摘 要： 針對ZigBee傳輸距離短的不足，結合以太網的遠程特性，設計了基于ARM平臺的ZigBee網關。硬件采用STM32處理器和ZigBee CC2530，在操作系統μC/OS-II的基礎上實現TCP/IP協議和ZigBee協議的移植。經測試，該網關通用性好，實現了ZigBee與ARM數據通信，通過以太網實現了數據的遠程監測。
關鍵詞： ZigBee；μC/OS-II；以太網；網關
無線傳感網絡WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在監測區域內的大量廉價微型傳感器節點組成的、通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。ZigBee憑借低功耗、短延時、自組網等優勢已廣泛應用于無線傳感器網絡中，但如何實現ZigBee網絡的遠程管理和監測逐漸成為該領域的重要研究課題。本文設計了基于ARM平臺的ZigBee網關，其目的是實現ZigBee無線網絡的遠程控制。
1 系統概述
網關主要由無線傳感器和以太網服務器兩部分組成。無線傳感器選用ZigBee CC2530；以太網服務器以STM32作為主處理器，通過串口(UART)連接以太網控制器ENC28J60。
網關總體結構由三部分組成，即硬件層、軟件層和應用層[1]，如圖1所示。硬件層描述了網關中的處理器和無線傳感等硬件；軟件層是移植μC/OS-II實時內核、嵌入式TCP/IP協議棧LwIP和ZigBee協議棧，實現TCP/IP和ZigBee兩種協議棧間協議的雙向透明轉換，同時封裝一些關鍵應用程序接口（API）函數供應用層程序調用；應用層是用戶根據具體的數據要求編寫的應用程序，用戶根據實際需要使用下層定義的API函數自行擴充相關應用。
2 網關硬件設計
網關的工作流程為：網關內的ZigBee協調器創建一個無線網路，控制區域內ZigBee節點自動搜尋網絡，并加入到網絡中；當需要遠程監控計算機獲得某一個節點的數據或者發送某一個指令給節點時，只需向以太網口發送相應的節點地址和指令即可；網關以太網接口獲得遠程計算機的命令后，就會通過處理器的協議轉換通知ZigBee協調器向相應的傳感器節點發送指令；傳感器節點收到命令后按照指令執行操作，并把數據按相反的路徑發送給遠程監測計算機。網關的硬件結構如圖2所示。
其中，微處理器通過SPI方式與ZigBee和以太網控制器通信，ZigBee節點是監測區域內的傳感器節點，自動加入協調器建立的網路中。
2.1 硬件選擇
考慮到高性能、低成本等因素，網關選用基于Cortex-M3內核的STM32F103作為主處理器。此系列處理器是增強型處理器，工作頻率達到72 MHz，內置高速存儲器(高達128 KB的閃存和20 B的SRAM)接口。集成了許多緊耦合系統外設，能滿足下一代產品的控制需求。調試模式有串口調試和JTAG接口，本文中采用串口調試方式，節省了開銷。多個通信接口：2個I2C接口(SMBus/PMBus)、5個USART接口、3個SPI接口等。這些特性足以滿足本網關設計的要求。
CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。低功耗、短延時，以非常低的總成本建立龐大的網絡節點等特性成為無線傳感網絡重要技術之一，并且結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內具有可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能。2個USART接口，調試接口用于內部電路調試，具有兩線串行接口。
2.2 STM32與CC2530的硬件連接
STM32處理器與CC2530的硬件連接[2]如表1所示。
3 網關軟件設計
本文設計的網關，按軟件平臺可分為運行在ZigBee無線模塊中的ZigBee協議棧程序和運行在主處理器STM32中的嵌入式以太網服務器程序兩部分。其中在STM32中移植?滋C/OS-II實時操作系統，兩個不同的網絡使用兩類協議，即TCP/IP協議和ZigBee協議。
3.1 ZigBee協議棧
ZigBee協調器中運行ZigBee協議棧程序，協議棧采用Z-Stack 2007，其結構包括應用層、網絡層、媒介訪問控制層和物理層。可以說Z-Stack是一個小型的操作系統，底層和網絡層內容已經封裝好，只需根據需要修改應用層函數，通過任務輪詢機制執行任務。
3.2 μC/0S-II下LwIP的移植
LwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的DUNKELS A等開發的一個小型開源的TCP/IP協議棧，實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十KB RAM和40 KB左右的ROM就可以運行，使得LwIP協議棧適合應用在低端嵌入式系統中。
LwIP協議棧把所有與硬件、OS、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，因此LwIP在?滋C/OS-II上的移植實現只需要修改這個目錄下的文件。LwIP成功移植到μC/OS-II操作系統需要修改和編程的部分[3]：
(1)修改與STM32及IAR編譯器相關的include文件（cc.h、cpu.h、perf.h）；
(2)修改與μC/OS-II相關的一些結構和函數；
(3)lib_arch中庫函數的實現；
(4)STM32網絡驅動程序編寫；
(5)μC/OS-II模擬層相關代碼編寫。
完成上面的幾個部分后就可以在?滋C/0S-II中初始化LwIP，并創建TCP或UDP任務。LwIP的初始化必須在μC/0SII完全啟動之后(即在任務中)進行，因為它的初始化用到了信號量等 OS相關的操作。關鍵代碼和說明如下：
main(){
OSInit()；
OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo11, &lwip_init_stk
[TASK_STK_SIZE-1], 0)；
OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_
SIZE-1],1)；
OSStart()；
}
3.3 協議轉換軟件設計
如何使得節點間數據交換透明化是網關應用程序的主要問題，需要設計協議轉換。在TCP/IP協議簇中，以太網的數據傳輸使用硬件地址（MAC）來識別，地址解析協議（ARP）完成IP地址和數據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換，參考TCP/IP下的實現機制，在網關軟件支持層的ZigBee協議和TCP/IP協議之上添加應用地址適配層和應用協議層。軟件結構[4]如圖3所示。
應用地址適配層實現ZigBee地址、以太網地址與應用層地址的映射關系，通過創建地址映射表以及相應的軟件操作接口來實現；應用協議層在應用地址適配層的基礎上，通過制定統一的應用協議，規范數據交換格式；網關應用程序實現網關具體功能，以μC/OS-II任務的形式組織運行。
3.4 μC/OS-II操作系統
μC/OS-II是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統，包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。
3.4.1 系統移植
在STM32微處理器平臺上移植?滋C/OS-II只需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C 3個文件。OS_CPU.H中修改聲明中與微處理器相關的常量、宏和typedef；OS_CPU_A.ASM中實現五個與處理器相關的函數：OS_CPU_SR_Save( )、OS_CPU_SR_Restore( )、OSStart-HighRdy( )、OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( )；OS_CPU_C.C中有9個鉤子函數(空函數)和一個OSTaskStkInit( )函數，OSTask-StkInit( )函數功能是完成新建任務堆棧的初始化。
3.4.2 網關任務函數
網關應用程序是以μC/OS-II任務的形式組織運行的，μC/OS-II中主要任務是接收和處理以太網的指令，實現以太網和ZigBee節點間通信。系統中的主要任務函數包括：以太網數據接收任務TaskEthernetRec（）、以太網數據處理任務TaskDealEthernet（）、以太網數據發送任務TaskEthernetSend（）、ZigBee數據接收任務TaskZigBeeRec（）、ZigBee數據處理任務TaskDealZigBee（）和ZigBee數據發送任務TaskZigBeeSend（）。
任務之間的數據共享通過多個數據隊列實現，主要數據隊列包括：以太網數據接收緩沖隊列QueueEthernetRec（）、以太網數據發送緩沖隊列QueueEthernetSend（）、ZigBee數據接收緩沖隊列QueueZigBeeRec（）及ZigBee數據發送緩沖隊列QueueZigBeeSend（）。
通過本網關對兩個ZigBee節點采集的溫度數據進行簡單的控制，取得了理想的控制效果。網關的設計彌補了ZigBee通信距離短的不足，利用低功耗、高性能的STM32微處理器，實現了ZigBee短距離通信的遠程控制，增加了ZigBee網絡應用的廣泛性。軟件部分采用?滋C/OS-II操作系統，方便移植到更高性能的ARM9處理器上。該網關所具有靈活性使其可應用在多種不同的工業控制現場，具有較強的實用性。
參考文獻
[1] 張帥華，楊遠，梁玉堂，等.基于AT91SAM9260的ZigBee工業以太網網關設計[J].微計算機信息，2011，27(8)：113-114.
[2] 徐琰，馬忠梅.LM3S1138與CC2420的無線傳感器網絡通信[J].單片機與嵌入式系統應用，2009(10)：18-20.
[3] 喬大雷，夏士雄，楊松.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.
[4] 甘勇，王華，常亞軍，等.基于ARM平臺的ZigBee網關設計[J].通信技術，2009，42(1)：199-201.