩展和外围电路，开发板全貌如图2 2 所示。 1 0 0 m h z 以太网控制器 1 通道5 线制串口，2 通道3 线制串口 4 通道u s b l 1主机接口以及1 通道u s b l 1 设备接口 s d m m c 卡接口 音频输入输出接口 标准2 0 p i nj t a g 调试接口 4 只自定义功能l e d 指示灯 标准配置6 4 m b y t e sn a n df l a s h 和6 4 m b t y e ss d r a m ( 1 ) 串口硬件设计 在本次设计中使用了y c 2 4 4 0 开发板上的扩展串口，通过$ 3 c 2 4 4 0 芯片的 内部寄存器和u a r t 接口可以很方便的实现r s 2 3 2 串口功能。$ 3 c 2 4 4 0 芯片的 管脚电平为1 8 v ，是典型的1 v r l 电平值，所以i o 口的最大逻辑电平也只能达 到3 3 v 。为了实现r s 2 3 2 串口通信功能还必须在硬件上增加相应的t t l c m o s 电平到r s 一2 3 2 电平的转换电路，y c 2 4 4 0 开发板上已经焊接了s p 3 2 3 e e n 芯片 来完成这一工作，经由s p 3 2 3 e e n 芯片以及几个电容等组成的配套电路。串口电 路图如图2 3 所示。 c o m l 7 v 9 i o 一 争 4 一 8r s r t s 0 v 3r s r x c o 7r s ( t $ 0 o 2r s t ) a d ( o 一 6 l o - - r 1 cl+vdd 面lb r li - l c1v年 2 i 卜 c r 1 片 c 2 +v 6 l 卜 l c c 2 g n d 1 5 1 i b r q ) o1 4 r l i nt l l l d ii _ r s r t s 07 t 1 0 u tr l o u t 1 2r x d o 髓o u t 1 2 1 0n r t s 0 r s c t s 089n ( 1 s 0 r 2 r 2 0 u r s p 3 2 3 2 l 正n 图2 3 串口电路 武汉理工大学硕士学位论文 手持平台中的串c i 部分的作用主要是用来和z i g b e e 网络中协调器节点进行 通信，另外就是在l i n u x 操作系统环境下作为调试控制台方便开发。因此，本次 设计中把$ 3 c 2 4 4 0 上的串口2 用于通信，串口一接口出来做打印调试用。 ( 2 ) 蜂鸣器硬件设计 在本次设计中还使用了y c 2 4 4 0 开发板上的蜂鸣器来实现蜂鸣报警，开发板 提供了能够通过p w m 推动且可以发出不同频率声音的蜂鸣器，其电路图如图 2 4 所示。 v d d 5 vj 4 bb u 乙z e r 图2 4 蜂鸣器电路 2 2 3 嵌入式操作系统的种类以及选择嵌入式l i n u x 的理由 嵌入式系统从不同角度有多种定义，但在本文中采用一种通俗的定义：以 应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、 可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。在明确了嵌入式系统 定义基础上，可由表2 2 对比分析市面上常见的几种嵌入式系统。 表2 2 嵌入式操作系统性能比较 处理器类型费用 特点 良好的的内核以及友好的用户开发环境，具有可裁剪微内核 v x w b r k s 高结构：高效的任务管理：灵活的任务间通讯；微秒级的中断 处理：支持完整的t c p i p 网络协议【1 1 】 与w i n d o w s 系列有较好的兼容性，没有开放源代码；在效 w i n c e 中率、功耗方面的表现并不出色，而且t 与用过多的系统内存， 运用程序庞大 源代码公开并且遵循g p l - i # i , s ( i i 】，系统稳定，内核精悍， l i n u x 免费运行所需资源少，其支持的硬件数量庞人，各种硬件的驱动 程序源代码都可以获得 9 武汉理t 大学硕士学位论文 在上述定义中体现了嵌入式系统的组成关键点，那就是由嵌入式处理器作 为硬件支撑，而嵌入式操作系统及上层应用软件是与应用紧密结合的，它具有 很强的专用性，必须进行合理的裁减利用以能够与具体应用有机地结合在一起。 嵌入式l i n u x 操作系统是嵌入式系统的重要组成部分，它具有通用操作系统 的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，通过把硬件虚拟化实现对硬件像 对文件一样的操作。和前面提到过的两种嵌入式系统比较而言，虽然嵌入式 l i n u x 没有内嵌的g u i ，但是它能够与多种图形化界面完美的结合。其中 q t e m b e d e d ( 简称q t ) 就是著名的t r o l l t e c h 公司开发的一种面向嵌入式的g u i 开发平台和工具。 在桌面操作系统领域，q t 是被k d e 等项目广泛使用的g u i 标准库，因此将 用q t 编写的xw i n d o w 下的程序移植到q t e m b e d e d 上是一件省力和方便的工 作。q t e m b e d e d 和q t 4 x 一样都是基于s e r v e r c l i n e t 结构的，q t e m b e d e d 仍然是 采用的f r a m e b u f f e r 作为底层图形接口。而它的2 0 0 多个类完全采用c + + 封装， 所以其优秀的执行效率和便利的可移植性是q f f e m b e d e d 最为夺目的优点。它的 类库接口完全兼容于同版本的q t x 1 1 ，可以使用桌面操作系统下的q t x l l 来进 行交叉编译前的代码编写，正是基于q t e m b e d e d 来丌发g u i 界面应用程序的一 大特点和优势。 2 3z i g b e e 技术概述及网络协议研究 2 3 1z i g b e e 技术的概念及特点 z i g b e e 是一种短距离、低功耗、低速率的无线网络技术。i e e e8 0 2 1 5 4 无 线标准是z i g b e e 协议的底层标准，而z i g b e ea l l i a n c e ( z i g b e e 联盟) 对其网络 层协议和a p i 进行了标准化。此外，由于z i g b e e 协议还包括了网络层( n e t w o r k l a y e r ) 、安全层( s e c u r i t yl a y e r ) 、应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ) ，所以在机制上 可以实现数据完整性检查功能【8 】。而且由于z i g b e e 网络的灵活性和自组织性， 使得网络结构发生一定的变化或遭到破坏时仍然能够通过节点之间的相互感知 而是剩余网络正常工作。 ( 1 ) 物理层 i e e e8 0 2 1 5 4 提供了8 6 8 9 1 5m h z 和2 4 g h z 两种物理层的选择( 在我国 采用的是2 4 g h z 频段) ，2 4 g 物理层的数据传输率为2 5 0 k b s 。 1 0 武汉理工人学硕士学位论文 ( 2 ) 介质访问层 i e e e8 0 2 1 5 4 规定的m a c 层向上层提供两个服务访问点( s a p ) 来与高层 发生联系，这样为网络层和物理层提供了一个接口。 ( 3 ) 网络层 网络层包括逻辑链路控制子层( l l c ) 。在逻辑链路中，因为m a c 子层与硬件 联系较为紧密，故在逻辑链路的实现上m a c 子层起了很关键的作用，而且m a c 子层并随不同的物理层实现而变化【1 2 】。 2 3 2z i g b e e 网络的拓扑结构 z i g b e e 网络具有如图2 5 所示的三种拓扑形式，分别是：星形拓扑、树形 拓扑、网状拓扑。 c o o r d i n a t o ro 誓乙 9 ：p7 ，v 裂 以上三种网络拓扑结构中，节点间的通信采用不同的方式，其所对应的网 络特点如表2 3 所示。 表2 - 3 网络类型与节点 网络类型网络特点 包含一个c o o r d i n a t o r 节点和一系列的e n dd e v i c e 节点。每个e n d 星形拓扑d e v i c e 节点只能和c o o r d i n a t o r 节点进行通信，在两个e n dd e v i c e 节点之间进行通信必须通过c o o r d i n a t o r 节点进行转发 c o o r d i n a t o r 可以连接r o m e r 和e n dd e v i c e ，其子节点的r o u t e r 也可以连接r o u t e r 和e n dd e v i c e ，信息具有唯一路由通道，直接通 树形拓扑 信只可以在父节点与子节点之间进行，非父子关系的节点需间接通 4 警- = - 1 3 j 1 日 任两个节点可相互传输数据，数据可直接传送或在传输过程中经多 网状拓扑 级路由转发，网络层提供路由探索功能，网络会自动按照z i g b e e 协议算法选择较好的路由路径作为数据传输通道 武汉理工人学硕七学位论文 2 3 3z i g b e e 协议栈框架 z i g b e e 标准定义了一种网络协议，这种协议是栈构建在i e e e8 0 2 1 5 4 标准 基础之上。具体来说，i e e e8 0 2 1 5 4 标准定义了m a c 和p h y 层的协议标准， 而z i g b e e 协议栈则定义了网络层，应用层和安全服务层的标准。m a c 和p h y 层定义了射频以及相邻的网络设备之间的通讯标准，越向下越贴近硬件，越向 上越贴近应用程序。网络层完成了z i g b e e 网络的大部分功能，包括网络的建立， 拓扑，数据的通讯，路由等等【3 】【12 1 。应用程序则是构建在这个层次之上的。 z i g b e e 协议栈的主要工作内容就是实现网络层的各种功能，并保证其标准性和 兼容性。本文中节点程序程序开发所使用的是由j d 州i c 公司开发的协议栈，如 图2 6 所示。 2 4 本章小结 图2 - 6z i g b e e 协议框架 本章讨论了本论文要实现的系统的总体设计方案，研究了系统的各个模块 的选型理由，其中介绍了s 3 c 2 4 4 0 处理器的特点以及y c 2 4 4 0 开发板的各种资 源，同时分析了操作系统的选型理由，并介绍了近距离无线网络z i g b e e 技术的 特点和网络结构。 1 2 武汉理j ：人学硕十学位论文 第3 章开发平台的搭建及文件系统的制作 系统的硬件平台设计和选型完成后，其后续步骤是将操作系统以及应用软 件移植到硬件平台上运行起来。嵌入式无线手持系统的软件核心是嵌入式l i n u x 操作系统，本章围绕如何将l i n u x 操作系统在基于$ 3 c 2 4 4 0 的硬件平台上的移 植为主要思路，阐述了包括交叉编译环境、l i n u x 内核的移植、相关驱动程序的 设计以及根文件系统的实现等软件平台的搭建过程。 3 1l i n u x 交叉编译环境的建立 交叉编译是嵌入式系统开发过程中特有的一种开发方式，因为嵌入式系统 是一个资源有限的系统，所以不可能直接在嵌入式平台上直接完成开发的全过 程，必须借助于p c 机进行主机上的程序编写和编译，然后通过系统上的网口、 串口等通信接口将开发好的程序下载到的嵌入式系统中。 3 1 1 编译器的配置 建立针对a r m 9 处理器平台的交叉编译环境，通常是先在p c 机上建立目 标代码为a r m 的编译工具链( t o o l c h a i n ) ，这是一套编译器、连接器和l i b c 库 等组成的开发环境，目的是用这个工具链来编译和处理l i n u x 内核及应用程序。 由于采用的软件开发平台是版本为2 6 3 0 的l i n u x 内核，所以编译器也要使用相 应的版本i l4 1 。太旧的版本则可能不支持某些新的功能；太新的版本大多没经过 大量的测试，可能会有一些意想不到的缺陷和错误。 在后续的开发板编译内核、图形界面q t o p i a 以及应用程序开发中均需要交 叉编译工具链，交叉编译工具主要由b i n u t i l s 、g e e 和g l i b e 几个部分组成。下 载a r l l l l i n u x g c c - 4 3 3 版的交叉编译器的压缩包，以r o o t 用户身份登陆l i n u x ， 进入m r l o c a l 目录，创建名为a r m 的目录；然后用命令“t a rz x v f a r m l i n u x g e e - 4 3 3 t a r b z - - c 将压缩包解压。 为了方便的使用a r m 1 i n u x g c c 编译器，把a r m 1 i n u x 工具链目录加入到环境 变量p a t h 中：添加“p a t h m u n g e o p t e m b e d s k y 4 3 3 b i n ”到e t c p r o f i l e 文件中的 相应位置，最后用“s o u r c e e t c p r o f i l e ”命令激活设置，图3 1 为配置文件。 武汉理工大学硕士学位论文 脚e t 删