基于ZigBee技術的溫室監(jiān)控系統(tǒng)網關設計方案

　引言

　　溫室監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)測室內溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數，以便做出相應調整，使作物處于最佳環(huán)境中生長?，F(xiàn)有的無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)大多在無線局域網絡覆蓋范圍內進行環(huán)境信息監(jiān)測，傳輸范圍有限，且功耗和成本較高。

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術。2節(jié)5號電池即可使ZigBee射頻芯片工作6～24個月。

　　本設計采用ZigBee技術組建無線局域網，并通過網關接人到以太網。不但很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效擴展了數據的傳輸范圍。

　　1 系統(tǒng)設計

　　溫室監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點、嵌入式網關、人機交互界面3個部分組成。無線傳感節(jié)點通過連接傳感器來獲得相應的環(huán)境參數，并將數據發(fā)送至網關節(jié)點。嵌入式網關承擔網絡管理的功能，主要負責組建ZigBee無線網絡并將傳感節(jié)點傳回的數據上傳至以太網中。人機交互界面的作用是將這些數據實時地顯示在網頁上，也可以通過網頁進行遠程控制。

圖1 溫室監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖

　　無線局域網中的各傳感器節(jié)點采集溫度、濕度、C02濃度等環(huán)境信息，經網關處理后，監(jiān)控終端計算機通過IE瀏覽器即可訪問這些數據，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控環(huán)境信息。

　　2 硬件設計

　　整個系統(tǒng)涉及ZigBee網絡和以太網，為了使2個網絡能相互通信，需要建立網關。本文用嵌入式BOA服務器作為2個網絡的信息中轉站，以實現(xiàn)網關的功能。BOA服務器是一個小巧高效的Web服務器，運行于Unix或Linux系統(tǒng)下，支持CGI的、適合用于嵌入式系統(tǒng)的單任務的HTTP服務器。

　　2.1 網關硬件設計

　　嵌入式BOA服務器可以在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持下進行設計。網關硬件結構如圖2所示。

圖2 網關硬件結構

　　網關硬件包括如下部分：

　　①S3C2440A，Samsung公司的一款基于ARM920T內核的32位RISC嵌入式微處理器，運行頻率可達400 MHz。

　?、?56MB Flash，存儲Bootloader和Linux操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)。

　?、?4MB SDRAM，作為系統(tǒng)運行時的程序和數據存儲器。

　?、蹹M9000A網絡控制器，提供以太網連接功能，以滿足用戶通過TCP／IP以太網進行實時的數據交互。

　?、軯TAG仿真調試接口，支持ADS等集成開發(fā)環(huán)境利用JTAG調試接口對整個硬件電路進行軟件開發(fā)和調試。

　?、轚ART接口，連接CC2430射頻芯片以實現(xiàn)ZigBee無線局域網絡與以太網的互聯(lián)。

　　2.2 ZigBee節(jié)點硬件設計

　　ZigBee節(jié)點硬件結構如圖3所示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構成。

圖3 ZigBee節(jié)點硬件結構

　　CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器內核和工業(yè)標準的增強型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。

　　將相應的傳感器與CC2430的I／O引腳連接，可測得所需的溫室環(huán)境參數，并通過ZjgBee無線網絡進行傳輸。本系統(tǒng)在每個ZigBee節(jié)點上分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和CO2傳感器來監(jiān)測不同節(jié)點處相應的環(huán)境信息。

　　3 軟件設計

　　本設計基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過編寫DM9000A網卡驅動和UART異步串口驅動實現(xiàn)以太網與ZigBee網絡的互聯(lián)。

　　網關的分層結構如圖4所示。在TCP／IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議上分別開發(fā)Web、CGI程序以及無線收發(fā)程序。Web、CGI程序用于人機交互界面，無線收發(fā)程序用來實現(xiàn)ZigBee網絡的通信。

圖4 網關的分層結構圖

　　CGI（Common Gateway Interface）規(guī)定Web服務器調用其他程序的接口協(xié)議標準，提供給Web服務器一個執(zhí)行外部程序的通道。這種服務端技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序屬于一個外部程序，編譯成可執(zhí)行文件后，可以在服務端運行。通過調用CGI程序可實現(xiàn)Web服務器與Web瀏覽器的交互，CGI程序接收Web瀏覽器發(fā)送給Web服務器的控制命令，并進行處理，再將響應結果回送給Web服務器及Web瀏覽器。

　　由于BOA服務器搭建在Linux系統(tǒng)之上，因此需要將嵌入式Linux系統(tǒng)移植到S3C2440芯片上。

　　3.1 移植Bootloader

　　Bootloader是在操作系統(tǒng)內核運行之前執(zhí)行的一小段程序，通過這段程序初始化硬件設備。Bootloader可移植性強，只要根據硬件資源修改少量代碼即可直接使用。

　　3.2 移植Linux內核

　　Linux內核是嵌入式操作系統(tǒng)的核心，內核移植包括內核配置、內核編譯、內核下載3個部分。嵌入式設備主要用NAND Flash作為存儲器，NAND Flash容量有限，因此在配置內核時需要裁減一些不需要的功能以減小內核的體積。由于要將編譯好的Linux內核映像和文件系統(tǒng)映像燒寫到NAND Flash中，因此設置NAND Flash分區(qū)。本項目采用256 MB的NAND Flash，將其分為3個區(qū)：0區(qū)為Bootloader分區(qū)，1區(qū)為內核分區(qū)，2區(qū)為根文件系統(tǒng)分區(qū)。內核配置完成后執(zhí)行make zImage命令生成Linux內核映像文件，然后將內核映像文件下載至NAND Flash的內核分區(qū)上。

　　3.3 移植根文件系統(tǒng)和BOA服務器

　　根文件系統(tǒng)是嵌入式Linux系統(tǒng)啟動的重要組成部分，也是用戶應用程序的載體。本方案采用busybox制作yaffs2文件系統(tǒng)，并在文件系統(tǒng)中加入BOA服務器。BOA是一款單任務的HTTP服務器，當有連接請求到來時，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它為CGI程序創(chuàng)建新的進程。

　　移植好BOA服務器后，在文件系統(tǒng)中建立／var／www／cgi-bin文件夾，此文件夾用于存放靜態(tài)網頁和CGI程序。

　　3.4 網關軟件設計

　　網關軟件程序流程如圖5所示。S3C2440通過I／O端口觸發(fā)CC2430，使其無線發(fā)送相應的指令，遠程控制傳感器節(jié)點進行數據采集。采集到的數據通過UART串口傳回S3C2440并上傳至嵌入式BOA服務器。用戶通過IE瀏覽器就可以實時采集到相應的環(huán)境信息。

圖5 網關軟件程序流程圖

　　傳感節(jié)點采集到的數據最終將上傳至嵌入式BOA服務器上，用戶可通過IE瀏覽器訪問服務器IP地址來監(jiān)測溫室的環(huán)境信息，監(jiān)測網頁如圖6所示。

圖6 監(jiān)測網頁

　　結語

　　本文基于S3C2440平臺和Linux操作系統(tǒng)提出了一種ZigBee網關的設計方法，并給出了硬件和軟件的實現(xiàn)方法，實現(xiàn)了ZigBee無線局域網絡與以太網的數據互通。該網關成功地用于溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，具有穩(wěn)定性好、實時性強、可遠距離監(jiān)控等特點。