嵌入式服务器在无线传感器网络中的应用

童喜 武俊

摘 要：文章首先简要分析了在无线信号传感器应用网络中研究选择和设计使用各种嵌入式无线服务器的具体方法，论证其可行性与必要性，然后就使用嵌入式无线服务器的软硬件结构选择以及方法特点进行了简单的理论研究、结果分析和实例说明。

关键词：无线互联网;无线嵌入式;无线网络传感器

0 引言

随着传感器网络技术的不断进步和发展，其应用范围也越来越广泛，无线传感器网络也从早期的战场监视等军事应用;领域逐步向环境与生态监视、健康保护、家居自动化以及交通管理与控制等民用领域方向发展。这些嵌入式网络服务器已经能够迅速地自动处理无线网络传感器应用网络的所有数据信息，并同时加强对无线网络传感器应用网络的实时监控。无线数据传感器网络主要指的是一种利用计算机网络技术、传感器处理技术、通信处理技术、网络通信工程学等多种综合手段获取信息和实时处理海量数据的一种技术手段。

1 无线传感器网络

无线传感器网络是一种将数以万计传感器节点按照各种自由式的方法对其进行组织或者相互结合所形成的网络。构成传感器节点的各个单元主要包括：数据采集、数字化传输、数据处理、单元及其他能源的供给[1]。无线传感器网络当中的节点大致可以划分为两种，一种是汇聚节点，一种是传感器节点。汇聚节点主要是指网关系统能够在各个传感器的节点当中将错误报告数据从网络上剔除，并与网络上相关的报告数据进行融合，对已经发生的事故进行预警和判断。汇聚节点和用户节点之间的连接可以借助于广域网络或者卫星，并对收集到的数据实时地进行处理。

1.1 传感器网络的发展

早在20世纪70年代，我国开始出现了直接采用数字点对点的传输方式进行传输、链接数字传感器和控制器而逐步形成的数字传感器传输网络的技术雏形，其被称为第一代数字传感器传输网络。随着传感器处理学科的不断发展以及信息技术的不断进步，传感器处理网络同时也逐渐具有了对多种重要信息和复杂数据的同时获取和数据处理的能力，并且这个网络可以直接通过与多种传感器微控制器交互相连，组成了一个可以同时获取多种信息，具有多种数据处理综合能力的第二代新型传感器处理网[2]。而从20世纪末以来，现场传感器和总线网络技术逐步发展，广泛应用于各类现场传感器和总线网络，人们甚至可以通过利用其他的技术手段来直接设计和组建一个更加智能化的现场传感器和总线网络。大量的多功能现场传感器被广泛地投入和运用，并且可以直接利用无线通信的技术进行网络的连接，传感器总线的网络也在逐渐形成。普遍认为无线传感器应用网络的基本概念及其技术发展史，大致可划分成以下几个阶段：无线传感器应用网络—有线传感器—无线网络传感器—系列无线传感器应用网络。

1.2 传感器网络的体系结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域内部或附近，能够通过一种自发或组织的网络方式将其统一起来并构成一个新的网络[3]。传感器的数据节点需要监控的一个数据，沿着其他一个传感器数据节点的逐次追跳线路进行多次的传输。在整个过程中，所谓的一个节点需要跟踪传输的一个数据，很大概率可能被多个的数据节点一起跟踪并进行逐次追跳处理。经过多次的逐跳后，一个路由器将会得到一个节点的位置，可以汇聚的是数据节点，最后再通过一个互联网或者一个卫星网络连接器来到达一个需要进行管理的节点。用戶同时可以通过实时监控多个节点任务，同时实现对运动传感器监控网络的实时配置与运行管理，发布相关监控节点任务和实时采集相关监控节点数据。

（1）大量的节点传感器运动节点被随机自动部署，通过各种自动和组织的运动方式建立组合，形成一个对于特定目标的运动感觉场和视场。传感两个节点被本地检测接收到的两个目标传感信号在本地简单进行处理之后，通过连接相邻相同传感两个节点的多字串跳线将数据传递运输给未被观测到的节点。用户和其他远程无线任务系统管理工作单位之间可以通过外部无线网络，例如无线卫星网络通信无线网络或者因特网，与各个网络节点之间进行无线互动。观察数据节点将网络传感器向节点网络控制发出节点查询数据要求和网络控制指令，接收器得到由网络传感器观察节点数据返回的关于观察节点目标值的数据。

（2）传感器的节点必须具有原始数据采集、本土化和网络信息处理、无线数据传输及与其他节点之间进行数据协同和工作的技术能力，依据实际应用的要求，有可能会自己携带定位、能源供给补充或移动等功能。

（3）目标性是指一个网络中最能够对其产生兴趣的物体和它们所属的性质，有时还可能会专门用来指某一种类型的信号源。传感器的节点可以通过接收到目标发射热、红外、声呐、雷达或者震动等信号，获得目标温度、光强度、噪声、压力、行驶方向或转移速度等数据和属性。传感节点对于一个网络中感兴趣的节点所进行的信息采集和获取的范围被称为这个节点的感觉视场，网络中所有的节点和感觉视场的整个集合被统称为这个节点网络的感觉视场。例如，当一个传感节点在检测所得到的目标信息量远远大于设定的阀值，必须要将其提交给观察节点上时，被称为有效的节点。

2 嵌入式系统与嵌入式服务器

2.1 嵌入式系统

嵌入式操作系统主要特点是以嵌入式操作程序的架构设计理论为其技术核心，以充分结合现代电子计算机工程科学和现代信息网络技术不断发展作为主要理论和技术依据，能够根据不同行业和用户的不同要求（主要内容包括操作程序系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗、环境等）而进行灵活地设计和裁剪软硬件的应用模块。

2.2 嵌入式操作系统

从外部的特征上来说，一个基于嵌入式的系统通常被认为是一个功能完善、几乎不需要依赖其他外部设备或者装置就能够独立地运行的软、硬件相互集成的系统。

嵌入式计算系统最核心的一个基本层次架构是作为中央处理控制单元的组成部分，包含了中央运算器和中央控制器两个模块，在CPU的架构基础上进一步分别搭配上了中央存储器接口模块、电源模块、复位控制模块等，基本构成了最小计算系统。由于现代信息科学和技术的不断发展和信息化技术的进步，集成电路的主要产品制造者通常每年都会把许多其他外设元件都全部安装在同一个小型集成电路中，在实际的应用中就更加便捷，这样的一个集成芯片通常被称为集成微控制器。在目前所有传统的嵌入式微控制器模块基础上进一步拓展和扩宽了所有的电源、输出电流传感、输入电压检测、执行器控制模块以及配套的控制软件，并且可以使其组合成一个能够具有特殊控制功能的完整控制单元，被称之为一个新型嵌入式操作系统或一个新型嵌入式应用。

2.3  硬件结构

虽然各种具体的嵌入式系统在其功能、外观以及用户界面、运行方式等各个环节上都不一样，甚至千差万别，但基本的硬件架构却是大同小异的，而且它们与普通计算机的软硬件系统具有很高的相似性。嵌入式系统的软硬件部分虽然设计上看起来与其他通用计算机系统的软件部分相比没有什么区别，也由处理器、内部存储装置、外部设备、I/O接口、图形控制器等部分共同构成，但是由于嵌入式系统在实际应用中的独特性致使其嵌入式系统的硬件构成及其实现形态上与普遍的通用计算机系统相比具有很大的差异。为了充分满足所有嵌入式系统对于运行速度、体积及功耗的控制要求，操作系统、应用软件、专门数据等一切需要长期处理和保存的数据，通常并非建议选择使用磁盘这类能够具有高容量且运行速度缓慢的存储介质，而大多数都是选择使用eprom，e2prom或闪存。在一般的通用和嵌入式控制系统中，a/d或者d/a控制模块广泛地应用于温度计测量和自动控制系统方面，这在普通PC和一般的平板计算机中已很少使用。按照实际的市场应用需求及其市场规模，一些大型嵌入式操作系统可能需要重新选择外部数据总线。随着传统嵌入式操作系统在整个应用开发场景中所占的地位越来越高，嵌入式操作系统趋于用户个性化，根据其自身的应用特点可以选择所有用户采用的接口总线。另外，为了针对一些嵌入式处理器的内部边界电路而重新设计的电路测试，处理器中的芯片一般都已经采用了内部边界电路扫描电路测试等的技术。

3   结语

嵌入式服务器技术在无线传感器和网络领域的广泛应用，对于我国国防建设、医疗装备发展、智能家居、设备的量控制和运营管理等各个领域均具有非常重要的意义。

[参考文献]

[1]洪家平.基于嵌入式系统的无线传感器网络的应用研究[J].工业仪表与自动化装置，2007（2）：19-21，28.

[2]邝自力.无线传感器网络及其应用[J].现代电子技术，2006（22）：29-31.

[3]刘金娟.无线传感器网络协议及操作系统研究[D].淮南：安徽理工大学，2009.

（编辑 王永超）