基于ZigBee的溫室監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

引言
    溫室監(jiān)控系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，以便做出相應(yīng)調(diào)整，使作物處于最佳環(huán)境中生長(zhǎng)?，F(xiàn)有的無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)大多在無線局域網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)進(jìn)行環(huán)境信息監(jiān)測(cè)，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(fù)雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。2節(jié)5號(hào)電池即可使ZigBee射頻芯片工作6～24個(gè)月。
    本設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)組建無線局域網(wǎng)，并通過網(wǎng)關(guān)接人到以太網(wǎng)。不但很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效擴(kuò)展了數(shù)據(jù)的傳輸范圍。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    溫室監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、人機(jī)交互界面3個(gè)部分組成。無線傳感節(jié)點(diǎn)通過連接傳感器來獲得相應(yīng)的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。嵌入式網(wǎng)關(guān)承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)管理的功能，主要負(fù)責(zé)組建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)并將傳感節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)中。人機(jī)交互界面的作用是將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在網(wǎng)頁上，也可以通過網(wǎng)頁進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

    無線局域網(wǎng)中的各傳感器節(jié)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(jiān)控終端計(jì)算機(jī)通過IE瀏覽器即可訪問這些數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控環(huán)境信息。

2 硬件設(shè)計(jì)
    整個(gè)系統(tǒng)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(zhuǎn)站，以實(shí)現(xiàn)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(yùn)行于Unix或Linux系統(tǒng)下，支持CGI的、適合用于嵌入式系統(tǒng)的單任務(wù)的HTTP服務(wù)器。
2．1 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)
    嵌入式BOA服務(wù)器可以在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持下進(jìn)行設(shè)計(jì)。網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    網(wǎng)關(guān)硬件包括如下部分：
    ①S3C2440A，Samsung公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器，運(yùn)行頻率可達(dá)400 MHz。
    ②256MB Flash，存儲(chǔ)Bootloader和Linux操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)。
    ③64MB SDRAM，作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
    ④DM9000A網(wǎng)絡(luò)控制器，提供以太網(wǎng)連接功能，以滿足用戶通過TCP／IP以太網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互。
    ⑤JTAG仿真調(diào)試接口，支持ADS等集成開發(fā)環(huán)境利用JTAG調(diào)試接口對(duì)整個(gè)硬件電路進(jìn)行軟件開發(fā)和調(diào)試。
    ⑥UART接口，連接CC2430射頻芯片以實(shí)現(xiàn)ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互聯(lián)。
2．2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
    ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構(gòu)成。

    CC2430芯片整合了高性能2．4 GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器內(nèi)核和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。
    將相應(yīng)的傳感器與CC2430的I／O引腳連接，可測(cè)得所需的溫室環(huán)境參數(shù)，并通過ZjgBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。本系統(tǒng)在每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和CO2傳感器來監(jiān)測(cè)不同節(jié)點(diǎn)處相應(yīng)的環(huán)境信息。

3 軟件設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過編寫DM9000A網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)和UART異步串口驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。
    網(wǎng)關(guān)的分層結(jié)構(gòu)如圖4所示。在TCP／IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議上分別開發(fā)Web、CGI程序以及無線收發(fā)程序。Web、CGI程序用于人機(jī)交互界面，無線收發(fā)程序用來實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的通信。

    CGI(Common Gateway Interface)規(guī)定Web服務(wù)器調(diào)用其他程序的接口協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，提供給Web服務(wù)器一個(gè)執(zhí)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?qū)儆谝粋€(gè)外部程序，編譯成可執(zhí)行文件后，可以在服務(wù)端運(yùn)行。通過調(diào)用CGI程序可實(shí)現(xiàn)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(yīng)結(jié)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(tǒng)之上，因此需要將嵌入式Linux系統(tǒng)移植到S3C2440芯片上。
3．1 移植Bootloader
    Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前執(zhí)行的一小段程序，通過這段程序初始化硬件設(shè)備。Bootloader可移植性強(qiáng)，只要根據(jù)硬件資源修改少量代碼即可直接使用。
3．2 移植Linux內(nèi)核
    Linux內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的核心，內(nèi)核移植包括內(nèi)核配置、內(nèi)核編譯、內(nèi)核下載3個(gè)部分。嵌入式設(shè)備主要用NAND Flash作為存儲(chǔ)器，NAND Flash容量有限，因此在配置內(nèi)核時(shí)需要裁減一些不需要的功能以減小內(nèi)核的體積。由于要將編譯好的Linux內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像燒寫到NAND Flash中，因此設(shè)置NAND Flash分區(qū)。本項(xiàng)目采用256 MB的NAND Flash，將其分為3個(gè)區(qū)：0區(qū)為Bootloader分區(qū)，1區(qū)為內(nèi)核分區(qū)，2區(qū)為根文件系統(tǒng)分區(qū)。內(nèi)核配置完成后執(zhí)行make zImage命令生成Linux內(nèi)核映像文件，然后將內(nèi)核映像文件下載至NAND Flash的內(nèi)核分區(qū)上。
3．3 移植根文件系統(tǒng)和BOA服務(wù)器
    根文件系統(tǒng)是嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)的重要組成部分，也是用戶應(yīng)用程序的載體。本方案采用busybox制作yaffs2文件系統(tǒng)，并在文件系統(tǒng)中加入BOA服務(wù)器。BOA是一款單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，當(dāng)有連接請(qǐng)求到來時(shí)，通過建立HTTP請(qǐng)求列表來處理多路HTTP連接請(qǐng)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(tǒng)中建立／var／www／cgi-bin文件夾，此文件夾用于存放靜態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序。
3．4 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)軟件程序流程如圖5所示。S3C2440通過I／O端口觸發(fā)CC2430，使其無線發(fā)送相應(yīng)的指令，遠(yuǎn)程控制傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)通過UART串口傳回S3C2440并上傳至嵌入式BOA服務(wù)器。用戶通過IE瀏覽器就可以實(shí)時(shí)采集到相應(yīng)的環(huán)境信息。

    傳感節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)最終將上傳至嵌入式BOA服務(wù)器上，用戶可通過IE瀏覽器訪問服務(wù)器IP地址來監(jiān)測(cè)溫室的環(huán)境信息，監(jiān)測(cè)網(wǎng)頁如圖6所示。

結(jié)語
    本文基于S3C2440平臺(tái)和Linux操作系統(tǒng)提出了一種ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方法，并給出了硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了ZigBee無線局域網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)互通。該網(wǎng)關(guān)成功地用于溫室監(jiān)控系統(tǒng)中，具有穩(wěn)定性好、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可遠(yuǎn)距離監(jiān)控等特點(diǎn)。