基于ARM9的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

陳侃松等

摘 要：以低功耗、低成本、微型化、遠(yuǎn)距離的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)作為主要依托，設(shè)計(jì)一種基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。將多種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與遠(yuǎn)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結(jié)合集成于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建多模態(tài)網(wǎng)關(guān)。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)相比具有低成本、易移植、兼容性的優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；ARM；Linux

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)可對(duì)網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行感知、采集、處理和監(jiān)控，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式傳送給網(wǎng)絡(luò)終端用戶(hù)，將信息世界與物理世界融為一體。但無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)要真正發(fā)揮其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的作用還要借助于網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計(jì)了針對(duì)多種應(yīng)用場(chǎng)合的一種多模態(tài)網(wǎng)關(guān)。

1 硬件部分設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)向上連接遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)獲取、設(shè)備監(jiān)控。向下連接到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器?？欤瑢?shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和相關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能控制。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，總體分為三個(gè)部分，如圖1所示。

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)接入模塊

無(wú)線(xiàn)接入模塊根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率選擇基于ZigBee通信協(xié)議的核心芯片CC2531和前端芯片CC2591，如圖2所示，進(jìn)一步改善其接收靈敏度，從而延長(zhǎng)通信距離。無(wú)線(xiàn)接入模塊均采用USB接口方式連接網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

1.2 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理模塊

采用基于ARM9的S3C2440平臺(tái)構(gòu)建網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)。主控制器分別接收各個(gè)采集模塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，然后通過(guò)總線(xiàn)下達(dá)控制命令，把處理好的數(shù)據(jù)送回工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)輸出模塊

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)輸出模塊主要是將處理好的數(shù)據(jù)以特定的形式輸出。用戶(hù)可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景選擇GSM/GPRS、Ethernet以及UART中的一種，即可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)時(shí)顯示和監(jiān)控。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

在Linux操作系統(tǒng)下的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，每個(gè)程序模塊是以任務(wù)的形式開(kāi)始運(yùn)行，在創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，可以對(duì)每個(gè)任務(wù)提前設(shè)定一個(gè)獨(dú)有的優(yōu)先級(jí)，系統(tǒng)會(huì)查詢(xún)就緒列表中的優(yōu)先級(jí)順序作為執(zhí)行任務(wù)的依據(jù)。軟件部分的組成根據(jù)硬件系統(tǒng)的組成分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集、無(wú)線(xiàn)接入模塊的USB驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)的處理和輸出。系統(tǒng)的軟件框圖如圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)采集

（1）數(shù)據(jù)采集

根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)信號(hào)選擇傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)CC2530初始化后，開(kāi)中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，判斷存儲(chǔ)容量是否飽和，將數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻前端CC2591準(zhǔn)備進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。

（2）采集節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)

通過(guò)中斷信號(hào)的引入與中斷服務(wù)程序的設(shè)計(jì)，以及對(duì)射頻前端CC2591工作模式的控制，實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠/喚醒調(diào)度，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制；減少節(jié)點(diǎn)功耗，保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

2.2 無(wú)線(xiàn)接入模塊的USB驅(qū)動(dòng)

在Linux驅(qū)動(dòng)中，USB驅(qū)動(dòng)處于最底層的是USB主機(jī)控制器硬件，在其之上運(yùn)行的是USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)，主機(jī)控制器之上為USB核心層，再上層為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。因此要實(shí)現(xiàn)的USB驅(qū)動(dòng)包括兩類(lèi)：USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)，前者控制插入其中的USB設(shè)備，后者控制USB設(shè)備如何與主機(jī)通信。在編寫(xiě)特定設(shè)備的USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，主要應(yīng)該完成的工作是probe（）和disconnect（）函數(shù)，即探測(cè)和斷開(kāi)函數(shù)，它們分別在設(shè)備被插入和撥出的時(shí)候被調(diào)用，用于初始化和釋放軟硬件資源。

2.3 數(shù)據(jù)的處理和輸出

數(shù)據(jù)管理單元是本設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)以及相關(guān)處理操作。這一部分所要處理的數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)和以往數(shù)據(jù)兩部分。在系統(tǒng)完成了初始化后，數(shù)據(jù)的管理單元即可通過(guò)平臺(tái)總線(xiàn)的方式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，對(duì)于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要基于兩種方式：一是存儲(chǔ)于本地，二是存儲(chǔ)于外部。此外，存儲(chǔ)于本地的數(shù)據(jù)有兩種形式，分為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)存儲(chǔ)和文件系統(tǒng)存儲(chǔ)。根據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用需求和性能要求，這里網(wǎng)關(guān)采用以本地文件的方式存儲(chǔ)。

3 測(cè)試結(jié)果

采用多個(gè)ZigBee模塊節(jié)點(diǎn)和S3C2440組成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各終端節(jié)點(diǎn)以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為中心相互通信。節(jié)點(diǎn)可設(shè)置為每隔一段時(shí)間采集一次數(shù)據(jù)，組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給網(wǎng)關(guān)部分。網(wǎng)關(guān)分別設(shè)置成通過(guò)USB接口接收Z(yǔ)igBee采集數(shù)據(jù)和利用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器IP地址為192.168.1.17，網(wǎng)關(guān)上無(wú)線(xiàn)接入模塊為CC2531。相關(guān)結(jié)果如圖4所示。

將嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺(tái)、無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)上電，在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)完成初始化和 ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)成功建立后，網(wǎng)關(guān)平臺(tái)接收匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，最后通過(guò)以太網(wǎng)的方式傳輸?shù)缴衔粰C(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)socket客戶(hù)端連接到網(wǎng)關(guān)的socket服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)包解析，并將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息顯示在上位機(jī)界面。

本地存儲(chǔ)通過(guò)搭建文件系統(tǒng)以及自制GUI程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖5所示。

結(jié) 語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)逐步應(yīng)用到了越來(lái)越多的領(lǐng)域，嵌入式網(wǎng)關(guān)作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁，在 WSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中起著顯著的關(guān)鍵作用。本設(shè)計(jì)針對(duì)目前無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)的應(yīng)用趨勢(shì)，采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，提出了一種基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方案，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，提高了網(wǎng)關(guān)的通用性。嵌入式Linux系統(tǒng)的應(yīng)用也大大改善了網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)性能。未來(lái)嵌入式網(wǎng)關(guān)可用于區(qū)域環(huán)境的信息監(jiān)測(cè)，如智能樓宇、智能交通、工業(yè)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用，利用近、遠(yuǎn)距離通信方式的結(jié)合延伸了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)范圍，在實(shí)際測(cè)試當(dāng)中取得了良好的效果。

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