摘 要： 針對ZigBee傳輸距離短的不足，結(jié)合以太網(wǎng)的遠(yuǎn)程特性，設(shè)計了基于ARM平臺的ZigBee網(wǎng)關(guān)。硬件采用STM32處理器和ZigBee CC2530，在操作系統(tǒng)μC/OS-II的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議的移植。經(jīng)測試，該網(wǎng)關(guān)通用性好，實(shí)現(xiàn)了ZigBee與ARM數(shù)據(jù)通信，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
關(guān)鍵詞： ZigBee；μC/OS-II；以太網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)
無線傳感網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的大量廉價微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成的、通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。ZigBee憑借低功耗、短延時、自組網(wǎng)等優(yōu)勢已廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，但如何實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)測逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。本文設(shè)計了基于ARM平臺的ZigBee網(wǎng)關(guān)，其目的是實(shí)現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。
1 系統(tǒng)概述
網(wǎng)關(guān)主要由無線傳感器和以太網(wǎng)服務(wù)器兩部分組成。無線傳感器選用ZigBee CC2530；以太網(wǎng)服務(wù)器以STM32作為主處理器，通過串口(UART)連接以太網(wǎng)控制器ENC28J60。
網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)由三部分組成，即硬件層、軟件層和應(yīng)用層[1]，如圖1所示。硬件層描述了網(wǎng)關(guān)中的處理器和無線傳感等硬件；軟件層是移植μC/OS-II實(shí)時內(nèi)核、嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP和ZigBee協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)TCP/IP和ZigBee兩種協(xié)議棧間協(xié)議的雙向透明轉(zhuǎn)換，同時封裝一些關(guān)鍵應(yīng)用程序接口（API）函數(shù)供應(yīng)用層程序調(diào)用；應(yīng)用層是用戶根據(jù)具體的數(shù)據(jù)要求編寫的應(yīng)用程序，用戶根據(jù)實(shí)際需要使用下層定義的API函數(shù)自行擴(kuò)充相關(guān)應(yīng)用。
2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計
網(wǎng)關(guān)的工作流程為：網(wǎng)關(guān)內(nèi)的ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個無線網(wǎng)路，控制區(qū)域內(nèi)ZigBee節(jié)點(diǎn)自動搜尋網(wǎng)絡(luò)，并加入到網(wǎng)絡(luò)中；當(dāng)需要遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)獲得某一個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或者發(fā)送某一個指令給節(jié)點(diǎn)時，只需向以太網(wǎng)口發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址和指令即可；網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)接口獲得遠(yuǎn)程計算機(jī)的命令后，就會通過處理器的協(xié)議轉(zhuǎn)換通知ZigBee協(xié)調(diào)器向相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送指令；傳感器節(jié)點(diǎn)收到命令后按照指令執(zhí)行操作，并把數(shù)據(jù)按相反的路徑發(fā)送給遠(yuǎn)程監(jiān)測計算機(jī)。網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。
其中，微處理器通過SPI方式與ZigBee和以太網(wǎng)控制器通信，ZigBee節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，自動加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)路中。
2.1 硬件選擇
考慮到高性能、低成本等因素，網(wǎng)關(guān)選用基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103作為主處理器。此系列處理器是增強(qiáng)型處理器，工作頻率達(dá)到72 MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達(dá)128 KB的閃存和20 B的SRAM)接口。集成了許多緊耦合系統(tǒng)外設(shè)，能滿足下一代產(chǎn)品的控制需求。調(diào)試模式有串口調(diào)試和JTAG接口，本文中采用串口調(diào)試方式，節(jié)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(wǎng)關(guān)設(shè)計的要求。
CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)（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(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等特性成為無線傳感網(wǎng)絡(luò)重要技術(shù)之一，并且結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)具有可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。2個USART接口，調(diào)試接口用于內(nèi)部電路調(diào)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(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計
本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)，按軟件平臺可分為運(yùn)行在ZigBee無線模塊中的ZigBee協(xié)議棧程序和運(yùn)行在主處理器STM32中的嵌入式以太網(wǎng)服務(wù)器程序兩部分。其中在STM32中移植?滋C/OS-II實(shí)時操作系統(tǒng)，兩個不同的網(wǎng)絡(luò)使用兩類協(xié)議，即TCP/IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議。
3.1 ZigBee協(xié)議棧
ZigBee協(xié)調(diào)器中運(yùn)行ZigBee協(xié)議棧程序，協(xié)議棧采用Z-Stack 2007，其結(jié)構(gòu)包括應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng)，底層和網(wǎng)絡(luò)層內(nèi)容已經(jīng)封裝好，只需根據(jù)需要修改應(yīng)用層函數(shù)，通過任務(wù)輪詢機(jī)制執(zhí)行任務(wù)。
3.2 μC/0S-II下LwIP的移植
LwIP是瑞士計算機(jī)科學(xué)院（Swedish Institute of Computer Science）的DUNKELS A等開發(fā)的一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎(chǔ)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(yùn)行，使得LwIP協(xié)議棧適合應(yīng)用在低端嵌入式系統(tǒng)中。
LwIP協(xié)議棧把所有與硬件、OS、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來，放在/src/arch目錄下，因此LwIP在?滋C/OS-II上的移植實(shí)現(xiàn)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(tǒng)需要修改和編程的部分[3]：
(1)修改與STM32及IAR編譯器相關(guān)的include文件（cc.h、cpu.h、perf.h）；
(2)修改與μC/OS-II相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)；
(3)lib_arch中庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)；
(4)STM32網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動程序編寫；
(5)μC/OS-II模擬層相關(guān)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(chuàng)建TCP或UDP任務(wù)。LwIP的初始化必須在μC/0SII完全啟動之后(即在任務(wù)中)進(jìn)行，因?yàn)樗某跏蓟玫搅诵盘柫康?OS相關(guān)的操作。關(guān)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(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計
如何使得節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)交換透明化是網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序的主要問題，需要設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)換。在TCP/IP協(xié)議簇中，以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸使用硬件地址（MAC）來識別，地址解析協(xié)議（ARP）完成IP地址和數(shù)據(jù)鏈路層使用的硬件地址之間的轉(zhuǎn)換，參考TCP/IP下的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，在網(wǎng)關(guān)軟件支持層的ZigBee協(xié)議和TCP/IP協(xié)議之上添加應(yīng)用地址適配層和應(yīng)用協(xié)議層。軟件結(jié)構(gòu)[4]如圖3所示。
應(yīng)用地址適配層實(shí)現(xiàn)ZigBee地址、以太網(wǎng)地址與應(yīng)用層地址的映射關(guān)系，通過創(chuàng)建地址映射表以及相應(yīng)的軟件操作接口來實(shí)現(xiàn)；應(yīng)用協(xié)議層在應(yīng)用地址適配層的基礎(chǔ)上，通過制定統(tǒng)一的應(yīng)用協(xié)議，規(guī)范數(shù)據(jù)交換格式；網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)關(guān)具體功能，以μC/OS-II任務(wù)的形式組織運(yùn)行。
3.4 μC/OS-II操作系統(tǒng)
μC/OS-II是一種免費(fèi)公開源代碼、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時內(nèi)核的實(shí)時操作系統(tǒng)，包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。
3.4.1 系統(tǒng)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(guān)的常量、宏和typedef；OS_CPU_A.ASM中實(shí)現(xiàn)五個與處理器相關(guān)的函數(shù)：OS_CPU_SR_Save( )、OS_CPU_SR_Restore( )、OSStart-HighRdy( )、OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( )；OS_CPU_C.C中有9個鉤子函數(shù)(空函數(shù))和一個OSTaskStkInit( )函數(shù)，OSTask-StkInit( )函數(shù)功能是完成新建任務(wù)堆棧的初始化。
3.4.2 網(wǎng)關(guān)任務(wù)函數(shù)
網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序是以μC/OS-II任務(wù)的形式組織運(yùn)行的，μC/OS-II中主要任務(wù)是接收和處理以太網(wǎng)的指令，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)和ZigBee節(jié)點(diǎn)間通信。系統(tǒng)中的主要任務(wù)函數(shù)包括：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收任務(wù)TaskEthernetRec（）、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)TaskDealEthernet（）、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)TaskEthernetSend（）、ZigBee數(shù)據(jù)接收任務(wù)TaskZigBeeRec（）、ZigBee數(shù)據(jù)處理任務(wù)TaskDealZigBee（）和ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)TaskZigBeeSend（）。
任務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享通過多個數(shù)據(jù)隊(duì)列實(shí)現(xiàn)，主要數(shù)據(jù)隊(duì)列包括：以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收緩沖隊(duì)列QueueEthernetRec（）、以太網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖隊(duì)列QueueEthernetSend（）、ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖隊(duì)列QueueZigBeeRec（）及ZigBee數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖隊(duì)列QueueZigBeeSend（）。
通過本網(wǎng)關(guān)對兩個ZigBee節(jié)點(diǎn)采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的控制，取得了理想的控制效果。網(wǎng)關(guān)的設(shè)計彌補(bǔ)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(shí)現(xiàn)了ZigBee短距離通信的遠(yuǎn)程控制，增加了ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣泛性。軟件部分采用?滋C/OS-II操作系統(tǒng)，方便移植到更高性能的ARM9處理器上。該網(wǎng)關(guān)所具有靈活性使其可應(yīng)用在多種不同的工業(yè)控制現(xiàn)場，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。
參考文獻(xiàn)
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