嵌入式服务器在无线传感器网络中的应用
摘 要： 嵌入式服务器能够快捷的处理无线传感器网络的信息和对无线传感器网络的管理。无线传感器网络是计算机技术、传感器技术、通信技术、网络技术等综合应用的获取信息与处理信息的手段之一，其的应用领域包含各行各业例如有：军事领域、医疗领域、商业领域等等。
关键词： 嵌入式服务器；无线传感器
0 前言
本文所描述的是嵌入式服务器在无线传感器网络中的信息查询与管理的应用，并介绍了嵌入式服务器对于无线传感器网络的应用价值和可行性分析，通过对嵌入式系统的设计实现嵌入式服务器的功能。本文采用ARM7微处理器和RTL8019AS以太网芯片，Uc/OS-||操作系统，ZLG/IP协议栈，CGI接口等，建立客户端与服务器的动态信息查询与控制平台。
1 无线传感器网络
传感器、通信节点、数据处理集成了传感器网络，各个节点都具有多种多样的传感器，可以通过这些传感器对环境的感知，如：光、热、声波、压力、速度、方向等等人们所想要感知的一切进行采取和分析[1]。无线传感器网络是通过无线低功率通信方式获取和处理信息的，通过无线传感器网络可以对人们的工作和生活方式带来巨大的改变。无线传感器网络可以在无线通信区域内实现计算机网络功能。传感器网络的节点距离很短，一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器可独立运行也可以通过网关连接运行。
1.1 传感器网络的发展
传感器网络的发展从20世纪70年代就开始进行研究，大体可以分为四个发展节段。第一节段，通过点对点的单一信息传送与处理构造简单的传感器网络。第二节段，可以通过串、并接口相连传感器，从而对多种信息进行采取和处理。第三节段，能够智能获取多种信息，通过现场总线与传感控制器连接，能够进行局域网络的信息传递和处理。第四节段，通过自组织无线接入网络与传感器连接，进行信息的获取与处理，是无线传感器网络。无线传感器网络的发展将是一个时代的变迁，它将把人们真正的带入一个信息的时代。
1.2 传感器网络的体系结构
1）节点组成。无线传感器网络在各种应用中的功能可以分为数据采集与处理、数据传输与电源。确定需要监测信号形式，选择传感器类型，使用嵌入式CPU，选择适合的操作系统。数据传输是通过无线通信形式，电源是使用电池供给，所以要选择低能耗的模块，系统可以采用TinyOS、uCOS-||、或者嵌入式的Linux。
2）网络体系结构。无线传感器网络可以在无线通信区域内实现计算机网络功能。传感器网络的节点距离很短，一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器可独立运行也可以通过网关连接运行。在传感器网络中，节点可以任意的布置在监测区域范围内，通过多跳中继的方式把监测到的数据传到sink节点[2]，最后通过接收站、链路等将获取的数据发送到远程监控中心进行分析和处理。如果网络的面积和规模庞大可以采用聚类分层的模式进行传输和处理。
3）传感器网络的应用。传感器网络可以应用在军事方面进行远程通信和导弹控制，应用到医疗方面进行远程专家会诊等，应用在灾情处理可以在有线网络遭到破坏的时通过无线网络进行沟通联系，传感器网络的应用可以说是无处不在，其独特的网络技术优势，将对人们的生活和各个产业的发展带来巨大的变革。
4）传感器网络研究中的热点问题。无线传感器网络的节点繁多，随机分布的特点，对通信协议栈的要求较高，无线传感器网络的通信协议栈是由物理层、链路层、网络层、传输层、应用层组成的。
目前开源软件的许可证协议有GPL（通用许可证）协议、BSD协议、许可证 （T2 License） 协议以及eCos2style协议等。无线传感器网络传感器的节点有几百万个，网络拓扑结构变化更新快，这就要求传感器节点操作系统具有可重新配置和自适应性、高健壮性和容错性等性能，当网络拓扑结构发生变化时，操作系统必须能对这种变化作出反应，同时网络在需要的时候也能够主动对自己进行更新。不同无线传感器对于网络的应用平台、操作系统、网络协议的要求不同。这要求操作系统具有良好的移植性能，能满足各种各样的硬件平台，同时能够提供各种不同的功能，满足实际需要。
5）嵌入式服务器在无线传感器网络中的应用。将无线传感器网络所获取的信息通过接入internet是处理和管理信息的有效途径。随着internet的发展，其网络分布已经非常广泛，采用嵌入式服务器作为无线传感器网络的交互与internet连接，对于使用者来说没有操作系统的要求，可以跨平台操作，嵌入式服务器能够合理的控制无线传感器网络的能耗、体积和成本，所以选择嵌入式服务器应用与无线传感器网络中作为嵌入式系统是明确的选择。
2 嵌入式服务器与嵌入式系统
无线传感器网络要求节点具有体积小、能耗低、可靠性强的特点，所以使用嵌入式系统是无线传感器网络的正确选择。
2.1 嵌入式系统
嵌入式系统是以应用为目的，通过计算机技术，建立满足无线传感器网络需求的应用系统，其具有可靠性高、成本低、体积小、低能耗的特性。
2.2 嵌入式操作系统
相比一般的嵌入式系统，无线传感器网络节点对操作系统的体积大小、能量利用率高、节点相互间通信以及可重配置、可靠性和适应性等方面提出了更高的要求。由于这些特点，针对无线传感器网络节点也出现了各种各样的操作系统。无线传感器网络的嵌入式操作系统有很多种，例如：TinyOS系统、MAN TI SOS系统、SOS系统、Con tiki系统、OSMagnet OS系统、TR ON系统等[4]。
2.3 嵌入式系统接入internet
嵌入式系统接入internet可以通过在电子设备上通过TCP/IP网络协议接入internet或者是通过通信转换设备与网关（公共网络）连接internet。
通过电子设备自身连接internet的方式有三种：第一种是通过电子设备的网络芯片实现网络通信；第二种是通过电子设备微处理器嵌入式操作系统与internet连接；第三种是电子设备微处理器控制以太网芯片进行与internet连接。
通过通信转换设备连接internet的方式有两种：第一种是通过硬件转换的方式与internet连接；第二种是通过软件转换的方式与internet连接。
3 嵌入式服务器使用的通信协议栈
嵌入式服务器与internet连接，需要有通信协议作为连接基础，TCP/IP是最常用的通信协议之一。
3.1 TCP/IP协议栈的结构
TCP/IP协议栈有五层结构，数据的传输都要通过每一层处理，处理后进行封装，硬件层是定义信号的编码方式、传输介质的特性等方面；网络接口层是设备与网络的逻辑接口；网络层是通过IP、ARP协议进行数据传输；传输层是将数据进行可靠传递，应用层是通过应用程序进行信息的传递。
3.2 嵌入式TCP/IP协议栈
1）IP协议。IP协议是数据传输的工具，是internet网络的通信规则。应用在嵌入式系统中，对于IP进行了精简，因为IP包的容量可达65K，嵌入式系统无法容纳如此大的数据包，所以对IP包进行检测时，检测IP头部版本和目的地址，符合要求的交给高层协议处理，不符合的丢弃。
2）ARP协议。ARP协议是通过设备的IP查询设备的MAC地址，MAC地址是网络中“帧”的一部分，ARP协议通过MAC地址可以进行设备之间的通信。
3）ICMP协议。ICMP协议是Internet控制报文协议，可以将报文和错误信息发送到报文主机上，在嵌入式协议栈中应用可以作为回应请求信息与回应应答信息实现。
4）TCP协议。TCP协议是数据传输的建立、传递与断开的协议。TCP可以通过效验和的方法保证数据的正确传输。TCP协议经过精简后应用在嵌入式TCP协议栈仅对TCP报文进行效验。
4 嵌入式服务器的硬件结构
4.1 嵌入式服务器的整体结构
嵌入式服务器的整体结构如图：
本文采用LPC2210微处理器与RTL8019AS网络芯片，传感器检测的信息通过无线传递方式传输给接收设备，再又接收设备传送给LPC2210处理器处理，存储在RAM中，并能够通过网页浏览的形式在RAM中调用，信息的传递通过RTL8019AS网路芯片完成，采用嵌入式TCP/IP协议作为通信协议。
4.2 ARM7
ARM7引系列处理器是主流嵌入式处理器，内核具有0.9MIPS/MHz的三级流水线和冯·诺伊曼结构，其特点包括：嵌入式ICE-RT逻辑，便于开发；低能耗，适合便携电子设备；兼容16位Thumb指令集。可应用与多种操作系统如：Linux、windows、palm OS等；兼容性强方便设备升级。
4.3 RTL8019AS
RTL8019AS是以太网控制芯片，可以方便的与微处理器进行连接。
4.4 网络接口层
网络接口层采用以太网通信协议，以太网物理传输帧格式如下
其中PR表示同步位；SD表示分隔位；DA为目的地址；SA是源地址；TYPE是类型字段；DATA数据段；PAD填充位；FCS是32位数据效验位。
5 动态网页的实现
1）应用层协议
用户可以采用HTTP协议通过网页形式获取信息。其形式有建立连接：通过套接字申请建立虚拟文件；发送请求：客户端将请求信息发送到服务器端口；发送相应：服务器接收到请求信息并处理后向客户端发送响应信息；关闭连接：当客户端与服务器都完成了信息传输，关闭套接字结束TCP/IP对话。
2）动态网页原理
动态网页的实现可以通过一下四种技术实现：CGI、ASP、PHP、JSP。
CGI是提供客户端HTML接口的程序，嵌入式服务器CGI没有专门的程序，是通过程序实现的，采用全局变量进行信息交换，因为其实现方便，并且具有很好的通用性，所以在嵌入式服务器中得以广泛应用。
ASP是动态服务器页面，可以替代CGI脚本程序，可以与数据库直接进行信息交互。
PHP是HTML内嵌式语言，可以在服务器端执行HTML的脚本语言。
JSP的兼容性较强，可以在多种操作系统上运行，其可以在HTML中插入java程序和JSP标记，是动态网页的一项技术标准。
3）嵌入式服务器中动态网页的实现
嵌入式服务器中的动态网页实现因为嵌入式的特点收到自身条件限制如：CPU速度、存储容量、电源等方面与传统的网页不同，嵌入式系统可以直接对内存进行操作，将网页中不变的部分作为静态页面保存在flash中，再将用户需求的部分通过表单传递到嵌入式服务器，嵌入式服务器将实际值传递到内存，这样用户通过浏览器所看到的就是一个新生成的动态页面。
6 结束语
嵌入式服务器技术应用在无线传感网络中的应用对国防建设、医疗设备发展、智能家居生活、设备控制管理等方面都有很好的应用价值，通过对嵌入式服务器在无线传感器中应用的进一步研究，其的发展将是巨大的。
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）.
[2]邝自力等，无线传感器网络及其应用[J].现代电子技术，2006（22）.
[3]刘金娟，无线传感器网络协议及操作系统研究[J].安徽理工大学，2009.
[4]沙超等，无线传感器网络硬件平台的研究与设计[J].电子工程师，2006（5）.