基于ARM9的嵌入式Zigbee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)是指由大量成本相對(duì)低廉的，具有感知能力、計(jì)算能力、實(shí)時(shí)通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)組成的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)，是當(dāng)前眾多領(lǐng)域的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))上的Zigbee協(xié)議是應(yīng)用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的首選技術(shù)之一。

隨著Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，如何通過現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（如Internet、GPRS等）對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程管理、控制感測環(huán)境中的各種傳感裝置，逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題。圖1給出了基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如圖示Zigbee網(wǎng)關(guān)在整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系中起著重要的樞紐作用，同時(shí)也是WSN整體系統(tǒng)的“瓶頸”之一。當(dāng)圖1中的服務(wù)器或用戶部分為其它Zigbee網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過Zigbee網(wǎng)關(guān)和Internet或GPRS做媒介，就使得世界范圍內(nèi)的不同監(jiān)測區(qū)域都可以信息共享，這大大縮小了物理世界的時(shí)空距離。

圖1 基于Zigbee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

本文主要研究的是Internet環(huán)境下基于Zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)概述

網(wǎng)關(guān)是建立在傳輸層以上的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通常它連接兩個(gè)或多個(gè)相互獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，每接收一種協(xié)議的數(shù)據(jù)包后，在轉(zhuǎn)發(fā)之前將它轉(zhuǎn)換為另一種協(xié)議的格式。考慮到Zigbee節(jié)點(diǎn)的通信能力有限(數(shù)據(jù)速率僅為250 Kbps)，為了減少網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換自身的工作量，本網(wǎng)關(guān)選擇了一款集成Ethernet接口的ARM9 芯片來完成硬件系統(tǒng)的搭建。

本網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，如圖2所示由硬件層、軟件層和應(yīng)用層三大部分組成。其中硬件層描述了網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)，在后文將詳細(xì)介紹；軟件層移植μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核、Zigbee和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP，實(shí)現(xiàn)了Zigbee和TCP/IP協(xié)議的雙向透明轉(zhuǎn)換，同時(shí)封裝一些關(guān)鍵API函數(shù)供應(yīng)用層程序調(diào)用；應(yīng)用層運(yùn)行的是用戶編寫的應(yīng)用程序，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要使用下層定義的API自行擴(kuò)充相關(guān)應(yīng)用。

圖2 Zigbee網(wǎng)關(guān)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，由內(nèi)部集成以太網(wǎng)MAC的ARM9處理器STR912FW44X、Zigbee射頻收發(fā)模塊CC2420、大容量DataFlash存儲(chǔ)卡片AT45DCB008、以太網(wǎng)收發(fā)芯片(PHY) RTL8201和帶觸摸功能的LCD顯示模塊LQ084V1DG21等模塊組成。

圖3 Zigbee網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

其中STR912FW44X作為硬件系統(tǒng)的主控芯片，它是意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）推出的基于ARM966E-S內(nèi)核，片內(nèi)集成Flash、USB、CAN、以太網(wǎng)MAC、AC馬達(dá)控制、ADC、RTC、DMA等接口的高性能ARM9 SOC，最高主頻可達(dá)96Mhz；

Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2420是挪威Chipcon（現(xiàn)為TI）推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee 標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。CC2420采用O-QPSK調(diào)制方式，工作頻帶范圍為2.400～2. 4835 GHz，接收靈敏度為-94 dBm，抗鄰頻道干擾能力為39 dB。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 Kbps，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)；

AT45DCB008是Atmel公司推出的新型DataFlash存儲(chǔ)芯片，在該網(wǎng)關(guān)中用來保存網(wǎng)絡(luò)故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)信息。AT45DCB008中的數(shù)據(jù)按頁存放，主存共8192頁，每頁1024字節(jié),總?cè)萘考s為8M字節(jié)，每頁的擦寫次數(shù)保證在100,000次以上；

以太網(wǎng)PHY層芯片采用的是Realtek公司的RTL8201BL，它是一個(gè)單端口的物理層收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)了全部的10/100M以太網(wǎng)物理層功能；

顯示部分采用的LQ084V1DG21是SHARP公司的帶觸摸屏8.4英寸TFT數(shù)字液晶顯示屏，分辨率為640480。

3 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

3.1 μC/OS-II下的LwIP的移植

μC/OS-II是一個(gè)搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核操作系統(tǒng)，具有開放源碼、可固化、可剪裁、高穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。目前國內(nèi)外對(duì)μC/OS-II的相關(guān)研究已有很多，其在STR912處理器上的移植在此不再贅述。LwIP是瑞士計(jì)算機(jī)科學(xué)院開發(fā)的輕量級(jí)（Light Weight）開放源碼TCP/IP協(xié)議棧，目前最新版本為1.2.0

LwIP協(xié)議棧把所有與硬件相關(guān)、OS、編譯器相關(guān)的部分獨(dú)立出來，放在/src/arch目錄下，可以是說其在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了移植問題。LwIP在μC/OS-II上的移植就是修改這個(gè)目錄下的文件，其它的文件一般不做修改。需要修改和自己編程實(shí)現(xiàn)的是以下幾部分：

●與STR912及IAR編譯器相關(guān)的include文件；

●μC/OS-II模擬層相關(guān)代碼編寫；

●與μC/OS-II相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)；

●lib_arch中庫函數(shù)的實(shí)現(xiàn)；

●STR912網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)程序編寫。

完成以上代碼移植的工作后，LwIP就可以順利運(yùn)行在μC/OS-II下，主要通過以下程序完成LwIP的初始化及運(yùn)行：

main（）{

OSInit()；//μC/OS-II初始化

OSTaskCreate(lwip_init_task,LineNo11,lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0)； //創(chuàng)建LwIP初始化任務(wù)

OSTaskCreate(usr_task,LineNo12,usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1)；//創(chuàng)建用戶任務(wù)

OSStart()；//啟動(dòng)LwIP }

在main函數(shù)中創(chuàng)建了lwip_init_task來初始化LwIP任務(wù)（優(yōu)先級(jí)為0）和usr_task用戶任務(wù)（優(yōu)先級(jí)為1）。需要指出的是，在lwip_init_task任務(wù)中除了完成初始化硬件時(shí)鐘和LwIP本身等工作之外，還創(chuàng)建了tcpip_thread（優(yōu)先級(jí)為5）和tcpecho_thread（優(yōu)先級(jí)為6），其中tcpip_thread才是LwIP的主線程，也是應(yīng)該先創(chuàng)建的。

3.2 μC/OS-II下的Zigbee協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)

我們在該網(wǎng)關(guān)平臺(tái)上運(yùn)行自主編寫Zigbee協(xié)議棧的子集ez_PAN。ez_PAN目前還很不完善，只實(shí)現(xiàn)了Zigbee的部分關(guān)鍵功能，僅支持星型和簇狀網(wǎng)絡(luò)(Cluster)，支持網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)組網(wǎng)配置和動(dòng)態(tài)綁定等。ez_PAN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 ez_PAN協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

下面給出ez_PAN 協(xié)議棧上的協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）和精簡節(jié)點(diǎn)（RFD）實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵代碼。Coordinator通過aplFormNetwork()函數(shù)建立網(wǎng)絡(luò)，等待其它節(jié)點(diǎn)（Router和RFD）的加入，主要程序如下：

Main（）

{

halInit()； //初始化 HAL 層

hawInit()；//硬件初始化

aplInit()； //初始化APL

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT()； //開中斷

aplFormNetwork()； //建立網(wǎng)絡(luò)

while(apsBusy)()) {apsFSM()；} //等待建立完成

while(1) {apsFSM()；} //循環(huán)執(zhí)行協(xié)議棧

}

其中調(diào)用apsBusy()來判斷當(dāng)前協(xié)議棧是否忙于其它程序調(diào)用，apsFSM()是在APS層上實(shí)現(xiàn)的FSM(有限狀態(tài)機(jī))，被apsBusy周期調(diào)用來維持ez_PAN的運(yùn)行。在Coordinator建立網(wǎng)絡(luò)完成后，允許Router或RFD節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入，關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)如下：

do {

aplJoinNetwork()；//Router或RFD加入網(wǎng)絡(luò)

while(apsBusy ()) { apsFSM()；} //等待加入完成

} while (aplGetStatus ()! =LRWPAN_SUCCESS)；

3.3 協(xié)議轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

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)來進(jìn)行識(shí)別，其中ARP（地址解析協(xié)議）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，因此為了保證Zigbee網(wǎng)關(guān)在以太網(wǎng)中的通信，首先要實(shí)現(xiàn)ARP協(xié)議的功能。Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)理論上最多可達(dá)65536個(gè)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)同樣有自己唯一的MAC地址(64位長地址或16位短地址)。參考TCP/IP下的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，我們實(shí)現(xiàn)了Zigbee協(xié)議中的適配層和ARP，實(shí)現(xiàn)IP地址到Zigbee節(jié)點(diǎn)地址的映射。協(xié)議轉(zhuǎn)換的工作原理如圖5所示，下面簡單描述一下數(shù)據(jù)包在網(wǎng)關(guān)中從Ethernet向Zigbee單方向轉(zhuǎn)換過程：Ethernet端從某網(wǎng)絡(luò)接口接收一個(gè)正常發(fā)往本機(jī)的IP數(shù)據(jù)包，簡單判斷后向上發(fā)給對(duì)應(yīng)的UDP或TCP處理函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)處理，然后再向上發(fā)給網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序處理；網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序經(jīng)過簡單分析后，確定要轉(zhuǎn)發(fā)給Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)，通過Zigbee端的ARP解析出該節(jié)點(diǎn)在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的MAC地址，然后將相應(yīng)數(shù)據(jù)包成功交至該節(jié)點(diǎn)，這樣就完成此次從Ethernet向Zigbee端的協(xié)議轉(zhuǎn)換。Zigbee向Ethernet端轉(zhuǎn)換類似，不再贅述。

圖5 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換框圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)已在我們的“基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的煤礦井下定位跟蹤系統(tǒng)”項(xiàng)目中得以實(shí)用，取得了較好的效果。經(jīng)測試該網(wǎng)關(guān)具有效率高、響應(yīng)實(shí)時(shí)、可靠性高、功耗低，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時(shí)具有很好的通用性。由于當(dāng)前Zigbee技術(shù)還在不斷的更新和完善中，如何跟蹤最新的Zigbee技術(shù)來提高網(wǎng)關(guān)的性能以及如何提高ez_PAN的多平臺(tái)可移植性，將是我們以后研究的重點(diǎn)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：采用集成Ethernet (MAC)接口的ARM9芯片STR912作為核心擴(kuò)展設(shè)計(jì)了一個(gè)Zigbee網(wǎng)關(guān)，它很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下Zigbee傳輸速率的瓶頸，大大降低了協(xié)議轉(zhuǎn)換過程中的資源和處理時(shí)間消耗。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)思路、技術(shù)實(shí)現(xiàn)新穎，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] Zigbee specification v1.1. Zigbee Alliance.http://www.zigbee.org,2006

[2] LwIP v1.2.0 source code. Leon Woestenberg.http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/, 2006

[3] Patrick Kinney, Kinney Consulting LLC.Gateways: Beyond the Sensor Network .Zigbee Alliance, 2005

[4] http://www.ece.msstate.edu/~reese/msstatePAN/, 2006

[5] 趙晨,何波,王睿.基于射頻芯片CC2420實(shí)現(xiàn)的Zigbee無線通信設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007(1-2):P101-102