摘 要： 針對ZigBee傳輸距離短的不足，結合以太網的遠程特性，設計了基于ARM平臺的ZigBee網關。硬件采用STM32處理器和ZigBee CC2530，在操作系統μC/OS-II的基礎上實現TCP/IP協議和ZigBee協議的移植。經測試，該網關通用性好，實現了ZigBee與ARM數據通信，通過以太網實現了數據的遠程監(jiān)測。
關鍵詞： ZigBee；μC/OS-II；以太網；網關
無線傳感網絡WSN（Wireless Sensor Network）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內的大量廉價微型傳感器節(jié)點組成的、通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網絡系統。ZigBee憑借低功耗、短延時、自組網等優(yōu)勢已廣泛應用于無線傳感器網絡中，但如何實現ZigBee網絡的遠程管理和監(jiān)測逐漸成為該領域的重要研究課題。本文設計了基于ARM平臺的ZigBee網關，其目的是實現ZigBee無線網絡的遠程控制。
1 系統概述
網關主要由無線傳感器和以太網服務器兩部分組成。無線傳感器選用ZigBee CC2530；以太網服務器以STM32作為主處理器，通過串口(UART)連接以太網控制器ENC28J60。
網關總體結構由三部分組成，即硬件層、軟件層和應用層[1]，如圖1所示。硬件層描述了網關中的處理器和無線傳感等硬件；軟件層是移植μC/OS-II實時內核、嵌入式TCP/IP協議棧LwIP和ZigBee協議棧，實現TCP/IP和ZigBee兩種協議棧間協議的雙向透明轉換，同時封裝一些關鍵應用程序接口（API）函數供應用層程序調用；應用層是用戶根據具體的數據要求編寫的應用程序，用戶根據實際需要使用下層定義的API函數自行擴充相關應用。
2 網關硬件設計
網關的工作流程為：網關內的ZigBee協調器創(chuàng)建一個無線網路，控制區(qū)域內ZigBee節(jié)點自動搜尋網絡，并加入到網絡中；當需要遠程監(jiān)控計算機獲得某一個節(jié)點的數據或者發(fā)送某一個指令給節(jié)點時，只需向以太網口發(fā)送相應的節(jié)點地址和指令即可；網關以太網接口獲得遠程計算機的命令后，就會通過處理器的協議轉換通知ZigBee協調器向相應的傳感器節(jié)點發(fā)送指令；傳感器節(jié)點收到命令后按照指令執(zhí)行操作，并把數據按相反的路徑發(fā)送給遠程監(jiān)測計算機。網關的硬件結構如圖2所示。
其中，微處理器通過SPI方式與ZigBee和以太網控制器通信，ZigBee節(jié)點是監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點，自動加入協調器建立的網路中。
2.1 硬件選擇
考慮到高性能、低成本等因素，網關選用基于Cortex-M3內核的STM32F103作為主處理器。此系列處理器是增強型處理器，工作頻率達到72 MHz，內置高速存儲器(高達128 KB的閃存和20 B的SRAM)接口。集成了許多緊耦合系統外設，能滿足下一代產品的控制需求。調試模式有串口調試和JTAG接口，本文中采用串口調試方式，節(jié)省了開銷。多個通信接口：2個I2C接口(SMBus/PMBus)、5個USART接口、3個SPI接口等。這些特性足以滿足本網關設計的要求。
CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。低功耗、短延時，以非常低的總成本建立龐大的網絡節(jié)點等特性成為無線傳感網絡重要技術之一，并且結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統內具有可編程閃存、8 KB RAM和許多其他強大的功能。2個USART接口，調試接口用于內部電路調試，具有兩線串行接口。
2.2 STM32與CC2530的硬件連接
STM32處理器與CC2530的硬件連接[2]如表1所示。
3 網關軟件設計
本文設計的網關，按軟件平臺可分為運行在ZigBee無線模塊中的ZigBee協議棧程序和運行在主處理器STM32中的嵌入式以太網服務器程序兩部分。其中在STM32中移植?滋C/OS-II實時操作系統，兩個不同的網絡使用兩類協議，即TCP/IP協議和ZigBee協議。
3.1 ZigBee協議棧
ZigBee協調器中運行ZigBee協議棧程序，協議棧采用Z-Stack 2007，其結構包括應用層、網絡層、媒介訪問控制層和物理層。可以說Z-Stack是一個小型的操作系統，底層和網絡層內容已經封裝好，只需根據需要修改應用層函數，通過任務輪詢機制執(zhí)行任務。
3.2 μC/0S-II下LwIP的移植
LwIP是瑞士計算機科學院（Swedish Institute of Computer Science）的DUNKELS A等開發(fā)的一個小型開源的TCP/IP協議棧，實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，一般它只需要幾十KB RAM和40 KB左右的ROM就可以運行，使得LwIP協議棧適合應用在低端嵌入式系統中。
LwIP協議棧把所有與硬件、OS、編譯器相關的部分獨立出來，放在/src/arch目錄下，因此LwIP在?滋C/OS-II上的移植實現只需要修改這個目錄下的文件。LwIP成功移植到μC/OS-II操作系統需要修改和編程的部分[3]：
(1)修改與STM32及IAR編譯器相關的include文件（cc.h、cpu.h、perf.h）；
(2)修改與μC/OS-II相關的一些結構和函數；
(3)lib_arch中庫函數的實現；
(4)STM32網絡驅動程序編寫；
(5)μC/OS-II模擬層相關代碼編寫。
完成上面的幾個部分后就可以在?滋C/0S-II中初始化LwIP，并創(chuàng)建TCP或UDP任務。LwIP的初始化必須在μC/0SII完全啟動之后(即在任務中)進行，因為它的初始化用到了信號量等 OS相關的操作。關鍵代碼和說明如下：
main(){
OSInit()；
OSTaskCreate(lwip_init_task, &LineNo11, &lwip_init_stk
[TASK_STK_SIZE-1], 0)；
OSTaskCreate(usr_task,&LineNo12,&usr_stk[TASK_STK_
SIZE-1],1)；
OSStart()；
}
3.3 協議轉換軟件設計
如何使得節(jié)點間數據交換透明化是網關應用程序的主要問題，需要設計協議轉換。在TCP/IP協議簇中，以太網的數據傳輸使用硬件地址（MAC）來識別，地址解析協議（ARP）完成IP地址和數據鏈路層使用的硬件地址之間的轉換，參考TCP/IP下的實現機制，在網關軟件支持層的ZigBee協議和TCP/IP協議之上添加應用地址適配層和應用協議層。軟件結構[4]如圖3所示。
應用地址適配層實現ZigBee地址、以太網地址與應用層地址的映射關系，通過創(chuàng)建地址映射表以及相應的軟件操作接口來實現；應用協議層在應用地址適配層的基礎上，通過制定統一的應用協議，規(guī)范數據交換格式；網關應用程序實現網關具體功能，以μC/OS-II任務的形式組織運行。
3.4 μC/OS-II操作系統
μC/OS-II是一種免費公開源代碼、結構小巧、具有可剝奪實時內核的實時操作系統，包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。
3.4.1 系統移植
在STM32微處理器平臺上移植?滋C/OS-II只需要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU_C.C 3個文件。OS_CPU.H中修改聲明中與微處理器相關的常量、宏和typedef；OS_CPU_A.ASM中實現五個與處理器相關的函數：OS_CPU_SR_Save( )、OS_CPU_SR_Restore( )、OSStart-HighRdy( )、OSCtxSw( )、OSIntCtxSw( )；OS_CPU_C.C中有9個鉤子函數(空函數)和一個OSTaskStkInit( )函數，OSTask-StkInit( )函數功能是完成新建任務堆棧的初始化。
3.4.2 網關任務函數
網關應用程序是以μC/OS-II任務的形式組織運行的，μC/OS-II中主要任務是接收和處理以太網的指令，實現以太網和ZigBee節(jié)點間通信。系統中的主要任務函數包括：以太網數據接收任務TaskEthernetRec（）、以太網數據處理任務TaskDealEthernet（）、以太網數據發(fā)送任務TaskEthernetSend（）、ZigBee數據接收任務TaskZigBeeRec（）、ZigBee數據處理任務TaskDealZigBee（）和ZigBee數據發(fā)送任務TaskZigBeeSend（）。
任務之間的數據共享通過多個數據隊列實現，主要數據隊列包括：以太網數據接收緩沖隊列QueueEthernetRec（）、以太網數據發(fā)送緩沖隊列QueueEthernetSend（）、ZigBee數據接收緩沖隊列QueueZigBeeRec（）及ZigBee數據發(fā)送緩沖隊列QueueZigBeeSend（）。
通過本網關對兩個ZigBee節(jié)點采集的溫度數據進行簡單的控制，取得了理想的控制效果。網關的設計彌補了ZigBee通信距離短的不足，利用低功耗、高性能的STM32微處理器，實現了ZigBee短距離通信的遠程控制，增加了ZigBee網絡應用的廣泛性。軟件部分采用?滋C/OS-II操作系統，方便移植到更高性能的ARM9處理器上。該網關所具有靈活性使其可應用在多種不同的工業(yè)控制現場，具有較強的實用性。
參考文獻
[1] 張帥華，楊遠，梁玉堂，等.基于AT91SAM9260的ZigBee工業(yè)以太網網關設計[J].微計算機信息，2011，27(8)：113-114.
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[3] 喬大雷，夏士雄，楊松.基于ARM9的嵌入式ZigBee網關設計與實現[J].微計算機信息，2007，23(12-2)：156-158.
[4] 甘勇，王華，常亞軍，等.基于ARM平臺的ZigBee網關設計[J].通信技術，2009，42(1)：199-201.