基于STR912的嵌入式无线传感器网络网关的设计

朱思建， 杨光友， 马志艳， 张 铮

(1 湖北工业大学农机工程研究设计院， 湖北 武汉 430068； 2 湖北工业大学机械工程学院， 湖北 武汉 430068)

无线传感器网络(wireless sensor network，WSN)[1]应用于环境监测、医疗健康、工业控制等众多生活领域，并且能够完成传统系统无法完成的任务，已经成为国内外众多领域研究的热点．建立在IEEE 802.15.4标准[2]上的Zigbee技术[3],是应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准，已经成为无线传感器网络组网的首选技术之一．

在钻井工程等一些室外环境较恶劣的特定领域，经常需要采用ZigBee网络远程监测目标区域，这就需要在现有的网络基础设施(如RS232、485、以太网等)基础上进行远程监控，此时ZigBee网关在整个无线传感器网络体系中起着重要的枢纽作用，它负责外部网络和无线传感器网络间的协议转换、数据存储和处理等[4-5]．本文提出了基于ZigBee的无线传感器网络网关的软硬件方案，并实现无线传感器网络传感数据的远程传输和监控．

1 嵌入式网关系统总体结构

网关系统中网关节点(协调器节点)作为整个ZigBee无线网络的中心，主动建立网络并允许传感节点加入网络[6]，同时维护管理整个无线网络，接收感知区域传感器节点发送的数据，并对数据进行存储、解析、封装等处理，然后通过GPRS或以太网等发送至远程监控中心；同时网关节点将监控中心发送的指令发送至目标区域，实现对目标区域的监控．但是网关节点通常需要连接外部网络如GPRS或以太网等来实现ZigBee无线网络与外部网络的互联，这就需要在传输层基础上完成不同网络协议的转换．本文使用具有较强信息处理能力和网络功能的ARM9系列芯片STR912作为核心处理器[7]，完成ZigBee协议与以太网协议的相互转换，完成ZigBee无线传感器网络与外部以太网的互联．图1为嵌入式无线传感网络网关系统的体系结构．

图 1 ZigBee无线传感器网络网关体系结构

本文中嵌入式网关系统采用三层结构(图2)，硬件层主要由STR912处理器芯片与ZigBee无线芯片CC2530[8]组成，实现数据解析、封装和存储等功能．软件层主要实现在嵌入式操作系统μC/OS-II[9]下建立多任务以及在uIP协议[10-11]下以太网数据传输，在CC2530无线节点上运行ZigBee协议栈，建立并维护无线传感器网络，从而实现ZigBee无线传感器网络协议数据和以太网协议数据的双向转换；应用层主要由用户定义的应用程序组成，调用软件接口函数，用户可根据实际需要扩充应用API接口函数．

图 2 ZigBee网关系统架构

2 网关系统硬件结构

本文中嵌入式网关硬件结构如图3所示．处理器采用基于ARM920T内核的ST公司的微处理器STR912FAW44芯片，支持内核96MHz的工作频率，具有96 KB SRAM，256 KB主Flash和32 KB从Flash，外部扩展存储器、LCD接口、JTAG接口、串口、以太网接口等组成硬件平台．其中串口(UART2)是连接STR912处理器和ZigBee网关节点的桥梁．ZigBee网关节点选用TI公司2.4 GHz 的无线芯片CC2530，其内部集成了工业标准增强型8051微处理器和高性能射频CRF收发器，使用TI公司的Zstack无线通信协议栈实现ZigBee无线传感网络的建立和维护．

图 3 嵌入式网关硬件结构

3 网关系统软件结构设计

整个嵌入式网关系统是以STR912芯片作为微处理器，采用嵌入式实时操作系统μC/OS-II和微型嵌入式TCP/IP协议栈uIP，通过以太网带动整个传感器网络的运行，实现ZigBee无线传感网络和以太网两个相对独立网络的互联．所以软件方面需要在μC/OS-II操作系统和uIP协议下运行，并完成网关节点的程序设计．

3.1 嵌入式操作系统μC/OS-II下多任务建立

在实时多任务操作系统μC/OS-II[9]下，完成上述的网关系统的功能，需要建立4个任务．运行流程如图4所示．

图 4 μC/OS-II下嵌入式网关系统任务

TASK1是对LCD触摸屏的初始化以及相关GPIO的配置，设置相关参数如串口的波特率，以及IP地址、端口号的设置等．

TASK2是键盘扫描任务，通过矩阵键盘修改相关参数，如UART2波特率、 IP地址等．

TASK3是串口任务，实现网关节点与STR912微处理器的通信．网关节点与STR912微处理器通过UART2交互数据，处理器接收到网关节点传来的ZigBee无线协议数据包后，需要存储、解析并封装成以太网协议的数据报；同时还要解析由远程终端发送的监控命令，封装成ZigBee无线协议数据包，通过网关节点发送至目标区域的监测节点．

TASK4是以太网任务，完成以太网模块的初始化及uIP协议栈的轮询，检查是否有从远端机传来的数据分组及应用层是否有数据要发送，并做相应的处理．

3.2 嵌入式uIP协议下以太网数据传输

uIP协议栈[10-11]是在TCP/IP协议基础上去掉了TCP/IP协议中不常用的功能，简化了通讯流程，但保留了网络通信必须使用的协议机制．uIP协议栈相当于一个代码库，通过一系列的函数实现底层硬件与上层应用程序的通信，对于整个系统来说它内部的协议族是透明的，从而增加了协议的通用性．uIP协议族与系统底层和上层应用之间的关系如图5所示．

图 5 uIP通信结构图

从图4可知uIP协议栈处于整个网络通信的中间层，其上层为应用层，下层称为网络设备驱动．uIP协议栈与底层硬件有两个接口，与应用层有一个接口．

3.2.1uIP协议栈与底层设备驱动程序的接口

1)uip_input()函数．当设备驱动程序从网络中收到数据包时要调用这个函数，设备驱动程序必须事先将数据包存入到uip_buf[]中，包长为uip_len，然后交由uip_input()函数处理，当函数返回时，如果uip_len不为0，则表明有带外数据(如SYN，ACK等)要发送．当需要ARP支持时，还需要考虑更新ARP表或发出ARP请求和回应．

2)周期时钟函数uip_periodic()．这个函数用于uIP内核对各连接的定时轮询，因此需要一个硬件支持的定时程序周期性地用他轮询各连接，一般用于检验主机是否有数据要发送．

3.2.2uIP与上层应用的接口为了将用户的应用程序挂接到uIP中，将宏UIP_APPCALL()定义成实际的应用程序函数名，这样，在任何一个事件发生时调用UIP_APPCALL()，uIP在接收到底层传来的数据包后，在需要送到上层应用程序处理的地方调用UIP_APPCALL()．网关系统中uIP协议栈数据处理流程如图6所示．

图 6 uIP协议处理数据报流程图

3.3 ZigBee网关节点程序设计分析

Zigbee网关节点在整个嵌入式网关系统中起着承上启下的作用．网关节点负责构建ZigBee无线网络，并管理整个ZigBee网络路由表，接收来自感知区域无线节点的传感数据，对数据进行校正、封装、存储等[6]，并通过串口API发送至STR912微处理器．网关节点的程序流程如图7所示．

首先硬件上电，网关节点创建一个ZigBee网络，网络中的其他节点发出加入网络请求，如果加入网络成功，每个加入网络的节点会被分配一个网络地址．无线传感网络中的节点将需要传输的节点地址信息和监测数据以ZigBee数据帧的形式打包以无线的方式通过一跳或多跳发送至网关节点．STR912微处理器经UART2接收到来自网关节点传来的数据，将数据按ZigBee协议解包并封装成TCP/IP协议报文，再通过以太网传至上位机；当上位机下达监测指令时，STR912处理器将接收到的数据按TCP/IP协议解包，然后封装成ZigBee协议数据包并通过UART2发送至网关节点，网关节点通过ZigBee无线网络将相应指令发送至目标区域节点．

图 7 ZigBee网关节点程序流程

4 测试

实验室环境下，随意布置7个ZigBee节点，ZigBee节点定时采集温度、湿度以及光敏值并发送至网关节点；ARM板与网关节点通过UART2连接，并通过交叉网线与PC连接，设置好网关IP和端口号，嵌入式网关板实物如图8所示．组网成功后可以在上位机拓扑图中观测到各个节点实时的温度、湿度和光敏值(图9)．

图 8 ZigBee网关实物图

图 9 ZigBee网络拓扑图

经测试，整个嵌入式网关系统运行稳定．

5 结束语

本文使用基于ARM9系列微处理器STR912和ZigBee芯片CC2530构建嵌入式无线传感器网络网关系统，同时该系统扩展了丰富的外围接口设备，可将目标区域中传感器节点采集的位置、环境等参数通过以太网传送至远程终端，实现远程监控．该网关具有低成本、低功耗、高可靠性与高抗干扰能力等特性，可方便地应用于现代各种监测领域，在工业控制领域具有很好的应用和推广价值．

[参考文献]

[1] 孙利民，李建中．无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005.

[2] IEEE std. 802.15.4 - 2006: Wireless medium access control (mac) and physical layer (phy) specifications for low rate wireless personal area networks (lr-wpans)[S].IEEE Press，2006.

[3] 瞿雷, 刘盛德, 胡咸斌. ZigBee技术及应用[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2007：5-8.

[4] 匡兴红，邵惠鹤. 无线传感器网络网关研究[J].计算机工程，2007,36(6):228-230.

[5] 李长峰，藤国库，常 闯. 基于ZigBee的无线传感器网络网关的设计[J].安徽农业科学，2011,39(21)：13 100-13 102.

[6] ZigBee Alliance, Inc. ZigBee specification[EB/OL].(2013-08-08) http://www.zigbee.org/Specifications/ZigBee/Overview.asp.

[7] STMicroelectronics group of companies.STR91X hardware development getting started[EB/OL].[2011-02-25] http://wenku.baidu.com/view/8ef2fbff04a1b0717fd5dd25.html.

[8] texas instruments.A True System-on-chip Solution for 2.4GHz 802.15.4 and ZigBee Application [EB/OL]. (2013-08-08)http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[9] 杨宗德，张 兵．μCOS-II 标准教程[M].北京：人民邮电出版社，2009:5-6.

[10] 岳世为，尹为民. uIP协议栈在基于DSP以太网通信系统中的应用[J].计算机与数字工程，2010,38(1):187.

[11] DUNKELS A. The uIP embedded TCP/IP stack[EB/OL]. [2006-06-01]http://sourceforge.net/projects/uip-stack/.