（通信与信息系统专业论文）基于zigbee的无线ip网关技术研究.pdf

：嬲嬲烟 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：耗琴雌日期：兰丛绎j 蛆 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅 和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印 或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文 本人签名： 导师签名： 于保密范围，适用本授权书。 日期：垄! ：生2 丛茎盟 日期：组口! 王：2 j i i ， 基于z i g b e e 的无线口网关技术研究 摘要 物联网被称为继计算机、互联网之后，信息产业的第三次浪潮， 随着“感知中国、“智慧地球等国家战略性课题的提出，物联网 技术的发展对整个国家的社会与经济、甚至人类未来的生活方式都 将产生重大影响。z i g b e e 是物联网重要的实现技术之一，在能源管 理、电子产品、计算机外设、医疗护理等领域具有十分广阔的应用 前景，已成为当前的一个研究和应用热点。 把z i g b e e 网络同因特网连接起来，在世界各个角落都可以对某 个z i g b e e 网络中的设备进行控制，有利于z i g b e e 技术的进一步发 展。通过z i g b e e 网关和因特网做媒介，就使得世界范围内的不同监 测区域都可以信息共享，这大大缩小了物理世界的时空距离。本文 设计了一种基于z i g b e e 的无线i p 网关，用来实现z i g b e e 网络和因 特网的连接。 该网关采用s m a r t a r m 2 2 0 0 开发平台，选用嵌入式p c o s i i 操 作系统和l w i p 网络协议栈。z i g b e e 网络节点使用t i 公司的c c 2 4 3 0 芯片。网关包括三个模块：z i g b e e 网络内部通信模块、网关的z i g b e e 通信模块和网关的因特网通信模块。z i g b e e 网络内部通信模块采用 星形网络拓扑结构，网关的z i g b e e 网络通信模块采用串口通信，网 关的因特网通信模块采用基于c s 结构、以网关为服务器、s e l e c t 模型的实现方案，每部分都给出了设计思路和实现方法。 本文对各个通信模块和整个网关的连通性都进行了测试，结果 显示该网关能够实现z i g b e e 网络节点和因特网之间的通信，具有较 好的实用性。 关键词通信与信息系统无线网关z i g b e e 技术串口以太网口 ， 严 j l o g yr e s e a r c h t h ei n t e r n e to ft h i n g si sc o n s i d e r e da st h et h i r dw a v eo fi n f o r m a t i o ni n d u s t r y , f o l l o w i n gc o m p u t e ra n dt h ei n t e r n e t w i t ht h ep r e s e n c eo f “p e r c e i v i n gc h i n a a n d w i s d o me a r t h n a t i o n a ls t r a t e g i c i s s u e s i n t e r n e to ft h i n g st e c h n o l o g yw i l lm a k eg r e a ti m p a c to nt h ew h o l e c o u n t r y ss o c i e t ya n de c o n o m y , a n de v e nt h ef u t u r eo fm a n k i n d sw a y o f l i f e z i g b e ei sa ni m p o r t a n tt e c h n o l o g yo f t h ei n t e r n e to ft h i n g s z i g b e e h a saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o np r o s p e c t si nm a n yf i e l d s ，s u c ha se n e r g y m a n a g e m e n t ，e l e c t r o n i cp r o d u c t s ，c o m p u t e rp e r i p h e r a l s ，m e d i c a lc a r e a n ds oo n ，a n di th a sb e c o m eah o ts p o to fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n c o n n e c t e dw i t ht h ei n t e r n e t t h ez i g b e en o d ec a nb ec o n t r o l l e d e v e r y w h e r ea l lo v e rt h ew o r l d a n dt h a t w i l l c o n d u c i v et of u r t h e r d e v e l o p m e n to fz i g b e et e c h n o l o g y t h r o u g ht h em e d i ao fz i g b e e g a t e w a ya n di n t e m e t ，d i f f e r e n tm o n i t o r i n ga r e a sa r o u n dt h ew o r l dc a n s h a r ei n f o r m a t i o n 。w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h et i m ea n ds p a c ed i s t a n c e a w a yf r o mt h ew o r l d t h ez i g b e e - b a s e dw i r e l e s si pg a t e w a y i sd e s i g n e d t oa c h i e v et h ec o n n e c t i o no ft h ez i g b e en e t w o r ka n dt h ei n t e r n e t t h eg a t e w a yu s e ss m a r t a r m 2 2 0 0d e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，a d o p t s t h ee m b e di 上c o s - i io p e r a t i n gs y s t e ma n dl w i ps t a c k z i g b e en o d e su s e t i sc c 2 4 3 0c h i p t h eg a t e w a yc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ，t h e c o 商m l l n i c a t i o nm o d u l ew i t h i nt h ez i g b e en e t w o r k ，g a t e w a y sz i g b e e n e t w o r kc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，a n dg a t e w a y si n t e m e tc o m m u n i c a t i o n m o d u l e s t a rn e t w o r kt o p o l o g yi sc h o s e ni nt h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e w i t h i nz i g b e en e t w o r k ，g a t e w a y sz i g b e en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n m o d u l ei si m p l e m e n t e db yu a r tp o r t t h es o l u t i o nt h a tb a s e do nc s s t r u c t u r e ，m a k i n gt h eg a t e w a y a ss e r v e r , u s i n gs e l e c tm o d u l ei sp r o p o s e d i n g a t e w a y s i n t e m e tc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，d e s i g ni d e a sa n d i m p l e m e n ts o l u t i o n s a r eg i v e ni ne a c hm o d u l e 、。j t h et e s t so fe a c hc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dw h o l eg a t e w a ya l e c a r r i e do u t ，r e s u l t ss h o wt h a tg a t e w a yc a na c h i e v et h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nz i g b e en o d ea n dt h e i n t e m e t ，t h eg a t e w a y h a s g o o d p r a c t i c a b i l i t y k e yw o r d sc o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ，w i r e l e s sg a t e w a y , z i g b e e ，u a r tp o r t ，e t h e r n e tp o r t j 一 i ， 、 第1 章 1 1 1 2 1 3 1 4 第2 章 2 1 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第4 章 4 1 目录 j 者论1 课题研究背景与意义l 关键技术的国内外研究状况2 本课题主要工作4 本文的章节安排7 相关技术介绍9 嵌入式u c o s i i 操作系统9 2 1 1 体系结构9 2 1 2 任务管理l o 2 1 3 任务问同步与通信1 0 2 1 4 内存管理“ 2 1 5 移植1 l l w i p 网络协议栈1 2 2 2 1 l w i p 简介1 2 2 2 2 l w i p 分析1 4 2 2 3 移植18 网络通信编程一2 l 2 3 1w 铀d o w ss o c k e t s 编程。2 l 2 3 2 l w 口s o c k e t s 编程2 3 本章小结2 4 z i g b e e 网络内部通信模块设计与实现2 5 z i g b e e 简介2 5 协议规范2 7 3 2 1 基本概念。2 7 3 2 2 z i g b e e 网络拓扑结构2 7 3 2 3 各协议版本比较2 9 z i g b e e 网络体系结构3 0 3 3 1 z i g b e e 物理层3 l 3 3 2 z i g b e em a c 层3 3 3 3 3 z i g b e e 网络层3 4 3 3 4 z i g b e e 应用层3 6 z i g b e e 网络内部通信实现3 7 3 4 1j 立用层a p i 3 8 3 4 2 程序设计3 8 3 4 3 连通性测试4 3 本章小结4 4 网关的z i g b e e 网络通信模块设计与实现。4 5 网关串口驱动。4 5 4 1 1 串口通信原理4 5 4 1 2 设计原理4 6 4 1 3 函数列表4 7 4 2 z i g b e e 模块串口4 8 4 2 1 u a r t 模式。4 8 4 2 2 u a r t 口的封装4 9 4 3 串口通信实现5 0 4 3 1 程序设计5 0 4 3 2连通性测试5 4 4 4本章小结5 4 第5 章网关的因特网通信模块设计与实现。5 5 5 1 套接字方案比较5 5 5 2模块编程实现5 8 5 3连通性测试5 9 5 4 本章小结6 0 第6 章结束语：总结与展望6 l 参考文献6 2 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录6 5 1 1 课题研究背景与意义 物联网被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮，被认为 是新世纪最重要的技术之一。随着“感知中国 、“智慧地球”等国家战略性的课 题提出，传感器网络技术的发展对整个国家的社会与经济，甚至人类未来的生活 方式都将产生重大影响【。 集成了传感器、微机电系统和网络三大技术的新型传感网络( 又称物联网) ， 是一种全新的信息获取和处理技术，其目的是让物品与网络连接，使之能被感知、 方便识别和管理。物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共 安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。 无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高 度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络 及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协 作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式 被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世 界以及人类社会三元世界的连通【2 j 。 无线传感器网络并不需要较高的传输带宽，但却需要较低的传输延时和极低 的功率消耗，使用户能拥有较长的电池寿命和较多的器件阵列【3 】。目前迫切需要 一种符合传感器和低端的、面向控制的、应用简单的专用标准，而z i g b e e 的出 现正好解决了这一问题。z i g b e e 有着高通信效率、低复杂度、低功耗、低速率、 低成本、高安全性以及全数字化等诸多优点。这些优点使得z i g b e e 和无线传感 器网络完美地结合在一起。目前，基于z i g b e e 技术的无线传感器网络的研究和 开发已得到越来越多的关注。 最近二十年间，以互联网为代表的计算机网络技术给世界带来了深刻变化， 然而，网络功能再强大，网络世界再丰富，终究是虚拟的，与现实世界还是相隔 的。互联网必须与传感网络相结合，才能与现实世界相联系。 将无线网络和有线网络相互连接，组成一个更大的网络，可以进一步发挥无 线网络和有线网络的优势，提高信息传输效率和质量。无线传感器网络和现有网 络的融合将带来新的应用。例如，无线传感器网络与互联网、移动通信网的融合， 一方面使无线传感器网络得以借助这两种传统网络传递信息，另一方面这两种网 络可以利用传感信息实现应用的创新。 多个z i g b e e 设备可以构成一个无线个人区域网，在这个网络中主协调器可 北京邮电大学硕士学位论文 以对各个设备进行控制。随着z i g b e e 无线网络技术的广泛应用，如何通过现有 网络基础设施( 如i n t e m e t ) 对其进行远程管理、控制，逐渐成为该领域的重要 研究课题。现如今因特网普及全球，如果能把z i g b e e 网络同因特网连接起来， 那么在世界各个角落都可以对某个z i g b e e 网络中的设备进行控制，有利于z i g b 技术的进一步发展，因此网关的设计就如一座桥梁紧密地联系着z i g b e e 网络 与因特网。网关在整个传感器网络中起着重要的枢纽作用，是整个传感器网络发 展的“瓶颈 之一，通过z i g b e e 网关和i n t e r a c t 做媒介，就使得世界范围内的不 同监测区域都可以信息共享，这大大缩小了物理世界的时空距离。 1 2 关键技术的国内外研究状况 基于z i g b e e 的无线i p 网关与终端技术的研究与实现主要是为了拓展z i g b e e 技术的应用，从而为推动物联网技术的发展提供强大的推动力，其关键技术是 z i g b e e 技术，下面就物联网和z i g b e e 技术的国内外研究状况做一介绍。 目前，美国、欧盟、中国等都在投入巨资深入研究探索物联网。我国高度关 注与重视物联网的研究，工业和信息化部会同有关部门，在新一代信息技术方面 正在开展研究，以形成支持新一代信息技术发展的政策措施。2 0 0 9 年8 月7 日， 温家宝总理在江苏无锡调研时，对微纳传感器研发中心予以高度关注。温家宝总 理指出“在传感网发展中，要早一点谋划未来，早一点攻破核心技术 ，“在国家 重大科技专项中，加快推进传感网发展 ，“尽快建立中国的传感信息中心，或者 叫感知中国中心”。随着美国“智慧地球计划的提出，物联网已成为各国 综合国力较量的重要因素。美国将新型传感网技术列为“在经济繁荣和国防安全 两方面至关重要的技术 。加拿大、英国、德国、芬兰、意大利、日本和韩国等 加入传感网的研究，欧盟将传感网技术作为优先发展的重点领域之一。据f o r r e s t e l 等权威机构预测，下一个万亿级的通信业务将是传感网产业，到2 0 2 0 年，物 物互联业务与现有人人互联业务之比将达到3 0 ：1 。 在物联网这个全新产业中，我国的技术研发水平处于世界前列，具有重大的 影响力。“与计算机、互联网产业不同，中国在物联网领域享有国际话语权! ” 早在1 9 9 9 年，中科院就启动了传感网研究，由其提出的传感网络体系架构、标 准体系、演进路线、协同架构等代表传感网络发展方向的顶层设计已被i s o i e c 国际标准认可。目前，我国传感网络研究已形成以应用为驱动的特色发展路线， 在技术、标准、产业、规模和应用与服务等方面进入了世界领先行列，使我国在 信息技术领域迎头赶上甚至占领产业价值链的高端成为可能。 z i g b e e 联盟是企业间的合作组纠4 1 ，致力于提供可靠的、高性价比的、低能 耗、无线网络化的、基于开放全球标准的监控产品。z i g b e e 联盟的目标：通过 2 子产品，z i g b e e 技术 可以利用z i e 出e e 这个 种产品。z i g b e e 联盟 主要关注：制定网络层、安全层、应用层；提供不同产品的协调性及一致性测试 规格；拓展z i g b e e 品牌的全球市场；管理技术演进。截至2 0 0 9 年1 2 月，根据 z i g b e e 联盟官方网站上的数据显示，z i g b e e 联盟目前有3 2 8 家会员。 目前，z i g b e e 硬件发展到了在一个芯片内部集成了m c u 和射频芯片。这不 但降低了z i g b e e 开发者对硬件射频电路的要求，加速了z i g b e e 系统的开发，同 时也对z i g b e e 系统的稳定性、可靠性、芯片体积等方面带来了积极影响。很多 公司都提供s o c s i p 封装的z i g b e e 硬件，其中使用者较多的芯片有：f r e e s c a l e 公司的m c l 3 2 1 1 ，m c l 3 2 1 2 及m c l 3 2 1 3 ；t i 公司的c c 2 4 3 0 和c c 2 4 3 1 ；e m b e r 公司的e m 2 5 0 和e m 2 6 0 ；j e n n i e 公司的j n 5 1 2 1 和j n 5 1 3 9 等等。值得注意的是 台湾的达盛电子也推出了z i g b e e 射频芯片u z 2 4 0 0 。台湾工研院资通所也自行研 发z i g b e e 平台i t r iz b n o d e 5 1 。另外，成立于2 0 0 7 年的苏州博联科技有限公司 生产的b e e m o t e 系列产品硬件也全部兼容z i g b e e 标准【6 】。 在z i g b e e 商业协议栈中，起步较早也最为著名的是f i g u r e8w i r e l e s s ( f 8 w ) 公司所开发的z s t a c k ，现为t i 公司所有。美商f r e e s c a l e 、h e l i c o m m 、s i l i c o nl 曲s 、 e m b e r ，日商n e c 、o k i 、r e n e s a s ，印度公司m i n d t e c k 、a i r b e e ，以及台湾资策 会i i i 等也都推出了自主研发或与其它厂商合作开发的z i g b e e 平台，并且通过 了z i g b e e 相容平台的相容性测试。另外，宁波中科集成电路设计中心( 中科院计 算所宁波分所) 无线通信事业部也对i e e e 8 0 2 1 5 4m a c 层的软件开发进行了研 究【7 1 。也存在一些公司团体或个人开发的免费的z i g b e e 协议栈，如：t i 提供的 二进制代码级别的z s t a c k 8 】；m i c r o c h i p 提供的源代码级别的m p z b e e 9 】；美国 密西西比州立大学的r o b e r t b r e e s e 教授实现的精简版的m s s t a t el r w p a n 【l u j 等。 2 0 0 6 年6 月，华为技术有限公司的会员等级从参与者升级为促进者以及理 事会会员【l l 】。e m b e r 与中国自动仪表读取系统方案供应商华立仪表的合作则可 看作z i g b e e 在中国推广和应用的里程碑事件。 2 0 0 8 年1 2 月，z i g b e e 联盟独家授权吉林市曼博科技有限公司在中国成立 z i g b e e 产业园区，曼博科技等9 家公司达成了在吉林高新区共同建设z i g b e e 产 业园区的协议【1 2 】。 还有一些中国公司，如上海顺舟、成都无线龙、广州蓝科、上海城优等也进 行了z i g b e e 技术的相关研发，但他们主要是与其它z i g b e e 软硬件厂商合作开发 一些基于z i g b e e 的应用和解决方案。 3 北京邮电大学硕士学位论文 为了推动物联网和z i g b e e 技术的发展，业界纷纷将z i g b e e 网络与现有的网 络( 如计算机网络、移动互联网) 进行互联，来延伸z i g b e e 网络的使用范围。 目前z i g b e e 网络与以太网互通主要采取两种方案：z i g b e e 内置i p 协议；网关方 式。 对于方案一，将口v 6 协议栈置于z i g b e e 网络层之上。这样，每个z i g b e e 传感器网络节点都会被分配一个i p v 6 地址。优点是：只需要对z i g b e e 协议栈进 行改动，不需要额外的设备支持，所以从整个网络结构来看，布网方便。但由于 z i g b e e 无线传感器网络间的数据传送是异步方式所以这种情况下，只能用到 i p v 6 议栈中的u d p 协议。这样就势必造成功能缺失。另外，最关键的一点是， 移植时i p v 6 的数据包尺寸大小。因为z i g b e e 协议栈在设计时并未考虑口v 6 的 扩展预留给口v 6 的空间很小( 若考虑加入安全机制，则预留给i p v 6 的空间会更 小，仅有8 1 b y t e s ) ，只能使用超轻量化的的口v 6 协议栈，那么，现有的成熟的 i p v 6 协议栈的一些优势就得不到体现。所以对于一些特别是安全性要求较高的 场合，此方案实现的可能性不大。并且这种构建方案除了由于空间太小难以实 现口v 6 协议栈的引入以外使每个传感器节点拥有一个i p v 6 的地址的这个想法 也是不大可取的，因为寻址单个传感器( 例如在传统的因特网应用中，寻址一个 对等通信实体) 的做法，违背了传感器网络的本质。所以不采用此方案。 对于方案二，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。网关方式具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低，抗干扰能力 强等特点，同时具有很好的通用性。所以这种方案受到越来越多的欢迎。 1 3本课题主要工作 本课题主要关注z i g b e e 网络与因特网的互联，通过手持z i g b e e 终端与 i n t e m e t 的连接实现z i g b e e 网络的远程控制。对网关平台基础技术g c o s i i 操作 系统和l w l p 协议栈及其移植进行了研究，对z i g b e e 技术进行了系统介绍，设 计并实现了一个基于a r m 7 处理器的z i g b e e 嵌入式网关，用来完成z i g b e e 网 络和i n t e r n e t 之间数据的通信。网关采用l p c 2 2 2 0 处理器，选用“c o s i i 操作 系统，l w l p 协议栈，z i g b e e 芯片采用c c 2 4 3 0 。给出了网关的硬件方案设计、 软件平台和主要软件编程思路，并分别阐述了z i g b e e 网络内部的通信、z i g b e e 协调器与网关的通信以及网关与因特网的通信三个部分的实现，经实验室测试该 网关能够实现z i g b e e 网络节点和因特网之间数据的收发。 网关在网络中的位置如图1 1 。为了实现功能需求，又要尽可能降低成本， 我们设计了如图1 2 所示的硬件平台和如图1 。3 所示的软件平台。 4 图1 1z i g b e e 无线网络与i n t e r n e t 互通的体系结构 图1 - 2 z i g a e e 网关的硬件结构 以“够用即可，兼顾升级 为原则，综合考虑功能、性价比、芯片易用性等 因素，确定了如下的芯片选型：微控制器选用了p h i l i p s 公司生产的基于a r m 7 t d m i 内核的l p c 2 2 2 0 ；1 0 m 以太网控制器选用了r e a l t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s ：z i g b e e 芯片选择t i ( 德州仪器) 公司生产的c c 2 4 3 0 。现仅对c p u 和c c 2 4 3 0 分别做简单介绍。 l p c 2 2 2 0 是基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s 的微控制器，支持实时仿真和嵌入 式跟踪，基本特性如下：1 6 3 2 位1 4 4 引脚a r m 7 t d m i s 微控制器，6 4 k 字节 片内静态r a m ，使用u a r t 0 提供的在系统下载和编程，实现串行b o o t 1 0 a d e r ， 2 个3 2 位定时器( 带4 路捕获和4 路比较通道) 、p w m 单元( 6 路输出) 、实时 时钟和看门狗，多个串行接口，可配置优先级和向量地址的向量中断控制器，最 多7 6 个g p i o 接口( 可承受5 v 电压) ，1 2 个独立外部中断引脚( e i n 和c a p 功能) ，通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率，片内晶振频率范 5 北京邮电大学硕士学位论文 围：i 一3 0 m h z 。 c c 2 4 3 0 芯片延用了以往c c 2 4 2 0 芯片的架构，在单个芯片上整合了z i g b 射频( i 江) 前端、内存和微控制器。它使用1 个8 位m c u ( 8 0 5 1 ) ，具有1 2 8k b 可编程闪存和8k b 的r a m ，还包含模拟数字转换器( a d c ) 、几个定时器( t i m 贫) 、 a e s l 2 8 协同处理器、看门狗定时器( w a t c h d o gt i l i l 盯) 、3 2k h z 晶振的休眠模式 定时器、上电复位电路( p o w e rc i i l 胁哟、掉电检测电路( b r o w no u td e t 酬o n ) ， 以及2 1 个可编程i o 引脚。 网关开发平台我们选用了由周立功公司生产、基于p h i l i p s 公司的l p c 2 2 2 0 芯片的s m a r t a r m 2 2 0 0 实验板作为处理器平台；z i g b e c 组网采用西安达泰电子有 限责任公司生产的d t d 2 4 3 ad 锄oz i g b e c 开发套件，该套件包含d t d 2 4 3 a 无 线z i g b c c 模块5 块，3 个模块配c m p 天线，2 个模块配1 0 c m 棒状天线， d t d 2 4 3 ad e l i l o 开发、调试、编程模板2 块。 软件平台参考模型如图1 3 所示。决定使用何种操作系统要综合考虑安全级 别、稳定性、实时性、硬件资源、成本等多个指标。对于我们的应用来说，选用 的是基于a r m 7 内核的芯片，在满足一定可靠性、实时性的同时，希望成本尽 可能低，而r a m 的大小为2 m ，无法使用u c l m u x ，最终选择了源码公开的实 时嵌入式操作系统9 c o s i i ，目前的最新版本为2 8 3 。 囝圜 图1 3 z i g b e e 网关的系统模型 “c o s i i 是一个微内核，只提供了任务管理、任务的通信同步和简单的内存 管理三项基本服务，其他服务如网络协议栈需要用户自己书写代码或者将第三方 代码移植到g c o s i i 中。 网络协议栈我们采用l w i p ，l w i p 是一个开源的t c p 口协议栈，l w 的含义 是l o ww e i 出( 轻型) ，目前作为一个n o n g n u 的项目，由全球的开发者和使用 者共同维护，读者可以在w w w n o n 朗u o 唱查找到本项目的相关信息。1 w i p 设计 6 北京邮电大学硕士学位论文 的出发点是在保持协议主要功能的基础上，尽可能减少对r a m 和r o m 的占用， 并且可根据需要，对源代码进行裁剪操作，最小应用只需要几十k 的r a m 和 4 0 k 左右的r o m ，因此十分适合应用在对内存和功能要求有严格限制的嵌入式 系统中。 整个通信系统可以分为三个模块：z i g a e e 网络内部通信模块，网关的z i g b e e 网络通信模块，网关的因特网通信模块。z i g a e e 网络内部通信模块采用星形网 络拓扑结构，由一个协调器选择p a ni d 标识符，负责网络的建立和维护，其他 设备都必须通过协调器进行数据转发实现互相通信。网关的z i g a e e 网络通信模 块，z i g b e e 协调器通过串口与网关相连，协调器收到其他z i g b e e 节点发来的数 据后，交给应用层，应用层通过调用串口a p i 发到网关。网关将网络发送来的数 据通过串口交给协调器，协调器再将数据封装，加上z i g b e e 的短地址发送出去。 网关的因特网通信模块，采用以太网口，c s 通信模式，将网关设置为服务器， 启动监听任务等待客户端的连接请求。 1 4 本文的章节安排 本文共分六章，全文的主要内容组织如下： 第1 章：绪论。本章介绍了z i g , b e e 技术的研究背景及意义，论文工作内容 和章节安排。 第2 章：相关技术介绍。本章对i t c o s i i 嵌入式操作系统进行了研究，介 绍了其核心内容，是后文探讨网络协议栈与具体应用的基础知识。对l w i p 协议 栈的功能、设计和实现方法进行了详细分析，并对l w i p 在l x c o s i i 上的移植进 行了深入探讨，介绍了网络通信编程，最后对移植后的协议栈进行了连通性验证。 第3 章：z i g b e e 网络内部通信模块设计与实现。本章首先阐述了z i g b e e 技 术的发展状况、重要概念、网络拓扑结构，并重点对其体系结构分层次进行了介 绍，最后给出了网络内不同节点通信的流程、应用层编程的方法和思路，并给出 了连通性测试。 第4 章：网关的z i g , b e e 网络通信模块设计与实现。本章对网关上串口进行 了讲解，并设计了驱动程序，研究了z i g b e e 模块的串口通信，设计并实现了 z i g b e e 网络与网关通信模块，给出了程序设计思路和关键数据结构，最后从网 关和z i g b e e 模块两个角度分别进行了数据收发实验，测试结果显示，本模块能 很好地工作。 第5 章：网关的因特网通信模块设计与实现。本章对套接字编程的不同方案 进行了分析比较，最后根据网关平台的特点采用c s 结构，将网关设为服务器， 采用s e l e c t 模型。给出了网关与因特网通信模块的设计思路，程序流程，最后使 7 北京邮电大学硕士学位论文 用w i r e s h a r k 网络抓包工具对模块进行了测试，结果显示，本模块工作正常，并 且通过与z i g , b e e 网络内部通信抓包文件相比较，证明了z i g b e e 网络与因特网能 够实现通信，说明了本网关在实验室环境下能够很好地工作。 第6 章：结束语。对本文的工作进行总结，同时提出了今后z i g b e e 网关改 进和完善的方向。 8 协议，如果要使其具备网络功能，需要开发者为其添加一个网络协议栈。由于是 基于嵌入式系统的实现，各种硬件资源必然受到限制，所以必须是经过裁剪的小 型协议栈，l w i p 很好地满足了这个条件。本章将对t t c o s i i 操作系统，l w i p 协议栈及其移植做深入研究，网关与因特网的通信将采用网络编程实现，最后将 对s o c k e t 技术进行探讨。 2 1 嵌入式 t c o s i i 操作系统 t t c o s i i 的开发者是j e a nj l a b r o s s e ，最早于1 9 9 2 年推出了叫做斗c o s 的 第一个版本，由于其精巧、实用、开源等多个优点，受到了业界和教育界的广泛 关注【1 3 1 。1 9 9 9 年，经过修改和功能扩充之后推出了第二版，即t t c o s i i ，于2 0 0 0 年得到了美国联邦航空管理局对应用于飞机的、符合r t c a d o 1 7 8 b 标准的认 证，从而证明其具有足够的稳定性和安全性。在国内，随着嵌入式系统产业的不 断发展，许多基于a r m 7 内核的产品都采用了该系统。 2 1 1 体系结构 因为在不同的应用中，宿主对象具有差异极大的硬件结构，而g c o s - i i 作 为一个微内核，它只对c p u 和硬件时钟进行了抽象和封装，其他硬件抽象层由 开发者自行添加。操作系统的核心代码架构在硬件抽象层上，用于给应用程序提 供服务。t t c o s i i 体系结构如表2 - 1 所示。 表2 1g c o s i i 体系结构 用户应用程序 与处理器无关的代码与应用程序相关的代码 o c - - c o r e co s g i n c o s _ f l a g c o st a s k c o sm b o x co st i m e c o s _ c f g h o s j n 锄co s t m r ca p p _ c f g h o sm u t e x cu c o si i c o 趾q c u c o si i h i t c o s i i 与处理器相关的代码o s _ c p u h 、 由开发者添加的 o 龟币呸4 a s m ，o 巳甲- g c 其他硬件抽象层 c p u 定时器其他硬件 9 北京邮电大学硕士学位论文 2 1 2 任务管理 实时应用程序的设计过程包括如何把问题分割成多个任务。一个任务也叫一 个线程，是一个简单的程序，该程序可以认为c p u 完全属于自己。每个任务都 是一个无限的循环，不同的是，当任务完成以后可以自我删除。每个任务都是整 个应用程序的一部分，都被赋予一定的优先级，有自己的一套c p u 寄存器和栈 空间。任务有且只有以下五种状态：休眠态、就绪态、运行态、挂起态及中断服 务态，各个状态之间的转换关系如图2 1 所示。 睡 图2 1 任务状态间的转换 多任务运行的实现实际上是靠c p u 在许多任务之间转换和调度。i t c o s i i 可以管理多达6 4 个任务，但建议保留4 个最高优先级和4 个最低优先级的任务， 供以后i 上c o s i i 的版本使用，留给用户的任务多达5 6 个。任务级的值越低，表 示任务的优先级越高。i 且c o s i i 是可剥夺型内核，让就绪态的高优先级的任务先 运行，中断服务程序可以抢占c p u 。中断服务完成时，内核让此时优先级最高 的任务运行。 2 1 3 任务问同步与通信 操作系统提供了多任务服务，就是为了在有关联的任务间进行相互协作，共 同完成一项复杂的工作。要合作就要沟通，因此任务同步和通信就显得非常重要。 i 上c o s i i 提供的同步和通信服务主要有：互斥器( m u t e x ) 、信号量( s e m a p h o r e ) 、 事件标志( e v e n tf l a g ) 、消息邮箱( m a i l b o x ) 、消息队列( m e s s a g eq u e u e ) 。 互斥器。实现任务间通信最简单的办法是使用共享数据结构。特别是当所有 任务都在一个单一地址空间下，这种处理特别简便。虽然共享数据区法简化了任 务间的信息交换，但是必须保证每个任务在处理共享数据时的排他性，以避免竞 争和数据的破坏。与共享资源打交道时，使之满足互斥条件最一般的方法有：关 中断，互斥器。 信号量。i _ l c o s i i 还提供了信号量是用于任务间同步。信号量有计数，因此 可以把互斥器看作一个二进制的信号量。通过信号量的计数，可表示当前可用资 源的数目。我们可以用经典的“生产者和消费者”的问题来解释：“生产者 每 1 0 北京邮电大学硕士学位论文 生