基于Win CE6.0的物联网系统架构设计与实现

徐丽娜 郭志强 张铁君

1吉林大学珠海学院 广东 519041

2吉林大学通信工程学院 吉林 130012

0 前言

国际电信联盟(ITU)发布的《ITU互联网报告 2005：物联网》一文中提出了物联网(Internet of things)一词，将其定义为利用RFID和Internet构建一个遍及全球、覆盖世界上万事万物的网络，从而实现对物品的自动识别和对物品属性的互联与共享。由于物联网尚处于发展初期，目前国内对物联网的组建多局限于小规模范围。

本文提出了一种基于嵌入式系统Win CE6.0的物联网组建方法，并以远程智能监控系统验证该方法的可行性。远程智能监控系统采用无线传感器网络(WSN)，实现了对社区的远程智能监控。本设计采用的传感器网络扩展性能好，容易进行扩展，从而达到更多功能的监测效果。同时使用 GPRS技术，管理者只要随身带一部手机或者本系统中的便携式智能终端，就可以随时随地对社区进行监控。

1 系统方案

该系统由总控终端、主节点及普通节点模块组成。其系统体系结构图如图1和图2所示。普通节点由传感器网络和控制网络组成，负责把采集到的数据上报到所属的区域监控中心，区域监控中心整理数据，将有用的信息通过无线网络上报到系统中央监控中心，即完成整个系统上报过程。

图1 系统体系结构图

图2 系统体系结构图

1.1 硬件平台

系统的中央监控中心设备CPU采用基于ARM 11的 S3C6410。S3C6410X是一个16/32位RISC微处理器，是韩国三星公司为移动电话和通用产品设计的低成本、低功耗、高性能的应用处理器方案。S3C6410X具有 64/32位内部总线，由AXI/AHB/APB总线构成，为3G应该提供优良的硬件性能。S3C6410X含有多个强大的硬件加速器，非常适合音视频、2D图形、显示运算等应用。内部集成的MFC(多格式CODEC)支持MPEG4/H.263/H.264的编解码，这个硬件编解码器支持实时视频会议和电视输出(NTSC和PAL制式)。3D图形引擎(3D图形硬件加速器)包含两个可编程着色器(顶点着色器vertex shader和像素着色器pixel shader)，能加速OpenGL ES 1.1和1.2渲染绘图。

系统的区域监控中心设备采用STM32F103作为控制器。STM32F103增强型系列使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的 RISC内核，工作频率为 72MHz，内置高速存储器(高达128K字节的闪存和20K字节的SRAM)，丰富的增强I/O端口和联接到两条APB总线的外设。所有型号的器件都包含2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：多达2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。STM32F103xx增强型系列工作于-40℃至+105℃的温度范围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。

系统采用XL02-232AP1微功率无线透明传输模块，它是UART 接口半双工无线传输模块，可以工作在433MHz 公用频段，采用高性能无线收发IC，抗干扰性好，通讯稳定可靠。

1.2 软件平台

系统中央监控中心采用了 Win CE6.0系统平台。Win CE6.0是一种具有抢先式多任务功能与强大通信能力的嵌入式操作系统。根据其应用环境的特点，Win CE6.0被设计成具有高度模块化、良好实时性、强大通信能力、支持多种CPU的嵌入式操作系统。Win CE6.0具备完整的操作系统特性集包和端对端开发环境，它包括创建一个基于Windows的定制设备的强大联网能力、强劲的实时性和小内存体积占用以及丰富的多媒体和Web浏览功能。

系统的区域监控中心采用 uCOSII的实时操作系统。uCOSII具有多任务和实时性强的特点，因而适用于本系统。

2 系统工作流程

系统工作流程由两部分组成，监测工作流程和控制工作流程(如图3、图4所示)。

2.1 监测工作流程

（1）普通节点先采集传感器网络中的传感器数据。

（2）普通节点通过无线发送数据到所属的区域监控中心。

（3）区域监控中心收到采集数据后，集中发送到中央监控中心。在发送过程中，首选采用433MHz无线通讯发送，当该通讯无法链接时，则采取GPRS发送短信方式发送。

（4）中央监控中心收到区域监控中心的数据后，根据实际情况显示在屏幕上并报警。

图3 监测流程图

2.2 控制工作流程

（1）系统管理员通过中央监控中心输入控制命令。

（2）中央监控中心接收到管理员的命令后，转换命令格式，发送命令到控制点所在的区域监控中心。在发送过程中，首选采用433MHz无线通讯发送，当该通讯无法链接时，则采取GPRS发送短信方式发送。

（3）区域监控中心收到命令后，根据命令地址把命令转发到普通节点。

（4）普通节点收到命令后，根据命令组成中的控制对象，去控制对象。

图4 控制流程图

3 实现原理

3.1 自适应无线路由算法

为了构建最优最小延时的通讯网络，本设计采用自适应无线路由算法，如图5所示，流程如下：

（1）区域监控中心发送基准时间信息到各节点。

（2）区域监控中心发送测试数据。

（3）节点反馈接收到数据的时间给区域监控中心。

（4）区域监控中心根据收到的时间信息，将时延最小的节点Ni确定为第j个路由点Rj。

（5）重复步骤2至4，直到所有节点都被确定为路由点。

（6）把所确定的路由点，按顺序记录在路由表中。

图5a 无线路由表的建立流程图

图5b 无线路由表的建立流程图

3.2 区域节点间通讯实现原理

区域节点间的无线通讯是广播的，因此必须要有一个规则，使所有网点间的通讯不会出现混乱。本设计采用自适应无线路由算法来实现网点间通讯。自上向下发信息时，区域监控中心根据目的地址，查找路由表，找出区域监控中心发送数据到目的地址的路径，按照路由表路径逐个节点传递数据，一直传到目的地址为止。同理，自下向上发送信息时，也是如此(图6)。

图6 节点间通讯原理图

4 系统实现

通过远程智能监控系统为实例，实现了基于嵌入式系统Win CE6.0的物联网的组建。该远程智能监控系统可以实现远程空调控制，环境参数检测，火灾预警，防盗预警，园林绿化自动化等功能。图7-图10为该实例的实物图。

图7 节点实物图

图8 区域监控中心实物图

图9 Win CE监控中心界面

图10 物联网监控系统实物图

5 结束语

本文梳理了物联网的概念，结合嵌入式系统技术、无线通信技术以及传感器网络技术，提出了物联网系统架构的一种设计方法。详细分析了物联网的体系架构、各组成模块的功能及系统的工作原理，以嵌入式系统Win CE6.0为平台，介绍了物联网系统的组建方法，并以远程智能监控系统为实例，验证了基于嵌入式系统Win CE6.0的物联网组建方法的可行性。物联网研究对我国在该领域自主知识产权的确定具有十分重要的意义，本文的研究成果对探讨物联网技术及产品设计具有一定的指导意义。

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