摘要：為了實現(xiàn)工廠、交通等遠程監(jiān)控管理，系統(tǒng)設(shè)計采用DM900芯片和CC24300為主實現(xiàn)通信，核心部分主要包括ARM中央控制平臺及嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植，創(chuàng)新之處在于融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并巧妙地移植移植U-Boot和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置。按照系統(tǒng)的整個工作軟件流程圖進行了試驗和聯(lián)調(diào)，符合原設(shè)計目標，系統(tǒng)具有擴展性，通用性和能與其他監(jiān)控設(shè)備無縫連接等性能，以滿足不同工作環(huán)境的需要，可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：ARM；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式Linux操作系統(tǒng)；遠程監(jiān)控

    遠程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)、生活中不可缺少的重要組成部分。目前，監(jiān)控系列產(chǎn)品種類繁多，大部分廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、學校等安防領(lǐng)域。伴隨著對物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)應(yīng)用研究的不斷深入，使得遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。本
文創(chuàng)新點在于是基于物聯(lián)網(wǎng)、以ARM內(nèi)核芯片的嵌入式系統(tǒng)為核心技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，其中巧妙地移植移植U-Boot和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置。雖然主要是關(guān)于某市幾個重要路口的交通遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心設(shè)計內(nèi)容，但亦可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能
    本設(shè)計系統(tǒng)主要由控制模塊、ARM中央控制平臺、ZigBee無線傳輸、以太網(wǎng)通信和多個擴展接口等部分組成，實際中可根據(jù)需求和使用環(huán)境靈活地選用適合的接口進行操作，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    該系統(tǒng)主要是利用RS 232接口實現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)與Zigbee無線系統(tǒng)的連接進而實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能。通過ARM中央控制平臺和Zigbee芯片的RS 232線路驅(qū)動器／接收器MAX3221芯片來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的通信。由于采用了常見的串口作為通信媒介，簡化了硬件設(shè)計。作為接收命令端的Zigbee芯片由于采用的是8051為內(nèi)核的CPU，時刻處于等待命令狀態(tài)。ARM中央控制平臺植入了Linux操作系統(tǒng)，當運行了串口實現(xiàn)程序后，就可向Zigbee芯片發(fā)出采集信息的命令。因此系統(tǒng)主要的軟件實現(xiàn)就是Linux系統(tǒng)下的串口實現(xiàn)程序的設(shè)計。
    其中檢測控制模塊可以是溫度控制模塊、壓力了控制模塊、流量控制模塊等等實際監(jiān)控需檢測的參量模塊。各檢測控制模塊通過ZigBee模塊與ARM中央控制平臺實現(xiàn)無線連接，組成了一個星型無線智能控制網(wǎng)絡(luò)。同時ARM中央控制平臺通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與外部遠程連接。從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控。
1．1 ARM中央控制平臺
    在本設(shè)計中，ARM中央控制平臺是系統(tǒng)的核心，主要負責數(shù)據(jù)采集判斷處理。為了提高系統(tǒng)工作效率，設(shè)計中采用了ATMEL公司生產(chǎn)的ARM9芯片AT91RM9200。由于AT91RM9200處理器具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標準的接口，因此根據(jù)應(yīng)用的需要很容易就可實現(xiàn)功能模塊的擴展。該芯片融合了ARM920T ARM Thumb處理器特性：工作于180 MHz時性能高達200 MIPS，存儲器管理單元，16 KB的數(shù)據(jù)緩存，16 KB的指令緩存，寫緩沖器，含有調(diào)試信道的內(nèi)部仿真器，中等規(guī)模的嵌入式宏單元結(jié)構(gòu)(僅針對256 BGA封裝)；低功耗：VDDCORE電流為30．4 mA，待機模式電流為3．1 mA；附加的嵌入式存儲器：SRAM為16 KB；ROM為128 KB；外部總線接口(EBI)：支持SDRAM，靜態(tài)存儲器，Burst FLASH，無縫連接的CompactFlash Smart Media及NAND FLASH；提高性能而使用的系統(tǒng)外設(shè)：2個有雙PLL的片上振蕩器，低速的時鐘操作模式與軟件功耗優(yōu)化能力，4個可編程的外部時鐘信號，調(diào)試單元、兩線UART并支持調(diào)試信道，有8個優(yōu)先級的高級中斷控制器，獨立的可屏蔽中斷源，偽中斷保護，7個外部中斷源及1個快速中斷源，有122個可編程I／O口線的4個32位PIO控制器，各線均有輸入變化中斷及開漏能，20通道的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(DMA)；10／100 Base-T型以太網(wǎng)卡接口：獨立的媒體接口(MII)或簡化的獨立媒體接口(RMII)，對于接收與發(fā)送有集成的28 B FIFO及專用的DMA通道；USB 2．0全速(12 Mb／s)主機雙端口：雙片上收發(fā)器(208引腳PQFP封裝中僅為一個)：集成的FIFO及專用的DMA通道；USB 2．0全速(12 Mb／s)器件端口：片上收發(fā)器，2 KB可配置的集成FIFO；多媒體卡接口(MCI)：自動協(xié)議控制及快速自動數(shù)據(jù)傳輸，與MMC及SD存儲器卡兼容，支持2個SD存儲器；主機／從機串行外設(shè)接口(SPI)：8～16位可編程數(shù)據(jù)長度，可連接4個外設(shè)；兩線接口(TWI)：主機模式支持，所有兩線Atmel EEPRoM支持；所有數(shù)字引腳的IEEE 1149．1JTAG邊界掃描。
    正是由于AT91RM9200芯片具有以上特性，所以它完全滿足了本設(shè)計系統(tǒng)必須具備的3個條件：高速處理能力、高速數(shù)據(jù)通道、網(wǎng)絡(luò)接口。
1．2 ZigBee芯片
    本設(shè)計中ZigBee芯片選用Chipcon公司的無線收發(fā)芯片CC2430。CC2430是一個真正片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成一個高性能2．4 GHz直接序列擴頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和一個工業(yè)級加強型8051內(nèi)核，無需再選另外的處理器，使設(shè)計簡化。
1．3 以太網(wǎng)控制器
    本設(shè)計中以太網(wǎng)控制器采用是DAVICOM公司的DM9000，這是具有10／100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片。其特點是：支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線寬度；寄存器操作簡單有效，有成熟的Linux驅(qū)動程序支持；3．3 V接口電平；成本相當?shù)土?；還可以使用MII接口和PHY芯片連接。DM9000還提供了介質(zhì)無關(guān)的接口，以連接所有提供支持介質(zhì)無關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)10 Mb／s下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100Mb／s下5類非屏蔽雙絞線。這是完全符合IEEE 802．3u規(guī)格。它的自動協(xié)調(diào)功能將自動完成配置以最大限度地適合其線路帶寬，還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。
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2 軟件設(shè)計
2．1 移植U-Boot
    通用Bootloader(UniversaI Boot Loader，U-Boot)遵循GPL條款的開放源代碼項目。U-Boot支持大多CPU。U-Boot可以燒寫EXT2，JFFS2文件系統(tǒng)映象，支持串口下載、網(wǎng)絡(luò)下載，并提供了大量的命令。系統(tǒng)引導(dǎo)支持NFS掛載、RAMDISK(壓縮或非壓縮)形式的根文件系統(tǒng)；支持NFS掛載，從FLASH中引導(dǎo)壓縮或非壓縮系統(tǒng)內(nèi)核。
2．1．1 U-Boot的下載
    可以從http：／／sourceforge．net／projects／U-Boot獲得U-Boot的最新版本，如果使用過程中碰到問題或是發(fā)現(xiàn)Bug，可以通過郵件列表網(wǎng)站http：／／lists．sourcef orge．net／lists／listinfo／U-Bootusers／獲得幫助。選擇1．1．2，文件名稱u-boot-1．1．2．tar．bz2。
2．1．2 修改U-Boot配置文件
   進入存放u-boot-1．1．2．tar．bz的目錄，運行tar-jxvfu-boot-1．1．2．tar．bz進行解壓，進入解壓后生成的文件夾u-boot-1．1．  2，它是按Atmel推薦的標準系統(tǒng)的配置SDRAM：32Mbytes NCS1；FLASH：8 MB NCS0來配置的，若系統(tǒng)的配置和推薦的不同，則需要修改。需要修改文件主要是下面幾個：．／board／at91rm9200dk／config．mk，include／configs／+ at91rm9200dk．h，．／board／at91rm9200dk ／flash．c，flash．h在修改好U-Boot配置后，編譯運行即可。
2．2 嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植
    AT91R1M9200芯片支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，但考慮到AT91RM9200支持從內(nèi)部的BOOTROM啟動或從外部的DATAFLASH、二線EEPROM或8位并行存儲器引導(dǎo)啟動，因此，本設(shè)計中，主要將Linux在AT91RM9200上進行移植。
2．2．1 嵌入式Linux操作系統(tǒng)
    嵌入式Linux操作系統(tǒng)由一個Kernel(內(nèi)核)及一些根據(jù)需要進行定制的系統(tǒng)模塊組成。其Kernel很小，一般只有幾百KB左右，即使加上其他必要的模塊和應(yīng)用程序，所需的存儲空間也很小。它具有多任務(wù)、多進程的系統(tǒng)特征，有些還有具有實時性。一個小型的嵌入式Linux系統(tǒng)只需要引導(dǎo)程序、Linux微內(nèi)核(由內(nèi)存管理、進程管理和事務(wù)處理構(gòu)成)、初始化進程3個基本元素組成。當然，實際應(yīng)用中還需要讓它有更多的功能且繼續(xù)保持小型化，如加上文件系統(tǒng)(可以在ROM，RAM，F(xiàn)LASH或Disk Onchip中)、TCP／IP網(wǎng)絡(luò)支持、存儲更多數(shù)據(jù)用的磁盤、提供設(shè)計精簡的應(yīng)用程序等。
2．2．2 內(nèi)核下載及編譯工具獲取
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2．2．3 編譯內(nèi)核的配置
    編譯內(nèi)核最好使用root權(quán)限，參考linux-2．6．20／Documentation下相關(guān)說明即可。
   
    由于2．6．15-at91．patch．gz是標準的文本文件，所以這里直接用cat，這個命令后會出現(xiàn)一些patch文件信息，若出錯，則需要考慮patch版本是否匹配和linux源碼是否完整。然后修改Makefile將以下2行：

    于是會出現(xiàn)一些配置信息，由于是AT91RM9200系統(tǒng)，所以用make at91rm9200dk-defconfig，用makehelp可以查看其他的make選項。
    make menuconfig
    在選擇System type->Atmel AT91 System-On-Chip后，檢查配置是否成功。
    如果確認上述配置成功，就可在menuconfig里面修改CONFIG_CMDLINE中的啟動參數(shù)，把RAM盤大小從缺省值3 145 728 B(3 MB)修改成4 194 304 B(4 MB)，注意這些參數(shù)是在啟動加載時用的，尤其是整合成的內(nèi)核時啟動要用到，不可以隨便修改，本統(tǒng)最后的參數(shù)為：

    經(jīng)過編譯，可在linux-2．6．20／arch／arm／boot下面獲得zlmage。
2．3 BusyBox的交叉編譯
    BusyBox最初是由Bruce Perens在1996年為Debian GNU／Linux安裝盤編寫的。其目標是在一張軟盤上創(chuàng)建一個可引導(dǎo)的GNU／Linux系統(tǒng)，這可以用作安裝盤和急救盤，是很多標準Linux?工具的一個單個可執(zhí)行實現(xiàn)。BusyBox包含了一些簡單的工具，例如cat和echo等。由于很多標準Linux工具都可以共享很多共同的元素，當這些工具被合并到一個可執(zhí)行程序中時，它們就可以共享這些相同的元素，這樣可以產(chǎn)生更小的可執(zhí)行程序，這就為可引導(dǎo)的磁盤和使用Linux的嵌入式設(shè)備提供了更多功能。
2．3．1 下載BusyBox
    BusyBox是按照GNU General Public License(GPL)許可證發(fā)行的。目前可使用的、穩(wěn)定的版本BusyBox-1．3．0．bz2可以從網(wǎng)站http：／／www．husybox．net／下載。[!--empirenews.page--]
2．3．2 配置編譯BusyBox
      
    如果這里不選擇成靜態(tài)的二進制文件，那么在以后面做ramdisk時就需要把arm-linux下的一些動態(tài)庫復(fù)制到ramdisk的／lib里面去；不選擇Don’t use／usr，make install時busybox就不會安裝到本目錄的_install下，會覆蓋原來的usr／bin中內(nèi)容。由于Linux是開放源代碼(Open Source)的，不存在黑箱技術(shù)，遍布全球的眾多Linux愛好者又是Linux開發(fā)者的強大技術(shù)支持，所以其他需要程序的讀者按照自己的需要選擇下載后編譯整合Linux內(nèi)核和initrd成bootplmage，再下載bootpImage啟動Linux就可以了。
2．4 串口設(shè)計
    因為Zigbee CC2430為本設(shè)計的下位機，因此軟件設(shè)計主要集中在對ARM中央控制平臺的實現(xiàn)和Linux操作系統(tǒng)串口程序的實現(xiàn)上。因為目前Linux2．6x系列內(nèi)核對串口有很好的支持性，所以在Linux對串口驅(qū)動上的實現(xiàn)就很簡單，也可極大的簡化后期的維護，有利于推廣。Li nux串口實現(xiàn)程序主要是對串口包括波特率和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值。在Linux下串口文件位于／dev下，一般在內(nèi)核中串口1為／dev／ttySO，串口二為／dev／ttyS1，打開串口是通過標準的文件打開函數(shù)來實現(xiàn)的。當設(shè)置好后即可發(fā)送初始化的命令和等待接收命令。串口流程如圖2所示。

    在應(yīng)用層面的設(shè)計中還包括WEB的設(shè)計實現(xiàn)，遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)，這里就不一一贅述。

3 結(jié)語
    本文論述的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與以往的監(jiān)控系統(tǒng)不同，不僅采用了高性能的處理器芯片大大提高了系統(tǒng)的性能、還融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。使這種遠程監(jiān)控能夠領(lǐng)域更加廣泛。并且在設(shè)計上充分考慮到了系統(tǒng)的可擴展性和兼容性問題，實現(xiàn)了本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的無縫連接，以滿足不同工作環(huán)境的需要。