朱思建， 楊光友， 馬志艷， 張 錚

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)機(jī)工程研究設(shè)計院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor network，WSN)[1]應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療健康、工業(yè)控制等眾多生活領(lǐng)域，并且能夠完成傳統(tǒng)系統(tǒng)無法完成的任務(wù)，已經(jīng)成為國內(nèi)外眾多領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)．建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[2]上的Zigbee技術(shù)[3],是應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的首選技術(shù)之一．

在鉆井工程等一些室外環(huán)境較惡劣的特定領(lǐng)域，經(jīng)常需要采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)測目標(biāo)區(qū)域，這就需要在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如RS232、485、以太網(wǎng)等)基礎(chǔ)上進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，此時ZigBee網(wǎng)關(guān)在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中起著重要的樞紐作用，它負(fù)責(zé)外部網(wǎng)絡(luò)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲和處理等[4-5]．本文提出了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的軟硬件方案，并實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳感數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和監(jiān)控．

1 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))作為整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的中心，主動建立網(wǎng)絡(luò)并允許傳感節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)[6]，同時維護(hù)管理整個無線網(wǎng)絡(luò)，接收感知區(qū)域傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、解析、封裝等處理，然后通過GPRS或以太網(wǎng)等發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心；同時網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)控中心發(fā)送的指令發(fā)送至目標(biāo)區(qū)域，實現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)控．但是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通常需要連接外部網(wǎng)絡(luò)如GPRS或以太網(wǎng)等來實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，這就需要在傳輸層基礎(chǔ)上完成不同網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換．本文使用具有較強(qiáng)信息處理能力和網(wǎng)絡(luò)功能的ARM9系列芯片STR912作為核心處理器[7]，完成ZigBee協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)換，完成ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部以太網(wǎng)的互聯(lián)．圖1為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)．

圖 1 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)

本文中嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)(圖2)，硬件層主要由STR912處理器芯片與ZigBee無線芯片CC2530[8]組成，實現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、封裝和存儲等功能．軟件層主要實現(xiàn)在嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II[9]下建立多任務(wù)以及在uIP協(xié)議[10-11]下以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，在CC2530無線節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行ZigBee協(xié)議棧，建立并維護(hù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)和以太網(wǎng)協(xié)議數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換；應(yīng)用層主要由用戶定義的應(yīng)用程序組成，調(diào)用軟件接口函數(shù)，用戶可根據(jù)實際需要擴(kuò)充應(yīng)用API接口函數(shù)．

圖 2 ZigBee網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)架構(gòu)

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本文中嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示．處理器采用基于ARM920T內(nèi)核的ST公司的微處理器STR912FAW44芯片，支持內(nèi)核96MHz的工作頻率，具有96 KB SRAM，256 KB主Flash和32 KB從Flash，外部擴(kuò)展存儲器、LCD接口、JTAG接口、串口、以太網(wǎng)接口等組成硬件平臺．其中串口(UART2)是連接STR912處理器和ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的橋梁．ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)選用TI公司2.4 GHz 的無線芯片CC2530，其內(nèi)部集成了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器和高性能射頻CRF收發(fā)器，使用TI公司的Zstack無線通信協(xié)議棧實現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)．

圖 3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是以STR912芯片作為微處理器，采用嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II和微型嵌入式TCP/IP協(xié)議棧uIP，通過以太網(wǎng)帶動整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，實現(xiàn)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)兩個相對獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)．所以軟件方面需要在μC/OS-II操作系統(tǒng)和uIP協(xié)議下運(yùn)行，并完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計．

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II下多任務(wù)建立

在實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC/OS-II[9]下，完成上述的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的功能，需要建立4個任務(wù)．運(yùn)行流程如圖4所示．

圖 4 μC/OS-II下嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)任務(wù)

TASK1是對LCD觸摸屏的初始化以及相關(guān)GPIO的配置，設(shè)置相關(guān)參數(shù)如串口的波特率，以及IP地址、端口號的設(shè)置等．

TASK2是鍵盤掃描任務(wù)，通過矩陣鍵盤修改相關(guān)參數(shù)，如UART2波特率、 IP地址等．

TASK3是串口任務(wù)，實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與STR912微處理器的通信．網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與STR912微處理器通過UART2交互數(shù)據(jù)，處理器接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳來的ZigBee無線協(xié)議數(shù)據(jù)包后，需要存儲、解析并封裝成以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)報；同時還要解析由遠(yuǎn)程終端發(fā)送的監(jiān)控命令，封裝成ZigBee無線協(xié)議數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送至目標(biāo)區(qū)域的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)．

TASK4是以太網(wǎng)任務(wù)，完成以太網(wǎng)模塊的初始化及uIP協(xié)議棧的輪詢，檢查是否有從遠(yuǎn)端機(jī)傳來的數(shù)據(jù)分組及應(yīng)用層是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，并做相應(yīng)的處理．

3.2 嵌入式uIP協(xié)議下以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸

uIP協(xié)議棧[10-11]是在TCP/IP協(xié)議基礎(chǔ)上去掉了TCP/IP協(xié)議中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網(wǎng)絡(luò)通信必須使用的協(xié)議機(jī)制．uIP協(xié)議棧相當(dāng)于一個代碼庫，通過一系列的函數(shù)實現(xiàn)底層硬件與上層應(yīng)用程序的通信，對于整個系統(tǒng)來說它內(nèi)部的協(xié)議族是透明的，從而增加了協(xié)議的通用性．uIP協(xié)議族與系統(tǒng)底層和上層應(yīng)用之間的關(guān)系如圖5所示．

圖 5 uIP通信結(jié)構(gòu)圖

從圖4可知uIP協(xié)議棧處于整個網(wǎng)絡(luò)通信的中間層，其上層為應(yīng)用層，下層稱為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動．uIP協(xié)議棧與底層硬件有兩個接口，與應(yīng)用層有一個接口．

3.2.1uIP協(xié)議棧與底層設(shè)備驅(qū)動程序的接口

1)uip_input()函數(shù)．當(dāng)設(shè)備驅(qū)動程序從網(wǎng)絡(luò)中收到數(shù)據(jù)包時要調(diào)用這個函數(shù)，設(shè)備驅(qū)動程序必須事先將數(shù)據(jù)包存入到uip_buf[]中，包長為uip_len，然后交由uip_input()函數(shù)處理，當(dāng)函數(shù)返回時，如果uip_len不為0，則表明有帶外數(shù)據(jù)(如SYN，ACK等)要發(fā)送．當(dāng)需要ARP支持時，還需要考慮更新ARP表或發(fā)出ARP請求和回應(yīng)．

2)周期時鐘函數(shù)uip_periodic()．這個函數(shù)用于uIP內(nèi)核對各連接的定時輪詢，因此需要一個硬件支持的定時程序周期性地用他輪詢各連接，一般用于檢驗主機(jī)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送．

3.2.2uIP與上層應(yīng)用的接口為了將用戶的應(yīng)用程序掛接到uIP中，將宏UIP_APPCALL()定義成實際的應(yīng)用程序函數(shù)名，這樣，在任何一個事件發(fā)生時調(diào)用UIP_APPCALL()，uIP在接收到底層傳來的數(shù)據(jù)包后，在需要送到上層應(yīng)用程序處理的地方調(diào)用UIP_APPCALL()．網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中uIP協(xié)議棧數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示．

圖 6 uIP協(xié)議處理數(shù)據(jù)報流程圖

3.3 ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計分析

Zigbee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在整個嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中起著承上啟下的作用．網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并管理整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由表，接收來自感知區(qū)域無線節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正、封裝、存儲等[6]，并通過串口API發(fā)送至STR912微處理器．網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖7所示．

首先硬件上電，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入網(wǎng)絡(luò)請求，如果加入網(wǎng)絡(luò)成功，每個加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)會被分配一個網(wǎng)絡(luò)地址．無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)將需要傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)地址信息和監(jiān)測數(shù)據(jù)以ZigBee數(shù)據(jù)幀的形式打包以無線的方式通過一跳或多跳發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)．STR912微處理器經(jīng)UART2接收到來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)按ZigBee協(xié)議解包并封裝成TCP/IP協(xié)議報文，再通過以太網(wǎng)傳至上位機(jī)；當(dāng)上位機(jī)下達(dá)監(jiān)測指令時，STR912處理器將接收到的數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議解包，然后封裝成ZigBee協(xié)議數(shù)據(jù)包并通過UART2發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將相應(yīng)指令發(fā)送至目標(biāo)區(qū)域節(jié)點(diǎn)．

圖 7 ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程

4 測試

實驗室環(huán)境下，隨意布置7個ZigBee節(jié)點(diǎn)，ZigBee節(jié)點(diǎn)定時采集溫度、濕度以及光敏值并發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；ARM板與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過UART2連接，并通過交叉網(wǎng)線與PC連接，設(shè)置好網(wǎng)關(guān)IP和端口號，嵌入式網(wǎng)關(guān)板實物如圖8所示．組網(wǎng)成功后可以在上位機(jī)拓?fù)鋱D中觀測到各個節(jié)點(diǎn)實時的溫度、濕度和光敏值(圖9)．

圖 8 ZigBee網(wǎng)關(guān)實物圖

圖 9 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

經(jīng)測試，整個嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定．

5 結(jié)束語

本文使用基于ARM9系列微處理器STR912和ZigBee芯片CC2530構(gòu)建嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，同時該系統(tǒng)擴(kuò)展了豐富的外圍接口設(shè)備，可將目標(biāo)區(qū)域中傳感器節(jié)點(diǎn)采集的位置、環(huán)境等參數(shù)通過以太網(wǎng)傳送至遠(yuǎn)程終端，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控．該網(wǎng)關(guān)具有低成本、低功耗、高可靠性與高抗干擾能力等特性，可方便地應(yīng)用于現(xiàn)代各種監(jiān)測領(lǐng)域，在工業(yè)控制領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用和推廣價值．

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