基于物联网的温度监控系统方案

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1、摘要物联网，简而言之就是连接物品的网络,它是互联网的应用扩展和延伸。主要是利用各种传感设备和通讯手段，将M2M（即人与人、人与物、物与物）与互联网相连接，实现智能化的识别、定位、跟踪、远程监控和管理的一种网络。它是整合信息管理技术变革和促进信息产业的开端和基石，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网就是通常我们说的在应用智能化感知、识别技术、普适计算、泛在网络（Ubiquitous Network）的基础上将人与物、人与人、物与物联系起来的一种中介。在我们平时能够看到并感觉到的世界里，“物”是普遍存在的并不断变化的个体，“物”与“物”之间的联系，必然“联”到“网”中来，

2、这里所说的“物”是感知末梢的传感器设备、接收感知信息的智能终端或者人。而网关就是我们平时所说的网络层上的协议转换器,它具有高效率、实时响应、高可靠性、低功耗、抗干扰能力强等特点,利用其特点有效的融合了基础通信网与无线传感器网络,这些优势使得传统的智能家居的区域监控发生了翻天覆地的产业变革,即把监控区域中的设备和无线方式有机组合,这样就可以实现一个能够全面感知与管理的系统。本文全面介绍了物联网智能网关的总体设计思路以与各个分模块的实现过程，并对整个设计中用到的物联网关键技术ZigBee与其协议栈Z-Stack作了概括介绍，同时对网关的软硬件设计、实现与测试也作了较为清晰明了的介绍与分析。以设计实

3、现智能家居系统中的近程控制系统为例,根据物联网的原理、概念、应用,设计一个功耗低、成本少的物联网服务网关。而低成本、低功耗也是该控制系统的重点和难点所在。本文即是重点论述该网关是怎么实现的、较传统网关有什么优势、该网关的应用意义等方面。首先要实现互联网的扩展和延伸，即是将基于TCP/IP协议的Internet与基于ZigBee协议的无线传感器网络相连接。在硬件设计上,利用高性能的ARM9系列的smart210微处理器作为主控芯片,外接一个网卡PHY芯片，通过串行通信实现与传感网协调器的通信。接着就是为了实现无线传感网的监控，这就需要利用WEB远程登陆到ARM网关服务器。在软件方面，为了使程序看

4、起来有层次感，模块化，在代码设计方面力求简单明了。最后利用嵌入式操作系统Ubuntu实现资源的管理和调度，借助通信协议栈实现TCP/IP与网络的互联。本文的独特之处在于实现：嵌入式超文本服务器端、近程控制终端与WSN协调器三者数据同步。应用ZigBee协议栈实现了数据的无线传输，实时监测并显示室温度与系统IP。关键词:物联网;服务网关;WSN;ZigBee;嵌入式系统The design of IOT Smart Gateway Based on LoongsonAbstract：Just as its name implies，the Internet of things is the co

5、nnection of network and objects.It is the application extension of the Internet. It connects the M2M ( people and people,people and things, things and things) to the Internet through a variety of sensing equipments and a variety of means of communication, so that realize the intelligent identificati

6、on, location, tracking and remote monitoring and management of a network.As a key roleof a new generation of IT and new technology revolution, it is thebeginning and foundation to promote the technological change which includes integration of the information industry and information management .We a

7、lso call it “the third wave of world information industry development”.The Internet of things is a kind of mediation to link people with things,people with people,things with things on the basic of application of intelligent perception, recognition technology and pervasive computing, Ubiquitous Netw

8、ork (Ubiquitous Network) .In the macroscopic world things have the nature of ubiquity, diversity and mutability. The things can be as the sensor of nerve endings, or the smart terminals or the people.And gateway is a protocol converter based on the network layer , It has the ability of high efficien

9、cy、real-time response、 high reliability、low power consumption and strong anti-interference ability,This makes the better connection of basic communication network and the wireless sensor network .It also brings new industry opportunities to the traditional areas such as smart home monitoring .By thi

10、s ,we can monitor equipment through wireless way of the area of the organic combination, so as to realize a comprehensive perception and complete management system.In this paper, we discusses the gateway system, the design and implementation of the key technology of Internet of things application, g

11、ateway layer and the hardware and software of the system design scheme of home automation systematically.As an example to realize the remote and close range control system of smart home system, starting from the concept of Internet of things, It is the most important and the most difficult of the co

12、ntrol system to design a low power consumption, low cost of Internet service gateway .This paper is focus on how the gateway work, what advantages it have than traditional gateway, the gateway application significance and so on.The most important step isto realize the expansion and extension of the

13、Internet, that is, the Internet based on TCP/IP protocol will be connected to wireless sensor network based on ZigBee protocol.On the hardware design, we use ARM9 series smart210 microprocessor as the master control chip, external a PHY chip, Then realize the communication with sensing network commu

14、nications coordinator through serial communication. Remote login to ARM gateway server.Followed by,in order to realize the monitoring of wireless sensor network, which requires using remote login to ARM gateway WEB server.On the designer of software , to increase the system application flexibility,w

15、e put forward a hierarchical, modular design thought. Using Ubuntu embedded operating system for resource management and scheduling and with the help of a communication protocol stack ,we realize TCP/IP and network interconnection.This article is unique inachieving the data synchronization among the

16、 embedded Web server-side, short-range control terminals the WSN gateway.The system achieved the wireless transmission of data based on ZigBee protocol stack, realized the real-time monitoring of indoor temperature and system IP.Key Words: The Internet of Things; service gateway; Wireless sensor net

17、works; ZigBee; Embedded system目录第一章前言 11.1课题研究的背景与意义 11.2国外研究现状 21.3论文容与结构 3第二章系统总体设计与相关技术分析 52.1物联网网关概述 52.2系统总体设计方案 62.2.1网关设计的基本要求 72.2.2网关功能模块的组成 72.2.3网关软件总体构架 72.4无线传感器网络技术 92.4.1无线网络通信协议 92.4.2核心支撑技术 112.5嵌入式系统 122.5.1嵌入式处理器 122.5.2 嵌入式 TCP/IP 122.6本章小结 13第三章系统硬件设计 143.1物联网服务网关的硬件整体结构 143.1.1

18、系统电路设计方案概述 143.1.2系统硬件的整体结构框图 143.2主控制模块 153.2.1 ARM 微控制器 S5PV210 153.2.2主控制模块电路设计 173.2.3网络接口电路 173.2.4串行接口电路 183.2.5 USB 接口电路 193.3以太网接口模块 193.4 WSN协调器接口模块 213.5本章小结 22第四章三个模块的连通性测试 234.1 ZigBee部模块通信实现 234.2 ZigBee模块与网关通信实现 304.3网关与因特网通信模块实现 36第五章系统功能测试 41结论 43致 45参考文献 46第一章前言1.1课题研究的背景与意义目前,物联网技术

19、的发展已成为国家战略议程之一。为了在未来物联网技术革命中抢占绝大部分市场，部分国家和地区纷纷加大对其资金投入力度。美国总统奥巴马对物联网技术的发展相当重视，一度与开发绿色能源技术相提并论，并已将其提上国家战略议程。2009 年世界IT巨头 IBM 公司 CEO明盛提出了构建智慧地球的想法，其战略核心就是物联网。前国务院总理温家宝在2009年首次提出感知中国这么一个概念后，我们也在积极的把握这次难得的机遇，从而使得物联网的发展在我国引起了新一轮的发展高潮。国家工业和信息化部相关负责人对外也表示出我国物联网的标准体系已基本形成了,同国际的标准化组织也逐渐靠拢，近年提交的部分提案都给予了良好的反馈。

20、物联网技术早已在各个领域开枝散叶，如环保、交通、家居、农业等。值得关注的是在一些危险程度比较高的领域，物联网的应用就更体现出其重要的科研价值和实用价值，如铁路与高速公路突发灾害预警、危险区域环境监控、抢险、救灾、防火防盗等。如图1-1所示：图1-1 物联网应用示意图其中,物联网的感知层是物联网发展和应用的基础。它处于三层架构的最底层，能够实现精确度更高、感知更全面，还可以帮我们解决成本低、功耗小、体积小的问题，主要解决人类世界和物理世界的数据获取问题。感知层包括两部分，分别是：数据采集和数据短距离传输，此处的短距离传输技术，尤指中低速无线短距离传输技术，如蓝牙、ZigBee等，这类技术传输距离

21、均小于100m，速率低于1M bit/s。而物联网的网络层,主要负责把感知层感知到的数据无障碍、高可靠性、高安全性地进行传送。它在物联网三层架构中是具有最强产业能力、最高标准化程度且最成熟的,而其关键的地方就是如何优化和改进物联网应用的特征,以形成协同感知网络。物联网发展的好与劣关键取决于其应用层。它主要对信息处理和人机界面的问题进行一系列处理，并结合物联网技术与行业信息化需求，对感知和传输来的信息进行与时的分析和处理，做出正确的控制和决策，从而实现真正意义上智能化的管理、应用和服务。1.2国外研究现状物联网网关由传感器网络和公共传输网络两部分组成。对于物联网网关，目前研究的热点问题是传感器网

22、络和网关如何接入公共网络。当前,世界各国对物联网的研究仍然呈上升之势，美国、欧盟、中国等国家都投入巨额资金在此项研究上。物联网网关是对异构网络的整合,所以其研究中最重要的一环是实现物联网的应用。物联网的产生与我们的现实生活息息相关，这就决定其必将在未来的物联网时代迅速抢占制高点。物联网是实现人类通信的重要枢纽，主要是基于它的以下三个重要功能：1、具有感知网络接入的能力，即能有效的收集传感器数据；具有异构网络互相通信的能力，即能完成数据协议之间数据的转换；3、具有自动监测并可以控制管理的能力，即能自定义网关服务使其智能化。1.3论文容与结构本文着重介绍的是智能网关的结构与其如何实现。主要包含以下

23、部分：1、研究传感器与传感网络；研究嵌入式系统；研究UDP协议与其他协议的转换；研究软件设计模式与人机互相通信的模式。小型家居系统实现应用的方案设计。本文以嵌入式技术为应用平台,利用Zigbee的无线传感器网络良好性能与优势并借助传统的Internet基础应用技术设计的一个在室环境下实现温度监测的智能网关。本文主要工作和研究的主要容如下:第一章绪论：主要阐述本课题的国外研究背景、研究意义与本论文的基本框架。第二章系统设计与相关技术分析：首先分析物联网网关的功能需求，然后对网关总体框架进行了设计，接着论述了无线网络通信协议并介绍了其支撑技术，最后介绍了嵌入式处理器和相关操作系统。第三章物联网网关

24、的硬件电路设计：主要介绍主控制器、外围芯片的选择和接口电路的设计。第四章三个模块的分块调试：主要介绍ZigBee部通信模块、ZigBee与网关通信模块、网关与因特网通信模块与各模块的分块调试。第五章系统性能测试：对三个模块进行整机调试,通过对结果进行分析得出了该设计方案具有一定的科学性、可行性。第二章系统总体设计与相关技术分析2.1物联网网关概述物联网基本网络由感知层、网络层和应用层组成。感知层以传感器网络为载体，主要用来识别物体和采集相关信息。网络层主要有传感层网络和互联网、网络管理控制、信息的智能化几部分，它介于感知层和应用层之间，主要职能是将感知层获取的信息进行传递和处理。物联网体系架构

25、图如图2-1所示：图2-1 物联网体系架构图物联网网关处于物联网体系结构中的汇聚层，其两端连接的分别是传感网络和公共传输网络。当传感设备种类少、数量不多时，直接将其接入公共网络就行。可是当感知层中传感设备种类和数量比较多时，为了不浪费接入资源，我们只需要将感知层中的设备独立的接入网络就可以实现。但感知层网络中设备的作用围是非常有限，这就要求我们必须先将传感器数据先汇聚到统一的设备进行融合处理，然后再把数据打包发送到网络层。这样就在现有的条件下既节省了网络资源又实现了传感网络的数据传输。通过查阅资料知，在感知层和网络层之间添加的一层可以实现感知层数据的汇聚，这层称为汇聚层。如图 2-1 所示。网

26、关作为异构网之间的纽带,主要体现在汇聚层。这样就可实现感知层和网络层的无缝衔接。而汇聚层主要是实现Internet远程监控的WEB服务和作为无线传感器网络的数据收发中心。它通过网络，将从感知层的传感器设备采集到的数据发送到传输网络中，同时将数据融合处理,实现数据库服务,借助终端这个平台，就可以实现实时监测、管理感知层的设备状态和信息，以提供更为便捷的近程监控。2.2系统总体设计方案本课题研究设计的物联网网关要通过串口处理来自WSN节点的数据,这就决定了实现物联网网关的硬件平台必须可以提供足够强大的网络支持,而且还需要支持TCP/IP协议。综上，总体设计框图如图2-2所示：图2-2 总体设计框图

27、下面将对物联网网关系统的整体设计思路和方案进行详细的讨论分析。2.2.1网关设计的基本要求物联网网关是介入无线传感器网络与互联网之间实现感知网络与基础通信网之间的桥梁。它既要实现异构网通信中转作用，又要能实现对感知网络的管理,并有效的结合广域互联与局域互联，所以，网关的协作能力也应该较强。另外，网关在移动过程中应始终保持与网络的连接，所以，网关的移动能力也应该较强。当然，考虑到网关应该要实现无线传感网络与互联网间的交互信令、数据的转换，所以，网关的信令处理能力也应该较强。最后不可忽略的一点，网关应能够迎合需要适时保留终端节点所处的位置、路由、认证、数据信息等，所以，网关的数据储备能力也应该较强

28、。2.2.2网关功能模块的组成网关是广域网和外部网络中间的一个节点，作为入口节点的它，一方面,要能接受允许客户的远程访问，即要支持TCP/IP协议议并能提供WEB服务。另一方面，从用户体验角度来看，用户要能通过远端PC对整个网络进行控制。在本文网关设计中，硬件平台是ARM微处理器,它对外就是把以太网接入公共网络,对就是把无线传感器节点组成无线传感器网络连成一体。通俗的说就是网关不仅要具有他本身应有的功能，还应具有服务器的功能。2.2.3网关软件总体构架物联网网关处于物联网体系结构中的汇聚层，其两端连接的分别是传感网络和公共传输网络。在本设计中，采用RS-232/485与Wi-Fi接入的方式实现

29、传感网络的通信，公共网络端采用的是基于以太网接入的方式。网关整体框架如图 2-3所示:图2-3 网关整体框架图ZigBee部连通就是一个星形拓扑结构，这个拓扑结构由一个负责分配ID和地址、并对其他网络节点传送的信息进行数据封装的协调器(PAN)构成，其他节点也只能通过这个协调器来和外部网络进行信息交换。ZigBee网络与网关的通信主要是通过串口,当协调器收到来自链路节点的数据时,就把信息传送到应用层,应用层再调用串口API传送到网关,网络主要就是根据部协议转换机制把该数据转换成可以接受的数据,然后再发送到互联网。网关到互联网通信机制是双向的,所以完成其中一步的通信即可。它们的通信用串口就可以实

30、现,互联网的数据通过串口发送到协调器，数据封装后,根据ZigBee的短地址（MAC地址与物理地址）发送出去。2.3网关硬件总体构架本文在综合考虑兼容性、成本、性价比等方面后,CPU采用基于ARM9 smart 210,ZigBee模块核心芯片采用CC2530,其网关的硬件结构图如图2-4所示：图2-4 网关的硬件结构图2.4无线传感器网络技术无线传感器网络(WSN)是由许多在监测区域分布的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，它使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况并进行相应的数据采集与处理，最终将其报告给用户。2.4.1无线网络通信协议对于WSN的应用来说,

31、综合考虑实现时软硬件的各个方面，通信协议的选取就显得尤为重要。WSN通信协议特点如下：节点的通信协议要求简单。避免受到如传感器节点的能源储备、计算与处理能力、存储量、通信能力等限制。2.通信协议应具有对应的处理体系。防止拓扑结构随着外界环境变化而变化。3.采用模块化设计。为了使传感器网络的通信协议针对不同的应用有不同的配置。目前,在WSN的应用中,ZigBee技术应用最为广泛。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，它主要优势是低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。它的传输速率为10kbit/s-250kbit/s，有效覆盖围为10m-7

32、5m，可同时支持65536个设备。ZigBee协议栈：ZigBee协议栈由层模块组成。每一层都执行一组特定的服务：如数据实体提供数据传输，管理实体提供所有其他的服务。每个SAP都能支持多种服务原语来实现要求的功能，而这个SAP则是由上一层提供的接口。图2-5 ZigBee协议栈结构概览2.4.2核心技术核心支撑技术就是建立在通信协议的基础之上的一个具有具体应用环境的网络系统,并且通过操作协议的应用层服务接口来封装对底层的操作。WSN的核心支撑技术如下：(1)拓扑控制。路由协议的基础，网络的生产时间受其影响比较大。为了有效的减少通信间的通信干扰，必须选择符合要求的拓扑结构与功率。(2)节点定位。

33、原理是根据一定的算法在已知节点基础上定位未知节点。节点定位在有些场合是比较重要的，如森林火灾。(3)时间同步。节点间时间的必须是同步的，因为WSN中是分布式协同工作。(4)数据管理与融合。为更好地管理传感器网络数据，需要将用户屏蔽在技术之外且能够友好地控制WSN,使物理网络逻辑化。2.5嵌入式系统目前，应用最广泛的专用电子系统非嵌入式系统莫属。随着应用围的扩展与延伸,对技术广度和深度的要求也越来越苛刻，主要体现在智能控制的应用与处理信息的能力,以与对设备的成本的高低、性能好坏、开发周期长短和可靠性高低等的关注。2.5.1嵌入式处理器嵌入式处理器核心是嵌入式系统，纵观整个嵌入式处理器应用市场,单

34、片机的成功案例虽然尤为显著，而单纯的单片机或微控制器技术显然已经无法满足需求。而ARM芯片凭借处理能力强和功耗低等优势一举抢占市场先机,并逐步渗透到我们生活的各个领域。基于ARM芯片的优势考虑，本设计选取了Cortex-A8系列中的互联型产品S5PV210作为总控制芯片。因为它的片外设非常丰富，大可不必再对存储器再扩展,从而开发成本也减少了，开发难度也降低了。2.5.2 嵌入式 TCP/IP在Internet上所使用的TCP/IP协议是一个分层设计的协议集合,每一层有每一层的功能。在嵌入式系统中的TCP/IP具有其显著的特点：(1)存储使用量减少。为了不影响到系统性能和成本，在实现嵌入式系统中

35、应该想尽办法减少存储空间的使用量。(2)高度可裁剪性。为满足不同应用的需求，在协议栈的实现必须高度模块化,以方便更好地实现对目标系统的可栽剪。通常可裁剪程度同代码实现的模块化程度成正比。(3)可移植性强。嵌入式系统硬件平台虽然很多，但我们平时在设计时应注意在实现的过程中应避免语言的不协调性。同时为了提高代码的复用率，在硬件驱动层我们必须进行高精度的抽象和封装,使协议独立于平台。2.6本章小结本章对物联网服务网关的结构与它在物联网应用中的功能作了深入分析,根据需求设计出系统总体方案，并分析了实现该设计系统所需要的核心技术，即无线传感器网络和嵌入式系统。第三章系统硬件设计本章主要是介绍系统硬件的各

36、模块电路设计原理。在功能上,物联网网关既要作为无线传感器网络的控制中心，又要实现一个嵌入式WEB服务器，即既要满足到远程控制的需要,又要考虑到室近程控制的便捷性。故硬件电路中应包含以下的功能电路:能实现通信、控制和管理,能实现网络连接,能执行射频模块的无线收发信息,能实现近程控制的基本输入输出。3.1物联网服务网关的硬件整体结构本设计，其实就是一个智能型电子系统，因为它广泛涉与到多任务通信、通信协议控制、数据传输与处理等方面。3.1.1系统电路设计方案概述本系统采用以ARM为代表的高性能微控制器(MPU)为核心,其优势是有强大的处理器、丰富的片外设,主要适用于的应用场合就是那些需要操作系统、支

37、持多任务、良好人机交互功能的情形。3.1.2系统硬件的整体结构框图本系统采用ARM Cortex-A8核的S5PV210的微处理器为主控制芯片来实现设计。系统硬件结构框图如图3-1所示。在该图中，主要分为两部分，一部分是ARM处理器部结构与其片外设，位于蓝色粗线框部；另一部分最小系统电路与外围应用电路，位于蓝色粗线框外部。图3-1 系统硬件结构框图本系统依据功能主要划分以下三个模块:主控制模块、以太网接口模块、WSN协调器接口模块。现在简单阐述下其功能:(1)主控制模块:该模块以ARM作为系统的主处理器,芯片运行所必须的外接电路模块包括电源电路、时钟电路、复位电路，而这些便组成了最小系统电路。

38、除此之外还有本地应用电路，如：输入输出的LCD、KEY和LED电路、存储扩展数据的SD卡接口、5V电源接入和程序下载的MINI USB接口电路、与PC机通信的电平转换电路等。(2)以太网接口模块:因为主控制器已经可以实现网络接入对MAC层的支持,所以在外部只接以太网的PHY以与网络接口就行。(3)WSN协调器接口模块:该接口模块是局部无线传感器网络的总调度中心，通常接WSN的协调器,如:CC1110、CC2430、CC2530等模块,通过串行接口实现与主控模块的通信。3.2主控制模块本节首先详细介绍系统所使用的芯片，然后再对各个电路子模块分别进行介绍。3.2.1 ARM 微控制器S5PV210

39、因为在整个设计中，系统对以太网MAC的需求、嵌入式操作系统、TCP/IP协议和大量的应用程序，都需要占用大量的存储空间，基于这些考虑，我们选择S5PV210作为整个设计的微控制器。S5PV210的主要技术指标如下核：ARM Cortex-A8主频：1GHz存：512MB DDR2Flash：256MB SLC NAND FLASH最高可支持1080p30fps硬件解码视频流畅播放，格式可为：MPEG-4/MPEG2、H.264/H263、VC-1支持流畅的2D/3D图形加速支持HDMI显示接口支持1个USB HOST2.0，1个USB OTG2.0接口支持1个SDIO接口（Micro SD卡接

40、口）支持1路RS232串口接口（调试串口）支持2个独立CAMERA接口支持100M以太网卡支持AC97立体声音频输入/输出接口支持RTC实时时钟保存支持2个用户按键、88矩阵键盘接口(外扩键盘接口)支持LED 灯显示 （1个电源显示，2个用户 LED 灯）支持标准JTAG接口支持用户扩展接口 （2路SPI接口， 2路IIC接口 ，3路PWM ，4路UART，6路ADC，1路 SDIO接口和其它用户扩展 IO ）支持4.3寸、7寸、10.2寸、10.4寸、12.1寸LCD显示，多款液晶模块接口产品尺寸：105mm x 85mmPCB板层：8层电源供电：+5V /2A调试接口：20-pin，2.5

41、4mm标准JTAG接口工作温度：-20+70（电气指标：符合CE，FCC，CCC规要求）3.2.2主控制模块电路设计整个网关系统的核心部件是主控制器。整个系统的数据转换、任务调度、存储转发等系统任务都由它负责，如图 3-2 所示为主控制器原理图:图 3-2 主控制器原理图3.2.3网络接口电路本开发板的有线网络采用了DM9000网卡芯片，它可以自适应10/100M网络，RJ45连接头部已经包含了耦合线圈，因此使用普通的网线即可连接本开发板至路由器或者交换机，而不必另接网络变压器。网络接口原理图如图3-3所示：图3-3 网络接口原理图3.2.4串行接口电路S5PV210本身总共有4个串口，其中U

42、ART1为四线的功能串口，UART0、2、3为两线串口。在本开发板上，UART0和UART1已经经过RS232电平转换，它们分别对应于COM0和COM1，可以通过附带的交叉串口线和PC互相通讯。串口原理图如图3-4所示：图3-4串口原理图3.2.5 USB 接口电路本开发板具有两种USB接口，一种是USB Host(2.0)接口，它和普通PC的USB接口是一样的，可以接USB摄像头、USB键盘、USB鼠标、优盘等常见的USB外设；另外一种是miniUSB(2.0)，主要用于软件安装和程序调试，常用于Android系统的ADB功能。USB原理图如图3-5所示：图3-5 USB原理图3.3以太网接

43、口模块处理器S5PV210能适应以太网连接的需求。它部集成的以太网MAC模块性能高、灵活度高。该模块支持独立于介质的接口(Mil)和精简的独立于介质的接口(RMII)，而Mil和RMII是两种连接到外接PHY模块的标准接口,可广泛应用于路由器、交换机、网卡等。以太网连接框图如图3-6所示。其中用于站点管理的主要是：周期性时钟信号 (MDC)和数据的输入输出线(MDIO),通过它们我们能够很方便地访问网卡芯片的寄存器,具体连接见图3-6：图3-6 以太网连接方案框图以太网模块功能阐述如下:MC控制器:主要是为以太网链路层提供服务。在这部分里，定义了 MAC帧的格式以与在介质上是怎样进行传输的,还

44、有可用于多种事件的发生而产生的MAC中断,通过应用程序的参数设定进行MAC地址过滤,还定义了物理寻址、逻辑拓扑。(2) DMA:主要是支持AHB主从接口下的突发传输,在这部分中有两套独立的FIFO(每套2K)收发控制器，它们的作用分别处理数据收发缓冲,与MCIJ之间的通信通过控制状态寄存器和描述符列表两种结构实现。(3) PTP:主要是设置接收和发送顿的时间戳,以与粗调和细调的校正方法,如果发现系统时间比目标时间大时，这时就会触发中断,通过MCU的复用功能I/O输出秒脉冲。本设计选用的是一款集成度高、成本低、效益高的单芯片快速以太网MAC控制器PHY芯片DM9000。它由一个处理接口，一个10

45、/100M自适应的PHY和4K DWORD值的SRAM组成。DM9000物理协议层接口完全支持使用10MBps下3类、4类、5类非屏蔽双绞线和100MBps下5类非屏蔽双绞线。可以自动完成配置以最大限度地适合其线路带宽。其端口驱动程序可方便移植。图3-7 以太网接口电路3.4 WSN协调器接口模块该模块是实现嵌入式ZigBee应用的片上系统，其作用就是方便CC2530模块的接入。采用拥有32/64/128 KB可选闪存、8KB SRAM的增强型8051 MCU等高性能模块,并置了 ZigBee协议找。因为以CC2530为核心的Zigbee模块里有无线协议栈代码和高频设计,这样一来，用户主要将精

46、力集中在自己的应用代码开发。由于自身硬件资源匮乏且对环境要求较高,无线传感器网络直接接入传统通信网络的构想便成了天方夜谭。最简单易行的方法就是：利用物联网网关实现WSN与IP网络互联,而网关还需要一个WSN协调器对传感网进行总体协调调度。在本设计中采用现有的20个引脚的接口电路的Zigbee无线模块。如图3-8所示为WSN协调器接口电路,协调器与主控制器之间可以通过USART和SPI两种方式实现通信。图3-8 WSN协调器接口电路3.5本章小结本小节对物联网网关的硬件系统进行了详细设计，选取 S5PV210作为主控器，并完成了对主控制器和外围芯片的接口电路设计。第四章三个模块的连通性测试本系统

47、将主要介绍三个模块功能的实现过程以与测试结果，即ZigBee部模块通信的实现、ZigBee模块与网关通信的实现、网关与因特网通信的实现。4.1 ZigBee部模块通信实现ZigBee部模块通信连接方式如图4-1所示:图4-1 ZigBee部模块通信连接方式ZigBee CC2530自身集成了片的温度传感器。本实验中路由器（Router）节点将采集到的室温度数据无线发送到协调器（Coordinator），协调器再通过UART发送给上位机并最终显示出来。部分API函数与功能如表4-2所示：表4-2 API函数与功能网络协调器的程序流程图如图4-3所示,其主要是编译、网络应用层初始化、目的地址设定、

48、注册端点描述符、注册按键等。其中定义的处理事件的类型包括:按键、收到消息、网络状态改变，对收到的消息进行以下结构体定义:typedefstructosal_event_hdr_t hdr;uint16 groupld:uint16 clusterld;afAddrType_t srcAddr;byte endPoint;byte wasBroadcast;byte LinkQuality;byte SecurityUse;uint32 timestamp;afMSG CommandFormat_t cmd;afIncomingMSGPacket_t在该部分中,主要包含groupID目的组ID,

49、clusterld目的簇ID,srcAddr源地址,endPoint目的端点号,cmd命令。图4-3 协调器的程序流程图网络节点与协调器的程序流程仅在设备配置类型有些区别，其处理事件的机制是一致的，网络节点的程序流程图如图4-4所示:图4-4网络协调器程序流程图ZigBee的协议栈采用任务通信机制,本次实验采用的任务机制如图4-5所示：图4-5 ZigBee的协议栈采用任务通信机制部分调用的函数与功能如下:uint16 SampleApp_ProcessEvent(uint8 task-id,uint16 events)/定义优先级最高的事件switch (MSGpkt-hdr.event)/

50、分情况调用不同的函数处理事件void SampleApp_HandleKeys(uint8 shift,uint8 keys)/外部消息事件处理void SampleApp_SendPeriodicMessage(void)/通过OSAL定时器，定时发送周期信息AF_DataRequest()/用来发送数据下面具体讲解CC2530将采集到的温度信息发送给上位机的代码实现过程。/*/#include#include InitUART_Timer.h /注意在option里设置路径#include stdio.h/*温度传感器初始化函数*/void initTempSensor(void)DISA

51、BLE_ALL_INTERRUPTS(); /关闭所有中断InitClock(); /设置系统主时钟为 32MTR0=0X01; /set 1 to connectthe temperature sensorto the SOC_ADC.ATEST=0X01; / Enablesthe temperature sensor/*读取温度传感器 AD 值函数*/float getTemperature(void)uint value;ADCCON3 = (0x3E); /选择1.25V为参考电压；14位分辨率；对片温度传感器采样ADCCON1 |= 0x30; /选择ADC的启动模式为手动ADCC

52、ON1 |= 0x40; /启动AD转化while(!(ADCCON1 0x80); /等待 AD 转换完成value = ADCL 4; /ADCL 寄存器低 2 位无效value |= (UINT16)ADCH) 4);return (value-1367.5)/4.5-5; /根据 AD 值，计算出实际的温度,温度系数为4.5 /减去5，进行温度校正/*主函数*/voidmain(void)char i;char TempValue5;unsigned short* bufptr=(unsigned short*)(TempValue+2);float AvgTemp;InitUART0

53、(); /初始化串口initTempSensor(); /初始化 ADCwhile(1)AvgTemp = 0;for(i = 0 ; i 64 ; i+)AvgTemp += getTemperature();AvgTemp=AvgTemp/2; /每次累加后除 2/*温度转换成ascii码发送*/*TempValue0 = (unsigned char)(AvgTemp)/10 + 48; /十位TempValue1 = (unsigned char)(AvgTemp)%10 + 48; /个位TempValue2 = .; /小数点TempValue3 = (unsigned char)

54、(AvgTemp*10)%10+48; /十分位TempValue4 = (unsigned char)(AvgTemp*100)%10+48; /百分位TempValue5 = 0;*/ /字符串结束符TempValue0=0x0EA;TempValue1=0x55;*(bufptr)=(unsigned short)(AvgTemp*100);unsigned char sum=0;/校验和for(i=0;i4;i+)sum+=TempValuei;TempValue4=sum;UartTX_Send_String( TempValue,5);Delayms(2000); /使用32M晶振

55、，故这里2000约等于1S将基于ZigBee协议栈Z-Stack编写的SampleAPP程序中的router project以与coordinator project分别烧写到两个ZigBee模块中，然后，先给作为协调器(Coordinator)的ZigBee模块上电，再给作为路由器(Router)的ZigBee模块上电，以保证其可以正确组网，此时，打开串口调试界面，我们可以看到如图4-6所示的结果：图4-6 ZigBee模块间通信实现结果分析：我们用计算器将串口显示的十六进制数转换为十进制数，并与室的温度计显示数据作比较，可知在误差允许围，图中显示数据确实为当前室温度，当用手触摸温度传感器芯

56、片时，串口显示的数据也会明显升高。这说明两个ZigBee模块已经正确组网，且作为路由器（Router）的ZigBee模块能够将采集到的当前室温度实时无线传输给作为协调器（Coordinator）的ZigBee模块，达到了预期效果。4.2 ZigBee模块与网关通信实现实现ZigBee连通区与网关的通信，其实质就是实现网关与ZigBee网络协调器的通信。因为对于星形的ZigBee网络拓扑结构,所有的节点都跟协调器交互。首先我们来讨论ZigBee模块与ARM9开发板是如何实现通信的。ZigBee与ARM9开发板通过串口相连接，如图4-7所示：图4-7 ZigBee与ARM9开发板通信的方式串口通信

57、满足嵌入式系统低功耗、高带宽利用率的基本硬件要求。串口所调用的公共函数结构体列表如表4-8所示：表4-8串口所调用的公共函数结构体本文ZigBee模块采用TI公司生产的CC2530,ZigBee协议栈对串口进行了很好的封装并设计了一套API供用户对串口进行方便的操作,而避免了直接操作寄存器带来的麻烦,其功能如表4-9所示：表4-9ZigBee协议栈一旦ZigBee协调器接收到其他节点发来的数据后,就会自动产生一个事件,根据任务通信机制，该事件就会告知应用层，其串口发送流程图如图4-10所示：图4-10串口发送流程图在接收端采用中断模式来验证是否收到字节，当串口接收到一个字节后,就会产生中断,调

58、用接收函数，接收是否完成是根据收到字节数是否等于UARTMessage Type_t结构体中数据长度来判断，串口接收流程如图4-11所示：图4-11 串口接收流程图halUARTCfg_t uartConfig;uartConfig.configured =TRUE; /2530 dont care.uartConfig baudRate =0x08; /设置波特率为115200,uartConfig.flowControl =FALSE;uartConfig.flowControl Threshold=SERIAL_APP_THRESH;uartConfig.rx.maxBufsize=SE

59、RIAL_APP_RX_MAX;uartConfig.tx.maxBufsize=SERIAL_APP_TX_MAX;uartConfig.idleTimeout=SERIAL_APP_IDLE; /2530 dont care.uartConfig.intEnable=TRUE; /2530 dont care.一旦网关收到因特网传来的数据后,根据UARTMessageType格式打包,保存在UART0 SendMessage变量里,如果uartTask()检查到此变量非空时,就和协调器交互后发送数据。程序流程如图4-12所示:图4-12 接收流程图UARTO查询方式发送数据:void UA

60、RT0_SendByte(uint8 data)UOTHR=data;while(UOLSR0x40)=0);采用查询方式接收一字节数据,如:Uint8UART0_RcvByte(void)在ZigBee连通模块与网关的串口间主要是通过三根线相连,一条是接收线（RXD）,一条发送线（TXD）,另一条地线（GND），本设计发送一组数据在串口调试助手中显示,测试结果图如图4-13所示：图4-13 ZigBee与ARM9通信测试结果图该测试结果说明ZigBee模块与ARM9开发板通过串口连接能够很好地实现通信。下面我们来介绍本设计系统中ZigBee模块组网后与网关是如何实现无线数据传输的。ZigBe

61、e模块与网关通信实现连接方式如图4-14所示：图4-14 ZigBee模块与网关通信连接方式在上一节两个ZigBee模块正确组网的基础上，用串口线一端与ARM9开发板COM口相连,另一端与ZigBee协调器（Coordinator）模块相连，此时打开串口调试界面，显示如图4-15所示的数据。4-15 ZigBee模块与网关通信实现结果分析：串口显示数据即为当前室温度，这说明两个ZigBee模块组网后与ARM9开发板（网关）连接，可以实现无线数据传输，实验达到了预期效果。本实验我们实现了数据的无线传输，由此还可以扩展很多应用，我们可以在ZigBee模块上连接各种传感器（如温湿度传感器，光照度传感

62、器等）并在协议栈应用层加以相关参数配置，然后把采集到的信息发送给协调器，进而发送给电脑。4.3网关与因特网通信模块实现网关与因特网通信模块实现连接方式如图4-16所示：一方面，网关通过RJ45与因特网连接，另一方面，通过串口线与PC机连接，此时，以太网将自动给ARM9开发板（网关）分配一个IP地址，且与PC机的IP地址在同一网段。图4-16 网关与因特网通信模块实现连接方式网关和PC是实现本模块通信的两个重要方面,而网络通信分为两种结构，分别是：B/S和C/S。在本设计中，考虑到小型化、低能耗以与系统资源利用率等要求，我们采用的ARM9 Smart210的开发平台，采用C/S(Client/Server)结构的通信方式,即客户端与服务器结构。Client将用户的需求提交给Server,再将Server返回的结果以特定形式提供给用户。Server的任务是接收Client提出的服务请求,进行相应的处理,并将结果返回给Client。而服务器进程大部分情况下处于“休眠”状态,直到客户端对该服务器发出连接请求