基于STR912的嵌入式無線傳感器網絡網關的設計

朱思建， 楊光友， 馬志艷， 張 錚

(1 湖北工業大學農機工程研究設計院， 湖北 武漢 430068； 2 湖北工業大學機械工程學院， 湖北 武漢 430068)

無線傳感器網絡(wireless sensor network，WSN)[1]應用于環境監測、醫療健康、工業控制等眾多生活領域，并且能夠完成傳統系統無法完成的任務，已經成為國內外眾多領域研究的熱點．建立在IEEE 802.15.4標準[2]上的Zigbee技術[3],是應用于無線監測與控制的全球性無線通信標準，已經成為無線傳感器網絡組網的首選技術之一．

在鉆井工程等一些室外環境較惡劣的特定領域，經常需要采用ZigBee網絡遠程監測目標區域，這就需要在現有的網絡基礎設施(如RS232、485、以太網等)基礎上進行遠程監控，此時ZigBee網關在整個無線傳感器網絡體系中起著重要的樞紐作用，它負責外部網絡和無線傳感器網絡間的協議轉換、數據存儲和處理等[4-5]．本文提出了基于ZigBee的無線傳感器網絡網關的軟硬件方案，并實現無線傳感器網絡傳感數據的遠程傳輸和監控．

1 嵌入式網關系統總體結構

網關系統中網關節點(協調器節點)作為整個ZigBee無線網絡的中心，主動建立網絡并允許傳感節點加入網絡[6]，同時維護管理整個無線網絡，接收感知區域傳感器節點發送的數據，并對數據進行存儲、解析、封裝等處理，然后通過GPRS或以太網等發送至遠程監控中心；同時網關節點將監控中心發送的指令發送至目標區域，實現對目標區域的監控．但是網關節點通常需要連接外部網絡如GPRS或以太網等來實現ZigBee無線網絡與外部網絡的互聯，這就需要在傳輸層基礎上完成不同網絡協議的轉換．本文使用具有較強信息處理能力和網絡功能的ARM9系列芯片STR912作為核心處理器[7]，完成ZigBee協議與以太網協議的相互轉換，完成ZigBee無線傳感器網絡與外部以太網的互聯．圖1為嵌入式無線傳感網絡網關系統的體系結構．

圖 1 ZigBee無線傳感器網絡網關體系結構

本文中嵌入式網關系統采用三層結構(圖2)，硬件層主要由STR912處理器芯片與ZigBee無線芯片CC2530[8]組成，實現數據解析、封裝和存儲等功能．軟件層主要實現在嵌入式操作系統μC/OS-II[9]下建立多任務以及在uIP協議[10-11]下以太網數據傳輸，在CC2530無線節點上運行ZigBee協議棧，建立并維護無線傳感器網絡，從而實現ZigBee無線傳感器網絡協議數據和以太網協議數據的雙向轉換；應用層主要由用戶定義的應用程序組成，調用軟件接口函數，用戶可根據實際需要擴充應用API接口函數．

圖 2 ZigBee網關系統架構

2 網關系統硬件結構

本文中嵌入式網關硬件結構如圖3所示．處理器采用基于ARM920T內核的ST公司的微處理器STR912FAW44芯片，支持內核96MHz的工作頻率，具有96 KB SRAM，256 KB主Flash和32 KB從Flash，外部擴展存儲器、LCD接口、JTAG接口、串口、以太網接口等組成硬件平臺．其中串口(UART2)是連接STR912處理器和ZigBee網關節點的橋梁．ZigBee網關節點選用TI公司2.4 GHz 的無線芯片CC2530，其內部集成了工業標準增強型8051微處理器和高性能射頻CRF收發器，使用TI公司的Zstack無線通信協議棧實現ZigBee無線傳感網絡的建立和維護．

圖 3 嵌入式網關硬件結構

3 網關系統軟件結構設計

整個嵌入式網關系統是以STR912芯片作為微處理器，采用嵌入式實時操作系統μC/OS-II和微型嵌入式TCP/IP協議棧uIP，通過以太網帶動整個傳感器網絡的運行，實現ZigBee無線傳感網絡和以太網兩個相對獨立網絡的互聯．所以軟件方面需要在μC/OS-II操作系統和uIP協議下運行，并完成網關節點的程序設計．

3.1 嵌入式操作系統μC/OS-II下多任務建立

在實時多任務操作系統μC/OS-II[9]下，完成上述的網關系統的功能，需要建立4個任務．運行流程如圖4所示．

圖 4 μC/OS-II下嵌入式網關系統任務

TASK1是對LCD觸摸屏的初始化以及相關GPIO的配置，設置相關參數如串口的波特率，以及IP地址、端口號的設置等．

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

TASK3是串口任務，實現網關節點與STR912微處理器的通信．網關節點與STR912微處理器通過UART2交互數據，處理器接收到網關節點傳來的ZigBee無線協議數據包后，需要存儲、解析并封裝成以太網協議的數據報；同時還要解析由遠程終端發送的監控命令，封裝成ZigBee無線協議數據包，通過網關節點發送至目標區域的監測節點．

TASK4是以太網任務，完成以太網模塊的初始化及uIP協議棧的輪詢，檢查是否有從遠端機傳來的數據分組及應用層是否有數據要發送，并做相應的處理．

3.2 嵌入式uIP協議下以太網數據傳輸

uIP協議棧[10-11]是在TCP/IP協議基礎上去掉了TCP/IP協議中不常用的功能，簡化了通訊流程，但保留了網絡通信必須使用的協議機制．uIP協議棧相當于一個代碼庫，通過一系列的函數實現底層硬件與上層應用程序的通信，對于整個系統來說它內部的協議族是透明的，從而增加了協議的通用性．uIP協議族與系統底層和上層應用之間的關系如圖5所示．

圖 5 uIP通信結構圖

從圖4可知uIP協議棧處于整個網絡通信的中間層，其上層為應用層，下層稱為網絡設備驅動．uIP協議棧與底層硬件有兩個接口，與應用層有一個接口．

3.2.1uIP協議棧與底層設備驅動程序的接口

1)uip_input()函數．當設備驅動程序從網絡中收到數據包時要調用這個函數，設備驅動程序必須事先將數據包存入到uip_buf[]中，包長為uip_len，然后交由uip_input()函數處理，當函數返回時，如果uip_len不為0，則表明有帶外數據(如SYN，ACK等)要發送．當需要ARP支持時，還需要考慮更新ARP表或發出ARP請求和回應．

2)周期時鐘函數uip_periodic()．這個函數用于uIP內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，一般用于檢驗主機是否有數據要發送．

3.2.2uIP與上層應用的接口為了將用戶的應用程序掛接到uIP中，將宏UIP_APPCALL()定義成實際的應用程序函數名，這樣，在任何一個事件發生時調用UIP_APPCALL()，uIP在接收到底層傳來的數據包后，在需要送到上層應用程序處理的地方調用UIP_APPCALL()．網關系統中uIP協議棧數據處理流程如圖6所示．

圖 6 uIP協議處理數據報流程圖

3.3 ZigBee網關節點程序設計分析

Zigbee網關節點在整個嵌入式網關系統中起著承上啟下的作用．網關節點負責構建ZigBee無線網絡，并管理整個ZigBee網絡路由表，接收來自感知區域無線節點的傳感數據，對數據進行校正、封裝、存儲等[6]，并通過串口API發送至STR912微處理器．網關節點的程序流程如圖7所示．

首先硬件上電，網關節點創建一個ZigBee網絡，網絡中的其他節點發出加入網絡請求，如果加入網絡成功，每個加入網絡的節點會被分配一個網絡地址．無線傳感網絡中的節點將需要傳輸的節點地址信息和監測數據以ZigBee數據幀的形式打包以無線的方式通過一跳或多跳發送至網關節點．STR912微處理器經UART2接收到來自網關節點傳來的數據，將數據按ZigBee協議解包并封裝成TCP/IP協議報文，再通過以太網傳至上位機；當上位機下達監測指令時，STR912處理器將接收到的數據按TCP/IP協議解包，然后封裝成ZigBee協議數據包并通過UART2發送至網關節點，網關節點通過ZigBee無線網絡將相應指令發送至目標區域節點．

圖 7 ZigBee網關節點程序流程

4 測試

實驗室環境下，隨意布置7個ZigBee節點，ZigBee節點定時采集溫度、濕度以及光敏值并發送至網關節點；ARM板與網關節點通過UART2連接，并通過交叉網線與PC連接，設置好網關IP和端口號，嵌入式網關板實物如圖8所示．組網成功后可以在上位機拓撲圖中觀測到各個節點實時的溫度、濕度和光敏值(圖9)．

圖 8 ZigBee網關實物圖

圖 9 ZigBee網絡拓撲圖

經測試，整個嵌入式網關系統運行穩定．

5 結束語

本文使用基于ARM9系列微處理器STR912和ZigBee芯片CC2530構建嵌入式無線傳感器網絡網關系統，同時該系統擴展了豐富的外圍接口設備，可將目標區域中傳感器節點采集的位置、環境等參數通過以太網傳送至遠程終端，實現遠程監控．該網關具有低成本、低功耗、高可靠性與高抗干擾能力等特性，可方便地應用于現代各種監測領域，在工業控制領域具有很好的應用和推廣價值．

[參考文獻]

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[2] IEEE std. 802.15.4 - 2006: Wireless medium access control (mac) and physical layer (phy) specifications for low rate wireless personal area networks (lr-wpans)[S].IEEE Press，2006.

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