基于嵌入式ARM-Linux无线ZigBee协调器驱动设计

李 婧，史智兴，崔哲伟，贾 方

(河北农业大学 信息科学与技术学院，河北 保定 071001)

农田中大范围的环境信息监测已成为网络应用范围重点之一。针对农田布线不便的特点，ZigBee无线节点网络成为农田信息采集系统的首选，可对其所分布区域内的各种环境和检测对象的信息进行实时的监控[1]。然而，控制下层整个网络状态的核心是上位机ARM处理器，而且上位机与下位机通信大多以串口模式来实现[2-3]。但串口通信模式存在串口传输速率低 (波特率双方一致)、传送距离短[4]、数据冗余差(数据校验)以及设计串口协议繁琐(帧格式)等不足。因此本文研究了ZigBee在ARM9内核中的协调器字符驱动，利用I/O传输数据，控制具有协调器驱动的设备在农田任何位置即可组网，以减少协调器的布局，实现方便快捷的动态数据监测。

1 田间监测系统的要求

因监测节点需要零散分布在田间，以监测田间的空气和地表的温度，因此，田间监测系统所需要的技术指标应满足：(1)低功耗。田间采电受到布线限制，因此节点模块的耗电量应尽可能低。(2)低成本。田间需要大量布局节点，投资成本成为广泛实施的制约因素。(3)低复杂度和高可靠性。田间节点开发设备应采用结构简单、采集数据尽可能精确又廉价的设计。综合上述特点，ZigBee可以作为田间无线协议首选。

ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准的低功耗、低速率、低复杂度的双向通信技术。它可工作在国际上免授权的2.4 GHz，具有250 Kb/s的最高数据传输速率和10～75 m的可靠传输距离。ZigBee支持星型、树型、对等和混合型网络拓扑结构，网络中的从设备高达254个。根据如图1所示的节点在网络分布的特点，节点在网络中可实现多条数据链路通信，以选择最佳的路径进行传输，提高了网络通信的可靠性。

协调器是整个网络的核心部分，负责完成整个网络的无线接入和组建，是维持路由器和终端节点之间的数据通信的关键。在田间固定放置协调器节点会浪费大量的资源，若动态地测量田间任意位置的数据，把协调器作为移动设备动态地测量数据则是最好的选择，并且可以减少田间协调器的放置，降低设计难度的成本。

图1 网络节点分布图

2 嵌入式Linux驱动开发环境的搭建

Linux操作系统环境的搭建如图2所示。

图2 Linux环境搭建

2.1 Bootloader的移植

Bootloader是操作系统内核运行之前运行的一小段程序，它为加载内核提供合适的硬件环境。Bootloader分成Stage1和Stage2两个阶段，具体实现框图如图3所示。

图3 bootloader实现原理图

Stage1：主要由汇编实现，包括GPIO驱动、使开发板上电LED闪烁、关闭所有中断、设置系统时钟、关闭看门狗、SDRAM初始化、实现相应驱动 (提供更大的执行空间)、NAND Flash初始化(驱动开发板上唯一的固态存储掉电不消失设备)以及设置SP栈指针为Stage2中的C语言代码执行做好准备。

Stage2：实现加电自搬移过程、串口调试信息、函数库、shell命令等扩展功能。

2.2 内核的编译和移植

本硬件移植2.6.27版本的Linux内核：(1)解压缩tar xf linux-2.6.27.tar.bz2，进入该目录。(2)移植平台为ARM体系结构，修改Makefile中的ARCH？=arm CORSS_COMPILE？=arm-linux-(交叉编译器的前缀)。(3)配置内核：make deconfig(清除原来编译的config，如果是第一次配置可省略)；make menuconfig进入配置菜单，选择硬件所需的驱动。大部分可选择默认选项，但注意网卡驱动一定必选，硬件类型也要匹配。(4)编译内核make bzImage在～/linux-2.6.27/arch/arm/boot/bzImage生成内核映像，通过tftp把bzImage烧到地址为0x30008000内存上，然后用nand erase kernel擦除kernel分区上的数据，最后用nand write 0x30008000把内存上的数据烧到Flash对应的kernel分区上。

2.3 根文件系统的移植

运行Linux操作系统，除了内核外还需要根文件系统。用mkdir创建rootfs文件夹，在其中创建根文件系统目录并安装busybox。busybox是专门为嵌入式系统设计的，它把大多数常用的命令(如 ls，cp，cd，tar 等)拼 接在一起，在根文件系统中只有一个可执行文件/bin/busybox，其余都是 busybox的链接。安装 busybox与安装内 核 类 似， 在 ～$tar xf busybox-1.9.1.tar.bz2、cd busybox-1.9.1/下修改 ARCH？=arm CROSS_COMPILE？=arm-linux-；make defconfig、make menuconfig设置 busybox安装路径 rootfs文件夹。 将 make、make install、busybox文件与一系列链接文件安装在rootfs下。其他链接文件在/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin 中，配置 Linuxrc启动文件、安装glibc共享库，在/dev目录下创建设备文件，将主机系统时钟拷贝到根文件系统中去，并配置网路和http相关配置文件。最后将文件系统配置成YAFFS文件系统，可直接对文件系统进行读写。设置开发板为NFS方式，启用可以直接在主机上操作开发板的根文件系统并进行调试。

3 硬件设计及驱动实现

3.1 系统硬件设计

本系统平台是采用ARM体系结构的S3C2410作为处理器，通过移植的字符设备驱动与ZigBee CC2430无线收发节点进行数据的传输。系统硬件框架图如图4所示。

图4 系统硬件框架图

CC2430是一个真正的片上系统(SoC)，以高性能和低功耗的8051为内核，专门针对IEEE802.15.4和 ZigBee应用，它可以用很低的费用构成ZigBee节点。

现有的硬件是通过串口实现数据传输，数据传输的格式要按照串口通信协议的格式封装，大量数据的传输还需要在串口通信格式的基础上再进行设计封装，不仅数据传输速度慢，而且容错能力低。如果在内核中加入ZigBee的字符驱动则可省去数据发送时的封装以及接收时需要解析的麻烦。

3.2 Linux设备驱动实现

Linux的输入输出设备分为字符设备、块设备和网络设备三类。字符设备是发送和接收都按照字符方式进行。块设备则是传输固定大小的数据给设备。网络设备则是通过BSD套接口访问设备。驱动程序一般以模块方式编写，加载和卸载主要由 module_init()和module_exit()完成[2]。

(1)模块加载和卸载

模块需要入口函数module_init(zigbee_init)的实现代码如下：

在不同的系统中，同一设备的设备号不尽相同，如果静态设置设备号，则在换另外的平台时，设备号有可能冲突，所以动态分配是最佳选择。

(2)模块驱动实现

注册设备编号后要将设备驱动与之连接，因此必须用file_operation结构建立链接，并建立中断通知相关数据。其实现代码如下：

当上层应用调用驱动程序时，驱动程序需要完成以下功能：

①初始化设备。S3C2410与下层ZigBee CC2430连接管脚处于工作状态，注册并使能中断。

②按照ZigBee协议规则构建数据包并发送给CC2430，实现不同控制命令，使芯片完成数据发送和状态间的转换。

③当下位机接收到的数据与协议包格式不符时，产生中断，用户须重新发送数据。

其实现代码如下：

用户发送数据通过ssize_t zigbee_write(struct file*filp，const char__usr*buf， ssize_t count，loff_t*f_ops)传到内核空间，然后调用构建数据包函数把数据打包发送出去。

用户控制下层命令，实现代码如下：

除实现以上函数外，还需要实现zigbee_relese(struct inode*inode，struct file*filp)，释放程序运行中所有资源。

本文通过上位机处理器ARM9CS3C2410，设计了ZigBee内核字符驱动，轻松地实现了对下位机的控制，也方便了用户的上层开发，提供了用户与下位机数据传输的接口，避免了用串口进行数据传输时程序设计的繁琐性。由于篇幅限制本文没给出控制下层模块命令的具体实现代码。希望通过本文能促进ZigBee协调器驱动的进一步实现和研究。

[1]杨帆，廖桂平，李锦卫，等.无线传感器网络在农田环境信息监测中的应用[J].农业网络信息，2008(3)：20-23.

[2]甘勇，王华，常亚军，等.基于 ARM平台的 ZigBee网关设计[J].通信技术，2009，42(1)：199-201.

[3]魏守包，唐慧强.基于嵌入式 ARM-uClinux的 ZigBee网络设计[J].仪表技术与传感器，2009(1)：62-64.

[4]包长春，石瑞珍，马玉泉.基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计[J].农业工程学报，2007，23(8)：160～163.