华东理工大学 罗耀锋、孙红艳、刘含彬、徐明江
指导教师：凌志浩教授
摘 要：本课题提出了一种基于嵌入式Web Server的无线传感器网络平台构架。出于传感器节点系统造价、开发程度、资源需求及通信能力考虑，设计了以ARM9芯片为核心的传感器节点的硬件，以嵌入式Linux操作系统和嵌入式Web服务器为核心的软件，实现了一个基于嵌入式Web Server 的多功能系统平台。
关键词: 无线传感器网络, 嵌入式Web Server, ARM,Linux
一、选题背景
在工业控制中，工业现场的各种传感器、变送器、执行器以各种线缆来连接。然而对于一些移动设备，固定的线缆是束手无策的；另外，铺设线缆价格不菲，控制室和现场有时候相距甚远，众多节点间的连线难免使开销过于沉重；而且，节点众多，也使得连线复杂，给安装和检修带来麻烦。为了解决“有线”带来的上述问题，我们很自然想到了“无线”。无线传感器网络（WSN）是一种不需要预定基础设施支持的自组织可重构的多跳无线网络，可以应用于工业环境下。而且我们了解到，我校自动化系与其他科研机构合作的
一项863项目，正是与无线传感器技术相关，这使我们对无线传感器技术产生了更大的好奇。进一步，为了更好的服务工业领域，顺应信息全球化的潮流，我们还需要搭建一个可是实现数据采集，远程监控，支持远程信息查询的平台。嵌入式WEB服务器正是可以有效提供将无线传感器网络与工业以太网等远程监控系统的集成。我们最终定下了这个依托于网络技术、无线通信技术、嵌入式技术的课题。我们将课题定为“基于嵌入式Web服务器的无线传感器网络”。无论探寻之路多艰辛，我们一定会坚定不移地走下去。
二、 方案论证
1、技术现状
无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期，由于无线传感器网络的巨大应用价值，它引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注。我国无线传感器网络及其应用研究几乎与发达国家同步启动。从总体来讲，国内关于无线传感器网络的研究还处于刚刚起步的阶段，但是由于无线传感器网络是一门新兴技术，国内与国际水平的差距并不很大，及时开展这项对人类未来生活影响深远的前沿科技的研究，对整个国家的社会、经济将有重大的战略意义。
2、功能需求
本课题选择的Zigbee多接口网关不同于传统网关的单一接口，它具有多种功能：
1）通过以太网接口，接入工业以太网，使无线传感器网络成为整个控制网络的子网。
2）通过以太网接口，以及所编写的嵌入式WEB服务器，实现嵌入式WEB服务器功能。整个网络中的PC机通过输入无线传感器网络中协调器的网络地址，以WEB的方式查看协调器所传输的节点收集到数据信息，并可以进行参数调整。
3）通过RS‐485接口，实现MODBUS协议，可与现场总线网络进行互联。
4）通过RS‐232或USB接口与监控计算机连接，可以通过监控计算机实现无线网络的监控，参数设置，程序下载等功能。
3、基本结构
综合考虑到课题欲实现的各种功能及需要解决的问题，我们的总体设计框图如图 3.2：系统包括硬件基础设计，软件设计和应用设计，三者共同组成一个完整的整体。
应用层 嵌入式WEB服务器
以太网协议现场总线协议驱动程序
软件层
嵌入式Linux操作系统
以太网接口无线通信模块
硬件层
USB接口 ARM芯片
串行口
三、 研究方法
1、硬件平台
本系统硬件平台主要由微控制器(AT91SAM9260)、无线模块（主要由2430芯片实现）、外部存储器(NAND FLASH、NOR FLASH及SDRAM)、数据通讯接口(RS232、USB、以太网)、人机接口(LCD 显示器接口、按键接口)、调试接口(JTAG)及电源等部分组成。
芯片选择的是AT91SAM9260，该芯片是Atmel公司的工业级ARM9芯片，AT91RM9200的升级产品，可简化外围设备与微处理器的硬件连接程度，提高系统的稳定性、可靠性。外部存储器选用了2片16位的SDRAM（HY57V281620FTP‐HI）并联构成4M的存储空间，，用作程序的运行空间、数据及堆栈区等。同时扩展了NOR FLASH和NAND FLASH。以太网接口采用Intel公司的LXT971ALE网络接口芯片来进行实现的。
2、软件设计和实现
软件部分主要由系统初始化程序Bootloader、嵌入式Linux操作系统、各个接口驱动程序、无线通信协议、嵌入式Web服务器BOA、CGI应用程序等部分组成。
在本次设计中，操作系统选择的是嵌入式Linux操作系统。嵌入式Linux系统对硬件资源的开销
更大，因此本次硬件设计中采用的工业级芯片AT91SAM9260的丰富资源和外扩Flash和SDRAM的充足储存空间是采用嵌入式Linux的保证。
在Linux开发平台下，可以使用的Web服务器主要有3个：httpd，thttpd和Boa。系统选择实现一个支持CGI的、非常适合于嵌入式系统的Boa web服务器，并将其移植在该系统中，使该系统实现了嵌入式web服务器。
四、 研究结果
通过我们小组成员的努力和老师的指导下，我们项目按照预定的计划顺利地进展着，目前已经基本完成了预期的目标。我们小组顺利地完成了项目的硬件制作，成功地架设了实验的硬件平台。我们设计制作的多功能网关实现了“无线”到“有线”的转换，并提供了十分丰富的物理接口，能在多种场合实现灵活的应用。ZigBee 无线通讯模块作为整个网络的协调器实现了ZigBee网络的配置和信息的收发。而丰富的物理接口使得信息可以有多种选择实现信息的交换，如USB接口、以太网接口、RS232接口等等。经过多
次的调试和运行，在多节点的无线网络中，对无线模块信息收发、信息处理、通过Web服务器远程访问和监控等各功能块协同工作进行综合的测试和优化，各个部分均能正常得发挥其功能。
目前，我们项目组设计的多功能协调器已经申请了国家发明专利，我们项目组撰写的两篇论文《基于ARM9和Linux的嵌入式Web服务器的设计和实现》和《uCOS—II在ARM上的移植》也已经投稿。国家发明专利“无线传感器网络多功能协调器”，专利申请号：200910194404.8；实用新型专利：“一种多接口协调器”，专利申请号：200920208219.5。发表论文《基于ARM9和Linux的嵌入式Web服务器的设计和实现》于《工控智能化》，发表论文《uCOS—II在ARM上的移植》于《石油化工自动化》。
五、 创新点
本次设计的创新点一方面在于实现了“无线”和“有线”的结合和转换。我们通过无线模块实现了对于ZigBee无线传感器网络信息的收发，利用在ARM9上构筑嵌入式Web服务器并通过以太网接口实现了将无线传感器网络中的信息传递给远程的计算机，这既解决了工业现场某些场合不适宜布置有线网络的问题，又实现了对于其网络的远程的控制和访问。
另一创新点在于在本次设计中提供了丰富的物理接口，如以太网接口、RS‐485接口、RS232接口、Jtag调试接口、USB接口等，从而使得其的适应在不同场合下的复杂应用。通过以太网接口，接入工业以太网，使无线传感器网络成为整个控制网络的子网。通过以太网接口，以及所编写的嵌入式WEB服务器，
能实现嵌入式WEB服务器功能，使得本次设计的多功能网关能在各种复杂工况下被应用，实现不同场合的各种需求。
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