谢功德



基于SOPC系统的智能传感网络设计与实现

谢功德

中国人民解放军78156部队，四川 成都 1610083

传感网络是指通过数量众多的传感装置进行组网，并实现无线数据的通信。传感网络具有多跳功能，且是自组网。以SOPC的智能传感网络为基础，对货运列车的状态进行实时管控。该系统可以实时共享传感装置的信息，能够将相关数据实时展现在屏幕和网页上，同时还能自动报警，既能监控网络状态，又能自主恢复网络。

SOPC系统；智能传感网络；设计与实现

1 智能传感网络的总体设计

SOPC系统的基础为SOC，是一种灵活性更高，并具有可编程功能的SOC。因为它本身属于可编程系统，在硬件层面上，具有可扩展性，同时功能还具有可升级性和可编程性。将SOPC作为核心，开发应用于不同领域的复杂系统，已成为电子产品发展的重要方向。该系统也开始成为嵌入式系统开发的关键方向。本次研究就以该系统为核心，构建了相应的传感网络，进而对货运列车的行驶状态进行监控和跟踪。该智能网络系统能将传感数据动态显示在相应的屏幕上，同时还能够展现在控制中心网页中，既能自动报警，又能对网络状态进行监测等。图1展示了该系统的整体架构[1]。

图1 系统结构图

对于地面中心而言，可以借助GPRS技术和列车进行数据交互，从而监控该列车的相关状态数据。列车的诸多车厢则能够借助ZigBee无线网络进行对接。不同车厢的运行数据最终统一到主车厢上，并由后者和数据中心进行信息交互。该列车上的GNSS节点，也被置于主车厢中。远程通信，既能够使用GPRS技术，又能够使用当前的4G技术。另外，还需要结合功能需求，应用模块设计技术，其中主节点由GNSS、远程无线交互、无线传感网络、SOPC主控计算机以及传感器模块等构成，尤其是传感器模块，是该系统的信息采集主体。它又可以进一步细分成温度和管控传感器模块。前者主要使用了DALLAS公司生产的 DS18B20模块。GNSS模块则使用了“和芯星通”公司开发的相应模块，芯片型号为Um220-Ⅲ。这是以北斗卫星系统为基础的国产GPS模块，拥有较高的灵敏度和精密度，可以很好地满足本系统开发需求。无线传感网络模块则使用了ZigBee协议下的网络系统，该无线网络虽然传输距离不长，但是却具有较低的功耗，而且复杂度很小，可以支持远程控制，在很多嵌入式系统中得到了广泛的应用。远程无线交互模块，其核心功能就是实现列车和控制中心的数据交互。SOPC模块系统则能对采集到的数据进行统计分析，负责系统诸多底层功能的实现。

图2 MYD-C7Z020开发板的接口资源

2 SOPC 的底层系统设计

本次系统应用了Zedboard开发板设计技术。这是当前主流的低成本开发板，可以支持SOPC系统的开发，也能支持各种主流的操作系统，如Linux以及Windows等，而支持的处理器则为ARMCortex-A9。开发人员可以借助AXI4总线，对操作系统的诸多外设以及相关的用户自定义IP进行访问。本次设计使用了嵌入式的Linux系统，对网口的通信进行了相应设计，并使用了当前较为成熟的Xilinx工具技术，启动Linux系统的过程如下。

第一，导入Boot ROM程序。通常，ZynqSOPC芯片上存在着相应的ROM和RAM。在此芯片上进行上电，或者加以复位之后，相关的处理装置，就会对ROM代码初始化，然后启动设备地址，也就是对Boot Device地址加以判断，随后将FSBL的代码复制到RAM中。启动该设备，则涵盖了JTAG和SD卡等，在本系统中则使用了SD卡。当然，本系统也能对启动设备的地址进行修改[2]。

第二，在启动装置之上，将FSBL代码复制于RAM后，便能执行FSBL代码，该代码通常由开发者编写，涵盖了PS配置的初始化，并对PL的逻辑部分进行配置，或者加载和执行相关应用系统等。该代码需要在对XPS配置之前完成，并通过后者将其自动导入至SDK。

第三，此时需要完成Linux系统启动。该系统的内核为SSBL。在本单元中，是将U-BOOT当成SSBL。该系统再启动时，可以根据U-BOOT和设备树、文件系统顺序来进行加载。整个Linux系统在启动时，需要准备以下文件，如U-BOOT、FSBL文件系统。其可以在SDK中获取，而其他的文件则可以通过Zedboard来获取。

3 SOPC 主控计算机设计

3.1 SOPC 主控计算机的硬件配置

SOPC主控计算机系统需要和诸多模块进行通信，如ZigBee、GPS等。它们和传感装置的接口都采用了RS-232串口技术，而GPRS接口则要使用以太网接口技术，该技术主要应用了XC7Z020芯片中的网口，处于PS部分。它的串口数相对较少，仅为两个。为此还需要引入PMOD接口，使之得到拓展。当前由米尔科技开发的MYD-C7Z020开发板上，则使用了PMOD接口，这样便能完成上述所需要接口的对接。

图3 OSAL初始化及自组网全过程

从图2可以得出该开发板上存在着相应的调试串口。它是PS借助于MIO实现外延，为后续的调试提供快捷路径。另外，则是UART当成了ZigBee来应用，而有关传感装置和GPS接口则需要使用对应的SPI来实现通信。当然为了实现这种通信，还需要将其转换成相应的GPS和传感器接口模块。在XPS之中，可以分别选择SPI01，对应的是GPS和传感器通信，也能选择UART01，对应的是系统调试和ZigBee通信。因为ZigBee和GPS等都使用了PMOD扩展接口，所以要借助EMIO，将相关外设对接PMOD。在连线时，需要选择相应的EMIO，接着写相应的UCF约束文件，并对接与EMIO和PMoD相关的芯片管脚。上述动作完成后，便可关闭XPS。随后在PlanAhead产生等成的HDL文件，同时产生相应的Bit文件。至此，该芯片的硬件编程结束，随后就可以通过Launch SDK，完成SDK的启动，进而进入软件编程环节。

3.2 SOPC 主控计算机与车厢设备的交互

SOPC主控计算机，能够管控车厢中的诸多传感和通信装置，并能使这些元件按照SOPC主控计算机提供的策略运行[3]。本单元重点完成软件系统的开发，因为SOPC主控计算机可执行多线程程序，而且首先运行的是Main程序。它实现的功能为以下几个方面。

第一，构建相应的存储空间，存储本车厢及其传感装置、不同车厢上的传感装置的信息，而且这几个存储空间要提供相互紧锁的机制，规避这几个线程，同时对存储空间进行操作。

第二，读取车厢配置文件。通常该文件内置了车厢属性和编号，前者又可以细分成普通和主车厢。

第三，对通信设备进行初始化，其中就包括了传感装置、GPS、ZigBee及其接口等。这些都采用了RS-232串口。只有GPRS，应用了以太网口进行对接。

第四，创建子线程，不同的子线程和主线程独立运行，另外结合功能，可以创建诸多的线程，如可以获取的GPS授时、位置信息、GPRS的监听指令等线程。有关ZigBee的数据交互，则是借助主线程的轮询来实现。

普通和主车厢之间，存在着差异性的程序。它们的差异体现在后者的主线程需要定时借助GPRS向地面控制中心传输诸多车厢的传感装置信息，同时还需要向诸多车厢传送相应的更新指令。对于普通车厢而言，则是借助ZigBee，并通过定时的方式上报本车厢所对应的传感装置的信息。

4 无线传感网络的功能设计

无线传感网络的功能就是实时监控列车的每个车=厢进行。它所实现的功能有以下几个方面。

第一，基于ZigBee实现自组网络。第二，借助串口，并通过SOPC技术和主控计算机进行通信，由此能得到车厢和传感装置的信息。第三，借助主控计算机，采集各个车厢中的八路和一路的轴承和环境温度，并定时上报。第四，借助SOPC主控计算机实现传感网络的监控功能。图3展示了OSAL系统的初始化、组网以及正常运行的各个过程。组网操作实际上就是OSAL的初始化过程。成功组网之后，就能够进入到相应的OSAL，并对网络、信息以及硬件的变化进行轮询监控，并通过不同层的函数来加以处理[4]。

总而言之，随着现代物流的快速发展，对货运列车的动态监控和跟踪成了当前迫切的需求，而以SOPC技术为核心的解决方案，可以借助无线传感装置和SOPC系统进行动态信息交互。这样就能对列车的诸多动态指标进行实时监测和报警，并能够通过远程管控中心采集和处理相关信息。在本次研究中，应用了XilinxZynq-7000系列SOPC，并使之成为该监控系统的主控计算机，并融合了GPS、ZigBee和GPRS等技术，实现了对货运列车状态的动态监控。

[1]宇文慧彪，陈烨，陈炜. 基于SOPC技术的网络监控系统的设计[J]. 工矿自动化，2011，37（12）：118-122.

[2]武一，黄宇，刘晓娟，等. 基于SOPC的网络视频监控系统的设计[J]. 计算机测量与控制，2012，20（1）：71-73，77.

[3]刘国华，周科科，叶巍翔，等. 基于SOPC的嵌入式测控系统设计[J]. 南开大学学报：自然科学版，2017（6）：26-29.

[4]王宝龙，黄考利，苏林，等. 基于SOPC的嵌入式网络化测控网关设计[J]. 计算机测量与控制，2012，20（6）：68-71.

Design and Implementation of Intelligent Sensor Network Based on SOPC System

Xie Gongde

78156 Troop of People’ Liberation Army of China, Sichuan Chengdu 1610083

The sensor network refers to networking through a large number of sensing devices, and realizes wireless data communication. The sensor network has multi-hop function and is an ad hoc network. In the paper, SOPC’s intelligent sensor network is used as the basis to control the status of freight trains in real time. The system can real-time commonality of the information of the sensing device, and can display relevant data in real time on screen and webpage, and can also perform automatic alarming, which can monitor the network status and do the self-recovery of the network.

SOPC system; intelligent sensor network; design and implementation

TN929.5；TP212.9

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