基于Cortex-A9平臺的ZigBee物聯網綜合實驗平臺設計

李鳳岐， 朱 明， 劉文杰， 覃振權

(大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116021)

·計算機技術應用·

基于Cortex-A9平臺的ZigBee物聯網綜合實驗平臺設計

李鳳岐， 朱 明， 劉文杰， 覃振權

(大連理工大學 軟件學院，遼寧 大連 116021)

基于ARM嵌入式平臺，設計無線網絡通信實驗課程，能夠把分散的嵌入式系統知識點，整合在統一平臺中，達到創新物聯網實驗教學體系的目的。實驗通過Cortex-A9內核平臺與ZigBee無線網絡平臺配套研發，讓學生在實際操作和編程過程中，深刻理解物聯網通訊的工作原理。實驗分析了Cortex-A9內核在物聯網實驗中的工作特點，選用Tiny4412核心板，配套CC2530傳感器節點，搭建物聯網綜合實驗平臺。同時，針對高校學生的基本情況，設計了理論完善、操作性強的實驗流程，實現Android APP應用、Linux QT應用、QT應用的演示方式，貫穿物聯網3個結構層次所涉及的知識要點和實踐重點。

物聯網實驗； Cortex-A9； ZigBee無線網絡； 實踐教學

0 引 言

“物聯網”被譽為信息通信下一個萬億級的超級產業[1]。同時，作為一門交叉學科，物聯網專業的實踐教學平臺建設應與理論課程緊密配套。目前，國內大專院校開設物聯網專業的學校剛剛開始應用基于ARM Cortex-A9多核微處理器為核心部件的物聯網實驗平臺。國內生產該平臺教學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用案例，缺少物聯網課程群所需要的科學性、先進性、工程性和綜合性的應用實例。

從物聯網工程專業的實驗教學需求出發，應在物聯網綜合教學實驗平臺上完成“物聯網感知和識別、網絡傳輸和管理服務與綜合應用”3個結構層次[2]。該平臺應適用于物聯網課程群中“無線傳感器網絡”“物聯網與傳感器技術”“射頻識別(RFID)技術”“物聯網控制技術”和“物聯網課程設計”等專業課程的實踐教學。學生們通過具體應用和操作，掌握貫穿物聯網3個結構層次所涉及的知識和技能，提高自身在物聯網工程應用方面的實踐能力。

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

在該平臺的具體設計階段，將整個系統模塊化，分別實現每個功能模塊，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。網關平臺可以分別基于Linux和Android 兩種操作系統來實現應用環境，完成系統的整合，同時可以基于Z-Stack協議棧完成CC2530基于ZigBee下的組網，實現了核心板的Android應用開發和Linux下的服務器和網站的搭建，以及相應的應用編程實例[4]?？傊?，該平臺在實現內容上基本滿足了物聯網專業課群多層次實踐教學的需要。

1 物聯網實驗教學的構成

物聯網專業是為了適應目前國家現代化建設的需要而新設立的專業，根據教育部計算機科學與技術專業教學指導分委員會編制的《物聯網工程專業規范》，按照物聯網組成架構的三層結構規劃：①感知、識別與控制層；②網絡傳輸層；③綜合管理服務應用層[5]。本實踐平臺實現了針對于各層次的實踐應用實例，如圖1所示。

圖1 物聯網綜合實驗平臺架構

在感知、識別與控制層中，其關鍵技術是傳感器技術、無線傳感器節點硬件和核心協議棧軟件設計、RFID技術的應用和低功耗設計技術等[6]。所以針對這一層次的實踐教學需要，設計完成無線單節點的感知、識別與控制模塊的開發與應用實例和完成無線傳感節點間通信、組網應用與實例。

在網絡層中，其主要關鍵技術為多種網絡網關設計、無線通信技術和掌握主流無線網絡標準[7]。所以針對于網絡層教學的需要，設計完成了基于Linux環境下物聯網網關平臺的構建與應用，完成基于Android環境下物聯網網關平臺的構建與應用。

在綜合服務與應用層中，掌握應用技術是關鍵，要求學生能夠獨立設計不同需求的物聯網應用系統[8]。針對于該層次的實踐教學需要開發了基于物聯網智能家居和環境監測2個綜合應用實例。具體包括系統總體方案設計、硬件系統(網關、無線傳感節點、中心節點等硬件)和軟件系統(網關與控制中心開發平臺、操作系統、Web服務器、數據庫、觸摸屏等相關軟件、中心節點和終端節點的檢測與控制)。

2 基于ARM平臺的ZigBee技術

物聯網一個重要特征就是能夠長期穩定運行并且能夠快速大規模部署[9]。這樣的特征決定了物聯網產品必須具備可靠、安全、無線、無縫、綠色的能力。構成物聯網的最基礎最廣泛最核心的單元細胞就是傳感器以及相關的控制單元。使用ZigBee技術能夠使大量的傳感器傳動單元之間相互協調實現通信，大幅減少傳感器單元能量消耗，大幅提高傳感器節點將數據通過無線電波在不同網絡節點間傳送的通信效率[10]。ZigBee技術低功耗、抗干擾能力強、易于組網和維護、容易擴大范圍，高可靠性、便于快速大規模部署等特點符合新興物聯網發展的趨勢和要求。因此，ZigBee技術必將在物聯網領域獲得更廣泛的應用[11]。

無線傳感器節點CC2530是TI公司基于ZigBee通信協議開發的主流通信模塊，外部配有各類傳感器、電源和相關軟件組成。通過終端感知節點、終端控制節點、路由節點和匯聚節點，構成了基于ZigBee通信協議的無線傳感網絡[12]。該節點集成有支持2.4 GHz IEEE802.15.4協議的RF收發器。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]。

對無線節點的控制平臺一般都會采用嵌入式網關，基于ARM Cortex-A9多核處理器的Tiny4412核心板作為系統平臺主控部件，網關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。核心板Tiny4412由高性能的四核Exynos4412微處理器組成。其內部集成了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自適應以太網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路在板麥克風輸入，1路USB Host 2.0接口，1個標準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。

3 物聯網綜合實驗平臺設計研發

3.1實踐平臺軟件

實踐平臺軟件是由分布監控端和總控處理端兩個部分組成，采用物聯網網絡技術常用的星型網絡拓撲結構進行組網連接?；贑C2530處理器的分布傳感器模塊中燒寫了基于Z-Stack協議棧的ZigBee無線組網應用，通過內嵌的無線收發器進行星型網絡連接，匯聚節點負責處理其他分布節點的數據。

(1) 分布監控端。通過各分布節點上的溫濕度、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，獲取各個節點的信息數據。并且各個無線傳感器節點通過ZigBee網絡傳輸協議將各個傳感器模塊采集到的信息數據包發送到匯聚節點上。

(2) 總控處理端。匯聚節點只需完成數據包轉發工作。匯聚節點接收來自分布傳感器節點的數據信息，然后通過串口將該信息轉發給嵌入式網關平臺。

3.2嵌入式網關平臺

在嵌入式網關平臺上移植了Linux或Android操作系統以及圖形界面庫，并編寫了相應的應用程序。在程序編寫中嵌入模式查詢匹配算法，根據發送的特定數據格式判別發送數據的傳感器類型，然后截取無線傳感器節點數值并在相應的UI部分更新顯示。

(1) ZigBee網絡數據傳輸。采用單播、廣播2種方式。網絡組建可采用星型網絡，樹形網絡，圖形網絡3種方式。其中廣播方式容易造成網絡帶寬以及信道的大幅占用，從而增加大組網的能量消耗。所以該網絡傳輸采用點對點傳輸，既保證了數據的正確性，也節約了能量消耗。

(2) 組網形狀。樹形網絡雖然是目前主流的組網方式。但是由于樹形組網存在關鍵節點，網絡健壯性和魯棒性不佳。而圖形組網過于復雜，對于單一匯聚節點反而影響傳輸效率。所以，本系統架構設計采用星型網絡形式。這樣有利于提高系統的高效性，降低能耗。

(3) 傳感器發送。中央匯聚節點接收到各類傳感器發送的數據，然后通過一定的數據格式通過串口發送Tiny4412核心板。其數據格式是以$開始以#結束，$和#之間就是一條完整的數據。核心板接收到串口的數據后，按照數據格式進行合理的解析，解析提取出無線傳感器節點的數值部分更新顯示。數據在整個系統中的流程圖如圖2所示。

圖2 傳感器數據流圖

(4) 數據顯示。當物聯網網關收到協調主節點傳來的數據后需要通過軟件形式顯示在LCD屏上，本平臺實現了兩種方式用來顯示采集到的數據，分別是Android App應用和Linux下服務器-網站方式。兩種方式都是基于相同的Linux內核，但其工作的文件系統不同。采用了Tiny4412自帶提供的內核系統，以及提供的Android和Linux文件系統。

Android App通過串口接收傳感器網絡協調主節點發送的數據信息，然后進行解析接收到的數據，判斷數據來自哪類傳感器，接著提取相應的傳感器數值部分并更新應用界面。

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

4 物聯網綜合實驗過程

物聯網綜合教學實驗平臺提供了基于Android APP應用、Linux QT應用、QT應用的演示方式。

4.1采用基于AndroidAPP應用的方式

通過在網關平臺上燒寫Linux內核和Android文件系統完成基礎環境的搭建，然后開發出相應的APP應用。由于該方式只是在綜合教學實驗平臺上顯示，故只需實時更新傳感器的數據即可，不需要使用數據庫技術。通過在Android應用中實時監測串口并讀取數據完成數據的采集，采用內部匹配算法來完成數據的解析，最后實時更新到網關平臺顯示主界面上。

4.2采用LinuxQT應用的方式

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

4.3QT應用界面在網關平臺上的顯示

主要的實現過程是在QT應用中完成數據的存儲，傳感器數據采用統一的格式(包括數據的名稱、數值等)存儲在本地文件中。然后在網關平臺上搭建好服務器以及相應的網站，通過后臺程序來讀取相關的數據并返回給客戶端，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，開發人員可以更大程度地學習相關的知識，包括Linux環境應用開發或者Android環境應用開發和服務器配置及網站開發，進一步完善物聯網相關的知識體系的學習。

5 結 語

由于物聯網工程作為一門交叉學科，物聯網技術所涉及的概念、原理、技術眾多。同時物聯網工程需要本專業的實踐教學平臺建設應與理論課程緊密配套，這樣才能更好地提高學生的創新實踐能力。

物聯網作為新興的產業和專業，其技術涉及多個學科，因此通過實踐教學將這些跨學科知識進行融合和貫通尤為重要。本實踐教學平臺可應用于物聯網課程群的“無線傳感器網絡”“物聯網感知、識別與控制技術”“物聯網課程設計”等實踐教學中，希望通過提供優質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。這樣，能夠使學生們掌握貫穿物聯網課程教學中所學到的知識，提高他們在物聯網應用方面的實踐能力和創新意識，為培養高素質應用型人才、復合型人才和拔尖創新人才奠定堅實基礎。

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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

國家自然科學基金青年科學基金項目(61202442)

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