农业无线Web节点的设计与实现_基于ARM和Linux_侯存峰

农业无线Web节点的设计与实现

—基于ARM和Linux

侯存峰，谢菊芳，胡东

（西南大学工程技术学院，重庆400716）

摘要：对地域上分散的农业对象实现无线数据传输逐渐成为近年来农业监控系统的研究热点。为此，重点研究了s3c2440－Linux2．6．30．4平台下的利用WLAN传输数据的农业节点设计。整体架构采用客户端－服务器模式，主要内容包括无线网卡的驱动移植、无线路由覆盖和加密、Linux和Winsock网络程序开发等。通过深入研究Linux下USB无线网卡的设备驱动，既可以构建嵌入式无线局域网，又可以用于有线网络无法延伸或难以安装的网络中，还可以用于工业现场中的远程无线视频监控。

关键词：农业无线网络；无线路由；覆盖；加密；s3c2440；Linux2．6．30．4

中图分类号：S126文献标识码：A文章编号：1003－188X（2012）12－0194－03

0引言

农业信息化是农业发展的趋势和方向。农业环境智能测控系统正朝着网络化、智能化、自动化和无线化方向发展。随着3G技术的逐渐成熟，无线已经开始大范围地深入农业。与工控环境不同，农业环境面积大，地形复杂多变［1］，长期处于高温、高寒、高湿和较强酸碱性等恶劣条件，传统的有线通信在这种环境下面临严峻的考验。首先，有线通信技术需要分布大量传输线路，耗资巨大，而且线路容易老化；其次，农业环境地形复杂，布线难度大，线路复杂，不便维护；再次，设备一旦安装后不易移动和更换。因此，国内外越来越多的农业研究人员开始把无线通信技术应用到农业生产中。无线在农业中的应用包括农业灌溉、农村联网、农业环境监控、农田定位、农田遥感以及无线传感器网络等。无线Web根据通信的范围不同可分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术。无线广域网WWAN和无线城域网WMAN属于长距离通信，无线局域网WLAN、无线个域网WPAN 属于无线短距离通信。本文研究并设计了一种嵌入式无线节点。该节点可以扩展各种传感器来获取农业环境参数，并实现数据的Web上传。用户可以通过

收稿日期：2011－12－02

基金项目：西南大学基本科研业务费专项资金项目（XDJK2011C067）

作者简介：侯存峰（1985－），男，山东泰安人，在读硕士研究生，（E－mail）cunfeng0726@163．com。

通讯作者：谢菊芳（1975－），女，四川内江人，副教授，博士，硕士生导师，（E－mail）xjufang0311@sina．com。

访问Web实现数据的读取和现实，以无线传输的方式为农业环境监测提供准确的数据。

1无线Web节点的硬件结构

1．1USB无线网卡介绍

无线网卡是局域网（WLAN）的重要组成部分［2］。USB无线网卡是一种直接连接在设备USB接口上实现接入WLAN（无线局域网）的接入设备。USB无线网卡具有辐射低和灵敏度高等优点。目前，主流的USB无线网卡常采用Redltek8187L芯片、雷凌3070以及RT73芯片等3种。本节点采用TP－LINK TL－WN321G54Mb USB2．0无线网卡，采用RT73网卡芯片，支持WPA－PSK/WPA2－PSK和WPA/WPA2安全机制以及64/128位WEP加密，提高无线网络安全，符合IEEE802．11g和IEEE802．11b标准，并且支持Soft AP模式，能够轻松构建无线局域网。

1．2系统构成

整体架构采用服务器－客户端模式，数据采集端主控制器采用ARM S3C2440芯片。该芯片是三星公司推出的16/32RISC处理器，采用ARM920T内核，整体设计融合了MMU，AMBA BUS和Harvard结构，具有独立的16kb指令Cache和16kb数据Cache。内核采用为Linux2．6．30．4，根文件系统采用ramdisk，系统启动后挂载yaffs文件系统。

外部扩展NandFlash，TFT触摸屏、串口、网络接口和USB host/device等外设。该节点的硬件结构图如图1所示。

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图1节点硬件结构图

Fig．1Node hardware structure

2无线网卡的驱动安装移植

2．1USB的主从模型和驱动结构

驱动就是内核与硬盘、音频卡、网卡等其他各种输入输出设备的接口［3］。大多数默认情况下，内核会自带一部分数量的驱动来供用户选择。其中，USB相关的驱动占据了很重要的地位。USB是典型的主从结构，一个USB系统由主机和设备组成，而且只允许有一个主机，只有主机和设备之间才可以进行连接通信。HUB是一类特殊的USB设备，根HUB和主机放在一起，以更多的连接点［4］。任何USB设备均包含设备描述符，它主要用于说明设备树形，这个设备描述符通常固化在设备内部。当主机检测到总线上有设备插入时，通过控制传输从默认通道中将设备的描述符读出。

USB设备的驱动程序分为主机端设备驱动程序、主机控制器驱动程序和设备端驱动程序3部分。从主机端看，USB无线网卡首先接入USB总线，然后才是无线网卡芯片。那么，USB驱动要在网卡驱动之前被识别。在主机端，USB驱动程序中有OHCI，UHCI 和EHCI3种规范［4－5］。操作系统只需要有这3种标准的驱动程序，符合相应规范的主控制器就可以被驱动起来。USB主机端驱动程序层次如图2所示

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图2USB主机端驱动程序

Fig．2USB host driver

USB设备端的驱动程序属于Firmware部分，工作在Slave下，用于提供设备信息与主机的通信接口，厂商一般会提供这部分支持。USB子系统的作用是注册和管理现存的设备驱动，为USB设备查找适当的驱

动程序以及初始化配置，在内核内存中表示设备树和与设备交换数据。其中，usb_driver是USB设备驱动程序和内核之间协作的开始，usb_device描述了USB 设备树以及设备特征［6］。

2．2Linux网络设备驱动结构

嵌入式Linux的网络系统继承了BSD UNIX的socket（套接字）机制并且采用了流量控制机制［7］。在系统和驱动程序之间有定义专门的数据结构进行数据的传递。Linux网络驱动部分的体系架构（如图3所示）分为4个层次，由底层向上依次为网络媒介层、设备驱动功能层、网络设备接口层和网络协议接口层。在嵌入式Linux中，所有的网络设备都遵从统一的接口。这个接口提供了所有网络设备的操作集合，即一个设备就是一个对象（device数据结构，内核里面为net_device），struct device（）包含了许多数据和设备方法，供系统访问和协议层调用

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图3Linux网络驱动架构

Fig．3Linux network driver architecture

2．3USB无线网卡驱动安装过程

Linux下无线网卡的安装是一个简单的过程，主要包括驱动下载与编译、内核配置与无线网络配置等，最后通过脚本文件完成一系列操作，即insmodrt73．ko （动态加载驱动模块），iwconfig（查看无线网络接口），iwlist（无线AP的检测并获取相关数据）等。对无线网络频率、ID、ESID、接收灵敏度、接入模式、无线网络标准和加密设置好并实现连接后，就可以进行无线通信了。最后，需要编写脚本，实现开机启动。Linux在启动时是按照一定的顺序启动脚本的［7］，首先加载内核到内存，运行init程序，再由init进程通过/etc/init-tab启动脚本。

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3无线路由的信号覆盖和加密

无线局域网采用公共的电磁波作为载体，任何人都有可能窃听或干扰信息，因此相对于有线网络来说，无线局域网传输的数据安全性相对低些，较容易受到干扰或窃听，而且有效距离受到信号覆盖范围的影响［8］。所以，对于无线局域网系统的安全来说，加密、认证和信号覆盖是十分重要的。无线路由与支持加密功能的无线网卡相结合可以实现数据 …… 此处隐藏：6659字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……