基于ZigBee技术家庭网关的设计与实现

【中心议题】

• 提出了一种基于ZigBee技术的家庭网关
• 给出了软硬件实现方案

【解决方案】

• 硬件设计基于ARM9 STR912FW44X处理器
• 移植μCOS-Ⅱ操作系统和无线射频收发模块cc2430搭建网关开发平台

0引言

随着计算机、通信技术、嵌入式技术、信息家电的飞速发展,越来越多的家庭要求建立家庭网络。家庭网关是整个家庭网络的核心,它主要实现接入Internet进行远程控制,以及连接家庭内部网络的功能。ZigBee是一种新的短距离无线通信技术,专为低速率、低功耗的无线互联应用而设计,非常适合控制类家庭内部网络的组建。

1系统构建概述

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。网关是本系统中核心部分，采用模块化的设计方案，如图1所示由硬件层、软件层、应用层构成，硬件层主要是以ARM9微处理器和无线收发模块cc2430为核心，完成对数据的采集和命令的发送，具体的设计参见后面的详述。软件层移植μC/OS-II实时操作系统内核和ZigBee协议栈达到对数据的实时采集和处理。应用层运行用户自行编写的应用程序，在本系统中主要是负责对家庭内部信息的采集并发送，根据不同的要求使用不同的智能传感器。

在网关系统中外扩ZigBee模块作为全功能设备（Full Function Device FFD）；用智能传感器和ZigBee模块构成网络传感器节点作为简化功能设备（Reduced Funcation Device RFD）。由FFD和RFD配置成ZigBee星型拓扑网络，如图2所示。

通过构建ZigBee技术的家庭网关，可使系统具有如下功能：（1）RFD通过外接不同传感器,能够感知不同物理量,如温湿度、光照等；(2)RFD通过传感器模块持续采集监控对象的物理参量,如果超过系统设定阈值,能够通过RFD实时地向远端用户发送报警；(3)能周期性地接收到发送过来的监测数据,并实时传送给用户；（4）用户能够通过FFD，查询某个RFD的监测数据。

2系统硬件设计

系统的硬件平台是以内部集成以太网MAC的ARM9微处理器STR912FW44为核心，CC2430为ZigBee无线收发模块，数据FLASH存储器为FM25H20，以太网收发芯片STE100P和具有触摸屏的LCD显示功能T240320-BF等模块组成。如图3所示。

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、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CC2430具有高性能和低功耗的8051微控制器核，集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线收发机，工作频带范围是2.4～2.4835GHz，采用O-QPSK调制方式，接受灵敏度-94dB·m，抗邻频道干扰能力39dB，另外还具有电池监测和温度监测功能，集成14位模/数转换及AES-128安全协处理器，工作时的电流损耗为27mA。

FM25H20是Ramtron半导体公司生产的具有2M存储容量的Flash存储芯片，在网关中用于保存网络故障状态下的信息和节点断电前的基本信息。

以太网PHY层芯片采用ST意法半导体公司的STE100P，它是一个单端的物理层收发器，具有半双工和全双工模式，实现了全部的10/100M以太网物理层功能;

T240320-BF是一款带触摸屏2.4英寸的TFT彩色液晶显示屏，分辨率达到320×240，完成显示功能，其控制器是ILI9320。

3嵌入式网关软件设计

3.1μCOS-Ⅱ下的LwIP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协议在设计时为了适应不同的操作系统,没有在代码中使用和某一个操作系统相关的系统调用和数据结构,而是在LwIP和操作系统之间增加了一个操作系统的封装层,该封装层主要完成系统的初始化、任务的同步、时间管理和内存管理的功能。另外LwIP协议栈在设计的时候就考虑到了将来的移植问题,因此,它把所有的与硬件、操作系统、编译器等有关的部分全部独立出来,放在.\scr\arch目录下因此,LwIP在μC/OS-II下的移植过程,也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。由于在μC/OS中,没有线程(thread)的概念,只有任务(Task)。它提供了创建新任务的系统API调用OSTaskCreate,因此只要把OSTaskCreate封装一下,就可以实现sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并没有

μC/OS-II中优先级的概念,实现时要由用户事先为LwIP中创建的线程分配好优先级。

3.2μCOS-Ⅱ下的ZigBee协议栈的实现

在网关系统中利用TI公司提供的免费Z-STACK协议栈，将Z-STACK协议栈移植到CC2430中充分发挥CC2430的性能和特色。CC2430通过UART接口与STR912进行数据的通讯。ZigBee协议栈的开发主要是应用框架层（AF层）和应用支持子层（APS层）的修改并添加自己的驱动程序，网络层是以库的形式提供，通过调用接口函数可以加入网络和查询网络的状态，MAC层和物理层也不用改动。由于在zigbee协议中自带操作系统层（OSAL层），除了初始化一些必要的变量，整个zigbee的启动都是以任务的方式完成启动。

主要的程序如下所示：

int main(void)

{

osal_int_disable(INTS_ALL);//关闭所有的中断

zmain_ram_init();//初始化内存单元

HalDriverInit();//初始化HAL驱动

osal_nv_init(NULL);//初始化操作系统非易失性存储

ZMacInit();//初始化MAC层

osal_init_system();//初始化操作系统

osal_int_enable(INTS_ALL);//打开所有中断

osal_start_system();启动操作系统

}

当启动操作系统之前，操作系统就初始化所要建立的任务，下面是建立任务的函数，这个函数传递的参数包括：初始化函数的句柄，事件处理函数的句柄，事件的优先级。

void osalAddTasks(void)

{

osalTaskAdd(Hal_Init,Hal_ProcessEvent,

OSAL_TASK_PRIORITY_LOW);

osalTaskAdd(macTaskInit,macEventLoop,

OSAL_TASK_PRIORITY_HIGH);

osalTaskAdd(nwk_init,nwk_event_loop,

OSAL_TASK_PRIORITY_MED);

osalTaskAdd(APS_Init,APS_event_loop,

OSAL_TASK_PRIORITY_LOW);

osalTaskAdd(GetwayApp_Init,GetwayApp_ProcessEvent,

OSAL_TASK_PRIORITY_LOW);

}

在这里首先的任务是Hal_Init，因为它主要完成硬件初始化的工作；下面依次启动的是MAC层任务，网络层任务，应用支持子层，zigbee设备层等任务的初始化工作，最后是应用程序。这种初始化的过程符合协议栈由低级向高级的进阶，当调用osal_start_system()之后，系统就自行的调用各个函数。整个流程如图4所示。

4结语

文章重点介绍zigbee协议栈的特点和应用，通过ARM9构建的网关平台，可以很好的发挥zigbee在家庭网关中的优势，具有很广阔的应用前景。通过实验可以证明，本系统可以满足家庭网关的控制要求，在传感器的设计上还有一定的扩展功能，能够满足不同要求的改进。技术创新点：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，降低了资源和处理时间消耗，提高实时处理能力。该网关设计思路、技术实现新颖,、具有较强的实用性。