基于网络拓扑的采棉机Linux嵌入式监测系统设计*

李亚栋 ，李晓勤 ，李景耀 ，杨向奎

（塔里木大学机械与电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

目前，已有的采棉机监测系统大都是采用CAN总线的方式，选取故障率高的关键部件作为监测点安装合适的传感器[1]，在车载终端进行监测信息显示。这些监测系统大都缺乏远程端的视频监控，且有线的方式容易在采棉机作业的振动中发生线路磨损，不能快速更换和自行添加传感监测模块。因此，为实现可远程监控、可重构、低成本、模块化的采棉机集群监测系统[2]，课题组拟研究开发一套以ZigBee无线传感器组网技术和Linux嵌入式技术相结合的信息化采棉机远程实时监控系统。

1 系统概述

1.1 系统架构组成

该系统由三大部分组成，分别是ZigBee无线传感器终端节点组成的网络（WSN）、Linux嵌入式车载显示终端、远程端访问设备。无线传感器终端网络定期采集采棉头转速与温度信息、油箱液位信息、GPS定位信息、CO含量及火焰状态信息进行轮询上报；Linux嵌入式终端直接在本地显示驾驶舱、采棉箱的两路摄像头画面，并将协调器节点获取的各终端上报信息在本地显示与存储，在本地终端移植嵌入式Web服务器系统[3]；远端用户可通过网络浏览器获取到监控画面和监测信息以实现对设备的管理和监控。

1.2 系统信息组成

系统监测信息可分为三类：安全监测、空间位置监测、状态监测。

安全监测：收获棉花时容易混入杂质，与采棉机摩擦发热，导致采棉机发生火灾[4]。在采棉箱安装监控，放置CO与火焰探测传感器，可在起火早期进行识别报警，及时将棉箱棉花抛出，降低损失，保证采棉机和人员安全。

空间位置监测：监测机械设备的地理位置和移动轨迹。机采棉公司不但可以预防机械丢失，还可根据设备地理位置更好地进行调度，方便集群管理。

状态监测：状态信息包括采棉头关键部件温度、转速信息、油箱油位信息、驾驶舱实时监控。监测采棉头转速、温度信息可以预防操作者暴力驾驶，监测油位状态预防盗油事件发生，而画面监控可以实时观测驾驶员，监督和规范驾驶员的操作行为。

2 硬件实现（硬件组成）

2.1 无线传感网络设备

终端模块终端节点采用核心板加底板的方式。核心板主要包括Flash为256 KB的TI公司CC2530微处理器，其整合了高性能DSSS射频收发器和增强型8051内核、静态随机存储器（SRAM）和A/D转换接口等外设，且具有不同的运行模式，模式之间的转换时间短，芯片的休眠电流仅为1 μA[5]，具备低成本、低功耗等特点，并配置了32 MHz和32.768 KHz两颗晶振，其中CC2530的天线设计采用2.4 G、2 DB全向天线。底板可以将核心板所有IO通过排针排母方式引出，配置了电源电路、传感器接口电路、4颗LED灯与自定义按键，并内置了CH340G USB转串口芯片[6]。传感器网络由三个ZigBee终端节点（END）与一个协调器模块（Coordinator）组成，分别为END1、END2、END3和Coordinator[7]。

2.2 摄像头与嵌入式终端

监测驾驶舱与采棉箱的摄像头选用500 W像素、支持UVC协议的工业摄像头，监控环境距离近、角度广，因此分别为驾驶舱、采棉箱摄像头配置2.1 mm、2.8 mm工业鱼眼全景镜头。

嵌入式终端选用讯为公司的i.MX8M工业开发板外加10.1寸串口触摸显示屏，该开发板基于NXP i.MX8M处理器设计，采用先进的14 LPC工艺，有更快的速度和更高的电源效率，四核ARM Cortex-A53，主频最高1.3 GHz，板载2 GB DDR4，8 GB EMMC；接口配置丰富，有强大的视频处理能力，支持多种编解码，工作环境温度为-20 ℃~80 ℃，满足工业场景应用要求。

2.3 远程监测设备

远程端监测设备是具备Ineternet浏览器访问功能的设备，如PC、智能手机。

3 软件设计

3.1 ZigBee无线传感网络程序设计

ZigBee协议栈支持组建的网络拓扑有星型、簇型和网格型。其中，星型网络对资源的要求最低，控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合。而课题组在单台采棉机上要布置的节点数量少、范围小，因此选用星型网络模式构建WSN最为合适。

3.1.1 协调器节点软件设计

ZigBee协调器负责启动和组建网络。本研究选择网络类型为星型网络拓扑，在NWK层设置模式为NWK_MODE_STAR，硬件在上电之后，调用初始化函数(osal_init_System( ))、(osalInitTasks( ))，对内部进行初始化配置，随后启动局域网网络组建，先选择网络信道，再配置网络ID（PAN_ID），范围为0~0x3FFF；之后周期性发送Beacon_Request（信标请求）到局域网中，进行广播配对组网；组网成功后，协调器发送命令给终端节点进行信号采集，等待接收到终端上传的数据后，调用复制函数(osal_memcpy())将消息队列中读取的终端数据传递到buffer数组中，再调用(HalUARTWrite( ))函数将数据串口发送到嵌入式终端。

3.1.2 终端节点软件设计

终端节点的作用是采集上报传感器数据，开发人员需要在应用层（APL）中加入传感器驱动程序，实现对传感器的数据读取。与协调器节点一致，在设备上电以后进行设备系统初始化与任务初始化，配置与传感器相应的IO口功能；之后通过扫描DEFAULT_CHANLIST列表加入协调器建立的网络，若加入失败，则会尝试不断加入网络，入网成功之后终端节点就可以调用void SampleApp_Send_P2P_Message函数读取采集数据，并通过AF_DataRequest( )函数将数据发送至协调器；之后就进入休眠状态并计时，计时结束就继续采集，否则保持休眠模式。

3.2 嵌入式终端软件设计

本设计采用的是在Windows系统下安装VMware工具，在虚拟机里安装Ubuntu16系统，并在该系统下安装交叉编译器。采用U-Boot内核引导程序，选择迅为提供的BSP源码包。将uboot（flash.bin）烧录至开发板，并设置所需功能相应的环境变量，之后在菜单配置界面进行配置，Linux内核选择NXP官方提供的Linux 4.14.78版本，下载源码至虚拟机，设置交叉编译器，使用menuconfig图形化配置后编译Linux内核。文件系统的移植，选择Buildroot 工具，在构建文件系统中配置安装v4l-utils工具包、4G拨号上网工具、Tslib嵌入式优化触摸库、QT5环境等。嵌入式Web服务器选用Nginx进行移植，Nginx是一个开源轻量级高性能的Web服务器，它是为快速响应大量静态文件请求和高效利用系统资源而设计的。该服务器占有内存较少、并发能力较强，适用于连续高并发的视频监控[8]。

在嵌入式GUI的开发上使用QT Creator作为开发工具，采棉机监测系统的界面开发主要基于QWidget类，使用QPushButton、QTableView、QChartView、Edit等控件，通过QT的信号与槽函数机制，实现函数功能间与按钮界面的联系。设计功能包括在开发板开机后读取协调器数据，直接显示车辆坐标以及视频监控画面[9]，录入绑定当前人员设备的信息，设置传感器报警阈值等。

3.3 Web远程监测应用程序开发

系统的远程Web监测基于B/S网络设计，功能实现主要使用CGI与Html语言结合JavaScript脚本编写，使程序有更快的运行速度和更强的灵活性。用户可以在浏览器中输入相应的网络IP地址进行访问，实现远程的两路视频实时直播、传感器历史信息查看、车辆定位与运动轨迹标记等功能。

4 系统测试

4.1 WSN功能测试设计

为验证传感器网络系统的可用性及可靠性，设计多次调试实验，检测ZigBee各节点预设功能。首先，使用仿真器与协调器节点连接；其次，依次给各节点上电，通过抓包监测工具可以看到协调器有序发送信标请求帧，获得其他节点的回复信标帧判断网络构建条件，为网络构建做准备；再次，向频道内发送包含网络信息的数据帧（网络状态帧）表明协调器稳定工作，各终端节点发送信标请求帧获得回复帧，判断信号强度，确定协调器节点为最佳入网介绍人；最后，向协调器发送携带终端MAC地址的信息帧，协调器节点收到信息帧后回复ACK，表明收到，后续信标请求应答一切正常工作。由此，整个WSN网络构建成功，打开串口助手监测上报信息[10]，可以看到各传感器供电正常，数据上报信息全面、响应及时。

4.2 嵌入式终端与远端Web功能测试

将上述WSN协调器节点与终端开发板连接，配置好监控摄像头后给开发板上电，测试其监控显示功能、对WSN网络数据的解析功能以及对车辆人员的信息绑定录入等功能。测试结果表明，该QT应用程序可以稳定解析协调器上报各终端节点信息，可设置阈值报警等。

在远程PC端浏览器中输入服务器IP地址，登录进入到监测系统。显示结果表明，该系统可以实现两路摄像头远程监控，可查看终端节点历史数据信息，地图定位信息正常，能正常实现制定功能。

5 结论

本文基于CC2530与ZigBee技术搭建WSN网络，采用跨平台QT编程框架开发嵌入式终端系统，并移植Nginx服务器借助CGI设计了远程监测网页。首先介绍了WSN网络设计架构、传输协议制定，然后实现QT应用对WSN数据解析与其他功能设计，最终完成Web远程监测界面。系统测试表明：WSN网络功能正常，传感器上报信息及时可靠，终端能实现数据显示、超阈值报警、视频监控等功能，远程监测界面也能局部动态实时更新。整个监控系统具有成本低、部署便捷、功能模块化的优势，能满足采棉机远程监测的设计需求，对于机采棉公司远程管理机械集群具有很大的应用价值。