前言

    本文所描述的是嵌入式服務(wù)器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的信息查詢與管理的應(yīng)用，并介紹了嵌入式服務(wù)器對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價值和可行性分析，通過對嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)嵌入式服務(wù)器的功能。本文采用ARM微處理器和RTL8019AS以太網(wǎng)芯片，Uc/OS-||操作系統(tǒng),ZLG/IP協(xié)議棧，CGI接口等，建立客戶端與服務(wù)器的動態(tài)信息查詢與控制平臺。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

    傳感器、通信節(jié)點、數(shù)據(jù)處理集成了傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個節(jié)點都具有多種多樣的傳感器，可以通過這些傳感器對環(huán)境的感知，如：光、熱、聲波、壓力、速度、方向等等人們所想要感知的一切進行采取和分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是通過無線低功率通信方式獲取和處理信息的，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對人們的工作和生活方式帶來巨大的改變。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在無線通信區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點距離很短，一般采用多跳的無線通信方式進行通信。傳感器可獨立運行也可以通過網(wǎng)關(guān)連接運行。

    1．1傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展

    傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展從2O世紀7O年代就開始進行研究，大體可以分為四個發(fā)展節(jié)段。第一節(jié)段，通過點對點的單一信息傳送與處理構(gòu)造簡單的傳感器網(wǎng)絡(luò)。第二節(jié)段，可以通過串、并接口相連傳感器，從而對多種信息進行采取和處理。第三節(jié)段， 能夠智能獲取多種信息，通過現(xiàn)場總線與傳感控制器連接，能夠進行局域網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞和處理。第四節(jié)段，通過自組織無線接入網(wǎng)絡(luò)與傳感器連接，進行信息的獲取與處理，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展將是一個時代的變遷，它將把人們真正的帶入一個信息的時代。

    1．2傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

    1)節(jié)點組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在各種應(yīng)用中的功能可以分為數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)傳輸與電源。確定需要監(jiān)測信號形式，選擇傳感器類型，使用嵌入式CPU，選擇適合的操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸是通過無線通信形式，電源是使用電池供給，所以要選擇低能耗的模塊，系統(tǒng)可以采用TinyOS、uCOS、或者嵌入式的Linux。

    2)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在無線通信區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)功能。傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點距離很短，一般采用多跳的無線通信方式進行通信。傳感器可獨立運行也可以通過網(wǎng)關(guān)連接運行。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 節(jié)點可以任意的布置在監(jiān)測區(qū)域范圍內(nèi)，通過多跳中繼的方式把監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳到sink節(jié)點，最后通過接收站、鏈路等將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心進行分析和處理。如果網(wǎng)絡(luò)的面積和規(guī)模龐大可以采用聚類分層的模式進行傳輸和處理。

    3)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在軍事方面進行遠程通信和導(dǎo)彈控制，應(yīng)用到醫(yī)療方面進行遠程專家會診等，應(yīng)用在災(zāi)情處理可以在有線網(wǎng)絡(luò)遭到破壞的時通過無線網(wǎng)絡(luò)進行溝通聯(lián)系，傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用可以說是無處不在，其獨特的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢，將對人們的生活和各個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展帶來巨大的變革。

    4)傳感器網(wǎng)絡(luò)研究中的熱點問題。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點繁多，隨機分布的特點，對通信協(xié)議棧的要求較高，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議棧是由物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層組成的目前開源軟件的許可證協(xié)議有GPL(通用許可證)協(xié)議、BSD協(xié)議、許可證(T2 License) 協(xié)議以及eCos2style協(xié)議等。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感器的節(jié)點有幾百萬個， 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化更新快，這就要求傳感器節(jié)點操作系統(tǒng)具有可重新配置和自適應(yīng)性、高健壯性和容錯性等性能，當網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，操作系統(tǒng)必須能對這種變化作出反應(yīng)，同時網(wǎng)絡(luò)在需要的時候也能夠主動對自己進行更新。不同無線傳感器對于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用平臺、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的要求不同。這要求操作系統(tǒng)具有良好的移植性能，能滿足各種各樣的硬件平臺，同時能夠提供各種不同的功能，滿足實際需要。

    5)嵌入式服務(wù)器在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所獲取的信息通過接入internet是處理和管理信息的有效途徑。隨著internet的發(fā)展，其網(wǎng)絡(luò)分布已經(jīng)非常廣泛，采用嵌入式服務(wù)器作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交互與internet連接， 對于使用者來說沒有操作系統(tǒng)的要求，可以跨平臺操作，嵌入式服務(wù)器能夠合理的控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗、體積和成本，所以選擇嵌入式服務(wù)器應(yīng)用與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中作為嵌入式系統(tǒng)是明確的選擇。

2 嵌入式服務(wù)器與嵌入式系統(tǒng)

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)要求節(jié)點具有體積小、能耗低、可靠性強的特點，所以使用嵌入式系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的正確選擇。

    2．1嵌入式系統(tǒng)

    嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為目的，通過計算機技術(shù)，建立滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需求的應(yīng)用系統(tǒng)，其具有可靠性高、成本低、體積小、低能耗的特性。

    2.2嵌入式操作系統(tǒng)

    相比一般的嵌入式系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對操作系統(tǒng)的體積大小、能量利用率高、節(jié)點相互間通信以及可重配置、可靠性和適應(yīng)性等方面提出了更高的要求。由于這些特點，針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點也出現(xiàn)了各種各樣的操作系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的嵌入式操作系統(tǒng)有很多種，例如：TinyOS系統(tǒng)、MAN TI SOS系統(tǒng)、SOS系統(tǒng)、Con tiki系統(tǒng)、OSMagnetOS系統(tǒng)、TR 0N系統(tǒng)等。

    2．3嵌入式系統(tǒng)接入internet

    嵌入式系統(tǒng)接入internet可以通過在電子設(shè)備上通過TCP／IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入internet或者是通過通信轉(zhuǎn)換設(shè)備與網(wǎng)關(guān)(公共網(wǎng)絡(luò))連接internet。

    通過電子設(shè)備自身連接internet的方式有三種：第一種是通過電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)芯片實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信；第二種是通過電子設(shè)備微處理器嵌入式操作系統(tǒng)與internet連接；第三種是電子設(shè)備微處理器控制以太網(wǎng)芯片進行與internet連接

    通過通信轉(zhuǎn)換設(shè)備連接internet的方式有兩種：第一種是通過硬件轉(zhuǎn)換的方式與internet連接； 第二種是通過軟件轉(zhuǎn)換的方式與internet連接。

3 嵌入式服務(wù)器使用的通信協(xié)議棧

    嵌入式服務(wù)器與internet連接， 需要有通信協(xié)議作為連接基礎(chǔ)，TCP／IP是最常用的通信協(xié)議之一。

    3．1 TCP／IP協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)

    TCP／IP協(xié)議棧有五層結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)的傳輸都要通過每一層處理，處理后進行封裝，硬件層是定義信號的編碼方式、傳輸介質(zhì)的特性等方面；網(wǎng)絡(luò)接口層是設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的邏輯接口； 網(wǎng)絡(luò)層是通過IP、ARP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸；傳輸層是將數(shù)據(jù)進行可靠傳遞，應(yīng)用層是通過應(yīng)用程序進行信息的傳遞。

    3．2嵌入式TCP／IP協(xié)議棧

    1)IP協(xié)議。IP協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ撸?是internet網(wǎng)絡(luò)的通信規(guī)則。應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)中，對于IP進行了精簡，因為IP包的容量可達65K，嵌入式系統(tǒng)無法容納如此大的數(shù)據(jù)包，所以對IP包進行檢測時，檢測IP頭部版本和目的地址，符合要求的交給高層協(xié)議處理， 不符合的丟棄。

    2)ARP協(xié)議。ARP協(xié)議是通過設(shè)備的IP查詢設(shè)備的MAC地址，MAC地址是網(wǎng)絡(luò)中“幀”的一部分，ARP協(xié)議通過MAC地址可以進行設(shè)備之間的通信。

    3)ICMP協(xié)議。ICMP協(xié)議是Internet控制報文協(xié)議，可以將報文和錯誤信息發(fā)送到報文主機上，在嵌入式協(xié)議棧中應(yīng)用可以作為回應(yīng)請求信息與回應(yīng)應(yīng)答信息實現(xiàn)。

    4)TCP協(xié)議。TCP協(xié)議是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕�立、傳遞與斷開的協(xié)議。TCP可以通過效驗和的方法保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。TCP協(xié)議經(jīng)過精簡后應(yīng)用在嵌入式TCP協(xié)議棧僅對TCP報文進行效驗。

4 嵌入式服務(wù)器的硬件結(jié)構(gòu)

    4.1嵌入式服務(wù)器的整體結(jié)構(gòu)

    本文采用LPC2210微處理器與RTL8019AS網(wǎng)絡(luò)芯片，傳感器檢測的信息通過無線傳遞方式傳輸給接收設(shè)備， 再又接收設(shè)備傳送給LPC2210處理器處理，存儲在RAM中，并能夠通過網(wǎng)頁瀏覽的形式在RAM中調(diào)用，信息的傳遞通過RTL8019AS網(wǎng)路芯片完成，采用嵌入式TCP／IP協(xié)議作為通信協(xié)議。

    4.2 ARM7

    ARM7引系列處理器是主流嵌入式處理器， 內(nèi)核具有O．9MIPS／MHz的三級流水線和馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)，其特點包括： 嵌入式ICE—RT邏輯，便于開發(fā)： 低能耗，適合便攜電子設(shè)備；兼容16位Thumb指令集�？蓱�(yīng)用與多種操作系統(tǒng)如：Linux、windows、palm OS等；兼容性強方便設(shè)備升級。

    4.3 RTL8Ol9AS

    RTL8019AS是以太網(wǎng)控制芯片，可以方便的與微處理器進行連接。

    4.4網(wǎng)絡(luò)接口層

    其中PR表示同步位：SD表示分隔位；DA為目的地址；SA是源地址；TYPE是類型字段；DATA數(shù)據(jù)段；PAD填充位；FCS是32位數(shù)據(jù)效驗位。

5 動態(tài)網(wǎng)頁的實現(xiàn)

    1)應(yīng)用層協(xié)議

    用戶可以采用HTTP協(xié)議通過網(wǎng)頁形式獲取信息。其形式有建立連接：通過套接字申請建立虛擬文件； 發(fā)送請求：客戶端將請求信息發(fā)送到服務(wù)器端口； 發(fā)送相應(yīng)：服務(wù)器接收到請求信息并處理后向客戶端發(fā)送響應(yīng)信息；關(guān)閉連接：當客戶端與服務(wù)器都完成了信息傳輸，關(guān)閉套接字結(jié)束TCP／IP對話。

    2)動態(tài)網(wǎng)頁原理

    動態(tài)網(wǎng)頁的實現(xiàn)可以通過一下四種技術(shù)實現(xiàn)：CGI、ASP、PHP、5SP。CGI是提供客戶端HTML接口的程序，嵌入式服務(wù)器CGI沒有專門的程序，是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，采用全局變量進行信息交換， 因為其實現(xiàn)方便，并且具有很好的通用性，所以在嵌入式服務(wù)器中得以廣泛應(yīng)用。ASP是動態(tài)服務(wù)器頁面，可以替代CGI腳本程序，可以與數(shù)據(jù)庫直接進行信息交互。

    PHP是HTML內(nèi)嵌式語言，可以在服務(wù)器端執(zhí)行ETML的腳本語言。

    JSP的兼容性較強，可以在多種操作系統(tǒng)上運行，其可以在HTML中插入java程序和JSP標記，是動態(tài)網(wǎng)頁的一項技術(shù)標準。

    3)嵌入式服務(wù)器中動態(tài)網(wǎng)頁的實現(xiàn)

    嵌入式服務(wù)器中的動態(tài)網(wǎng)頁實現(xiàn)因為嵌入式的特點收到自身條件限制如：CPU速度、存儲容量、電源等方面與傳統(tǒng)的網(wǎng)頁不同，嵌入式系統(tǒng)可以直接對內(nèi)存進行操作，將網(wǎng)頁中不變的部分作為靜態(tài)頁面保存在flash中，再將用戶需求的部分通過表單傳遞到嵌入式服務(wù)器， 嵌入式服務(wù)器將實際值傳遞到內(nèi)存，這樣用戶通過瀏覽器所看到的就是一個新生成的動態(tài)頁面。

6 結(jié)束語

    嵌入式服務(wù)器技術(shù)應(yīng)用在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用對國防建設(shè)、醫(yī)療設(shè)備發(fā)展、智能家居生活、設(shè)備控制管理等方面都有很好的應(yīng)用價值，通過對嵌入式服務(wù)器在無線傳感器中應(yīng)用的進一步研究，其的發(fā)展將是巨大的。

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