基于AT89S52单片机的实时温度采集系统

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肖骏秽祁
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1 基于嵌入式 Linux 的串口与 Socket 端口转发程序设计数学与计算机科学学院电子信息科学与技术专业郑远指导教师 : 张美平摘要在传统工业控制和数据采集设备中, 运用最多的是符合 RS232 标准的串口通信利用串口进行通信有着许多其他方法所没有的便利, 串口设备成本低廉, 设计安装方便等然而串口通信也有着一些缺点, 比如传输距离短, 控制端设备必须带串口, 而且不能做到随时随地的控制本课题基于 EmBee 无线传感器网络, 针对这些问题, 设计一个转换程序, 将串口数据和 socket 数据进行转换, 利用 Internet 做到随时随地接收数据发送控制指令等将程序移植到嵌入式 Linux 下, 降低实际运用的成本关键词 Linux; 串口 ;socket; 无线传感器网络

2 目录 1 引言课题背景主要工作内容论文结构设计思路系统组成框图服务端无线传感器网络数据格式说明服务端实现客户端客户端思路客户端实现服务端移植嵌入式 Linux 服务端移植至 liod270 开发平台测试结果测试环境测试结果总结...29 I

3 1 引言 1.1 课题背景随着信息科学地飞速发展, 互联网的使用越来越便利, 基于互联网的应用也越来越多然而在工业控制数据采集等领域依旧是采取低成本的串口或一些总线协议做应用这类方式虽然成本低廉, 但是由于本身对硬件有很大的依赖性, 以及技术本身的缺陷, 使得它们无法做到随时随地, 特别是数据采集领域随着无线传感器网络的兴起, 基于无线传感器网络的数据采集也有较大的发展, 然而由于其应用环境多是很苛刻的, 即要求传感器节点性能高, 可靠性强, 又要求节点的功耗尽量的低, 成本尽量低, 因此大多数节点采用的是超低功耗的单片机作为主控单元网络内的数据统一由汇聚节点向上传输, 由于传输方式的限制, 汇聚节点所能传输的距离很有限, 而往往人们又需要能远程得到这些数据本设计利用嵌入式 Linux 平台的优点提出了一种有限的解决方法, 通过将串口数据与 socket 数据互相转换后转发出去, 这样就可以实现远程接收与控制 1.2 主要工作内容本文主要利用无线传感器网络 EmBee 模块, 在 PC 的 Linux 下编写 C 程序, 实现基本的串口转 Socket 的功能, 并在此基础上, 改进程序的功能由于本文所用嵌入式 Linux 平台为亿道的 liod 平台, 采用 PXA270 处理器, 内核与文件系统以及相关驱动均已提供, 将程序及所用的库进行移植即可 1.3 论文结构论文分为八章, 内容安排如下 : 第一章, 主要介绍本文研究背景, 并粗略介绍本文的主要工作内容第二章, 介绍本设计的设计思路第三章, 介绍本设计应用的框图第四章, 详细介绍服务端的实现过程第五章, 详细介绍配套的客户端的实现第六章, 介绍程序移植过程第七章, 在设备上测试程序, 观察运行结果, 验证程序功能第八章, 总结 2 设计思路无线传感器网络的数据, 汇集到根节点后, 由根节点通过串口发送出去嵌入式 Linux 平台硬件应起码具备通信串口和以太网口, 这样, 串口接收到根节点发送来的数据, 通过程序已经建立好的 Socket 连接发送出去, 由远程客户端接收由于服务端是在嵌入式 Linux 平台下运行, 运算能力有限, 为了能使串口数据高效地转发出去, 服务端不对数据进行处理而考虑到串口数据若不完整, 那么在客户端就无法正确解析, 轻则部分数据丢失, 重则客户端不会收到任何有效数据, 所以服务端应在串口数据完整的情况下转发客户端连接时发送模式标识, 服务端阻塞在 accept 上, 客户端连接后, 服务端先接收 1

4 模式标识, 据此开启线程开启线程后, 在串口回调函数的触发下, 每次触发就发送一次串口接收来的数据, 为了使客户端与服务器端进行一些基本的错误处理能力, 本文采用如下的格式进行 Socket 数据传输 : 表 2-1 本文 Socket 数据格式约定本次发送的 Socket 数据长度本次发送的 Socket 数据其中本次发送的真实长度为数据长度加 1 这样就可以根据实际发送长度和要发送长度进行判断, 以处理 Socket 通信异常的一些基本情况, 例如客户端异常断开服务端异常断开等根据无线传感器网络 EmBee 模块的相关材料中了解到, 网络内和串口所传输的数据包为如下格式 : 表 2-2 基于 tinyos 操作系统的无线传感器网络数据包格式开始字段 MSG_HEADER MSG_DATA 校验结束字段 (2 Bytes) (10 Bytes) ( 长度不固定 ) (2 Bytes) (1 Bytes) 0x7E 0x42 Header Data CCS 0x7E 其中开始字段和结束字段是固定不变的, 故可将有开始字段和结束字段所包含的数据长度是否大于 0 用来判断数据完整性客户端运行在 PC 上, 将完成数据解析提取显示存储等工作, 另外, 通过一些简单的协定, 将系统扩展为可由客户端生成数据, 由服务端从 Socket 接收后转发到串口, 本文的具体实现是客户端根据用户需求生成控制命令发给服务端, 由服务端转发至串口, 思路不失一般性在互联网上, 服务器处理的客户端可能往往不只一个, 故将服务端设计成多客户端连接模式 3 系统组成框图系统分为两部分, 一是服务端程序, 这是主要部分, 运行在嵌入式 Linux 平台下, 本文测试平台为 liod 平台 ; 二是客户端, 这是与服务端配套的部分, 运行在 PC 上, 本文测试程序为 MFC 对话框程序, 运行在 Windows 下 2

5 图 3-1 系统框图 4 服务端 4.1 无线传感器网络无线传感器网络传感器技术微机电系统现代网络和无线通信等技术的进步, 推动了具有现代意义的无线传感器网络的产生和发展无线传感器网络涉及众多学科, 成为目前 IT 领域中的研究热点之一现在, 互联网为人们提供了快捷的通信平台, 极大地方便了人们的信息交流无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力, 将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起, 在下一代互联网中将为人们提供最直接最有效最真实的信息无线传感器网络能够获取客观物理信息, 具有十分广阔的应用前景, 能应用于军事国防工农业控制城市管理生物医疗环境监测抢险救灾防恐反恐危险区域远程控制等诸多领域美国在 20 世纪 90 年代就开始了传感器网络的研究工作, 并首先在军方应用和推广我国也非常重视无线传感器网络的发展, 国家自然科学基金委员会已经审批了无线传感器网络相关的一个重点课题和多个面上课题, 在国家发展改革委员会的下一代互联网示范工程中, 也部署了无线传感器网络相关的课题 EmBee 模块本文所应用的无线传感器网络, 节点为 EmBee 模块 EmBee 模块是一款集成了传感器无线电收发装置天线微控制器和具有编程能力的超低功耗模块 EmBee 模块的低功耗是由于采用了 TI 的 MSP430 F1611 超低功耗微处理器, 具有 10kB 3

6 的 RAM 48KB Flash 和 128B 的 information flash 除此之外还提供了 8 个数模转换的控制器端口以及一系列的外设 ( 例如 SPI UART 数字 I/O 端口看门狗等 ) EmBee 使用 Chipcon CC2420 的 RF 进行无线通讯 CC2420 可由 TI MSP430 微控制器通过 SPI 口一系列的数字 I/O 线路和中断来控制 EmBee 有 2 种可选择的天线, 一种是内置于 PCB 板的内部天线, 一种是通过 SMA 连接器连接的外部天线默认情况下 EmBee 使用内部天线, 如果应用程序需要使用外部天线, 那么 SMA 连接器必须安装, 外部天线就可以直接通过 SMA 连接上 EmBee 了 EmBee 采用 DS1820 温度传感器, 可提供 9 位温度读数 4.2 数据格式说明 EmBee 模块上位机和下位机通信时, 所有的命令应答均以如下数据包格式进行 : 表 4-1 数据包格式开始字段 (2 Bytes) MSG_HEADER (10 Bytes) MSG_DATA ( 长度不固定 ) 校验 (2 Bytes) 结束字段 (1 Bytes) 0x7E 0x42 Header Data CCS 0x7E 所有的包有着固定的开始字段和结束字段, 负载数据包括 MSG_HEADER 和 MSG_DATA 两部分, 其中 MSG_HEADER 是 10 个字节, 主要包括以下 8 个字段 : 表 4-2 MSG_HEADER 各字段意义字段名字段类型意义 length UINT8 MSG_DATA 的长度 ( 字节数 ) fcfhi UINT8 FCF 的高字节, 始终为 0 fcflo UINT8 FCF 的低字节, 始终为 0 dsn UINT8 Data Sequence Number, 始终为 0 destpan UINT16 目标 PAN, 始终为 0xff addr UINT16 目标地址, 这里为广播地址, 始终为 0xff type UINT8 数据包类型 group UINT8 当前节点所在的组, 始终为 0 其中,type 字段包含如下 4 种类型 : 表 4-3 type 字段的可能值及意义类型名值意义 DataMSG 0x11 数据 OrderMSG 0x12 命令 DataACK 0x13 数据应答 OrderACK 0x14 命令应答实际应用中, 下位机将采集的数据, 包括温度湿度和灯的状态等信息封装在一个数据包内, 其数据部分格式为 : 表 4-4 数据包 MSG_DATA 格式 MSG_DATA Node ID Parent Epoch Voltage Temp Humi Light 各字段意义如下 : 表 4-5 数据包 MSG_DATA 各字段意义字段名字段类型意义 Node ID UINT16 节点号 4

7 Parent UINT16 父节点号 Epoch UINT16 显示放大缩小倍数, 始终为 0 Voltage UINT16 电压值, 始终为 0 Temp UINT16 温度值, 实际采集的 AD 值 Humi UINT16 湿度值, 实际采集的 AD 值 Light UINT16 灯的状态其中, 温度值包含两个字节,Light 字段各个位的意义如下 : 表 4-6 Light 字段各个位的说明位意义 b15~b12 默认值为 0; 保留 b11~b8 红灯的状态 0000 = 熄灭 1111 = 亮 1100 = 闪烁 b7~b4 黄灯的状态 0000 = 熄灭 1111 = 亮 1100 = 闪烁 b3~b0 绿灯的状态 0000 = 熄灭 1111 = 亮 1100 = 闪烁上位机可以向下位机发送命令设置某个节点的节点号上传数据的速率灯的状态和发射功率等命令的头部结构与数据相同,MSG_DATA 格式如下 : 表 4-7 命令包 MSG_DATA 格式 MSG_DATA SeqNO NodeID ParentPath Order Orderdata 各个字段意义如下 : 表 4-8 命令包 MSG_DATA 各字段意义字段名字段类型意义 SeqNO UINT16 命令序号 NodeID UINT16 节点号 ParentPath UINT16*n 到达该节点的路径 Parent[0]:UINT16 根节点的节点号 Parent[i]:UINT16 Parent[i+1] 的父节点号 Order UINT8 命令名称 Orderdata UINT16 命令数据上位机向下位机发送的命令是通过路由路径中的节点一级一级的转发完成的关于 Order 和 Orderdata 的定义, 如下 : 表 4-9 Order 和 Orderdata 字段的可能值 Order Name 命令值 Orderdata 意义 SetLight 0x00 参见灯状态说明用于设置控制灯的状态 SetNodeID 0x01 新的节点号设置新的节点号 5

8 SetDataRate 0x02 n 设置节点上传数据的速率,n 的单位为毫秒 SetRFPower 0x03 n=0~255 设置新的 Radio Frequency Power 4.3 服务端实现服务端设计思路程序的基本目的是为了实现串口 /Socket 端口数据的互相转换, 一方数据一到来, 先存在缓冲区, 再立即发送到另一方, 涉及到 Linux 下的串口编程 Socket 编程和 POSIX 多线程编程 Linux 系统中, 设备作为一种特殊的文件管理, 设备分为字符设备块设备文件, 串口编程以往的经验是打开串口文件, 如 /dev/ttys0, 代表打开 COM1, 进行相关数据结构各个字段的设置, 即可用基本的读写函数进行串口的读写但这样有个缺点, 往往人们在刚接触 Linux 串口编程时, 经常会因为那些数据结构设置的问题而使效率变低 Windows 下的串口编程模式, 特别是 VC++, 对串口编程方法提供了很多解决方法, 值得借鉴的是封装封装简化了串口编程的工作过程, 往往只需做些简单的调用, 即可完成很多工作鉴于此, 在网上找到一个 Linux 串口编程库 libcssl, 该库提供了串口的基本接口, 为使用者简化了设置的问题, 而且源码开放, 利于移植, 很适合本文应用 Linux 下的 Socket 编程, 有很多书籍都有介绍, 流程也大同小异, 但多是一个服务端对一个客户端, 而实际又是需要多客户端连接本文提出一种多客户端的解决方案, 利用 Linux 对多线程的支持, 为每个客户端分配一个线程将服务端程序阻塞在 accept 函数上, 当函数返回时, 将连接的客户端标识符作为参数, 新建一个处理客户端的线程, 传入客户端标识使用 POSIX 线程库实现, 具有良好的移植性程序多线程化了以后, 就要充分考虑线程同步的问题, 比如一个变量 data 是对所有线程共享的, 那么如果线程 1 有分别两次读取 data 的值, 并进行比较, 如果第一次读取后, 另外一个线程 2 将 data 的值改写, 那么线程 1 再次读取 data 的值, 比较的结果将是不等, 而线程 1 的本意是希望这两次读取到的值是相等的这就需要慎重对共享数据的写入本文中串口回调函数写入缓冲区和 Socket 线程读取缓冲区所采用的是将缓冲区锁定后读写, 既在写的时候不能读, 在读的时候不能写为防止当客户端数目多的时候, 单个缓冲区的读写等待造成串口数据的丢失, 本文采用多缓冲区的方式来避免这中情况发生由于在 Linux 下的 Socket 程序, 服务端会因为客户端的异常退出而退出, 这种情况若出现在多客户端的情况下, 一个客户端异常退出, 导致服务端退出, 进而使得其他客户端出现异常这是因为在客户端异常退出时, 服务端会收到系统的 SIGPIPE 信号, 而应用程序默认对该信号的处理是程序退出利用 Linux 下的信号屏蔽, 在服务端屏蔽 SIGPIPE 信号, 即可避免上述情况发生服务端流程图 6

9 图 4-1 服务端流程图由于服务端是运行在嵌入式 Linux 平台下, 服务器参数可能不是固定的, 可以使用的串口也不是固定的, 故将这些作为主函数的参数传入采用了多线程技术, 缓冲区供多个线程的使用, 包括串口线程的写, 和 Socket 客户端线程的读, 因此需要有较好的线程同步方法来避免同时被读和写这里采用 4 个缓冲区, 并用一个 4 元素的数组标识是否正在读取如果此缓冲区正在读取, 则不会被写入, 而是等待读取完毕缓冲区结构如下 : #define BUFNUM 4 struct buffer_t unsigned char *data[bufnum]; // 指针数组, 分别指向 4 个缓冲区 pthread_mutex_t m_lock; // 写锁 int lock[bufnum]; //4 个读取标识, 非 0 表示对应的缓冲区有线程正在读取, volatile int cw; // 写入位置 ; struct buffer_t b; int init_buffer() // 初始化缓冲区 int i; for(i=0;i<bufnum;i++) b.data[i]=(unsigned char *)malloc(60*sizeof(unsigned char)); b.lock[i]=0; b.cw=0; pthread_mutex_init(&(b.m_lock),null); 屏蔽 SIGPIPE 的代码如下 : signal(sigpipe, SIG_IGN); wait_for_connect 线程 wait_for_connect 线程负责创建 Socket 绑定监听等待连接分配客户端线程本文为客户端定义了两种模式, 因为不一定每个客户端都有权控制节点, 所以, 服务器应能对客户端类型进行判断, 并为其启动相应的线程本文中的客户端为 MFC 对话框程序实现的, 操作方便, 故采取客户端选择模式后发送模式标识串, 服务端等到客户端连接时, 先收模式标识, 然后判断该启动些什么线程如果 7

10 是接收模式, 只需开启 sock_deal 线程 ; 如果是控制模式, 则多开启 sock_deal_ctrl 线程 ; 如果是其他模式, 则客户端无效, 不开启线程处理完客户端连接后继续等待客户端连接其流程图如下 : 图 4-2 wait_for_connect 线程流程图 wait_for_connect 实现多线程的关键代码如下 : while(1) memset(mod,0,60); if((clientfd = accept(servfd, (struct sockaddr *)&client_sockaddr, (socklen_t *)&sin_size)) == -1) // 阻塞地等待客户端连接 if(errno == EINTR) // 多客户端后可能会出现这种错误, 应屏蔽掉 continue; perror("accept"); // 其他错误则退出线程 pthread_exit(null); else recvlen = recv(clientfd, mod, 60, 0); // 接收客户端模式的标识 if(-1 == recvlen)// 如果接收出错, 那么可能客户端退出, 应继续等待下一个连接 continue; else if(0 == recvlen)// 如果收到的数据长度为 0, 说明客户端此时异常 break; else if(0 == strcmp(mod,"ctrlmod")) // 控制模式, pthread_create(&conn_th, NULL, sock_deal_ctrl, &clientfd); 8

11 pthread_create(&conn_th, NULL, sock_deal, &clientfd); else if(0 == strcmp(mod,"recvmod")) // 接收模式 pthread_create(&conn_th, NULL, sock_deal, &clientfd); Else // 其他未知模式, 退出程序 printf("unknown client type, server quit\n"); exit(1); sock_count++; // 成功处理一个客户端连接时, 客户端计数应加 serial 线程 serial 线程使用 cssl 库, 负责打开串口, 设置串口回调函数, 等待串口事件由于对很对数据结构和读写操作进行封装, 使用 cssl 库进行串口编程并没有像以往 Linux 下的串口编程那么麻烦, 只需简单设置即可, 其用法如下 : 1. 串口回调函数的声明, 这是由串口事件触发自动运行的 2. cssl_start(), 启用 cssl 库 3. cssl_open(), 打开一个串口, 设置回调函数等 4. 串口的读写操作其中, 若要重新设置串口参数, 可调用 cssl_setup 函数来进行设置在进行串口写操作时, 可在写函数之后加 cssl_drain 函数, 等待数据全部送出, 防止过快的调用写函数, 造成数据丢失由于串口驱动模式为事件驱动, 回调函数的调用不像普通函数那样需要显式调用, 它由事件触发, 即串口收到数据后会自动调用回调函数本文中的服务器要实现串口 /Socket 端口互相转换, 那么 serial 线程就不只是等待串口数据, 也等待 Socket 的控制命令这里采用线程同步函数对 serila 线程进行阻塞, 等待 Socket 的控制命令, 同时也等待串口接收到数据触发回调函数流程图如下 : 图 4-3 serial 线程流程图 9

12 serial 线程实现阻塞等待命令及串口事件的关键代码 : while(1) pthread_mutex_lock(&mm); pthread_cond_wait(&cc, &mm); // 每次循环都阻塞在此, 由 Socket 接收到命令数据后解除阻塞 cssl_putdata(ser,recvdat+1,recvdat[0]); //Socket 收到命令数据, 由串口转发 cssl_drain(ser); pthread_mutex_unlock(&mm); 串口回调函数串口回调函数负责将串口缓冲区的数据提取转存至数据缓冲区, 供客户端线程读取客户端采取等待条件变量的方式阻塞地等待新数据, 回调函数在更新完缓冲区后, 解除客户端线程对特定条件变量的阻塞, 这样,Socket 每次发送的数据都是新的由于是 4 块缓冲区, 回调函数每写一次, 下次写的位置就后移一个, 顺序循环地写入 4 块缓冲区, 当当前写入的缓冲区正在读, 说明其他缓冲区也已经写入过数据但还未被读取, 则稍做延时等待数据读取完其流程图如下 : 图 4-4 串口回调函数流程图串口回调函数关键代码如下 : int cur=b.cw; // 取得上次改写的写入位置, 为这次的写入位置 while(b.lock[cur]!=0) usleep(1000);// 如果当前要写的位置有线程正在读, 则等待 1 毫秒 10

13 pthread_mutex_lock(&b.m_lock); // 缓冲区可写, 取得写锁 if(buf[0]==0x7e && buf[length-1]==0x7e) // 数据包是否完整 b.data[cur][0]=length; // 转存串口数据, 缓冲区第一个字符为串口数据长度 int i; for(i=0;i<length;i++) b.data[cur][i+1]=buf[i]; b.cw=(b.cw+1)%bufnum; // 位置后移, pthread_cond_broadcast(&c); // 发送通知, 解除客户端线程对读取缓冲区的阻塞 pthread_mutex_unlock(&b.m_lock); // 释放写锁 sock_deal 线程 sock_deal 线程有 wait_for_connect 线程开启, 每个客户端对应一个 sock_deal 线程 sock_deal 线程负责将新的数据发送给对应客户端 sock_deal 线程将自己设置成分离后阻塞至互斥锁可获取, 得到互斥锁后等待条件变量以判断缓冲区的数据是否有更新, 如果条件变量被解除了, 则说明数据有更新, 则重新获取互斥锁并发送给自己的客户端, 如果发送失败 ( 实际发送的长度和数据本身的长度不合 ) 则说明客户端退出, 则释放互斥锁, 退出线程, 资源被自动回收如果发送成功, 则释放互斥锁, 继续等待缓冲区更新由于采用 4 块缓冲区, 读取位置也是一块一块往后移, 因此如果要读的缓冲区如果正在写, 那么则等待写完后再读取其流程图如下 : 图 4-5 sock_deal 线程流程图 sock_deal 线程读取缓冲区并发送的关键代码 : void *sock_deal(void *arg) int *id = (int *)arg; // 取得客户端标识 11

14 int sock; sock = *id; int cread=(b.cw-1+bufbun)%bufnum; // 初始化读取位置为写入位置的前一个 printf("sock_deal: dealing with new clienct which was connected, id = %d\n",sock); if(pthread_detach(pthread_self())) // 设置线程分离 return NULL; for(;;) pthread_mutex_lock(&m); while(b.cw==cread) usleep(1000); // 如果缓冲区正在写, 则等待 pthread_cond_wait(&c, &m); b.lock[cread]++; // 读取标识加 1, 非 0 说明有线程正在读取该缓冲区 if((b.data[cread][0]+1)!= send(sock,b.data[cread],b.data[cread][0]+1,0)) printf("send error\n"); // 如果发送的实际长度和要求的不一样, 说明客户端异常退出, 则客户端数目减 1, 退出线程 sock_count--; break; b.lock[cread]--; // 读取结束, 读取标识减 1 cread=(cread+1)%bufnum; // 读取位置后移 pthread_mutex_unlock(&m); b.lock[cread]--; 客户端异常退出时的处理, if(b.lock[cread]==0) cread=(cread+1)%bufnum; pthread_mutex_unlock(&m); return NULL; sock_deal_ctrl 线程 sock_deal_ctrl 线程也由 wait_for_connect 线程创建, 在客户端模式选择控制模式时, 服务端为其开启 sock_deal_ctrl 线程和 sock_deal 线程, sock_deal_ctrl 线程将自己设置成分离后, 阻塞在接收数据, 接收到数据后, 判断接收是否成功若不成功, 则继续接收若接收到的数据长度为 0, 说明是客户端异常退出, 则退出线程接收成功时判断接收的数据是否是客户端退出消息, 是则退出线程, 否则将接收到的数据传到命令的缓冲区, 然后解除 serial 的阻塞, 继续接收数据其流程图如下 : 12

15 图 4-6 sock_deal_ctrl 线程流程图 sock_deal_ctrl 线程关键代码 : void *sock_deal_ctrl(void *arg) int *id = (int *)arg; // 取得客户端标识 int sock,recvlen; unsigned char buf[60]=0; sock = *id; printf("sock_deal_ctrl: dealing with new clienct which was connected, id = %d\n",sock); if(pthread_detach(pthread_self())) // 设置线程分离 return NULL; while(1) recvlen = recv(sock, buf, 60, 0); // 读取数据 if(-1 == recvlen) // 如果读取出错则做相应处理 continue; else if(0 == recvlen) break; else // 收到数据 if(0 == strcmp(buf,"client quit")) // 客户端退出标识, 则退出线程 printf("ctrlmod thread quit"); return NULL; pthread_mutex_lock(&mm); // 否则转存数据, 通知串口线程以转发数 13

16 据 memcpy(recvdat,buf,60); pthread_cond_broadcast(&cc); pthread_mutex_unlock(&mm); return NULL; 5 客户端 5.1 客户端思路客户端是同服务端配套的, 服务端实现串口数据向 Socket 端口的转发, 客户端要能接收到转发的数据服务端要实现 Socket 端口向串口转发数据控制节点行为, 客户端要能发送正确控制命令客户端分为两种模式 : 接收模式和控制模式为方便以后的扩展, 客户端还可以选择将数据存储到数据库中利用 MFC 编程, 很容易实现这些操作设计对话框程序, 连接时设置服务器地址, 端口号, 选择客户端类型, 是否写数据库, 写入的数据库类型连接成功后,Socket 接收到数据后解析提取出节点号父节点号和温度信息, 用列表显示出来客户端通过可视化界面, 实现对节点发送命令控制节点程序根据用户的选择, 自动生成命令数据并计算校验, 发送给服务端, 由服务端转发客户端使用接收线程接收数据, 接收到数据后发送更新消息, 由更新消息处理函数负责更新列表存储数据等 5.2 客户端实现客户端主界面客户端主界面包括一个菜单一个节点设置按钮一个列表菜单包括退出连接设置和断开连接, 节点设置按钮只在客户端为控制模式时才可用界面如下所示 : 14

17 图 5-1 客户端主界面连接设置界面连接设置界面包含服务器地址端口号客户端模式启用数据库和数据库选择设置, 数据库选择只在启用数据库时才可供选择, 提供 ACCESS 和 SQL SERVER 两种数据库具体界面如下 : 图 5-2 连接设置界面节点设置界面节点设置界面提供 4 种可用设置以及目标节点号输入, 选择相应设置后自动显示相应设置的详细设置选项界面如下 : 15

18 设置灯状态 : 图 5-3 节点设置界面设置节点号 : 图 5-4 设置灯状态界面设置数据上传速率图 5-5 设置节点号界面 16

19 设置无线发送功率图 5-6 设置数据上传速率界面图 5-7 设置无线发射功率界面连接代码连接代码在连接设置返回 IDOK 后运行, 获取相关参数, 建立 Socket, 连接服务器, 启动接收线程, 使能相关控件, 决定是否连接数据库部分代码如下 : CSetConn setdlg; // 连接设置对话框 if (setdlg.domodal()==idok) // 设置对话框确定后返回 IDOK m_enabledb=setdlg.m_enabledb; // 获取启用数据库参数 db=setdlg.setdb; CMenu *DlgMenu=GetMenu(); DlgMenu->EnableMenuItem(ID_MENU_CLOSECON,MF_ENABLED); // 使能断开连接命令 m_hsocket = socket(af_inet,sock_stream,0); // 创建 Socket if (m_hsocket == INVALID_SOCKET) AfxMessageBox("socket error"); return; 17

20 SocketFuncSuc = TRUE; m_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr(setdlg.m_servaddr); m_addr.sin_family=af_inet; m_addr.sin_port=htons(atoi(setdlg.m_servport)); int ret; ret = connect(m_hsocket,(lpsockaddr)&m_addr,sizeof(m_addr)); // 连接服务器 if (SOCKET_ERROR == ret) AfxMessageBox("connect error"); closesocket(m_hsocket); SocketFuncSuc=FALSE; return; m_info.setwindowtext(" 服务器已连接 "); // 设置提示信息 rthread = AfxBeginThread(RecvThread, (LPVOID)&m_hSocket); // 启动接收线程 CButton *pbtn=(cbutton*)getdlgitem(idc_set_node); // 选择设置使能节点设置按钮 int mod=setdlg.setmod; switch (mod) case 1: pbtn->enablewindow(true); send(m_hsocket,"ctrlmod",strlen("ctrlmod"),0); break; // 控制模式 case 2: //AfxMessageBox("fff"); send(m_hsocket,"recvmod",strlen("recvmod"),0); break; // 接收模式 DlgMenu->EnableMenuItem(ID_MENU_SETCON,MF_DISABLED MF_GRAYED); if (m_enabledb) // 选择是否启用数据库, 启用那种数据库 switch (db) case 1: //access ADOConn(1); break; case 2: //sql server ADOConn(2); break; default: //none break; 18

21 5.2.5 接收线程代码接收线程阻塞地等待 Socket 数据, 收到数据后解析提取并发送更新消息, 接着继续等待数据部分代码如下 : UINT RecvThread(LPVOID pparam) SOCKET *s; // 传递客户端标识符参数 s=(socket *)pparam; SOCKET sockfd=(*s); char buf[60]=0; // 接收缓冲区 unsigned char tmp[60]=0; // 缓存解析后的数据 int i,j; byte res[6]; // 最终提取的数据 int recvlen; while (1) recvlen=recv(sockfd, buf, 60, 0); // 阻塞在此, 等待 Socket 数据 if(-1 == recvlen) //printf("recv error\n"); else if (0 == recvlen) // 服务器异常后的处理, 防止客户端因服务器异常而异常 ::SendMessage((AfxGetMainWnd())->m_hWnd,SERVER_ERROR_QUIT,(WPARAM)0,(LP ARAM)0); break; else // 正常接收, 做解析提取数据 j=0; for(i=1;i<=(unsigned char)buf[0];i++) if(((unsigned char)buf[i])==0x7d) if(((unsigned char)buf[i+1])==0x5d) tmp[j]=0x7d; if(((unsigned char)buf[i+1])==0x5e) tmp[j]=0x7e; 19

22 i++; else tmp[j]=(unsigned char)buf[i]; j++; res[0]=tmp[13]; res[1]=tmp[12]; res[2]=tmp[15]; res[3]=tmp[14]; res[4]=tmp[21]; res[5]=tmp[20]; ::SendMessage((AfxGetMainWnd())->m_hWnd,UPDATE_LIST_DATA,(WPARAM)res,(LP ARAM)0); // 发送数据更新消息 return 0; 更新消息处理代码 LONG CClient2Dlg::OnUpdateListData(WPARAM wparam, LPARAM lparam) int res[6]; // 传递新数据参数 byte *t=(byte *)wparam; int i; for (i=0;i<6;i++) res[i]=(int)t[i]; int listcount=m_nodeinfo.getitemcount(); // 更新列表 CString nodeid=inttocstr(res[0]*256+res[1]); CString parentid=inttocstr(res[2]*256+res[3]); CString tempr=inttocstr(res[4])+"."+inttocstr(res[5]); for (i=0;i<listcount;i++) if (nodeid==m_nodeinfo.getitemtext(i,0)) // 节点号相同, 不更改并判断父节点, 操作结束退出循环 if (parentid!=m_nodeinfo.getitemtext(i,1)) // 父节点号不同, 更改 m_nodeinfo.setitemtext(i,1,(lpctstr)parentid); if (tempr!=m_nodeinfo.getitemtext(i,2)) // 温度不等, 更新 20

23 m_nodeinfo.setitemtext(i,2,(lpctstr)tempr); break; if (i==listcount) // 如果列表中没有这个节点号, 则添加 m_nodeinfo.insertitem(listcount,(lpctstr)nodeid); m_nodeinfo.setitemtext(listcount,1,(lpctstr)parentid); m_nodeinfo.setitemtext(listcount,2,(lpctstr)tempr); CTime time; // 获取当前时间 time=ctime::getcurrenttime(); CString ti; ti=time.format("%y-%m-%d %H:%M:%S"); if (m_enabledb) // 如果启用数据库, 则生成 sql 语句并写入数据库 CString sql; sql.format("insert into wsn(node,fnode,tep,savetime) values("); sql+=nodeid+","+parentid+","+tempr+",'"+ti+"');"; m_pconnection->execute((_bstr_t)sql,null,adcmdtext); return 0; 节点设置处理代码节点设置对话框返回后, 提取相应的设置信息, 生成相应的命令并发送, 节点路径由列表得出 void CClient2Dlg::OnSetNode() // TODO: Add your control notification handler code here CSetNode dlg; if (dlg.domodal()==idok) if (dlg.finalorder=="") // 如果没选择设置内容, 则不处理, 弹出提示并返回 AfxMessageBox("empty order"); return; if (0==m_NodeInfo.GetItemCount()) // 如果列表为空, 则弹出提示并返回 AfxMessageBox("no data in the list"); return; 21

24 ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// // 查找路径 BOOL found=false; int listcount=m_nodeinfo.getitemcount(); CString path=numtohex(dlg.nodeid); CString currentid=dlg.nodeid; int i; while (!found) for (i=0;i<listcount;i++) if (currentid==m_nodeinfo.getitemtext(i,0)) // 如果在节点号栏找到当前节点, 则追溯其父节点, 用其父节点号继续查找 currentid=m_nodeinfo.getitemtext(i,1); // 此轮查找结束 break; if (i!=listcount) // 判断当前查找的是否是 126( 根节点的父节点, 为串口数据接收方 ), 是则表明已找到路径, 否则添加路径 if (currentid=="126") break; path+=numtohex(currentid); else found=true; // 查找结束 path.makereverse(); // 路径方向应反向, 查找时是从目标节点到根节点, 而命令数据中要求是从根节点到目标节点 TCHAR ttt; int tmplen=path.getlength(); for (i=0;i<tmplen;i+=2) ttt=path.getat(i); path.setat(i,path.getat(i+1)); path.setat(i+1,ttt); //// 构造命令数据 CString desnode=reverse(numtohex(dlg.nodeid)); seqno++; 22

25 CString SeqNo=reverse(NumToHex(IntToCStr(seqno))); CString lengt=""; lengt.format("%02x",(seqno.getlength()+desnode.getlength()+path.getlength()+(dlg.fi nalorder).getlength())/2); //AfxMessageBox(lengt); ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// ////////////////////////////////////////////////////////////////////////// CString SendData=" FFFF "+SeqNo+desnode+path+dlg.FinalOrder;// A A FF 00 "; SendData.Insert(2,lengt); char str[]="00"; byte *dat; byte high; byte low; int len; unsigned short cc; CString tmpstr=senddata; tmpstr.makeupper(); int pos; pos=0; len=tmpstr.getlength()/2; // 计算 CRC 校验码 dat=(byte *)malloc((len)*sizeof(byte)); for (i=0;i<len;i++) str[0]=tmpstr.getat(i*2); str[1]=tmpstr.getat(i*2+1); dat[i]=cha(str); cc=calc(dat,0,len); low=(byte)(cc&0x00ff); high=(byte)((cc>>8)&0x00ff); tmpstr+=con(low)+con(high); pos=0; while (1) //7D 和 7E 的转义处理 pos=tmpstr.find("7d",pos); if (pos<0) break; else tmpstr.insert(pos+1,"d5"); 23

26 pos++; pos=0; while (1) pos=tmpstr.find("7e",0); if (pos<0) break; tmpstr.insert(pos+1,"d5"); m_res="7e"+tmpstr+"7e"; // 生成命令数据串 free(dat); int finallength=m_res.getlength(); // 将命令数据串转成对应的最终命令数据 byte *resdat; resdat=(byte *)malloc(((finallength/2)+1)*sizeof(byte)); char *datstr=(char *)malloc(3*sizeof(char)); datstr[2]='\0'; resdat[0]=finallength/2; for(i=0;i<finallength;i+=2) datstr[0]=m_res.getat(i); datstr[1]=m_res.getat(i+1); resdat[(i/2)+1]=cha(datstr); if (SocketFuncSuc) // 发送命令数据 send(m_hsocket,(char *)resdat,resdat[0]+1,0); 6 服务端移植 6.1 嵌入式 Linux Linux 简介简单地说,Linux 是指一套免费使用和自由传播的类 UNIX 操作系统人们通常所说的 Linux 是指 Linus Torvalds 所写的 Linux 操作系统内核 Linus 从一开始就决定自由传播 Linux, 他把源代码发布到网上, 于是众多的爱好者和程序员也都通过互联网加入到 Linux 的内核开发工作中这个思想与 FSF(Free Software Foundation) 资助发起的 GNU(GNU's Not UNIX) 的自由软件精神不谋而合 GNU 是为了推广自由软件的精神以实现一个自由的操作系统, 然后从应用程序开始, 24

27 实现其内核而当时 Linux 的优良性能备受 GNU 的赏识, 于是 GNU 就决定采用 Linus 及其开发者的内核在他们的共同努力下,Linux 这个完整的操作系统诞生了其中的程序开发共同遵守 General Public License(GPL) 协议, 这是最开放也是最严格的许可协议方式, 这个协议规定了源码必须可以无偿的获取并且修改因此, 从严格意义上说,Linux 应该叫做 GNU/Linux, 其中许多重要的工具如 gcc gdb make Emacs 等都是 GNU 贡献这个婴儿版的操作系统以平均两星期更新一次的速度迅速成长, 如今的 Linux 已经有超过 250 种发行版本, 且可以支持所有体系结构的处理器, 如 x86 PowerPC ARM xscale 等, 也可以支持带 MMU 或不带 MMU 的处理器到目前为止, 它的内核版本也已经从原先的发展到现在的 2.6.xx 嵌入式 Linux 特点从 Linux 系统的发展过程可以看出,Linux 从最开始就是一个开放的系统, 并且它始终遵循着源代码开放的原则, 它是一个成熟而稳定的网络操作系统, 作为嵌入式操作系统有如下优势 1. 低成本开发系统 2. 可应用于多种硬件平台 3. 可定制内核 4. 性能优异 5. 良好的网络支持 6.2 服务端移植至 liod270 开发平台 Liod270 教学开发平台基于 Intel XSCALE 架构最新的 PXA270 嵌入式微处理器最高主频可达 520MHz, 可运行 Linux 和 Linux 的 Linux 的操作系统, 支持 Tiny-X QT/E 等 GUI 嵌入式图形用户界面, 提供完整的驱动和应用程序同时还可以支持最新的 Windows CE 5.0.NET 操作系统为学校教学提供了广泛的选择空间由于 cssl 库不是标准库, 开发平台并未有移植好的动态库供调用, 而且服务端代码中对 cssl 库函数比较有限, 有 3 种移植方案, 一是只整合有用的代码并交叉编译, 二是分别将库源文件和服务端源文件交叉编译后再连接生成可执行文件, 三是交叉编译生成库, 复制到开发平台文件系统的特定目录下, 再直接交叉编译服务端源文件本文选择第二种方案并编写 Makefile, 如下 : CC=arm-linux-gcc server:newserver2.c cssl.o $(CC) -o server newserver2.c cssl.o -lpthread cssl.o:cssl.c cssl.h $(CC) -Wall -D_GNU_SOURCE -g -O -c cssl.c clean: rm -f *.o server 相关源文件经 make 后生成可执行文件 server, 将 server 用 ftp 方式下载到开发平台上, 开发平台选用红外串口与 EmBee 根节点连接 7 测试结果 25

7.1 测试环境服务端运行在嵌入式 Linux 平台下, 这里选用 liod270 开发平台, 客户端运行在 windows 平台下, 客户端平台需要提供 ACCESS 和 SQL Server 2000 数据库驱动, 将 liod270 开发平台与 PC 用交叉网线连接,liod 开发平台与传感器网络根节点之间用串口线连接,liod 开发平台使用红外串口与节点相连 7.

28 7.1 测试环境服务端运行在嵌入式 Linux 平台下, 这里选用 liod270 开发平台, 客户端运行在 windows 平台下, 客户端平台需要提供 ACCESS 和 SQL Server 2000 数据库驱动, 将 liod270 开发平台与 PC 用交叉网线连接,liod 开发平台与传感器网络根节点之间用串口线连接,liod 开发平台使用红外串口与节点相连 7.2 测试结果用 putty 等远程登录终端 telnet 登录到开发平台, 运行程序, 如下 : 图 7-1 运行程序打开客户端, 连接服务器, 服务器地址 , 端口号 20000, 接收模式, 不启用数据库启动节点采集温度, 可以从客户端界面看到每个节点采集到的温度再打开一个客户端, 模式选择控制模式图 7-2 不启用写入数据库的接收模式 26

29 设置 65 号节点的灯状态, 图 7-3 不启用写入数据库的控制模式节点上的结果图 7-4 设置 65 号节点的灯状态 27

30 再打开一个客户端, 选择写入数据库图号节点的状态一段时间后查看数据库内容如下图 7-6 启用数据库的连接设置图 7-7 数据库部分内容 28

31 8 总结本文是基于 EmBee 模块数据转发的需要, 研究串口数据和 Socket 数据之间的转换, 使得原本只能通过串口线连接的通信, 变为可以使用 IP 进行远程连接, 使得 EmBee 模块的数据可以被远程接收去掉其中与 EmBee 模块数据格式通信协议等部分, 又不失一般性, 也可根据具体需要修改程序, 从而应用于其他工业应用但本文设计也有些不足的地方, 比如线程同步方式可能不是最优, 影响性能等参考文献 [1] 乔晓丹, 张鹏. 一个基于 Linux 操作系统的嵌入式网关的实现 [J]. 微计算机信息 ( 嵌入式与 SOC),2005,21(7-2):26-28 [2] 孙琼. 嵌入式 Linux 应用程序开发详解 [M]. 北京 : 人民邮电出版社, [3] 孙利民, 李建中, 陈渝, 朱红松. 无线传感器网络 [M]. 北京 : 清华大学出版社, [4] [ 美 ]W.Richard Stevens 著, 施振川等译.UNIX 网络编程 ( 第 1 卷 )[M]. 北京 : 清华大学出版社, [5] [ 美 ]Kay A Robbins 等著, 陈涓等译.UNIX 系统编程 [M]. 北京 : 机械工业出版社,

32 The design of serial and socket port forwarding program based on Embedded Linux Zheng Yuan Advisor:Zhang Mei-ping Major in Electronic Information Science and Technology College of Mathematics and Computer Science [Abstract] In the devices of traditional industrial control and data acquisition, the use of the most is serial port communication which is in line with RS232 standard. The use of serial port communication has many conveniences which many other methods do not have, just like low facility cost, convenient of designed and installed. However, serial port communication also has some shortcomings, such as short transmission distance, control equipment must be with the serial side and control can not be done anytime, anywhere. This paper based on the wireless sensor networks EmBee, in view of these problems, designs a conversion routine which accomplish the conversion of serial pot data and socket data, achieves using Internet receives the data, the transmission control command anytime and anywhere and so on. Transplanting the procedure to Embedded Linux can reduce the cost of practical application. [Key words] Linux; Serial Port; Socket; Wireless Sensor Network 30

Chapter #

Chapter # 第三章 TCP/IP 协议栈本章目标通过本章的学习, 您应该掌握以下内容 : 掌握 TCP/IP 分层模型掌握 IP 协议原理理解 OSI 和 TCP/IP 模型的区别和联系 TCP/IP 介绍主机主机 Internet TCP/IP 早期的协议族全球范围 TCP/IP 协议栈 7 6 5 4 3 应用层表示层会话层传输层网络层应用层主机到主机层 Internet 层 2 1 数据链路层