基于ARM9的嵌入式Zigbee网关设计与实现

引言

    无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是指由大量成本相对低廉的，具有感知能力、计算能力、实时通信能力的传感器节点组成的嵌入式无线网络，是当前众多领域的研究和应用热点。建立在IEEE 802.15.4(LR_WPAN，低速率无线个人区域网)上的Zigbee协议是应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准，是无线传感器网络组网的首选技术之一。

随着Zigbee无线传感器网络技术的广泛应用，如何通过现有网络基础设施（如Internet、GPRS等）对其进行远程管理、控制感测环境中的各种传感装置，逐渐成为该领域的重要研究课题。图1给出了基于Zigbee的无线传感器网络体系结构，如图示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，同时也是WSN整体系统的“瓶颈”之一。当图1中的服务器或用户部分为其它Zigbee网络时，通过Zigbee网关和Internet或GPRS做媒介，就使得世界范围内的不同监测区域都可以信息共享，这大大缩小了物理世界的时空距离。

图1 基于Zigbee技术的无线传感器网络

本文主要研究的是Internet环境下基于Zigbee传感器网络的网关设计及其实现。

1 系统概述

   网关是建立在传输层以上的协议转换器，通常它连接两个或多个相互独立的网络，每接收一种协议的数据包后，在转发之前将它转换为另一种协议的格式。考虑到Zigbee节点的通信能力有限(数据速率仅为250 Kbps)，为了减少网关协议转换自身的工作量，本网关选择了一款集成Ethernet接口的ARM9 芯片来完成硬件系统的搭建。

本网关采用模块化设计方案，如图2所示由硬件层、软件层和应用层三大部分组成。其中硬件层描述了网关的硬件实现，在后文将详细介绍；软件层移植μC/OS-II实时操作系统内核、Zigbee和嵌入式TCP/IP协议栈LwIP，实现了Zigbee和TCP/IP协议的双向透明转换，同时封装一些关键API函数供应用层程序调用；应用层运行的是用户编写的应用程序，用户可以根据实际需要使用下层定义的API自行扩充相关应用。

图2 Zigbee网关总体结构

2 硬件设计

    网关硬件结构如图3所示，由内部集成以太网MAC的ARM9处理器STR912FW44X、Zigbee射频收发模块CC2420、大容量DataFlash存储卡片AT45DCB008、以太网收发芯片(PHY) RTL8201和带触摸功能的LCD显示模块LQ084V1DG21等模块组成。

图3 Zigbee网关硬件结构

其中STR912FW44X作为硬件系统的主控芯片，它是意法半导体（ST Microelectronics）推出的基于ARM966E-S内核，片内集成Flash、USB、CAN、以太网MAC、AC马达控制、ADC、RTC、DMA等接口的高性能ARM9 SOC，最高主频可达96Mhz；

       Zigbee射频收发芯片CC2420是挪威Chipcon（现为TI）推出的符合2.4 GHz IEEE 802.15.4和Zigbee 标准的射频收发器。CC2420采用O-QPSK调制方式，工作频带范围为2.400～2. 4835 GHz，接收灵敏度为-94 dBm，抗邻频道干扰能力为39 dB。利用此芯片开发的无线通信设备支持数据传输率高达250 Kbps，能够实现点对多点的快速组网；

       AT45DCB008是Atmel公司推出的新型DataFlash存储芯片，在该网关中用来保存网络故障状态下的数据信息。AT45DCB008中的数据按页存放，主存共8192页，每页1024字节,总容量约为8M字节，每页的擦写次数保证在100,000次以上；

以太网PHY层芯片采用的是Realtek公司的RTL8201BL，它是一个单端口的物理层收发器，实现了全部的10/100M以太网物理层功能；

       显示部分采用的LQ084V1DG21是SHARP公司的带触摸屏8.4英寸TFT数字液晶显示屏，分辨率为640×480。

3 嵌入式网关软件设计

3.1 μC/OS-II下的LwIP的移植

   μC/OS-II是一个抢占式的实时多任务内核操作系统，具有开放源码、可固化、可剪裁、高稳定性和可靠性等特点。目前国内外对μC/OS-II的相关研究已有很多，其在STR912处理器上的移植在此不再赘述。LwIP是瑞士计算机科学院开发的轻量级（Light Weight）开放源码TCP/IP协议栈，目前最新版本为1.2.0

LwIP协议栈把所有与硬件相关、OS、编译器相关的部分独立出来，放在/src/arch目录下，可以是说其在设计时就考虑了移植问题。LwIP在μC/OS-II上的移植就是修改这个目录下的文件，其它的文件一般不做修改。需要修改和自己编程实现的是以下几部分：

●与STR912及IAR编译器相关的include文件；

●μC/OS-II模拟层相关代码编写；

●与μC/OS-II相关的一些结构和函数；

●lib_arch中库函数的实现；

●STR912网络驱动程序编写。

完成以上代码移植的工作后，LwIP就可以顺利运行在μC/OS-II下，主要通过以下程序完成LwIP的初始化及运行：

main（）{     

OSInit()；//μC/OS-II初始化

OSTaskCreate(lwip_init_task,&LineNo11,&lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0)；      //创建LwIP初始化任务

OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1)；//创建用户任务

                   OSStart()；//启动LwIP  }

       在main函数中创建了lwip_init_task来初始化LwIP任务（优先级为0）和usr_task用户任务（优先级为1）。需要指出的是，在lwip_init_task任务中除了完成初始化硬件时钟和LwIP本身等工作之外，还创建了tcpip_thread（优先级为5）和tcpecho_thread（优先级为6），其中tcpip_thread才是LwIP的主线程，也是应该先创建的。

3.2   μC/OS-II下的Zigbee协议栈的实现

我们在该网关平台上运行自主编写Zigbee协议栈的子集ez_PAN。ez_PAN目前还很不完善，只实现了Zigbee的部分关键功能，仅支持星型和簇状网络(Cluster)，支持网络的动态组网配置和动态绑定等。ez_PAN协议栈结构如图4所示：

图4  ez_PAN协议栈结构

下面给出ez_PAN 协议栈上的协调器（Coordinator）、路由器（Router）和精简节点（RFD）实现的关键代码。Coordinator通过aplFormNetwork()函数建立网络，等待其它节点（Router和RFD）的加入，主要程序如下：

Main（）

 {

halInit()； //初始化 HAL 层

hawInit()；//硬件初始化

aplInit()； //初始化APL

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT()； //开中断

aplFormNetwork()； //建立网络

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

while(1) {apsFSM()；}  //循环执行协议栈

}

其中调用apsBusy()来判断当前协议栈是否忙于其它程序调用，apsFSM()是在APS层上实现的FSM(有限状态机)，被apsBusy周期调用来维持ez_PAN的运行。在Coordinator建立网络完成后，允许Router或RFD节点动态加入，关键代码实现如下：

do {

aplJoinNetwork()；//Router或RFD加入网络

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

} while (aplGetStatus ()! =LRWPAN_SUCCESS)；

3.3   协议转换软件设计

    在TCP/IP协议簇中，以太网的数据传输使用硬件地址(MAC)来进行识别，其中ARP（地址解析协议）完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证Zigbee网关在以太网中的通信，首先要实现ARP协议的功能。Zigbee网络中的节点数理论上最多可达65536个，每个节点同样有自己唯一的MAC地址(64位长地址或16位短地址)。参考TCP/IP下的实现机制，我们实现了Zigbee协议中的适配层和ARP，实现IP地址到Zigbee节点地址的映射。协议转换的工作原理如图5所示，下面简单描述一下数据包在网关中从Ethernet向Zigbee单方向转换过程：Ethernet端从某网络接口接收一个正常发往本机的IP数据包，简单判断后向上发给对应的UDP或TCP处理函数进行相应处理，然后再向上发给网关应用程序处理；网关应用程序经过简单分析后，确定要转发给Zigbee网络中的哪个节点，通过Zigbee端的ARP解析出该节点在Zigbee网络中的MAC地址，然后将相应数据包成功交至该节点，这样就完成此次从Ethernet向Zigbee端的协议转换。Zigbee向Ethernet端转换类似，不再赘述。

图5 网关协议转换框图

4        结论

本文设计的网关已在我们的“基于Zigbee无线传感器网络的煤矿井下定位跟踪系统”项目中得以实用，取得了较好的效果。经测试该网关具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低，抗干扰能力强等特点，同时具有很好的通用性。由于当前Zigbee技术还在不断的更新和完善中，如何跟踪最新的Zigbee技术来提高网关的性能以及如何提高ez_PAN的多平台可移植性，将是我们以后研究的重点。

本文作者创新点：采用集成Ethernet (MAC)接口的ARM9芯片STR912作为核心扩展设计了一个Zigbee网关，它很好地克服了传统网关架构下Zigbee传输速率的瓶颈，大大降低了协议转换过程中的资源和处理时间消耗。该网关设计思路、技术实现新颖，具有较强的实用性。

参考文献

[1] Zigbee specification v1.1. Zigbee Alliance.http://www.zigbee.org,2006

[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

[4] http://www.ece.msstate.edu/~reese/msstatePAN/, 2006

[5] 赵晨,何波,王睿.基于射频芯片CC2420实现的Zigbee无线通信设计[J].微计算机信息，2007(1-2):P101-102