基于ZigBee技術(shù)的溫室監控系統網(wǎng)關(guān)設計方案

　引言

　　溫室監控系統用于實(shí)時(shí)監測室內溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數，以便做出相應調整，使作物處于最佳環(huán)境中生長(cháng)?，F有的無(wú)線(xiàn)溫室監控系統大多在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍內進(jìn)行環(huán)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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。2節5號電池即可使ZigBee射頻芯片工作6～24個(gè)月。

　　本設計采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)接人到以太網(wǎng)。不但很好地解決了功耗和成本問(wèn)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(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、人機交互界面3個(gè)部分組成。無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)通過(guò)連接傳感器來(lái)獲得相應的環(huán)境參數，并將數據發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。嵌入式網(wǎng)關(guān)承擔網(wǎng)絡(luò )管理的功能，主要負責組建ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )并將傳感節點(diǎn)傳回的數據上傳至以太網(wǎng)中。人機交互界面的作用是將這些數據實(shí)時(shí)地顯示在網(wǎng)頁(yè)上，也可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)進(jìn)行遠程控制。

圖1 溫室監控系統的結構示意圖

　　無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中的各傳感器節點(diǎn)采集溫度、濕度、C02濃度等環(huán)境信息，經(jīng)網(wǎng)關(guān)處理后，監控終端計算機通過(guò)IE瀏覽器即可訪(fǎng)問(wèn)這些數據，從而實(shí)現遠程監控環(huán)境信息。

　　2 硬件設計

　　整個(gè)系統涉及ZigBee網(wǎng)絡(luò )和以太網(wǎng)，為了使2個(gè)網(wǎng)絡(luò )能相互通信，需要建立網(wǎng)關(guān)。本文用嵌入式BOA服務(wù)器作為2個(gè)網(wǎng)絡(luò )的信息中轉站，以實(shí)現網(wǎng)關(guān)的功能。BOA服務(wù)器是一個(gè)小巧高效的Web服務(wù)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(wù)的HTTP服務(wù)器。

　　2.1 網(wǎng)關(guān)硬件設計

　　嵌入式BOA服務(wù)器可以在嵌入式Linux操作系統的支持下進(jìn)行設計。網(wǎng)關(guān)硬件結構如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)硬件結構

　　網(wǎng)關(guān)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。

　?、?56MB 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(shí)的程序和數據存儲器。

　?、蹹M9000A網(wǎng)絡(luò )控制器，提供以太網(wǎng)連接功能，以滿(mǎn)足用戶(hù)通過(guò)TCP／IP以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數據交互。

　?、軯TAG仿真調試接口，支持ADS等集成開(kāi)發(fā)環(huán)境利用JTAG調試接口對整個(gè)硬件電路進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)和調試。

　?、轚ART接口，連接CC2430射頻芯片以實(shí)現ZigBee無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)的互聯(lián)。

　　2.2 ZigBee節點(diǎn)硬件設計

　　ZigBee節點(diǎn)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(diǎn)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(fā)器內核和工業(yè)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(huán)境參數，并通過(guò)ZjgBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行傳輸。本系統在每個(gè)ZigBee節點(diǎn)上分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和CO2傳感器來(lái)監測不同節點(diǎn)處相應的環(huán)境信息。

　　3 軟件設計

　　本設計基于嵌入式Linux操作系統，通過(guò)編寫(xiě)DM9000A網(wǎng)卡驅動(dòng)和UART異步串口驅動(dòng)實(shí)現以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò )的互聯(lián)。

　　網(wǎng)關(guān)的分層結構如圖4所示。在TCP／IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議上分別開(kāi)發(fā)Web、CGI程序以及無(wú)線(xiàn)收發(fā)程序。Web、CGI程序用于人機交互界面，無(wú)線(xiàn)收發(fā)程序用來(lái)實(shí)現ZigBee網(wǎng)絡(luò )的通信。

圖4 網(wǎng)關(guān)的分層結構圖

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

　　由于BOA服務(wù)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(guò)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(gè)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(shí)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(xiě)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(gè)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(wù)器

　　根文件系統是嵌入式Linux系統啟動(dòng)的重要組成部分，也是用戶(hù)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(wù)器。BOA是一款單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，當有連接請求到來(lái)時(shí)，通過(guò)建立HTTP請求列表來(lái)處理多路HTTP連接請求，同時(shí)它為CGI程序創(chuàng )建新的進(jìn)程。

　　移植好BOA服務(wù)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(tài)網(wǎng)頁(yè)和CGI程序。

　　3.4 網(wǎng)關(guān)軟件設計

　　網(wǎng)關(guān)軟件程序流程如圖5所示。S3C2440通過(guò)I／O端口觸發(fā)CC2430，使其無(wú)線(xiàn)發(fā)送相應的指令，遠程控制傳感器節點(diǎn)進(jìn)行數據采集。采集到的數據通過(guò)UART串口傳回S3C2440并上傳至嵌入式BOA服務(wù)器。用戶(hù)通過(guò)IE瀏覽器就可以實(shí)時(shí)采集到相應的環(huán)境信息。

圖5 網(wǎng)關(guān)軟件程序流程圖

　　傳感節點(diǎn)采集到的數據最終將上傳至嵌入式BOA服務(wù)器上，用戶(hù)可通過(guò)IE瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器IP地址來(lái)監測溫室的環(huán)境信息，監測網(wǎng)頁(yè)如圖6所示。

圖6 監測網(wǎng)頁(yè)

　　結語(yǔ)

　　本文基于S3C2440平臺和Linux操作系統提出了一種ZigBee網(wǎng)關(guān)的設計方法，并給出了硬件和軟件的實(shí)現方法，實(shí)現了ZigBee無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)絡(luò )與以太網(wǎng)的數據互通。該網(wǎng)關(guān)成功地用于溫室監控系統中，具有穩定性好、實(shí)時(shí)性強、可遠距離監控等特點(diǎn)。