摘 要： 利用CC2430無線收發模塊實現數據的采集和無線傳輸，現場采集器采集數據并通過逐級跳轉的方式把數據傳送到協調器，協調器通過RS232串行口與ARM處理器通信并實現在ARM上的實時數據采集和顯示，ARM處理器最終通過網線連接井下路由器與井上PC機進行通信，接入局域網中的客戶端可以隨時以網頁形式訪問ARM上的數據以及實時的視頻監控。以網頁的形式訪問ARM上由ZigBee傳來的數據是該項目中的一大創新點，此外，協調井下ARM與井上PC間通信的路由器本身就具有易于擴充節點和擴大網絡規模的優勢。
關鍵詞： ZigBee；無線傳感網；CC2430；ARM處理器；Web
隨著國家對煤礦安全生產工作的日益重視，而且近幾年來，ZigBee技術在中國迅速發展，基于ZigBee的無線傳感網成為業界的研究熱點，人們通過研究發現基于ZigBee的無線傳感網具有數據傳輸安全可靠、組網簡易靈活、設備成本低、使用壽命長等優勢[1]。ZigBee技術是一個具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層和媒體訪問控制層協議基于IEEE802.15.4協議標準，網絡層和應用層由ZigBee聯盟制定。為了充分利用ZigBee無線傳感器網絡，有必要將已經成熟的基于TCP/IP技術的以太網與ZigBee無線傳感網絡相結合，從而實現以太網通過網關來訪問ZigBee無線傳感器網絡。
傳統的網關大多是用單片機來實現，本設計把嵌入式系統的ARM處理器和Linux操作系統加進網關系統，能夠更高效、更穩定地傳遞來自無線傳感網絡的數據和來自以太網的用戶控制命令，同時還能實現ZigBee無線傳感器網絡新節點的動態鏈接[1]。
1 系統概述
無線傳感網對網關的要求較高，用傳統的單片機技術實現比較復雜，采用具有較強信息處理能力和網絡功能的ARM9系列芯片S3C2440作為處理器，在Linux2.6.32操作系統下設計ZigBee與TCP/IP間通信的網關。Linux嵌入式系統與ZigBee無線傳感網絡相結合，可以實現各節點有序、高效的工作[1]。
前端采集器ZigBee負責采集信息，采集器將溫度、電壓(瓦斯氣體濃度可通過傳感器轉換成電壓參量)等數據采集后通過無線轉發給協調器，協調器接收信息并通過串口將信息傳給ARM，ARM作為網關一端連接ZigBee組成的無線傳感網，另一端連接以太網，在ARM上又建有基于BOA的Web服務器，井上接入局域網的客戶端可以通過網頁訪問ARM上的數據以及對井下實時的視頻監控。ARM可以在井下實時顯示溫度、電壓等信息以及控制全網報警，實現礦井下的實時監控。系統的整體構建如圖1所示。
2 硬件設計
2.1 采集器模塊
采集器模塊采用CC2430芯片，CC2430芯片除了具有符合IEEE 802.15.4規范的2.4 GHz無線射頻前端,它還在片內集成了微處理器,這種在單芯片上集成RF射頻、處理器和內存的ZigBee解決方案的優點是集成度高、功耗低, 它只需要很少的外部元器件就可以實現無線傳輸[2]。負責數據的采集和預處理的ZigBee模塊稱之為采集器，如圖2所示。
2.3 處理器模塊
網關采用嵌入式系統技術，基于Linux操作系統本身的易于移植、開源、優異的網絡支持等優點，采用ARM9處理器加上Linux操作系統來設計ZigBee與TCP/IP間通信的網關。嵌入式系統與ZigBee無線傳感器網絡相結合，可以更好地控制網絡的信息傳遞。
ARM通過串口接收協調器傳來的信息，并將信息及時保存下來。為了實現對多個ARM的訪問，將ARM通過網線連接至路由器，路由器連接到局域網中，這樣可以更好地擴充網關節點的數量，有效地擴大了網絡覆蓋面，避免了網絡盲區， 降低了安全隱患，具有有線測量和人工測量無法比擬的優越性[3]。結構如圖4所示。
2.4 服務器模塊及嵌入式開發
分析嵌入式TCP/IP協議的選取原則，采用ARM芯片和網絡接口控制芯片設計以太網接口，通過ARM芯片對網絡接口控制芯片DM9000的控制過程和TCP/IP協議棧處理數據包的流程，完成嵌入式TCP/IP系統的開發。該系統可以將ARM獲得的數據按網絡協議處理，實現數據的以太網傳輸。此時ARM又充當服務器的角色，將信息及時地保存在文件中，然后通過網頁讀取文件，井上接入局域網的客戶端可以通過網頁訪問ARM上的數據以及對井下實時的視頻監控。
3 軟件設計
3.1 ZigBee模塊程序流程圖
先利用IAR Embedded Workbench軟件完成C語言程序的編寫和編譯，然后把程序SimpleCollector燒寫到采集器節點上，程序主要負責信息的采集，把程序SimplSensor燒寫到協調器節點上,程序主要負責接收協調器的數據以及把數據發送給ARM，最終實現網絡的建立和信號在網內的無線傳輸。
采集器的主要作用是對溫度、電壓等數據進行采集, 并對數據進行簡單的處理，再通過無線信道發送給協調器。首先對采集器進行初始化，包括處理器、協議棧、中斷、串口等，其流程圖如圖5所示。
協調器的主要作用是組建一個網絡、接受采集器入網、接收采集器發送來的數據、處理數據并通過串口發送數據至ARM。首先對協調器進行初始化，包括處理器、協議棧、中斷、串口等。協調器初始化后新建一個網絡并進入網絡監聽和等待狀態，當收到子節點（采集器）的入網請求后，協調器隨機給子節點（采集器）分配一個網絡地址，之后向子節點（采集器）發送入網確認信息，建立連接，等待接收終端節點發送的采集數據。數據接收成功后發送數據到ARM9。因為協調器始終監測網絡信號，所以協調器一直處于正常工作模式。其流程如圖6所示[3]。
3.2 ARM處理器程序流程圖
ARM處理器的工作主要分為兩部分：
(1)將ZigBee傳送過來的溫度、電壓及ZigBee的地址等數據按一定格式存儲在普通文件中。程序采用C語言，主要涉及到ZigBee與ARM之間的串口協議通信，以及ARM處理器將內存中的數據寫到文件中去。
(2)編寫網頁能夠讀取文件數據并顯示，在ARM上建立BOA服務器以支持網頁能被連接在局域網中的客戶端訪問。從網上下載BOA的源碼之后在Linux系統下進行編譯，生成可執行文件BOA，將其拷貝到ARM開發板上；網頁主要以html語言完成，能對文件進行讀取。先利用嵌入在HTML中的JavaScript讀取fil.txt，其中fil.txt文件以行的形式存放數據，每行依次存放的是設備名、溫度、溫度值或者設備名、電壓、電壓值。為了保證數據的實時更新，在網頁的頭部設置每兩秒定時刷新一次。為了實現井上接入局域網的客戶端同時通過網頁訪問ARM上的數據以及對井下實時的視頻監控，用戶可以選擇觀測ZigBee的數據或者視頻監控，有助于提高用戶體驗。
本文設計的網關已在“礦井監測與應急導引系統網關的設計”項目中得以使用，取得了較好的效果。經測試，該網關具有覆蓋范圍廣、靈敏度高、穩定性好、抗干擾能力強、數據傳輸準確等特點，并且具有很好的實用性。此外本系統還具有較強的通用性，不僅可以運用于礦井下監測瓦斯濃度，還可以用于對溫度、濕度等信號的監測，只需把本系統中的瓦斯傳感器換成其他的信號傳感器就可以使用[4]。
參考文獻
[1] 凌興鋒，何小敏.基于ZigBee的無線網關解決方案研究[J].微處理機，2010，31(4)：36-38，42.
[2] ZigBee Alliance.ZigBee Speeifieation[EB/OL].(2006-8-25)[2010-5-4].http：//www.C51rf.com/download/read.aspx?id=4.
[3] 王延年，穆文靜.基于ZigBee的無線信號采集傳輸系統的研究[J].西安工程大學學報，2010，24(4)：510-515.
[4] 喬大雷，夏士雄，楊松，等.基于ARM9的嵌入式ZigBee網關設計與實現[J].微計算機信息，2007，23(12-2)：156-158.