李鳳岐， 朱 明， 劉文杰， 覃振權(quán)

(大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116021)

·計算機技術(shù)應(yīng)用·

基于Cortex-A9平臺的ZigBee物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺設(shè)計

李鳳岐， 朱 明， 劉文杰， 覃振權(quán)

(大連理工大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116021)

基于ARM嵌入式平臺，設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)通信實驗課程，能夠把分散的嵌入式系統(tǒng)知識點，整合在統(tǒng)一平臺中，達到創(chuàng)新物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)體系的目的。實驗通過Cortex-A9內(nèi)核平臺與ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)平臺配套研發(fā)，讓學(xué)生在實際操作和編程過程中，深刻理解物聯(lián)網(wǎng)通訊的工作原理。實驗分析了Cortex-A9內(nèi)核在物聯(lián)網(wǎng)實驗中的工作特點，選用Tiny4412核心板，配套CC2530傳感器節(jié)點，搭建物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺。同時，針對高校學(xué)生的基本情況，設(shè)計了理論完善、操作性強的實驗流程，實現(xiàn)Android APP應(yīng)用、Linux QT應(yīng)用、QT應(yīng)用的演示方式，貫穿物聯(lián)網(wǎng)3個結(jié)構(gòu)層次所涉及的知識要點和實踐重點。

物聯(lián)網(wǎng)實驗； Cortex-A9； ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)； 實踐教學(xué)

0 引 言

“物聯(lián)網(wǎng)”被譽為信息通信下一個萬億級的超級產(chǎn)業(yè)[1]。同時，作為一門交叉學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的實踐教學(xué)平臺建設(shè)應(yīng)與理論課程緊密配套。目前，國內(nèi)大專院校開設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)的學(xué)校剛剛開始應(yīng)用基于ARM Cortex-A9多核微處理器為核心部件的物聯(lián)網(wǎng)實驗平臺。國內(nèi)生產(chǎn)該平臺教學(xué)儀器廠家只能提供一些配合平臺銷售的使用說明書和簡單應(yīng)用案例，缺少物聯(lián)網(wǎng)課程群所需要的科學(xué)性、先進性、工程性和綜合性的應(yīng)用實例。

從物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)的實驗教學(xué)需求出發(fā)，應(yīng)在物聯(lián)網(wǎng)綜合教學(xué)實驗平臺上完成“物聯(lián)網(wǎng)感知和識別、網(wǎng)絡(luò)傳輸和管理服務(wù)與綜合應(yīng)用”3個結(jié)構(gòu)層次[2]。該平臺應(yīng)適用于物聯(lián)網(wǎng)課程群中“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”“物聯(lián)網(wǎng)與傳感器技術(shù)”“射頻識別(RFID)技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)”和“物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計”等專業(yè)課程的實踐教學(xué)。學(xué)生們通過具體應(yīng)用和操作，掌握貫穿物聯(lián)網(wǎng)3個結(jié)構(gòu)層次所涉及的知識和技能，提高自身在物聯(lián)網(wǎng)工程應(yīng)用方面的實踐能力。

針對高校物聯(lián)網(wǎng)實驗需求，設(shè)計了基于Cortex-A9內(nèi)核的ZigBee實驗平臺[3]。該實踐平臺硬件部分包括有國內(nèi)最先進的嵌入式多核處理器(ARM Contex-A9)為核心的網(wǎng)關(guān)及顯示與控制平臺和基于SOC(片上系統(tǒng))CC2530為核心的多種無線傳感器節(jié)點兩部分。

在該平臺的具體設(shè)計階段，將整個系統(tǒng)模塊化，分別實現(xiàn)每個功能模塊，然后通過對模塊進行用例測試來確保每個模塊都能正常工作。網(wǎng)關(guān)平臺可以分別基于Linux和Android 兩種操作系統(tǒng)來實現(xiàn)應(yīng)用環(huán)境，完成系統(tǒng)的整合，同時可以基于Z-Stack協(xié)議棧完成CC2530基于ZigBee下的組網(wǎng)，實現(xiàn)了核心板的Android應(yīng)用開發(fā)和Linux下的服務(wù)器和網(wǎng)站的搭建，以及相應(yīng)的應(yīng)用編程實例[4]?？傊?，該平臺在實現(xiàn)內(nèi)容上基本滿足了物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)課群多層次實踐教學(xué)的需要。

1 物聯(lián)網(wǎng)實驗教學(xué)的構(gòu)成

物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)是為了適應(yīng)目前國家現(xiàn)代化建設(shè)的需要而新設(shè)立的專業(yè)，根據(jù)教育部計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會編制的《物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)規(guī)范》，按照物聯(lián)網(wǎng)組成架構(gòu)的三層結(jié)構(gòu)規(guī)劃：①感知、識別與控制層；②網(wǎng)絡(luò)傳輸層；③綜合管理服務(wù)應(yīng)用層[5]。本實踐平臺實現(xiàn)了針對于各層次的實踐應(yīng)用實例，如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺架構(gòu)

在感知、識別與控制層中，其關(guān)鍵技術(shù)是傳感器技術(shù)、無線傳感器節(jié)點硬件和核心協(xié)議棧軟件設(shè)計、RFID技術(shù)的應(yīng)用和低功耗設(shè)計技術(shù)等[6]。所以針對這一層次的實踐教學(xué)需要，設(shè)計完成無線單節(jié)點的感知、識別與控制模塊的開發(fā)與應(yīng)用實例和完成無線傳感節(jié)點間通信、組網(wǎng)應(yīng)用與實例。

在網(wǎng)絡(luò)層中，其主要關(guān)鍵技術(shù)為多種網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計、無線通信技術(shù)和掌握主流無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準[7]。所以針對于網(wǎng)絡(luò)層教學(xué)的需要，設(shè)計完成了基于Linux環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用，完成基于Android環(huán)境下物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)平臺的構(gòu)建與應(yīng)用。

在綜合服務(wù)與應(yīng)用層中，掌握應(yīng)用技術(shù)是關(guān)鍵，要求學(xué)生能夠獨立設(shè)計不同需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)[8]。針對于該層次的實踐教學(xué)需要開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)智能家居和環(huán)境監(jiān)測2個綜合應(yīng)用實例。具體包括系統(tǒng)總體方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)(網(wǎng)關(guān)、無線傳感節(jié)點、中心節(jié)點等硬件)和軟件系統(tǒng)(網(wǎng)關(guān)與控制中心開發(fā)平臺、操作系統(tǒng)、Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、觸摸屏等相關(guān)軟件、中心節(jié)點和終端節(jié)點的檢測與控制)。

2 基于ARM平臺的ZigBee技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)一個重要特征就是能夠長期穩(wěn)定運行并且能夠快速大規(guī)模部署[9]。這樣的特征決定了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品必須具備可靠、安全、無線、無縫、綠色的能力。構(gòu)成物聯(lián)網(wǎng)的最基礎(chǔ)最廣泛最核心的單元細胞就是傳感器以及相關(guān)的控制單元。使用ZigBee技術(shù)能夠使大量的傳感器傳動單元之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，大幅減少傳感器單元能量消耗，大幅提高傳感器節(jié)點將數(shù)據(jù)通過無線電波在不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間傳送的通信效率[10]。ZigBee技術(shù)低功耗、抗干擾能力強、易于組網(wǎng)和維護、容易擴大范圍，高可靠性、便于快速大規(guī)模部署等特點符合新興物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的趨勢和要求。因此，ZigBee技術(shù)必將在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域獲得更廣泛的應(yīng)用[11]。

無線傳感器節(jié)點CC2530是TI公司基于ZigBee通信協(xié)議開發(fā)的主流通信模塊，外部配有各類傳感器、電源和相關(guān)軟件組成。通過終端感知節(jié)點、終端控制節(jié)點、路由節(jié)點和匯聚節(jié)點，構(gòu)成了基于ZigBee通信協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[12]。該節(jié)點集成有支持2.4 GHz IEEE802.15.4協(xié)議的RF收發(fā)器。其傳送速率最大達250 Kb/s、傳輸通道16個，可選頻段傳輸距離在0～100 m。CC2530的Flash容量有32、64、128、256 KB 4種類型，并具有8 KB RAM和10位的ADC和許多其他的功能[13]。

對無線節(jié)點的控制平臺一般都會采用嵌入式網(wǎng)關(guān)，基于ARM Cortex-A9多核處理器的Tiny4412核心板作為系統(tǒng)平臺主控部件，網(wǎng)關(guān)平臺的接口部分外配有攝像頭、條形碼閱讀器、RFID讀寫器和指紋識別器等外設(shè)。核心板Tiny4412由高性能的四核Exynos4412微處理器組成。其內(nèi)部集成了Mali-400 MP高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運行，并可播放1080P大尺寸高清視頻[14]。同時，核心板上配置有1GB DDR3內(nèi)存和4GB高速eMMC閃存，LCD可支持從90～307 mm高清屏。另外，還具有1個10/100 MB自適應(yīng)以太網(wǎng)RJ45接口(采用DM9621)，2個DB9式RS232串口(另有4個TTL電平串口)，1個micro USB Slave 2.0接口，1路3.5 mm立體聲音頻輸出接口，1路在板麥克風(fēng)輸入，1路USB Host 2.0接口，1個標(biāo)準SD卡座，5 V直流電壓輸入接口和1個I2C-E2PROM芯片(256 byte，主要用于測試I2C總線)[15]。支持Linux Kernel 3.5和Android 4.2.1版本操作系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗平臺設(shè)計研發(fā)

3.1實踐平臺軟件

實踐平臺軟件是由分布監(jiān)控端和總控處理端兩個部分組成，采用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)常用的星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)連接?；贑C2530處理器的分布傳感器模塊中燒寫了基于Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee無線組網(wǎng)應(yīng)用，通過內(nèi)嵌的無線收發(fā)器進行星型網(wǎng)絡(luò)連接，匯聚節(jié)點負責(zé)處理其他分布節(jié)點的數(shù)據(jù)。

(1) 分布監(jiān)控端。通過各分布節(jié)點上的溫濕度、光照、聲音傳感器、可燃氣體和煙霧、超聲波測距、陀螺儀加速度、GPS定位等等傳感器模塊，獲取各個節(jié)點的信息數(shù)據(jù)。并且各個無線傳感器節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將各個傳感器模塊采集到的信息數(shù)據(jù)包發(fā)送到匯聚節(jié)點上。

(2) 總控處理端。匯聚節(jié)點只需完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)工作。匯聚節(jié)點接收來自分布傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，然后通過串口將該信息轉(zhuǎn)發(fā)給嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺。

3.2嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺

在嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺上移植了Linux或Android操作系統(tǒng)以及圖形界面庫，并編寫了相應(yīng)的應(yīng)用程序。在程序編寫中嵌入模式查詢匹配算法，根據(jù)發(fā)送的特定數(shù)據(jù)格式判別發(fā)送數(shù)據(jù)的傳感器類型，然后截取無線傳感器節(jié)點數(shù)值并在相應(yīng)的UI部分更新顯示。

(1) ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。采用單播、廣播2種方式。網(wǎng)絡(luò)組建可采用星型網(wǎng)絡(luò)，樹形網(wǎng)絡(luò)，圖形網(wǎng)絡(luò)3種方式。其中廣播方式容易造成網(wǎng)絡(luò)帶寬以及信道的大幅占用，從而增加大組網(wǎng)的能量消耗。所以該網(wǎng)絡(luò)傳輸采用點對點傳輸，既保證了數(shù)據(jù)的正確性，也節(jié)約了能量消耗。

(2) 組網(wǎng)形狀。樹形網(wǎng)絡(luò)雖然是目前主流的組網(wǎng)方式。但是由于樹形組網(wǎng)存在關(guān)鍵節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)健壯性和魯棒性不佳。而圖形組網(wǎng)過于復(fù)雜，對于單一匯聚節(jié)點反而影響傳輸效率。所以，本系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計采用星型網(wǎng)絡(luò)形式。這樣有利于提高系統(tǒng)的高效性，降低能耗。

(3) 傳感器發(fā)送。中央?yún)R聚節(jié)點接收到各類傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后通過一定的數(shù)據(jù)格式通過串口發(fā)送Tiny4412核心板。其數(shù)據(jù)格式是以$開始以#結(jié)束，$和#之間就是一條完整的數(shù)據(jù)。核心板接收到串口的數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)格式進行合理的解析，解析提取出無線傳感器節(jié)點的數(shù)值部分更新顯示。數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)中的流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器數(shù)據(jù)流圖

(4) 數(shù)據(jù)顯示。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)收到協(xié)調(diào)主節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后需要通過軟件形式顯示在LCD屏上，本平臺實現(xiàn)了兩種方式用來顯示采集到的數(shù)據(jù)，分別是Android App應(yīng)用和Linux下服務(wù)器-網(wǎng)站方式。兩種方式都是基于相同的Linux內(nèi)核，但其工作的文件系統(tǒng)不同。采用了Tiny4412自帶提供的內(nèi)核系統(tǒng)，以及提供的Android和Linux文件系統(tǒng)。

Android App通過串口接收傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，然后進行解析接收到的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)來自哪類傳感器，接著提取相應(yīng)的傳感器數(shù)值部分并更新應(yīng)用界面。

Linux文件系統(tǒng)中集成了boa嵌入式Web服務(wù)器，在編譯內(nèi)核前進行相應(yīng)的服務(wù)器參數(shù)配置，并在開機啟動項添加服務(wù)器http服務(wù)，然后直接和內(nèi)核一起編譯，燒寫到Tiny4412核心板上。通過配置好系統(tǒng)中的IP地址，同時在核心板上搭好相應(yīng)的網(wǎng)站，就可以通過局域網(wǎng)中的PC機來訪問核心板。網(wǎng)站后臺主要通過CGI程序來獲取從串口傳輸過來的主節(jié)點數(shù)據(jù)，按照相應(yīng)的格式處理數(shù)據(jù)，更新網(wǎng)頁上的信息。

4 物聯(lián)網(wǎng)綜合實驗過程

物聯(lián)網(wǎng)綜合教學(xué)實驗平臺提供了基于Android APP應(yīng)用、Linux QT應(yīng)用、QT應(yīng)用的演示方式。

4.1采用基于AndroidAPP應(yīng)用的方式

通過在網(wǎng)關(guān)平臺上燒寫Linux內(nèi)核和Android文件系統(tǒng)完成基礎(chǔ)環(huán)境的搭建，然后開發(fā)出相應(yīng)的APP應(yīng)用。由于該方式只是在綜合教學(xué)實驗平臺上顯示，故只需實時更新傳感器的數(shù)據(jù)即可，不需要使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)。通過在Android應(yīng)用中實時監(jiān)測串口并讀取數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的采集，采用內(nèi)部匹配算法來完成數(shù)據(jù)的解析，最后實時更新到網(wǎng)關(guān)平臺顯示主界面上。

4.2采用LinuxQT應(yīng)用的方式

其工作原理同Android APP相似，只不過網(wǎng)關(guān)平臺軟件燒寫的是Linux文件系統(tǒng)。在Ubuntu下完成QT應(yīng)用的交叉編譯，通過更改配置文件來修改網(wǎng)關(guān)平臺上Linux下默認啟動程序。然后也是通過實時監(jiān)測串口并讀取數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)的采集，采用內(nèi)部匹配算法來完成數(shù)據(jù)的解析，并實時更新到網(wǎng)關(guān)平臺顯示主界面上。

4.3QT應(yīng)用界面在網(wǎng)關(guān)平臺上的顯示

主要的實現(xiàn)過程是在QT應(yīng)用中完成數(shù)據(jù)的存儲，傳感器數(shù)據(jù)采用統(tǒng)一的格式(包括數(shù)據(jù)的名稱、數(shù)值等)存儲在本地文件中。然后在網(wǎng)關(guān)平臺上搭建好服務(wù)器以及相應(yīng)的網(wǎng)站，通過后臺程序來讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)并返回給客戶端，這樣客戶端就可以訪問傳感器信息。采用網(wǎng)站方式顯示的部分傳感器信息界面。

通過以上3種方式，開發(fā)人員可以更大程度地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識，包括Linux環(huán)境應(yīng)用開發(fā)或者Android環(huán)境應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)器配置及網(wǎng)站開發(fā)，進一步完善物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的知識體系的學(xué)習(xí)。

5 結(jié) 語

由于物聯(lián)網(wǎng)工程作為一門交叉學(xué)科，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)所涉及的概念、原理、技術(shù)眾多。同時物聯(lián)網(wǎng)工程需要本專業(yè)的實踐教學(xué)平臺建設(shè)應(yīng)與理論課程緊密配套，這樣才能更好地提高學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力。

物聯(lián)網(wǎng)作為新興的產(chǎn)業(yè)和專業(yè)，其技術(shù)涉及多個學(xué)科，因此通過實踐教學(xué)將這些跨學(xué)科知識進行融合和貫通尤為重要。本實踐教學(xué)平臺可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)課程群的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”“物聯(lián)網(wǎng)感知、識別與控制技術(shù)”“物聯(lián)網(wǎng)課程設(shè)計”等實踐教學(xué)中，希望通過提供優(yōu)質(zhì)的實踐平臺和豐富的實踐資源，進行多層次、一體化的實踐教學(xué)。這樣，能夠使學(xué)生們掌握貫穿物聯(lián)網(wǎng)課程教學(xué)中所學(xué)到的知識，提高他們在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方面的實踐能力和創(chuàng)新意識，為培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才、復(fù)合型人才和拔尖創(chuàng)新人才奠定堅實基礎(chǔ)。

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DesignofIoTComprehensiveExperimentPlatformBasedonCortex-A9andZigBee

LIFengqi,ZHUMing,LIUWenjie,QINZhenquan

(School of Software Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116021, Liaoning, China)

Comprehensive experiments have been applied in the experimental platform. Applications of the Internet of Things has become an important means of the Internet teaching. Based on ARM embedded platform, the design of wireless network communication experiment course can integrate the dispersed knowledge of embedded system into a unified platform. The system has achieved the goal of innovative IoT experiment teaching. The experimental platform applies Cortex-A9 as kernel architecture and ZigBee as wireless network communication, students can process programming and actual operation, and can have a good understanding of the working principle of the Internet communication. After analyzing the architecture and working characteristics of Cortex-A9, we chose Tiny4412 core board and CC2530 sensor nodes, IoT comprehensive experiment platform was then set up. The Experimental platform also realized the demonstration of Android APP, Linux QT application, QT application. It can illustrate key points of three hierarchical knowledge levels involved in IoT.

internet of things(IoT) experiment; Cortex-A9; ZigBee wireless network; practice teaching

TP 391.0

A

1006-7167(2017)09-0107-04

2016-11-22

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(61202442)

李鳳岐(1975-)，男，河北承德人，博士，高級工程師，副院長，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全和物聯(lián)網(wǎng)工程。Tel.：13390500898； E-mail： liuwj@dlut.edu.cn