基于ARM的物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

王智群

摘 要： 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是連接感知層和網(wǎng)絡(luò)層的橋梁，是溝通物聯(lián)網(wǎng)與目前流行網(wǎng)絡(luò)的紐帶。文章設(shè)計的一種基于ARM的物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)，將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互連，實現(xiàn)對Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制。該網(wǎng)關(guān)硬件方面以ARM9系列S3C6410為主控芯片，采用模塊化的設(shè)計思路，分別搭建了相應(yīng)的外圍功能模塊；軟件方面，通過移植Linux嵌入式操作系統(tǒng)以及編寫協(xié)議轉(zhuǎn)換程序，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，通過搭建Web服務(wù)器，設(shè)計應(yīng)用通信協(xié)議及編寫CGI網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序，實現(xiàn)了對網(wǎng)關(guān)的控制與管理。經(jīng)測試，該網(wǎng)關(guān)性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了三網(wǎng)間的數(shù)據(jù)通信。

關(guān)鍵詞： 網(wǎng)關(guān)； ZigBee； Wi-Fi； 以太網(wǎng)； 互聯(lián)

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）08-28-03

Abstract： The Internet of Things gateway is a bridge which connects the perceptual layer and the network layer， and it is the link between IoT and current popular networks. In this article， a kind of IoT multi-network gateway based on ARM is designed to connect ZigBee Network with Wi-Fi network or Ethernet， and realize the control to the ZigBee nodes. In the hardware， ARM9 series S3C6410 is used as the main control chip of the gateway and the corresponding peripheral functional modules are set up by using the modular design concept； in the software， the gateway achieves interconnection of networks by transplanting embedded Linux operating system and developing protocol conversing programs. And by building Web server， designing application communication protocol and programming CGI gateway application， the control and management of the gateway are realized. According to the test， this gateway is stable， and the data communication between the three networks is implemented.

Key words： gateway； Zigbee； Wi-Fi； Ethernet； interconnection

0 引言

傳感網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)感知層的主要應(yīng)用技術(shù)，也是物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)。而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是傳感網(wǎng)中的重要組成部分，在目前的WSN中，ZigBee憑著其低功耗、低速率、低成本、高安全性等諸多特性在WSN中廣泛應(yīng)用[1-3]。由于當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)種類比較多，各種網(wǎng)絡(luò)之間存在較大的差異[4]，要將這些異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合起來，必須要使用網(wǎng)關(guān)設(shè)備將其互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)就是建立在網(wǎng)絡(luò)層之上的協(xié)議轉(zhuǎn)化器，可實現(xiàn)不同子網(wǎng)的信息交換與通信。由于目前以太網(wǎng)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)實生活中廣泛使用，所以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)連接起來具有重要的現(xiàn)實意義。

本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)用于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)通信，該網(wǎng)關(guān)接受ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送過來的信號，在ARM處理器控制處理下，分發(fā)到以太網(wǎng)及Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中；同時該網(wǎng)關(guān)也可以接受來自以太網(wǎng)和Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的控制信息，完成對ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制。本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)設(shè)備在應(yīng)用中的作用如圖1所示，對于物聯(lián)網(wǎng)來說，它是連接無線傳感網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)或其他智能設(shè)備（如手機(jī)、掌上電腦IPAD）的橋梁[5]。

1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)關(guān)采用三星公司ARM9微處器S3C6410做主控芯片，芯片上集成的UART0與ZigBee模塊相連，芯片上集成的USB Host接口與Wi-Fi模塊相連，以太網(wǎng)模塊采用總線方式與主控芯片相連。內(nèi)存采用SDRAM芯片，存儲器采用Flash芯片，供電采用AC/220V，通過電源模塊產(chǎn)生DC 5V、DC 3.3V等電壓給各個模塊供電。

ZigBee模塊選用TI公司的一款工作在2.4GHz頻段并兼容IEEE 802.15.4協(xié)議的片上系統(tǒng)芯片CC2530。在ZigBee通信模塊中CC2530充當(dāng)組網(wǎng)協(xié)調(diào)器角色，它與S3C6410之間通過串口UART方式進(jìn)行通信，當(dāng)S3C6410芯片收到Wi-Fi模塊或以太網(wǎng)模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)或命令后，就會通過串口通知ZigBee協(xié)調(diào)器向網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，協(xié)調(diào)器會根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)地址向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)ZigBee節(jié)點(diǎn)終端設(shè)備會將收集到的信息以相反的路徑發(fā)送到Wi-Fi網(wǎng)或以太網(wǎng)中。

Wi-Fi模塊采用ralink的一款工作在2.4GHz頻段并支持IEEE 802.11b/g協(xié)議的RT73/RT2571 Wi-Fi芯片?；谀K化思想，具體選用TP-LINK公司TL-WIN321G+型號USB普通網(wǎng)卡，該網(wǎng)卡通過在S3C6410芯片中移植Hostapd程序（Hostapd是實現(xiàn)USB Wi-Fi AP功能及授權(quán)服務(wù)的一個開源項目）可實現(xiàn)軟AP點(diǎn)的功能。當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備接入AP點(diǎn)后，終端設(shè)備發(fā)送或接收信息時，通過Wi-Fi通信模塊的USB接口向S3C6410芯片的USB Host接口發(fā)送或接受信息，然后在S3C6410控制下與ZigBee網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)絡(luò)通信。

以太網(wǎng)模塊采用DM9000A太網(wǎng)控制器芯片。DM9000A一端通過16位數(shù)據(jù)總線掛接到S3C6410的系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線上，另一端與集成了網(wǎng)絡(luò)變壓器RJ45接口的HR911105A芯片相連接，這樣可以使用普通網(wǎng)線連接網(wǎng)關(guān)。當(dāng)以太網(wǎng)中數(shù)據(jù)經(jīng)DM9000A芯片傳送到S3C6410芯片時，S3C6410控制器分別通過內(nèi)部集成的串口和USB Host接口向ZigBee模塊和Wi-Fi模塊傳送信息，從而完成與ZigBee網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的通信。

2 網(wǎng)關(guān)軟件構(gòu)架

網(wǎng)關(guān)主控制器軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，操作系統(tǒng)選擇嵌入式Linux，它由BootLoader程序負(fù)責(zé)引導(dǎo)。通過編寫Linux系統(tǒng)中DM9000A控制器端口讀寫驅(qū)動、UART串口讀寫驅(qū)動及USB Host端口的讀寫驅(qū)動程序，分別實現(xiàn)應(yīng)用程序與各模塊間的通信。由于Linux系統(tǒng)中包含一個完整的TCP/IP協(xié)議棧[4]，所以通過移植Boa服務(wù)器（Boa是Linux下一個小巧的Web服務(wù)器，支持CGI程序），在應(yīng)用層編寫CGI程序?qū)崿F(xiàn)客戶端與網(wǎng)關(guān)間的信息交互與控制。在應(yīng)用層編寫網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)化守護(hù)程序，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的相互轉(zhuǎn)化。在網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層運(yùn)行Hostapd守護(hù)程序，可實現(xiàn)Wi-Fi模塊的AP點(diǎn)等功能。

至于ZigBee模塊的軟件結(jié)構(gòu)，主要是基于Z-Stack的協(xié)議棧，它使用OSAL小型操作系統(tǒng)來實現(xiàn)多任務(wù)處理。ZigBee模塊充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器角色，完成建網(wǎng)與組網(wǎng)功能，同時通過在協(xié)議棧應(yīng)用層編寫數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等程序，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。即，ZigBee模塊監(jiān)聽到來自ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包時，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給串口，網(wǎng)關(guān)主控制器通過串口接收數(shù)據(jù)；當(dāng)監(jiān)聽到來自網(wǎng)關(guān)主控制器串口的數(shù)據(jù)時，ZigBee模塊會根據(jù)相應(yīng)的尋址方式將數(shù)據(jù)發(fā)往相對應(yīng)節(jié)點(diǎn)。

3 關(guān)鍵技術(shù)處理

3.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)化

由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的不同，要實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)之間相互通信，必須在主控制器中實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)化。對于Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)，雖然其低層標(biāo)準(zhǔn)一個采用802.11，一個采用802.3，但它們網(wǎng)絡(luò)傳輸層都執(zhí)行TCP/IP協(xié)議，因此Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)換可以使用NAT（Network Address Translation）技術(shù)，改變IP包頭，使目的地址、源地址或兩個地址在包頭中被不同的地址替換即可，即通過移植Linux內(nèi)核中的Netfilter模塊及編寫腳本文件可實現(xiàn)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)絡(luò)間報文的相互轉(zhuǎn)發(fā)。但是ZigBee網(wǎng)絡(luò)則不同，網(wǎng)絡(luò)傳輸層沒有執(zhí)行TCP/IP協(xié)議，所以通過NAT技術(shù)解決不了網(wǎng)絡(luò)間的相互轉(zhuǎn)發(fā)，必須在主控制器中設(shè)計協(xié)議轉(zhuǎn)化程序。該守護(hù)程序設(shè)計思想是將串口鏈路層數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP協(xié)議的封裝，即可完成與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)的通訊。具體來說當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)來的串口數(shù)據(jù)向Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)傳輸時，進(jìn)入TCP/IP協(xié)議棧加上Wi-Fi頭或以太網(wǎng)頭、TCP/IP頭及串口號等信息進(jìn)行封裝，然后再發(fā)往這些網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)絡(luò)向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時，是出TCP/IP協(xié)議棧分解的過程，即依次去掉每層的協(xié)議頭分解出應(yīng)用層數(shù)據(jù)，最后根據(jù)串口號字段值將信息發(fā)往相應(yīng)串口，從而完成整個通訊過程。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)尋址

ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)只有兩種地址，即16位短的網(wǎng)絡(luò)地址和64位長的物理地址。ZigBee網(wǎng)內(nèi)通訊采用隨機(jī)生成的16位短地址。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址不是固定的，而64位物理地址是IEEE分配的全球惟一號，所以其他網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊時必須要建立物理地址與網(wǎng)絡(luò)地址的一對一關(guān)系。因此在網(wǎng)關(guān)內(nèi)部保存一張ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的物理地址和網(wǎng)絡(luò)地址對應(yīng)表，當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)成功后，網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器就更新這張網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)地址對應(yīng)表。當(dāng)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)或以太網(wǎng)絡(luò)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通訊時采用的是64位物理地址，傳輸數(shù)據(jù)時，網(wǎng)關(guān)首先根據(jù)物理地址在表中查找它的網(wǎng)絡(luò)地址，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址將數(shù)據(jù)發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)。

3.3 通信協(xié)議設(shè)計

ZigBee模塊與主控制器S3C6410之間要實現(xiàn)信息交互，必須采用一定格式的通訊協(xié)議。表1是網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊與主控制器通訊時的幀格式，它采用32字節(jié)固定長度的幀格式與主控制器通訊，每一幀都是32字節(jié)，且?guī)в袔^、數(shù)據(jù)和幀尾。除幀頭和幀尾外，每一幀數(shù)據(jù)都有功能碼、地址、有效數(shù)據(jù)和校驗位組成。幀頭為一特殊字符，占1個字節(jié)；功能碼代表本幀數(shù)據(jù)需要執(zhí)行的功能類型，占3個字節(jié)；地址位共占10個字節(jié)，代表所訪問ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址，高8字節(jié)是物理地址，低2字節(jié)是網(wǎng)絡(luò)地址； 數(shù)據(jù)長度占16字節(jié)，傳送各個參數(shù)、變量與返回值及各種需要發(fā)送的數(shù)據(jù)；校驗位占1個字節(jié)，是從功能碼到數(shù)據(jù)尾的加和校驗，所得的結(jié)果為檢驗字節(jié)；幀尾為一特殊字符，占1個字節(jié)。

當(dāng)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)igBee網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)控制時，首先應(yīng)用程序根據(jù)通訊協(xié)議格式向串口發(fā)送帶有相應(yīng)功能碼的指令，網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊從串口得到該指令后，根據(jù)其中的功能碼及地址位，依據(jù)3.2節(jié)ZigBee網(wǎng)絡(luò)尋址方式向相應(yīng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送該命令，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在接收到含有功能碼的指令后，完成相應(yīng)的功能并收集相關(guān)信息。節(jié)點(diǎn)在收集完相關(guān)信息后，按通訊協(xié)議格式要求打包，將相應(yīng)信息發(fā)往網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊，網(wǎng)關(guān)ZigBee模塊在得到上述信息后轉(zhuǎn)發(fā)到串口，S3C6410偵聽到串口來的數(shù)據(jù)，然后將串口數(shù)據(jù)解包，即可獲得相應(yīng)反饋信息。網(wǎng)關(guān)CGI程序根據(jù)該通訊協(xié)議，實現(xiàn)對ZigBee網(wǎng)絡(luò)的控制與管理。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于ARM處理器的網(wǎng)關(guān)，經(jīng)測試很好的實現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)與WI-FI網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)絡(luò)的通信。但需要注意的是：由于Wi-Fi信號與ZigBee信號都使用2.4G無線頻段，當(dāng)其部署在同一環(huán)境中且Wi-fi信道與ZigBee信道重疊時，Wi-Fi通信會對ZigBee產(chǎn)生較大干擾。但在2.425GHz、2.450GHz、2.475GHz和2.480GHz四個頻段上，ZigBee頻段與Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)頻段不存在重疊干擾現(xiàn)象，因此，ZigBee信號建議使用以上4個頻段避免Wi-Fi信號的干擾。

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