基于ZigBee技术的温室监控系统网关设计方案

　　ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的无线网络技术。2节5号电池即可使ZigBee射频芯片工作6～24个月。

　　本设计采用ZigBee技术组建无线局域网，并通过网关接人到以太网。不但很好地解决了功耗和成本问题，而且也有效扩展了数据的传输范围。

　　1 系统设计

　　温室监控系统的结构示意图如图1所示。系统由无线传感节点、嵌入式网关、人机交互界面3个部分组成。无线传感节点通过连接传感器来获得相应的环境参数，并将数据发送至网关节点。嵌入式网关承担网络管理的功能，主要负责组建ZigBee无线网络并将传感节点传回的数据上传至以太网中。人机交互界面的作用是将这些数据实时地显示在网页上，也可以通过网页进行远程控制。

图1 温室监控系统的结构示意图

　　无线局域网中的各传感器节点采集温度、湿度、C02浓度等环境信息，经网关处理后，监控终端计算机通过IE浏览器即可访问这些数据，从而实现远程监控环境信息。

　　2 硬件设计

　　整个系统涉及ZigBee网络和以太网，为了使2个网络能相互通信，需要建立网关。本文用嵌入式BOA服务器作为2个网络的信息中转站，以实现网关的功能。BOA服务器是一个小巧高效的Web服务器，运行于Unix或Linux系统下，支持CGI的、适合用于嵌入式系统的单任务的HTTP服务器。

　　2.1 网关硬件设计

　　嵌入式BOA服务器可以在嵌入式Linux操作系统的支持下进行设计。网关硬件结构如图2所示。

图2 网关硬件结构

　　网关硬件包括如下部分：

　　①S3C2440A，Samsung公司的一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器，运行频率可达400 MHz。

　　②256MB Flash，存储Bootloader和Linux操作系统以及文件系统。

　　③64MB SDRAM，作为系统运行时的程序和数据存储器。

　　④DM9000A网络控制器，提供以太网连接功能，以满足用户通过TCP／IP以太网进行实时的数据交互。

　　⑤JTAG仿真调试接口，支持ADS等集成开发环境利用JTAG调试接口对整个硬件电路进行软件开发和调试。

　　⑥UART接口，连接CC2430射频芯片以实现ZigBee无线局域网络与以太网的互联。

　　2.2 ZigBee节点硬件设计

　　ZigBee节点硬件结构如图3所示，主要由CC2430射频芯片和传感器构成。

图3 ZigBee节点硬件结构

　　CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器内核和工业标准的增强型8051 MCU，还包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一种片上系统（SoC）解决方案。

　　将相应的传感器与CC2430的I／O引脚连接，可测得所需的温室环境参数，并通过ZjgBee无线网络进行传输。本系统在每个ZigBee节点上分别连接温度传感器、湿度传感器和CO2传感器来监测不同节点处相应的环境信息。

　　3 软件设计

　　本设计基于嵌入式Linux操作系统，通过编写DM9000A网卡驱动和UART异步串口驱动实现以太网与ZigBee网络的互联。

　　网关的分层结构如图4所示。在TCP／IP协议和ZigBee协议上分别开发Web、CGI程序以及无线收发程序。Web、CGI程序用于人机交互界面，无线收发程序用来实现ZigBee网络的通信。

图4 网关的分层结构图

　　CGI（Common Gateway Interface）规定Web服务器调用其他程序的接口协议标准，提供给Web服务器一个执行外部程序的通道。这种服务端技术使得浏览器和服务器之间具有交互性。CGI程序属于一个外部程序，编译成可执行文件后，可以在服务端运行。通过调用CGI程序可实现Web服务器与Web浏览器的交互，CGI程序接收Web浏览器发送给Web服务器的控制命令，并进行处理，再将响应结果回送给Web服务器及Web浏览器。

　　由于BOA服务器搭建在Linux系统之上，因此需要将嵌入式Linux系统移植到S3C2440芯片上。

 　　3.1 移植Bootloader

　　Bootloader是在操作系统内核运行之前执行的一小段程序，通过这段程序初始化硬件设备。Bootloader可移植性强，只要根据硬件资源修改少量代码即可直接使用。

　　3.2 移植Linux内核

　　Linux内核是嵌入式操作系统的核心，内核移植包括内核配置、内核编译、内核下载3个部分。嵌入式设备主要用NAND Flash作为存储器，NAND Flash容量有限，因此在配置内核时需要裁减一些不需要的功能以减小内核的体积。由于要将编译好的Linux内核映像和文件系统映像烧写到NAND Flash中，因此设置NAND Flash分区。本项目采用256 MB的NAND Flash，将其分为3个区：0区为Bootloader分区，1区为内核分区，2区为根文件系统分区。内核配置完成后执行make zImage命令生成Linux内核映像文件，然后将内核映像文件下载至NAND Flash的内核分区上。

　　3.3 移植根文件系统和BOA服务器

　　根文件系统是嵌入式Linux系统启动的重要组成部分，也是用户应用程序的载体。本方案采用busybox制作yaffs2文件系统，并在文件系统中加入BOA服务器。BOA是一款单任务的HTTP服务器，当有连接请求到来时，通过建立HTTP请求列表来处理多路HTTP连接请求，同时它为CGI程序创建新的进程。

　　移植好BOA服务器后，在文件系统中建立／var／www／cgi-bin文件夹，此文件夹用于存放静态网页和CGI程序。

　　3.4 网关软件设计

　　网关软件程序流程如图5所示。S3C2440通过I／O端口触发CC2430，使其无线发送相应的指令，远程控制传感器节点进行数据采集。采集到的数据通过UART串口传回S3C2440并上传至嵌入式BOA服务器。用户通过IE浏览器就可以实时采集到相应的环境信息。

图5 网关软件程序流程图

　　传感节点采集到的数据最终将上传至嵌入式BOA服务器上，用户可通过IE浏览器访问服务器IP地址来监测温室的环境信息，监测网页如图6所示。

图6 监测网页

　　结语

　　本文基于S3C2440平台和Linux操作系统提出了一种ZigBee网关的设计方法，并给出了硬件和软件的实现方法，实现了ZigBee无线局域网络与以太网的数据互通。该网关成功地用于温室监控系统中，具有稳定性好、实时性强、可远距离监控等特点。