引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)是指由大量成本相對低廉的，具有感知能力、計算能力、實時通信能力的傳感器節(jié)點組成的嵌入式無線網絡，是當前眾多領域的研究和應用熱點。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率無線個人區(qū)域網)上的Zigbee協議是應用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標準，是無線傳感器網絡組網的首選技術之一。

隨著Zigbee無線傳感器網絡技術的廣泛應用，如何通過現有網絡基礎設施（如Internet、GPRS等）對其進行遠程管理、控制感測環(huán)境中的各種傳感裝置，逐漸成為該領域的重要研究課題。圖1給出了基于Zigbee的無線傳感器網絡體系結構，如圖示Zigbee網關在整個無線傳感器網絡體系中起著重要的樞紐作用，同時也是WSN整體系統的“瓶頸”之一。當圖1中的服務器或用戶部分為其它Zigbee網絡時，通過Zigbee網關和Internet或GPRS做媒介，就使得世界范圍內的不同監(jiān)測區(qū)域都可以信息共享，這大大縮小了物理世界的時空距離。

圖1 基于Zigbee技術的無線傳感器網絡

本文主要研究的是Internet環(huán)境下基于Zigbee傳感器網絡的網關設計及其實現。

1 系統概述

網關是建立在傳輸層以上的協議轉換器，通常它連接兩個或多個相互獨立的網絡，每接收一種協議的數據包后，在轉發(fā)之前將它轉換為另一種協議的格式?？紤]到Zigbee節(jié)點的通信能力有限(數據速率僅為250 Kbps)，為了減少網關協議轉換自身的工作量，本網關選擇了一款集成Ethernet接口的ARM9 芯片來完成硬件系統的搭建。

本網關采用模塊化設計方案，如圖2所示由硬件層、軟件層和應用層三大部分組成。其中硬件層描述了網關的硬件實現，在后文將詳細介紹；軟件層移植μC/OS-II實時操作系統內核、Zigbee和嵌入式TCP/IP協議棧LwIP，實現了Zigbee和TCP/IP協議的雙向透明轉換，同時封裝一些關鍵API函數供應用層程序調用；應用層運行的是用戶編寫的應用程序，用戶可以根據實際需要使用下層定義的API自行擴充相關應用。

圖2 Zigbee網關總體結構

2 硬件設計

網關硬件結構如圖3所示，由內部集成以太網MAC的ARM9處理器STR912FW44X、Zigbee射頻收發(fā)模塊CC2420、大容量DataFlash存儲卡片AT45DCB008、以太網收發(fā)芯片(PHY) RTL8201和帶觸摸功能的LCD顯示模塊LQ084V1DG21等模塊組成。

圖3 Zigbee網關硬件結構

其中STR912FW44X作為硬件系統的主控芯片，它是意法半導體（ST Microelectronics）推出的基于ARM966E-S內核，片內集成Flash、USB、CAN、以太網MAC、AC馬達控制、ADC、RTC、DMA等接口的高性能ARM9 SOC，最高主頻可達96Mhz；

Zigbee射頻收發(fā)芯片CC2420是挪威Chipcon（現為TI）推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee 標準的射頻收發(fā)器。CC2420采用O-QPSK調制方式，工作頻帶范圍為2.400～2. 4835 GHz，接收靈敏度為-94 dBm，抗鄰頻道干擾能力為39 dB。利用此芯片開發(fā)的無線通信設備支持數據傳輸率高達250 Kbps，能夠實現點對多點的快速組網；

AT45DCB008是Atmel公司推出的新型DataFlash存儲芯片，在該網關中用來保存網絡故障狀態(tài)下的數據信息。AT45DCB008中的數據按頁存放，主存共8192頁，每頁1024字節(jié),總容量約為8M字節(jié)，每頁的擦寫次數保證在100,000次以上；

以太網PHY層芯片采用的是Realtek公司的RTL8201BL，它是一個單端口的物理層收發(fā)器，實現了全部的10/100M以太網物理層功能；

顯示部分采用的LQ084V1DG21是SHARP公司的帶觸摸屏8.4英寸TFT數字液晶顯示屏，分辨率為640480。

3 嵌入式網關軟件設計

3.1 μC/OS-II下的LwIP的移植

μC/OS-II是一個搶占式的實時多任務內核操作系統，具有開放源碼、可固化、可剪裁、高穩(wěn)定性和可靠性等特點。目前國內外對μC/OS-II的相關研究已有很多，其在STR912處理器上的移植在此不再贅述。LwIP是瑞士計算機科學院開發(fā)的輕量級（Light Weight）開放源碼TCP/IP協議棧，目前最新版本為1.2.0

LwIP協議棧把所有與硬件相關、OS、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，可以是說其在設計時就考慮了移植問題。LwIP在μC/OS-II上的移植就是修改這個目錄下的文件，其它的文件一般不做修改。需要修改和自己編程實現的是以下幾部分：

●與STR912及IAR編譯器相關的include文件；

●μC/OS-II模擬層相關代碼編寫；

●與μC/OS-II相關的一些結構和函數；

●lib_arch中庫函數的實現；

●STR912網絡驅動程序編寫。

完成以上代碼移植的工作后，LwIP就可以順利運行在μC/OS-II下，主要通過以下程序完成LwIP的初始化及運行：

main（）{

OSInit()；//μC/OS-II初始化

OSTaskCreate(lwip_init_task,LineNo11,lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0)； //創(chuàng)建LwIP初始化任務

OSTaskCreate(usr_task,LineNo12,usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1)；//創(chuàng)建用戶任務

OSStart()；//啟動LwIP }

在main函數中創(chuàng)建了lwip_init_task來初始化LwIP任務（優(yōu)先級為0）和usr_task用戶任務（優(yōu)先級為1）。需要指出的是，在lwip_init_task任務中除了完成初始化硬件時鐘和LwIP本身等工作之外，還創(chuàng)建了tcpip_thread（優(yōu)先級為5）和tcpecho_thread（優(yōu)先級為6），其中tcpip_thread才是LwIP的主線程，也是應該先創(chuàng)建的。

3.2 μC/OS-II下的Zigbee協議棧的實現

我們在該網關平臺上運行自主編寫Zigbee協議棧的子集ez_PAN。ez_PAN目前還很不完善，只實現了Zigbee的部分關鍵功能，僅支持星型和簇狀網絡(Cluster)，支持網絡的動態(tài)組網配置和動態(tài)綁定等。ez_PAN協議棧結構如圖4所示：

圖4 ez_PAN協議棧結構

下面給出ez_PAN 協議棧上的協調器（Coordinator）、路由器（Router）和精簡節(jié)點（RFD）實現的關鍵代碼。Coordinator通過aplFormNetwork()函數建立網絡，等待其它節(jié)點（Router和RFD）的加入，主要程序如下：

Main（）

{

halInit()； //初始化 HAL 層

hawInit()；//硬件初始化

aplInit()； //初始化APL

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT()； //開中斷

aplFormNetwork()； //建立網絡

while(apsBusy)()) {apsFSM()；} //等待建立完成

while(1) {apsFSM()；} //循環(huán)執(zhí)行協議棧

}

其中調用apsBusy()來判斷當前協議棧是否忙于其它程序調用，apsFSM()是在APS層上實現的FSM(有限狀態(tài)機)，被apsBusy周期調用來維持ez_PAN的運行。在Coordinator建立網絡完成后，允許Router或RFD節(jié)點動態(tài)加入，關鍵代碼實現如下：

do {

aplJoinNetwork()；//Router或RFD加入網絡

while(apsBusy ()) { apsFSM()；} //等待加入完成

} while (aplGetStatus ()! =LRWPAN_SUCCESS)；

3.3 協議轉換軟件設計

在TCP/IP協議簇中，以太網的數據傳輸使用硬件地址(MAC)來進行識別，其中ARP（地址解析協議）完成IP地址和數據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換，因此為了保證Zigbee網關在以太網中的通信，首先要實現ARP協議的功能。Zigbee網絡中的節(jié)點數理論上最多可達65536個，每個節(jié)點同樣有自己唯一的MAC地址(64位長地址或16位短地址)。參考TCP/IP下的實現機制，我們實現了Zigbee協議中的適配層和ARP，實現IP地址到Zigbee節(jié)點地址的映射。協議轉換的工作原理如圖5所示，下面簡單描述一下數據包在網關中從Ethernet向Zigbee單方向轉換過程：Ethernet端從某網絡接口接收一個正常發(fā)往本機的IP數據包，簡單判斷后向上發(fā)給對應的UDP或TCP處理函數進行相應處理，然后再向上發(fā)給網關應用程序處理；網關應用程序經過簡單分析后，確定要轉發(fā)給Zigbee網絡中的哪個節(jié)點，通過Zigbee端的ARP解析出該節(jié)點在Zigbee網絡中的MAC地址，然后將相應數據包成功交至該節(jié)點，這樣就完成此次從Ethernet向Zigbee端的協議轉換。Zigbee向Ethernet端轉換類似，不再贅述。

圖5 網關協議轉換框圖

4 結論

本文設計的網關已在我們的“基于Zigbee無線傳感器網絡的煤礦井下定位跟蹤系統”項目中得以實用，取得了較好的效果。經測試該網關具有效率高、響應實時、可靠性高、功耗低，抗干擾能力強等特點，同時具有很好的通用性。由于當前Zigbee技術還在不斷的更新和完善中，如何跟蹤最新的Zigbee技術來提高網關的性能以及如何提高ez_PAN的多平臺可移植性，將是我們以后研究的重點。

本文作者創(chuàng)新點：采用集成Ethernet (MAC)接口的ARM9芯片STR912作為核心擴展設計了一個Zigbee網關，它很好地克服了傳統網關架構下Zigbee傳輸速率的瓶頸，大大降低了協議轉換過程中的資源和處理時間消耗。該網關設計思路、技術實現新穎，具有較強的實用性。

參考文獻

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[2] LwIP v1.2.0 source code. Leon Woestenberg.http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/, 2006

[3] Patrick Kinney, Kinney Consulting LLC.Gateways: Beyond the Sensor Network .Zigbee Alliance, 2005

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[5] 趙晨,何波,王睿.基于射頻芯片CC2420實現的Zigbee無線通信設計[J].微計算機信息，2007(1-2):P101-102