面向停车场管理系统多协议网关研究﹡

朱振中，陈向东，张 瑾，饶 铖

（①西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031；②西南交通大学峨眉校区 计算机与通信工程系，四川 峨眉 614202）

0 引言

随着中国经济的高速发展，车辆急剧增加，在有限的地面如何停放、管理和防止盗窃这些车辆成为每个城市所面临的一个重要课题。这也给传统的车辆管理系统提出了巨大的挑战。一个完整的车辆管理系统由大量具有采集功能的传感器网络节点，一个或多个网关及监控中心这3部分组成。网关作为连接停车场内部无线网络与监控中心的中枢，能实现对zigbee内部网络的设置、管理以及远程控制功能，无疑是传感网中重要组成部分[1]。

基于此需求，设计和实现了基于车辆管理系统的嵌入式网关，并考虑到车辆的安全性加入了GSM模块，当有非法人员打开车门时，会实时的通过短信方式告知车主和停车场管理人员，能有效的保证车辆的安全。

1 系统结构分析

本系统主要有3部分组成，停车场车位上车门的数据采集部分，网关的数据传输部分和服务器端的显示部分。数据采集部分主要通过在车门上的终端节点（RFD）进行车辆定位，使用zigBee协议规范进行通信传输，通过路由节点传输最终通过协调器节点传送到网关。网关会对可靠的串口通信数据进行解析并把数据转发到服务器端，并把异常数据通过短信方式告知车辆管理人员。服务器端的主要是通过C/S架构实现客户端软件的web界面访问和数据库存储查询及远程控制的目的[2]。其系统架构图如图1所示。

图1 系统架构

嵌入式网关部分主要是由 ARM9处理器 S3C 2440A、ZigBee终端设备和GSM模块这3部分组成。

2 网关的硬件平台设计

网关硬件电路主要由控制器模块（S3C2440A）、网络通信模块、存储单元、串口通信模块等组成。其硬件电路结构图如图2所示。控制器模块是整个网关的核心，用来接收Zigbee终端节点的数据和通过网卡连接到Internet网络。为了能达到高性能低功耗，本网关采用ARM920T为核心的S3C2440A作为控制器，通过外扩液晶显示器(Liquid Crystal Display,LCD)显示模块、存储模块、串口模块等构成硬件平台。ARM920T通过片内的外围总线(APB,Advanced Peripheral Bus)总线实现对串口的控制，10/100M以太网芯片可实现数据的高速传输[3]。ZigBee模块连接ARM板子UART1，GSM模块连接ARM板子UART2。

图2 网关硬件结构

3 网关的软件设计

Linux是一套免费使用和自由传播的类unix操作系统[4]。它具有极强的平台可伸缩性，完全符合POSIX标准，有很好的可移植性，而且具有强大的网络功能。基于以上的分析，文中采用 Linux作为网关的操作系统，这样极大的节省了开发的时间和费用。ARM板作为开发网关的软件的核心平台选用了linux系统，采用了标准的嵌入式开发模式即宿主机+目标机+交叉编译环境+远程网络文件系统（NFS，Network File System）调试。

终端节点采集数据后会对通过zigBee协议进行封装并在网络中进行传输，经过路由节点转发到协调器节点，协调器节点会对数据进行解析，然后把应用层数据通过通过串口传到ARM板的linux系统上，网关会对收到的数据通过TCP/IP协议进行数据转发，同时也会对这些数据进行解析，当解析到异常数据时，会通过串口2设置GSM模块来通知停车场管理人员。ARM板的整体软件架构如图3所示。

图3 系统软件

3.1 zigBee模块软件设计

系统采用星形网络拓扑结构组建网络，网关负责zigBee网络的建立与监听各个zigBee节点，zigBee网关的流程图如图4所示。系统在linux系统启动之后，首先初始化 zigBee网络，服务器端会对所有 zigBee节点的物理地址与网络地址进行统一控制管理[5]。

图4 zigBee模块流程

在传统的串口通信中，串口数据传送是字节流式的，但硬件层面上没有保证通信的可靠性和完整性，本网关通过使用接收确认、差错校验等机制来保证可靠性。串口数据传送的帧格式如图5。

图5 串口帧格式

其中各个字段的意义如下:

START:帧开始定界符；END:帧截止定界符，START和 END为确定的特定值；SEQ:帧序号；Data:传送的数据；FCS:帧校验，是一种简单校验，为SEQ–Data字段中所有字节按位异或运算的结果。

3.2 网络端软件设计

在本停车场管理系统的网关设计中。在网络端，采用面向连接的流式套接字socket套接字来保证通信的可靠性和顺序性。文中采用select阻塞的I/O模式来监控网络和串口信息。在这种模型下，如果所调用的I/O函数没有完成相关的功能，则会进行进程挂起，直到相关数据到达才会返回,之后便可调用相应的处理事件函数进行处理事件处理后继续监听。select系统调用用于多路监控,当没有一个文件满足要求时,select将阻塞调用进程。可以得出,select的I/O多路监控是处理I/O调用的一钟高效的方法，它可以具体设置程序中每一个所关心的文件描述符和等待的条件。通过select()函数的返回结果就可以调用相应的I/O函数了。

3.3 TC35软件设计

短信模块软件设计的关键是通过 AT命令来控制TC35。TC35模块由GSM射频模块、GSM基带处理器、供电模块和天线接口模块组成。当程序解析到有人偷车的报警信号后会自动启动 TC35模块[6]。本短消息的控制模块采用Text模式。程序通过ARM板子的串口给TC35发送命令，首先进行串口设置和测试，每次命令发送成功后 TC模块都会返回OK。TC35流程图如图6所示。

图6 TC35流程

4 结语

文中针对停车场管理系统提出了两种通信方式直连的网关设计和解决方案，该方案以S3C2440A和Linux为软硬件开发平台，融合了串口通信技术和计算机网络通信技术，给出了一个基于Linux系统的网关程序设计的框架，着重探讨了Linux串口通信程序，网络编程，并用 select监控程序的读写控制，实现了无线传感网内部网络与Internet网络之间的通信及实时报警。实验表明，该方案能够稳定的进行串口数据流和以太网之间的数据流同步转换，同时具有通用性，非常适合工业控制、智能家居等远程监控领域。在后续的研发中，还可以增加多媒体信息，这将是传感网网关发展的方向之一。

[1]钟封,陆以勤.基于家庭网关的嵌入式远程图像监控系统[J].计算机工程与设计,2011(05):1626-1629.

[2]张毅,熊鹏,李琳,等.ZigBee/蓝牙技术的互补性网关设计及应用[J].通信技术,2012,45(01):19-21.

[3]韩立毛,赵跃华,杜云海.嵌入式安全安全 web网关系统的硬件研究与设计[J].通信技术,2010,43(03):153-155.

[4]牛妍萍,吕述望.Linux文件访问控制及其自动化测试[J].信息安全与通信保密,2006(09):165-166.

[5]郭洪,张世娟.基于ARM S3C2410的嵌入式 ZigBee网关设计[J].河南科学,2012(08):1073-1074.

[6]陈凤美.基于GPRS短信模块的远程数据控制系统[J].信息安全与通信保密,2010(10):55-56.