基于ZigBee技術的溫室監控系統網關設計方案

　引言

　　溫室監控系統用于實時監測室內溫度、濕度、CO2濃度等環境參數，以便做出相應調整，使作物處于最佳環境中生長?，F有的無線溫室監控系統大多在無線局域網絡覆蓋范圍內進行環境信息監測，傳輸范圍有限，且功耗和成本較高。

　　ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網絡技術。2節5號電池即可使ZigBee射頻芯片工作6～24個月。

　　本設計采用ZigBee技術組建無線局域網，并通過網關接人到以太網。不但很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效擴展了數據的傳輸范圍。

　　1 系統設計

　　溫室監控系統的結構示意圖如圖1所示。系統由無線傳感節點、嵌入式網關、人機交互界面3個部分組成。無線傳感節點通過連接傳感器來獲得相應的環境參數，并將數據發送至網關節點。嵌入式網關承擔網絡管理的功能，主要負責組建ZigBee無線網絡并將傳感節點傳回的數據上傳至以太網中。人機交互界面的作用是將這些數據實時地顯示在網頁上，也可以通過網頁進行遠程控制。

圖1 溫室監控系統的結構示意圖

　　無線局域網中的各傳感器節點采集溫度、濕度、C02濃度等環境信息，經網關處理后，監控終端計算機通過IE瀏覽器即可訪問這些數據，從而實現遠程監控環境信息。

　　2 硬件設計

　　整個系統涉及ZigBee網絡和以太網，為了使2個網絡能相互通信，需要建立網關。本文用嵌入式BOA服務器作為2個網絡的信息中轉站，以實現網關的功能。BOA服務器是一個小巧高效的Web服務器，運行于Unix或Linux系統下，支持CGI的、適合用于嵌入式系統的單任務的HTTP服務器。

　　2.1 網關硬件設計

　　嵌入式BOA服務器可以在嵌入式Linux操作系統的支持下進行設計。網關硬件結構如圖2所示。

圖2 網關硬件結構

　　網關硬件包括如下部分：

　?、賁3C2440A，Samsung公司的一款基于ARM920T內核的32位RISC嵌入式微處理器，運行頻率可達400 MHz。

　　②256MB Flash，存儲Bootloader和Linux操作系統以及文件系統。

　?、?4MB SDRAM，作為系統運行時的程序和數據存儲器。

　?、蹹M9000A網絡控制器，提供以太網連接功能，以滿足用戶通過TCP／IP以太網進行實時的數據交互。

　?、軯TAG仿真調試接口，支持ADS等集成開發環境利用JTAG調試接口對整個硬件電路進行軟件開發和調試。

　?、轚ART接口，連接CC2430射頻芯片以實現ZigBee無線局域網絡與以太網的互聯。

　　2.2 ZigBee節點硬件設計

　　ZigBee節點硬件結構如圖3所示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構成。

圖3 ZigBee節點硬件結構

　　CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器內核和工業標準的增強型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統（SoC）解決方案。

　　將相應的傳感器與CC2430的I／O引腳連接，可測得所需的溫室環境參數，并通過ZjgBee無線網絡進行傳輸。本系統在每個ZigBee節點上分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和CO2傳感器來監測不同節點處相應的環境信息。

　　3 軟件設計

　　本設計基于嵌入式Linux操作系統，通過編寫DM9000A網卡驅動和UART異步串口驅動實現以太網與ZigBee網絡的互聯。

　　網關的分層結構如圖4所示。在TCP／IP協議和ZigBee協議上分別開發Web、CGI程序以及無線收發程序。Web、CGI程序用于人機交互界面，無線收發程序用來實現ZigBee網絡的通信。

圖4 網關的分層結構圖

　　CGI（Common Gateway Interface）規定Web服務器調用其他程序的接口協議標準，提供給Web服務器一個執行外部程序的通道。這種服務端技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序屬于一個外部程序，編譯成可執行文件后，可以在服務端運行。通過調用CGI程序可實現Web服務器與Web瀏覽器的交互，CGI程序接收Web瀏覽器發送給Web服務器的控制命令，并進行處理，再將響應結果回送給Web服務器及Web瀏覽器。

　　由于BOA服務器搭建在Linux系統之上，因此需要將嵌入式Linux系統移植到S3C2440芯片上。

　　3.1 移植Bootloader

　　Bootloader是在操作系統內核運行之前執行的一小段程序，通過這段程序初始化硬件設備。Bootloader可移植性強，只要根據硬件資源修改少量代碼即可直接使用。

　　3.2 移植Linux內核

　　Linux內核是嵌入式操作系統的核心，內核移植包括內核配置、內核編譯、內核下載3個部分。嵌入式設備主要用NAND Flash作為存儲器，NAND Flash容量有限，因此在配置內核時需要裁減一些不需要的功能以減小內核的體積。由于要將編譯好的Linux內核映像和文件系統映像燒寫到NAND Flash中，因此設置NAND Flash分區。本項目采用256 MB的NAND Flash，將其分為3個區：0區為Bootloader分區，1區為內核分區，2區為根文件系統分區。內核配置完成后執行make zImage命令生成Linux內核映像文件，然后將內核映像文件下載至NAND Flash的內核分區上。

　　3.3 移植根文件系統和BOA服務器

　　根文件系統是嵌入式Linux系統啟動的重要組成部分，也是用戶應用程序的載體。本方案采用busybox制作yaffs2文件系統，并在文件系統中加入BOA服務器。BOA是一款單任務的HTTP服務器，當有連接請求到來時，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它為CGI程序創建新的進程。

　　移植好BOA服務器后，在文件系統中建立／var／www／cgi-bin文件夾，此文件夾用于存放靜態網頁和CGI程序。

　　3.4 網關軟件設計

　　網關軟件程序流程如圖5所示。S3C2440通過I／O端口觸發CC2430，使其無線發送相應的指令，遠程控制傳感器節點進行數據采集。采集到的數據通過UART串口傳回S3C2440并上傳至嵌入式BOA服務器。用戶通過IE瀏覽器就可以實時采集到相應的環境信息。

圖5 網關軟件程序流程圖

　　傳感節點采集到的數據最終將上傳至嵌入式BOA服務器上，用戶可通過IE瀏覽器訪問服務器IP地址來監測溫室的環境信息，監測網頁如圖6所示。

圖6 監測網頁

　　結語

　　本文基于S3C2440平臺和Linux操作系統提出了一種ZigBee網關的設計方法，并給出了硬件和軟件的實現方法，實現了ZigBee無線局域網絡與以太網的數據互通。該網關成功地用于溫室監控系統中，具有穩定性好、實時性強、可遠距離監控等特點。