前言
本文所描述的是嵌入式服務器在無線傳感器網絡中的信息查詢與管理的應用，并介紹了嵌入式服務器對于無線傳感器網絡的應用價值和可行性分析，通過對嵌入式系統(tǒng)的設計實現(xiàn)嵌入式服務器的功能。本文采用ARM微處理器和RTL8019AS以太網芯片，Uc/OS-||操作系統(tǒng),ZLG/IP協(xié)議棧，CGI接口等，建立客戶端與服務器的動態(tài)信息查詢與控制平臺。
1 無線傳感器網絡
傳感器、通信節(jié)點、數據處理集成了傳感器網絡，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。無線傳感器網絡是通過無線低功率通信方式獲取和處理信息的，通過無線傳感器網絡可以對人們的工作和生活方式帶來巨大的改變。無線傳感器網絡可以在無線通信區(qū)域內實現(xiàn)計算機網絡功能。傳感器網絡的節(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關連接運行。
1．1傳感器網絡的發(fā)展
傳感器網絡的發(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造簡單的傳感器網絡。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，能夠進行局域網絡的信息傳遞和處理。第四節(jié)段，通過自組織無線接入網絡與傳感器連接，進行信息的獲取與處理，是無線傳感器網絡。無線傳感器網絡的發(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傳感器網絡的體系結構
1)節(jié)點組成。無線傳感器網絡在各種應用中的功能可以分為數據采集與處理、數據傳輸與電源。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)。數據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)網絡體系結構。無線傳感器網絡可以在無線通信區(qū)域內實現(xiàn)計算機網絡功能。傳感器網絡的節(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關連接運行。在傳感器網絡中， 節(jié)點可以任意的布置在監(jiān)測區(qū)域范圍內，通過多跳中繼的方式把監(jiān)測到的數據傳到sink節(jié)點，最后通過接收站、鏈路等將獲取的數據發(fā)送到遠程監(jiān)控中心進行分析和處理。如果網絡的面積和規(guī)模龐大可以采用聚類分層的模式進行傳輸和處理。
3)傳感器網絡的應用。傳感器網絡可以應用在軍事方面進行遠程通信和導彈控制，應用到醫(yī)療方面進行遠程專家會診等，應用在災情處理可以在有線網絡遭到破壞的時通過無線網絡進行溝通聯(lián)系，傳感器網絡的應用可以說是無處不在，其獨特的網絡技術優(yōu)勢，將對人們的生活和各個產業(yè)的發(fā)展帶來巨大的變革。
4)傳感器網絡研究中的熱點問題。無線傳感器網絡的節(jié)點繁多，隨機分布的特點，對通信協(xié)議棧的要求較高，無線傳感器網絡的通信協(xié)議棧是由物理層、鏈路層、網絡層、傳輸層、應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。無線傳感器網絡傳感器的節(jié)點有幾百萬個， 網絡拓撲結構變化更新快，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性、高健壯性和容錯性等性能，當網絡拓撲結構發(fā)生變化時，操作系統(tǒng)必須能對這種變化作出反應，同時網絡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絡的應用平臺、操作系統(tǒng)、網絡協(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)嵌入式服務器在無線傳感器網絡中的應用。將無線傳感器網絡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，其網絡分布已經非常廣泛，采用嵌入式服務器作為無線傳感器網絡的交互與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，嵌入式服務器能夠合理的控制無線傳感器網絡的能耗、體積和成本，所以選擇嵌入式服務器應用與無線傳感器網絡中作為嵌入式系統(tǒng)是明確的選擇。
2 嵌入式服務器與嵌入式系統(tǒng)
無線傳感器網絡要求節(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)是無線傳感器網絡的正確選擇。
2．1嵌入式系統(tǒng)
嵌入式系統(tǒng)是以應用為目的，通過計算機技術，建立滿足無線傳感器網絡需求的應用系統(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)，無線傳感器網絡節(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，針對無線傳感器網絡節(jié)點也出現(xiàn)了各種各樣的操作系統(tǒng)。無線傳感器網絡的嵌入式操作系統(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可以通過在電子設備上通過TCP／IP網絡協(xié)議接入internet或者是通過通信轉換設備與網關(公共網絡)連接internet。
通過電子設備自身連接internet的方式有三種：第一種是通過電子設備的網絡芯片實現(xiàn)網絡通信；第二種是通過電子設備微處理器嵌入式操作系統(tǒng)與internet連接；第三種是電子設備微處理器控制以太網芯片進行與internet連接
通過通信轉換設備連接internet的方式有兩種：第一種是通過硬件轉換的方式與internet連接； 第二種是通過軟件轉換的方式與internet連接。
3 嵌入式服務器使用的通信協(xié)議棧
嵌入式服務器與internet連接， 需要有通信協(xié)議作為連接基礎，TCP／IP是最常用的通信協(xié)議之一。
3．1 TCP／IP協(xié)議棧的結構
TCP／IP協(xié)議棧有五層結構，數據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、傳輸介質的特性等方面；網絡接口層是設備與網絡的邏輯接口； 網絡層是通過IP、ARP協(xié)議進行數據傳輸；傳輸層是將數據進行可靠傳遞，應用層是通過應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)議是數據傳輸的工具， 是internet網絡的通信規(guī)則。應用在嵌入式系統(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據包，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)議是通過設備的IP查詢設備的MAC地址，MAC地址是網絡中“幀”的一部分，ARP協(xié)議通過MAC地址可以進行設備之間的通信。
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)議棧中應用可以作為回應請求信息與回應應答信息實現(xiàn)。
4)TCP協(xié)議。TCP協(xié)議是數據傳輸的建立、傳遞與斷開的協(xié)議。TCP可以通過效驗和的方法保證數據的正確傳輸。TCP協(xié)議經過精簡后應用在嵌入式TCP協(xié)議棧僅對TCP報文進行效驗。
4 嵌入式服務器的硬件結構
4.1嵌入式服務器的整體結構
本文采用LPC2210微處理器與RTL8019AS網絡芯片，傳感器檢測的信息通過無線傳遞方式傳輸給接收設備， 再又接收設備傳送給LPC2210處理器處理，存儲在RAM中，并能夠通過網頁瀏覽的形式在RAM中調用，信息的傳遞通過RTL8019AS網路芯片完成，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， 內核具有O．9MIPS／MHz的三級流水線和馮·諾伊曼結構，其特點包括： 嵌入式ICE—RT邏輯，便于開發(fā)： 低能耗，適合便攜電子設備；兼容16位Thumb指令集�？蓱门c多種操作系統(tǒng)如：Linux、windows、palm OS等；兼容性強方便設備升級。
4.3 RTL8Ol9AS
RTL8019AS是以太網控制芯片，可以方便的與微處理器進行連接。
4.4網絡接口層
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數據段；PAD填充位；FCS是32位數據效驗位。
5 動態(tài)網頁的實現(xiàn)
1)應用層協(xié)議
用戶可以采用HTTP協(xié)議通過網頁形式獲取信息。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)送到服務器端口； 發(fā)送相應：服務器接收到請求信息并處理后向客戶端發(fā)送響應信息；關閉連接：當客戶端與服務器都完成了信息傳輸，關閉套接字結束TCP／IP對話。
2)動態(tài)網頁原理
動態(tài)網頁的實現(xiàn)可以通過一下四種技術實現(xiàn)：CGI、ASP、PHP、5SP。CGI是提供客戶端HTML接口的程序，嵌入式服務器CGI沒有專門的程序，是通過程序實現(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，所以在嵌入式服務器中得以廣泛應用。ASP是動態(tài)服務器頁面，可以替代CGI腳本程序，可以與數據庫直接進行信息交互。
PHP是HTML內嵌式語言，可以在服務器端執(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)網頁的一項技術標準。
3)嵌入式服務器中動態(tài)網頁的實現(xiàn)
嵌入式服務器中的動態(tài)網頁實現(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)的網頁不同，嵌入式系統(tǒng)可以直接對內存進行操作，將網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器， 嵌入式服務器將實際值傳遞到內存，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 結束語
嵌入式服務器技術應用在無線傳感網絡中的應用對國防建設、醫(yī)療設備發(fā)展、智能家居生活、設備控制管理等方面都有很好的應用價值，通過對嵌入式服務器在無線傳感器中應用的進一步研究，其的發(fā)展將是巨大的。
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本文標題：嵌入式服務器在無線傳感器網絡中的應用
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