基于ARM與ZigBee的嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

基于ARM與ZigBee的嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)房好帥李楠王慧娟(北華航天工業(yè)學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系,河北廊坊065000摘要:針對(duì)ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的需求,設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種嵌入式網(wǎng)關(guān),采用S3C2440AARM芯片與CC2431ZigBee芯片作為核心,擴(kuò)展多個(gè)功能模塊構(gòu)成硬件平臺(tái),軟件方面移植Linux作為嵌入式操作系統(tǒng),Lighttpd作為嵌入式Web服務(wù)器,Sqlite作為嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)CGI技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶與嵌入式Web服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互,網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中的S3C2440A芯片與Sink節(jié)點(diǎn)的CC2431芯片之間采用串口進(jìn)行通信,具有無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理、存儲(chǔ)及遠(yuǎn)程查詢的功能,從而實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)Internet協(xié)議網(wǎng)絡(luò)與ZigBee協(xié)議無(wú)線網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換。關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)關(guān);ARM;ZigBee;CGI中圖分類號(hào):TP393.05文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1673-7938(201003-0023-04基金項(xiàng)目:北華航天工業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(KY200810收稿日期:2009-12-290引言無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成,通過(guò)無(wú)線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際使用時(shí),很多情況下用戶需要進(jìn)行有關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的查詢和控制,故需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò),通常是傳統(tǒng)的Internet協(xié)議網(wǎng)絡(luò)如通過(guò)Http協(xié)議,提供用戶對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問(wèn),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的作用如圖1所示。圖1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)通過(guò)本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān),用戶可以通過(guò)連上Internet的監(jiān)控機(jī)查看無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)以及向監(jiān)控區(qū)域的節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令。在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上部署Http服務(wù)器,通過(guò)開(kāi)發(fā)CGI程序,一方面可以響應(yīng)用戶使用瀏覽器發(fā)出的Http請(qǐng)求,另一方面CGI程序通過(guò)調(diào)用底層的串行接口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與Sink節(jié)點(diǎn)的通信;同時(shí)在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù),可實(shí)現(xiàn)保存歷史數(shù)據(jù)及閾值數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)一定時(shí)間內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)查詢和超過(guò)閾值自動(dòng)報(bào)警功能。1硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件部分核心CPU采用Samsung公司的主流ARM9處理器S3C2440A,基于ARM920T內(nèi)核,主頻為400MHz,帶MMU(內(nèi)存管理單元,片上資源豐富,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行硬件擴(kuò)展如圖2所示。圖2基于S3C2440A的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)(1S3C2440A芯片選用UART0(TxD0、RxD0、nRTS0、nCTS0引腳與Sink節(jié)點(diǎn)的串口連接引腳,為完成CMOS與EIA電平轉(zhuǎn)換,采用MAX3232C芯片轉(zhuǎn)換,這樣串行通信線路上采用EIA電平,使用標(biāo)準(zhǔn)的RS232C接口,可提高通信線路抗干擾能力;(2電源接口電路作用為給CPU和I/O進(jìn)行供電和進(jìn)行復(fù)位,采用DC5V穩(wěn)壓電源進(jìn)行供電,經(jīng)兩個(gè)穩(wěn)壓芯片產(chǎn)生3.3V和2.5V的電壓輸出,復(fù)位電路采用簡(jiǎn)單的RC電路產(chǎn)生復(fù)位信號(hào);(3網(wǎng)關(guān)狀態(tài)指示電路即為采用TFT的液晶顯第20卷第3期2010年6月北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)JournalofNorthChinaInstituteofAerospaceEngineeringVol20No3Jun2010示屏顯示當(dāng)前網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),液晶顯示屏采用Sharp公司的LQ080V3DG1,驅(qū)動(dòng)電路采用74LVCH162245芯片連接S3C2440A的LCD控制器;(4Ethernet接口負(fù)責(zé)連接網(wǎng)關(guān)與Internet,采用RTL8019芯片與S3C2440A芯片進(jìn)行連接,其16位數(shù)據(jù)總線與S3C2440A芯片的低16位總線進(jìn)行連接,之后RTL8019芯片連接一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器與標(biāo)準(zhǔn)的RJ45接口進(jìn)行相連;(5存儲(chǔ)器方面擴(kuò)展64MB的SDRAM作為RAM,采用1片HY57V561620芯片,地址空間安排在Bank6;擴(kuò)展64MB的NandFlash作為外部存儲(chǔ)器,采用1片K9F1208U0B芯片,S3C2440A的GPA1722作為控制信號(hào)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)Sink節(jié)點(diǎn)采用CC2431作為主芯片,CC2431是Chipcon公司第2代ZigBee平臺(tái)和真正的SoC解決方案,結(jié)合了行業(yè)中領(lǐng)先的射頻2.4GHz收發(fā)器和符合IEEE802.15.4協(xié)議的CC2420,具有工業(yè)級(jí)、集成體積小的高性能8051微處理器,與S3C2440A進(jìn)行串行連接需要進(jìn)行串口擴(kuò)展,CC2431芯片選擇USART0連接MAX3232C芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。2軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)關(guān)的軟件平臺(tái)首先需要在S3C2440A芯片及其擴(kuò)展模塊上移植Linux操作系統(tǒng),利用操作系統(tǒng)提供的TCP/IP協(xié)議棧,部署Http服務(wù)器可以接收用戶通過(guò)瀏覽器發(fā)送來(lái)的查詢請(qǐng)求,另外由于采用串口進(jìn)行與Sink節(jié)點(diǎn)通信,需要在Linux系統(tǒng)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)串口驅(qū)動(dòng)供其它模塊使用。S3C2440A相關(guān)的軟件平臺(tái)模塊如圖3所示。圖3基于S3C2440A硬件的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)在ZigBee網(wǎng)絡(luò)使用Ti的ZStack1.4.3版本協(xié)議,該協(xié)議符合ZigBee2006規(guī)范,支持多種平臺(tái),其中包括面向IEEE802.15.4/ZigBee的CC2430片上系統(tǒng)解決方案、基于CC2420收發(fā)器的新平臺(tái)以及TIMSP430超低功耗MCU。2.1嵌入式WebServer的移植軟件平臺(tái)的搭建采用裁剪Linux作為嵌入式操作系統(tǒng),在其基礎(chǔ)上移植安裝Lighttpd作為Http協(xié)議WebServer,步驟如下:(1配置編譯配置文件,使用命令:./configureprefix=/mnt/nfs/lighttpdarmhost=armlinuxbuild=i686pclinux--disableFEUTAREdisableipv6disablelfs生成Makefile文件;(2制定編譯鏈為arm編譯鏈,用make進(jìn)行交叉編譯,并用makeinstall命令把編譯后的可執(zhí)行文件復(fù)制到安裝路徑;(3配置Lighttpd,把Lighttpd源目錄下的doc目錄中的配置文件模板復(fù)制到安裝文件目錄下的sbin目錄,之后按照實(shí)際應(yīng)用要求更改配置文件,創(chuàng)建網(wǎng)頁(yè)根目錄。2.2嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的移植與數(shù)據(jù)表嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)采用移植安裝Sqlite實(shí)現(xiàn),步驟如下:1下載Sqlite源代碼包,將壓縮包解壓;2在Sqlite目錄下的configure中找到與交叉編譯相關(guān)的代碼并將其中無(wú)關(guān)平臺(tái)配置注釋掉后,在sqlbuild目錄中執(zhí)行configure命令生成makefile文件;3修改makefile文件,修改的內(nèi)容包括BCC,TCC,LIBTOOL,LIBREADLINE以及靜態(tài)鏈接的形式,修改后執(zhí)行make命令生成Sqlite;4把Sqlite拷貝到Linux系統(tǒng)下需要安裝的目錄。網(wǎng)關(guān)的嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表包含如下:(1用戶表,存儲(chǔ)可查看無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的合法用戶信息;(2歷史數(shù)據(jù)表,存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的一定歷史時(shí)期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),供歷史數(shù)據(jù)查詢模式使用;(3監(jiān)測(cè)值范圍表,提供檢測(cè)數(shù)據(jù)的合法檢驗(yàn)分析對(duì)比數(shù)據(jù),以減少干擾數(shù)據(jù)存入歷史數(shù)據(jù)表;(4預(yù)警閾值表,存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)指標(biāo)的預(yù)警閾值。2.3串行通信的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的S3C2440A芯片與Sink節(jié)點(diǎn)的CC2431芯片數(shù)據(jù)交換通過(guò)串行通信實(shí)現(xiàn),為了數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行及時(shí)收發(fā),采用中斷方式使用UART0,2010年6月北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)第20卷S3C2440A芯片運(yùn)行的程序中需要開(kāi)發(fā)串口驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)交換模塊,數(shù)據(jù)交換模塊可由其它模塊功能在需要進(jìn)行與Sink節(jié)點(diǎn)通信時(shí)調(diào)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Sink節(jié)點(diǎn)運(yùn)行采用ZStack1.4.3版本協(xié)議,在該協(xié)議提供的開(kāi)發(fā)代碼中已經(jīng)提供了USART的串口驅(qū)動(dòng)函數(shù),其包含頭文件位于HAL/hal-uart.h文件中,Sink節(jié)點(diǎn)與其它完整功能節(jié)點(diǎn)中程序不同的是要增加采用中斷方式使用USART的中斷處理函數(shù),包括發(fā)送和接收函數(shù),接收函數(shù)完成接受網(wǎng)關(guān)發(fā)送來(lái)的查詢請(qǐng)求信息,發(fā)送函數(shù)中將查詢結(jié)果通過(guò)串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。2.4程序模塊的實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)現(xiàn)主要可劃分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、身份驗(yàn)證模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)交換模塊,實(shí)現(xiàn)以下功能:(1數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)將當(dāng)前查詢的數(shù)據(jù)存入嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù),根據(jù)當(dāng)前查詢的數(shù)據(jù),比較數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)定的某項(xiàng)監(jiān)測(cè)值的范圍,若超出則認(rèn)為不合理的干擾數(shù)據(jù),這樣可以減少數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)量;(2身份驗(yàn)證模塊提供登錄網(wǎng)關(guān)的用戶身份驗(yàn)證,避免非法用戶獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和向無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送干擾信息;(3數(shù)據(jù)查詢模塊接收用戶查詢要求,之后解析用戶查詢條件,之后從數(shù)據(jù)庫(kù)中使用標(biāo)準(zhǔn)Sql語(yǔ)句進(jìn)行查詢數(shù)據(jù)庫(kù),提供當(dāng)前數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢;(4數(shù)據(jù)分析模塊根據(jù)用戶設(shè)定的預(yù)警閾值進(jìn)行與當(dāng)前的查詢數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,若超出閾值,反饋給CGI程序從而使用戶可以獲取當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中感知到了異常數(shù)據(jù);(5數(shù)據(jù)交換模塊提供通過(guò)串行驅(qū)動(dòng)訪問(wèn)串行通信線路的功能,實(shí)現(xiàn)與Sink節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通信功能。3用戶交互及CGI的設(shè)計(jì)用戶通過(guò)傳統(tǒng)Internet與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交互實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是部署在Lighttpd服務(wù)器中的CGI程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的,查詢無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)用戶首先需要在瀏覽器輸入CGI的URL,WebServer在解析請(qǐng)求后調(diào)用相應(yīng)CGI程序,CGI程序執(zhí)行的結(jié)果是將Html元素發(fā)送給用戶計(jì)算機(jī),由瀏覽器負(fù)責(zé)解析生成用戶UI。用戶查詢的參數(shù)包含在form標(biāo)簽中,參數(shù)提交方式由form標(biāo)簽的method屬性指定,在本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)中以post方式提交,處理請(qǐng)求的CGI由action屬性指定。用戶主動(dòng)查詢則是通過(guò)Ajax(AsynchronousJavaScriptandXML實(shí)現(xiàn),目的是為了周期性與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信,實(shí)現(xiàn)預(yù)警閾值。Ajax可以僅向服務(wù)器發(fā)送并取回必需的數(shù)據(jù),在客戶端采用JavaScript處理來(lái)自服務(wù)器的響應(yīng),其實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)是使用XMLHttpRequest對(duì)象進(jìn)行異步數(shù)據(jù)讀取。由于不同版本及不同平臺(tái)下的瀏覽器XMLHttpRequest對(duì)象實(shí)現(xiàn)不同,在瀏覽器使用JavaScript獲取XMLHttpRequest對(duì)象時(shí)需要考慮所有版本的情況,常見(jiàn)的Ajax開(kāi)發(fā)庫(kù)都封裝了XMLHttpRequest對(duì)象獲取的功能?？紤]到在嵌入式設(shè)備中使用,選用jQuery作為Ajax開(kāi)發(fā)庫(kù),jQuery最新版本大小為120KB,提供了實(shí)現(xiàn)Ajax的基本機(jī)制的封裝,若進(jìn)行一些功能的裁剪可使更精簡(jiǎn)。error:function({//提交失敗處理}};在服務(wù)器端使用CGI對(duì)用戶提交請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù),在CGI程序中首先使用以下程序段進(jìn)行解析提交的參數(shù):data=getenv(QUERY-STRING!;if(sscanf(data,req-arg1=%ld&req-arg2=%ld!,&req-arg1,&req-arg2!=2{}解析參數(shù)之后調(diào)用相應(yīng)的查詢獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。4結(jié)語(yǔ)本文采用S3C2440A作為核心芯片,設(shè)計(jì)了基于嵌入式技術(shù)的ZigBee網(wǎng)關(guān),經(jīng)實(shí)際測(cè)試用戶可以通過(guò)瀏覽器進(jìn)行無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)管理和查詢,滿足了ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)Internet網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換的需求。參考文獻(xiàn):[1]薛濤,李建清.基于WinCE的B/S模式WSN網(wǎng)關(guān)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件,2009,32(1:158-160.[2]喬大雷,夏士雄.基于ARM9的嵌入式ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2007,23(12:156-158.[3]胡敬,尹崗.ZigBee無(wú)線網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2008,31(1:181-185.[4]石為人,張杰.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用,2006,26(11:2525-2529.[5]胡鴻豪,林程.基于S3C2410的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].大眾科技,2008,(12:67-68.第3期房好帥等:基于ARM與ZigBee的嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)2010年6月DesignofEmbeddedWirelessSensorNetworkGatewayBasedonARMandZigBeeFANGHaoshuaiLINanWANGHuijuan(ComputerScience&EngineeringDepartment,NorthChinaInstituteofAerospaceEngineering,Langfang065000,ChinaAbstract:BasedontherequirementsofdataexchangebetweenZigBeewirelesssensornetworkandtraditionalinternet,designandimplementationofanembeddedgateway,thecorehardwarechipsareS3C2440AforARMandCC2431forZigBee,thenextendingmultiplefunctionalmodulesconstitutethehardwareplatform,withthesoftwarebymigratingLinuxasembeddedoperatingsystem,theembeddedwebserverisLighttpd,andtheembeddeddatabaseisSqlite,thedataexchangebetweenusers?computerandembeddedWebserverwithCGI,withserialportforthecommunicationS3C2440AchipinGatewayandCC2431inSinknodes,thegatewaycanmanage,storeandconductremotequerythedataofthewirelesssensornetworkinordertoachievethedataexchangefunctionbetweentraditionalinternetprotocolnetworkandtheZigBeeprotocolforwirelessnetworks.Keywords:wirelesssensornetwork;gateway;ARM;ZigBee;CGI(上接第22頁(yè)可見(jiàn)采用模糊控制方法,車輛平均延誤時(shí)間減少,因此比一般定時(shí)控制信號(hào)更能適應(yīng)交通量的隨機(jī)變化。結(jié)果表明,將車流量的值可以作為當(dāng)前的車輛排隊(duì)長(zhǎng)度,給出綠燈延時(shí)時(shí)間的方法是可行的,可以減少車輛延誤時(shí)間,提高相鄰路口整體的車輛通行率因而實(shí)施控制也應(yīng)針對(duì)不同的車流情況采取不同的方案,對(duì)交叉路口交通信號(hào)優(yōu)化控制。3結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)交通流的運(yùn)行特性進(jìn)行模糊化分析,交通量和占有率對(duì)交通狀態(tài)的變化作為交通狀態(tài)識(shí)別的輸入量,利用某路段環(huán)形線圈檢測(cè)器采集的實(shí)際數(shù)據(jù),結(jié)果表明該方法能有效地對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行分類。引入模糊信號(hào)燈的控制中來(lái),實(shí)現(xiàn)了基于車流量預(yù)測(cè)的信號(hào)燈控制。經(jīng)仿真試驗(yàn)表明,該方法比較目前應(yīng)用的定時(shí)控制,減少車輛延誤時(shí)間,提高交叉口的整體通過(guò)率,防止交通阻塞的發(fā)生,并最終實(shí)現(xiàn)交通流在路網(wǎng)中各個(gè)路段上的合理分配。參考文獻(xiàn):[1]楊兆升.城市交通流誘導(dǎo)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2004.[2]安實(shí),王健,徐亞國(guó).城市智能交通管理技術(shù)與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2005.[3]鄭建湖,郭銀歲,葉潤(rùn)真,張秋萍.基于環(huán)形線圈檢測(cè)器信息的交通狀態(tài)模糊識(shí)別方法[J].昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,4(34:71-75.[4]宮照新.基于模糊邏輯的智能交通控制算法的研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2009,18(9:5603-5606.StudyonControllingTraff