（通信与信息系统专业论文）基于物联网网关的研究及实现.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者： 钎傲 日期：劢必年拥 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学雠文憾勿铭鸣日期泐年月沥。 、 l 摘要 摘要 物联网是在互联网概念的基础上提出的，是将其用户端延伸和扩展到任何 物品与物品之间，进行信息交换和通信的一种网络概念。物联网技术的进一步 发展，实际上就是在推动无缝交互技术的发展。所谓无缝交互，就是彻底实现 计算机数字世界与实体世界紧密结合的一种方式。所以，积极发展物联网技术， 尽快扩展其应用领域，尽快使其投入到生产、生活中去，将具有重要意义。 而对网关的开发，是在构建整个物联网体系结构中至关重要的一步。网关 是建立在网络层之上的协议转换器，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。对于物联网来讲，它是连 接无线传感网络与互联网或其它只能设备( 如手机、掌上电脑p d a ) 的桥梁。 而目前的i p 网关协议虽然具有长寿命、稳定、可扩展性强等优点，但已经不 能满足集成电路芯片小型化、低功耗、低速率、高带宽利用率的传输要求。因 此，尽快建立一种低功耗的、兼容性好的、能够满足未来技术变革中对网络应 用空间不断增长需求的网络传输机制已经成为目前迫切需要完成的任务。 本文首先介绍了轻量型协议x m p p 和嵌入式操作系统c o n t i k i ，建立一个标 准化的、开放的网络服务器构架，它的体系结构式是基于i p v 6 最基础性的网络 协议的，具有发送短时消息，广播一订阅机制和认证机制以及保护数据安全等功 能，同时是轻量型的、可扩展性好、开放式的。然后在测试平台上成功把x m p p 协议移植到c o n t i k i 内。再次，对无线传感器网络与本网关的连通和与本网关 与互联网的连通，提出了设计思想并做了测试实验。最后，在以上实验的基础 上，提出了基于测试平台的外围硬件电路设计思想与硬件电路设计图。 关键词：物联网；网关协议；移植；嵌入式 a b s t r a c t i n t e r a c to ft h i n g so v e rt h ei n t e r a c tb a s e do nt h ec o n c e p tp u tf o r w a r di st oe x t e n d a n de x p a n di t sc l i e n tb e t w e e na n yg o o d sa n dg o o d st ot h ee x c h a n g eo fi n f o r m a t i o n a n dc o m m u n i c a t i o no fan e t w o r kc o n c e p t t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n g t e c h n o l o g y , i nf a c t ，p r o m o t e ss e a m l e s si n t e r a c t i v et e c h n o l o g y t h es o c a l l e ds e a m l e s s i n t e r a c t i o n ，t h a ti s ，t h ef u l lr e a l i z a t i o no ft h ec o m p u t e rd e s i g no ft h ed i 舀t a lw o r l da n d p h y s i c a lw o r l di st i g h t l yi n t e g r a t e dw a y t h e r e f o r e ，t h ep o s i t i v ed e v e l o p m e n ti n n e t w o r k i n gt e c h n o l o g ym a t e r i a l sa ss o o na sp o s s i b l et oe x p a n di t sa p p l i c a t i o na r e a s ， a ss o o na sp o s s i b l et op u ti n t op r o d u c t i o na n dl i f et ob eo fg r e a ts i g n i f i c a n c e w h i l et h ed e v e l o p m e n to ft h eg a t e w a yi st ob u i l daw h o l ec o m p l e xn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，ac r u c i a ls t e p g a t e w a yi sb u i l ta b o v et h et r a n s p o r tl a y e rp r o t o c o l c o n v e r t e rw i t h h i g he f f i c i e n c y , r e s p o n s et i m e ，h i g hr e l i a b i l i t y , l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，a n t i i n t e r f e r e n c ea b i l i t ya n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i c s ，a l s oh a sg o o d v e r s a t i l i t y a st h ei n t e m e to ft h i n g si sc o n c e r n e d ，i ti st oc o n n e c tt h ew i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k sa n dt h ei n t e m e to ro t h e ro n l yd e v i c e s ( s u c ha sm o b i l ep h o n e s ，p d a s ，p d a ) a sab r i d g e a tp r e s e n t ，t h ei pg a t e w a yp r o t o c o l ，w h i l eh a v i n gal o n gl i f e ，s t a b i l i t y , s c a l a b i l i t y , a n ds t r o n ga d v a n t a g e s ，c a nn ol o n g e rm e e tt h ei n t e g r a t e dc i r c u i tc h i p m i n i a t u r i z a t i o n ，l o wp o w e r , l o w - s p e e d ，h i g hb a n d w i d t hu t i l i z a t i o no ft h et r a n s m i s s i o n r e q u i r e m e n t s t h e r e f o r e ，a ss o o na sp o s s i b l et oe s t a b l i s hal o w - p o w e r , c o m p a t i b i l i t y , g o o d ，a n db ea b l et om e e tf u t u r et e c h n o l o g i c a lc h a n g ei nt h eu s eo fs p a c eo nt h e n e t w o r k sg r o w i n gd e m a n df o rn e t w o r kt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mh a sb e c o m et h e u r g e n tn e e dt oc o m p l e t et h et a s k t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e s l i g h t w e i g h tx m p pp r o t o c o l sa n de m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ，c o n t i k i ，t h ee s t a b l i s h m e n to fas t a n d a r d i z e d ，o p e nn e t w o r ks e r v e r a r c h i t e c t u r e ，i t sa r c h i t e c t u r a ls t y l ei s b a s e do nt h em o s tb a s i co fi p v 6n e t w o r k p r o t o c o lh a sa b l et os e n ds h o r tm e s s a g e s ，r a d i o 一一s u b s c r i b et ot h em e c h a n i s ma n dt h e a u t h e n t i c a t i o nm e c h a n i s ma n dt h ep r o t e c t i o no fd a t as e c u r i t ya n do t h e rf u n c t i o n s ，i s a l s oal i g h t w e i g h t ，s c a l a b l ea n dg o o d ，o p e n e n d e d t h e nt h et e s tp l a t f o r m ， s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e dt oc o n t i k iw i t h i nt h ex m p pp r o t o c 0 1 a g a i n ，f o rw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sa n dc o n n e c t i v i t y , a n dw i t ht h ei n t e r n e tc o n n e c t i v i t yw a sp r o p o s e d d e s i g ni d e aa n dm a d e at e s tl a b f i n a l l y , i nt h ea b o v e e x p e r i m e n ti sp r o p o s e db a s e do n t e s tp l a t f o r mb a s e do nt h ee x t e r n a lh a r d w a r ec i r c u i td e s i g ni d e a sa n dh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g n k e yw o r d s ：i n t e r n e to ft h i n g s ；g a t e w a yp r o t o c o l ；a r c h i t e c t u r e ；e m b e d d e d h i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i v l 绪论1 1 1 研究背景1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本课题设计思路及方法4 1 4 论文的主要研究内容8 2 物联网网关设计方案9 2 1 网关设计的基本要求9 2 2 网关功能模块的组成9 2 3 网关软件总体构架1 0 2 4 网关硬件总体构架1 1 2 5 本章小结1 2 3 网关协议栈的移植1 3 3 1 网关协议栈移植的硬件准备1 3 3 2 相关技术介绍1 4 3 2 1 嵌入式c o n t i k i 操作系统介绍1 4 3 2 2 嵌入式c o n t i k i 操作系统的移植1 5 3 2 3 x m p p 协议介绍1 6 3 3 基于嵌入式c o u t i k i 操作系统的x m p p 协议栈2 0 3 4 连通性测试2 5 4 三个模块的连通性测试2 6 4 1z i g b e 内部模块通信实现2 6 4 2z i g b e e 模块与网关通信实现3 0 4 3 网关与因特网通信模块实现3 5 i v 目录 5 外围电路设计思想4 l 5 1 整体设计思路4 1 5 2d t d 2 4 3 a 模块介绍4 1 5 3z i g b e e 内部连通区硬件电路设计思路4 l 5 3 1 供电模块4 l 5 3 2u s b 接e l 模块4 2 5 3 3d t d 2 4 3 a 测试接口模块4 3 5 3 4 编程调试模块4 3 5 3 5u s b 插座模块4 4 5 3 6l e d 接口模块4 5 6 总结与展望4 6 致谢4 7 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表论文5 0 v 一 绪论 1 绪论 1 1 研究背景 目前，物联网技术的发展已经上升到国家战略高度，世界多个国家和企业 已经开始投入巨资，力争在未来物联网技术革命中抢占制高点。美国总统奥巴 马极其重视物联网这种高新技术的开发，并将其视为与开发绿色能源技术同等 重要的国家战略。去年年底，世界n 巨头i b m 公司首席执行官彭明盛首次抛出 “智慧的地球”这一概念时，其战略核心就是物联网。这些充分证明，要想把 握好信息产业变革的每一次机遇，并不是偶然机遇的垂青，而是充分重视，主 动把握机会的结果l 。 我国也在积极的把握这次难得的机遇，温家宝总理提出了建立“感知中国 中心的工作，他指出，“当计算机和互联网产业大规模发展时，我们因为没有 掌握一些核心技术而走过一些弯路。在传感网发展中，要早一点谋划未来，早 一点攻破核心技术。国家工业和信息化部正在制定我国的“物联网 标准， 相关负责人表示，我国物联网标准体系已形成初步框架，向国际标准化组织提 交的多项标准提案均被采纳。 物联网应用十分广泛。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。专家预计，这一技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。 目前，我国在车载系统、食品安全等方面已经做出了十分有意义的尝试，并取 得了良好的经济效益与社会效益，在家电智能化、电子商务、社会保障等领域 中也有广阔前景。如图1 - 1 所示、 绪论 图1 - 1 物联网应用示意图 其中，物联网的应用层，提供丰富的基于物联网的应用，是物联网发展的 根本目标。同时，它是将物联网技术与行业信息化技术相结合，实现广泛智能 化应用的解决方案集合。实现的根本在于行业融合、信息资源的开发利用、低 成本高质量的解决方案、信息安全的保障以及有效商业模式的开发利用【2 】。 而物联网的网络层，覆盖广泛的移动通信网络是其实现的基础，也是物联 网三个分层中，标准化程度最高、产业能力最强、最成熟的部分，其关键在于 为物联网应用特征进行优化和改进，形成协同感知的网络。 物联网的感知层是实现物联网全面的感知的核心能力，是物联网中包括关 键技术、标准化方面、产业化方面亟待突破的部分，关键在于具备更精确、更 全面的感知能力，并能够解决低功耗、小型化、低成本的问题。、 1 2 国内外研究现状 目前，美国、欧盟、中国等都极其重视物联网的发展，各国纷纷将其提升 到战略高度用来整形经济，促进经济社会发展。如美国把玩联网视为重振经济 的法宝，其做法是利用信息通信技术o c t ) 来改变美国未来产业发展模式和结构 ( 金融、制造、消费和服务等) ，改变政府、企业和人们的交互方式以提高效率、 灵活性和响应速度。把i c t 技术充分用到各行各业，把感应器嵌入到全球每个 角落。 我国在物联网的启动和发展上与国际相比并不落后，我国中长期规划新 2 绪论 一代宽带移动无线通信网中有重点专项研究开发“传感器及其网络”，国内 不少城市和省份已大量采用传感网解决电力、交通、公安、农渔业中的所有增 强机器设备通信和网络能力的技术的总称( m 2 m ) 等信息通信技术的服务中国 通信标准化协会也启动了基于互联网的物联网和基于电信网的物联网的相关标 准和研究课题的申报工作。中国的几大电信运营商积极投入“物联网 的技术 开发和应用的工作：物流信息化、公交视频化、校讯通、农村信息化、渔牧业 监控、水文水质等。总而言之，我国物联网技术已经初步掌握其核心技术，自 行制定的行业标准纷纷被世界各国所采纳，享有话语权。我国拥有自主知识产 权的“唐芯一号 已经问世，突破了我国射频电路、模数混合电路、超低功耗 等集成电路设计、验证和测试技术，对于我国物联网产业的发展和应用，争取 自主知识产权和占领物联网国际制高点，意义重大。 中国物联网网技术产业联盟已于2 0 1 0 年1 月正式成立。联盟将为我国物联 网产业化发展提供技术服务，形成具有全球重要影响力的物联网产业链集群。 根据联盟筹备工作组的建议，联盟总部将设在无锡高新技术开发区无锡国家传 感信息中心。无锡国家传感信息中心管委会相关负责人受邀参加大会，并向成 员单位介绍了该中心发展规划，着重介绍了“感知中国博览园的发展规划。 据了解，博览园位于新区太科园内，占地2 5 0 亩，将全方位展示传感网技术， 包括未来城市生活体验、技术推广中心等。这个联盟涉及的面很广，由运营商、 科研院所、民间机构组成，共同推动我国物联网产业发展。联盟的主要目标之 一是推进技术标准的制定，促进应用和产业化，推进技术创新集群与产业集群 的融合，将自主创新能力转化为新的经济增长点。筹备组成员均为国内物联网 发展的优势单位，集合了国内移动、电信、联通等三大通信运营商，中兴、华 为、大唐等设备制造商，中科院、清华大学等科研院所以及多家应用企业。 z i g b e e 联盟是企业间的合作组织，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：通过加入 无线网络的功能，为消费者提供更富弹性、易用的电子产品，z i g b e e 技术应用范 围横跨全球民用、商用、政府及工业领域，生产商可以利用z i g b e e 这个标准化无 线网络平台，设计简单、可靠、便宜又节能的各种产品。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 a 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 3 绪论 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- j 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 、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 l c 公司的j n 5 1 2 1 、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 i z b n o d e 。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 c e m o t e 系列产品 硬件也全部兼容z i g b e e 标准。 。 1 3 本课题设计思路及方法 物联网( i n t e r a c to f t h i n g s ) 是一个理念，指的是将各种信息传感设备，如 射频识别( r f i d ) 装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置 与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，其目的是让所有的物品都与网络连 接在一起，方便智能识别、定位、跟踪、监控和管理。物联网是利用无所不在 的网络技术( 有线的、无线的) 建立起来的，其中非常重要的技术是r f i d 电子 标签技术。r f i d 成为物联网的重要组成部分，结合已有的网络技术、数据库技 术、中间件技术等，构筑的一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的， 比i n t e r n e t 更为庞大的网络。物联网成为r f i d 技术发展的趋势。在这个网络中， 系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。 因此，目前大部分专家都是研究r f i d 在物联网中的应用，很少研究z i g b e e 技 术在物联网中的应用。z i g b e e 技术为了满足传感器这样小型、低成本设备无线 联网的要求，2 0 0 0 年1 2 月匝e e 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 任务组。这个组致力于定 义一种供廉价的、便携或移动设备使用的极低复杂度、成本和功耗的低速率无 线连接技术。 如图1 2 所示，z i g b e e 发展里程表。 4 绪论 t r dz i g b e c l 供盟成立 m 初r 始d 提案 提交l e e e v 0 2 第一个 协议规范 产品 6 0 k 下载量 v 1 ov 2 0 8一。2 嘶 l e e e8 0 2 1 5 4 p a r 提案 审查i e e e 8 。2 1 5 4 2 。3 8 。2 1 5 4 c ，d = 丁丁丁厂了厂 厂 丁： 1 9 9 9 2 咖 2 l2 0 0 22 0 0 32 8 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 图1 - 2z i g b e e 发展里程表 相对于现有的各种短距离无线通信技术，z i g b e e 技术将是最低功耗和成本 的技术。同时由于z i g b e c 技术的低数据速率和通信范围较小的特点，也决定了 z i g b e e 技术适合于承载数据流量较小的业务。其主要特点是网络容量大、安全 性高、可靠性高、功耗低、时延短、成本低以及有效范围小【4 】。如图1 3 星形拓 扑与图1 4 族形拓扑。 p a n 协调器 。 图1 3 星形拓扑 5 f f d o r f d 通信链路 p a n 协调器 绪论 0 设备p 图1 _ 4 簇形网络拓扑 z i g b e e 技术在物联网中的应用物联网的应用有三个层次，一个是传感网络， 即以二维码、r f i d 、传感器为主，实现“物 的识别；二是传输网络，即通过 现有的互联网、广电网、通信网或者下一代互联网，实现数据的传输和计算； 三是应用网络，即输入输出控制终端，包括手机等终端【5 j 。 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 n 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 置碑协议；网关方式 6 1 。 对于方案一，将l p 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i p v 6 的扩 展预留给i p 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i p 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 7 1 。并且这种构建方案除了由于空间太小难以实现 6 绪论 i p 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r 例如在传统的因特网应用中，寻址一个对等 通信实体1 l 的做法，违背了传感器网络的本质。所以不采用此方案【8 j 。 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。 因此，本文应用z i g b e e 技术，建立的体系结构如图1 4 所示。由z i g b e e 终端 组成的无线网络与网关互联，网关再与互联网互联，个人电脑或服务器等数据 采集中心通过网线与互联网互联。建立在传输层以上的协议转换器网关，是整 个体系结构的核心，是连接数据中心与z i g b e e 终端的桥梁。数据中心可以是个人 计算机p c 、手机或者是掌上电脑p d a 。该结构能够充分发挥基于口协议的无线 传感器网络的潜力，要具有发送即时短消息的功能，方便终端用户随时随地地 查找和控制，更要具有良好的可扩展性和兼容性以及对服务器数据良好的保护 功能1 9 1 。 够o 、移 图1 - 5z i g b e e 无线网络与i n t e r a c t 互联的体系结构 7 绪论 1 4 论文的主要研究内容 第l 章：绪论。本章介绍了物联网技术的研究背景及意义，论文工作内容和 章节安排。 第2 章：本章主要论述了系统的组成，该系统主要包括三个功能模块，并详 细介绍了三个模块的具体功能和连接方式，最后论述了该系统搭建的硬件与软 件平台。 第3 章：本章对c o n t i k i 操作系统和协议栈x m p p 做了详细介绍，探索出具体 的协议栈x m p p 移植到操作系统c o n t i k i 的方法，并进行了连通性的实验。 第4 章：分别提出了网关与z i g b e e 模块和网关与互联网模块通信的具体设计 方案与编程思想，并进行了连通性实验。 第5 章：外围电路硬件的具体设计思路与仿真实现。 第6 章：总结与展望。对本课题工作进行了总结，并提出不足之处和今后的 改进方法。 8 物联网网关设计方案 2 物联网网关设计方案 本文设计的物联网网关要处理来自i n t e m e t 的数据，能过通过串口处理来自 无线传感器网络节点的数据，要求实现物联网网关的硬件必须提供强大的网络 支持，同时需要支持t c p 口协议，因此需要操作系统来支持多任务。本章研究 讨论了物联网网关系统的整体设计方案。 2 1 网关设计的基本要求 网关的位置位于无线传感器网络与互联网之间，要具有很好的协作能力， 能够具备同一区域不同网关间协作、终端移动过程中的协作管理；要具备移动 能力，网关本身在移动过程中能够保持与网络的连接能力；要具备信令处理能 力，能够转换无线传感网络与互联网间的交互信令、数据；要具备数据储备能 力，能够在需要时保留终端节点的位置、路由、认证、其他数据信息等。 2 2 网关功能模块的组成 网关是整个物联网的核心，是无线传感器网络与互联网之间的一个节点， 作为入口节点，它应具有网关和服务器的功能。网关是整个物联网网络的核心， 是处于广域网和外部网络中间的一个节点。作为入口节点，它应具有网关和服 务器的功能，一方面，网关要支持t c p i p 协议议并能提供w e b 服务，从而允许 客户远程访问它。以a r m 微处理器为中心建立网关硬件平台，对外通过以太网 接入公共网络，对内将无线传感器节点组成的无线传感器网络连成一体，用户 通过远端p c 就可以对整个网络进行控制。 综合上述考虑，整个通信系统可以分为三个模块：z i g b e e 网络内部通信模块， z i g b e e 网j 络与网关通信模块，网关与因特网通信模块。z i g b e e 网络内部通信模块 采用星形网络拓扑结构，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。z i g b e e 网络与网 关通信模块，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i a p i 发到网关。网关将网络发送 来的数据通过串1 ：3 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 9 物联网网关设计方案 出去。网关与因特网通信模块，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。 2 3 网关软件总体构架 操作系统是连接硬件和应用程序的桥梁，由于硬件要求低延时、尽快建立 一种用电少的或者能够运用新兴绿色能源的，所以操作系统不能占用太多的资 源，而选用免费的、开放源代码的操作系统又能有效减少成本。综合以上考虑， 最后选用c o n t i k i 。c o n t i k i 不仅公开源代码，而且能够有效节约系统硬件资源， 经过有效裁剪，最少只占用几十k 的内存，除了一些核心的最基本的功能外，其 他功能均可由用户自己自行开发，这说明，它的可扩展性相当出色，在对数据 的保护方面，有自己特有的机制，用户可以自行选择是实名登录还是匿名登录， 整个系统设计存在很少的b u g 。网络协议栈要求在实现系统基本功能的前提下， 尽可能少的占用系统资源，节约硬件的使用资源，而x m p p 不仅仅是开源的，而 且十分方便用户根据自己的需要对源代码进行裁剪，故十分适合对系统资源要 求十分苛刻的嵌入式系统中。经过上面的讨论，可以把整个嵌入式系统分为三 个功能区：z i g b e e 网络内部通信模块，z i g b e e 网络与网关通信模块，网关与因 特网通信模块。它的软件平台参考模型如图2 1 所示。 图2 - 1 软件平台参考模型 i o 物联网网关设计方案 z i g b e e 内部连通采用的是星形拓扑结构，由一个协调器( 负责分配l d 和 地址并对其他网络节点传送的信息进行数据封装。其他节点只能通过协调器来 和外部网络交互。 z i g b e e 网络与网关互联区，串口是连接z i g b e e 协调器与网关的桥梁，当信息 从其他参考节点发送到协调器时，协调器再把信息发送到z i g b e e 的应用层，应用 层通过调用串i z l a p i 发送到网关，网络协议根据内部机制把该数据转换成t c p 口 协议可以接受的数据，然后再发送到互联网。 网关到互联网与互联网到网关它们的通信机制是互相映射的，完全对称的， 因此只需完成其中一部的通信也就完成该体系结构的整体构架。它们的通信也 是通过串口实现的，在收到串口发送的来自互联网的数据后，协调器再将数据 封装，附j j i l z i g b e e 的m a c 地址与物理地址发送出去。 2 - 4 网关硬件总体构架 现在做该协议的实验平台有基于a r m 的，有基于数字信号处理器等的，本 文在考虑兼容性、成本、性价比等方面后，c p u 选用- j p h i l i p s 公司生产的基于 a r m 7t d m i 内核的l p c 2 2 2 0 ；r e a l t e k 公司生产的r t l 8 0 1 9 a s l 0 m 用来做 太网控制器；z i g b e e 芯片型号是c c 2 4 3 0 ，是德州仪器公司生产的。其网关的硬 件结构图如图2 2 所示。 图2 - 2z i g s 网关的硬件结构图 物联网网关设计方案 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- j 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 弓1 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 u 河实现最大为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 t z i g b e e 射频( r f ) 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 e r ) 、 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 m e r ) 、3 2k h z 晶振的休眠模式 定时器、上电复位电路( p o w e r o nr e s e t ) 、掉电检测电路( b r o w no u td e t e c t i 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 e 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 a _ d e m oz i g b e e 开发套件，该套件包含d t d 2 4 3 a 无线 z i g b e e 模块5 块，3 个模块配c h i p 天线，2 个模块配1 0 c m 棒状天线，d t d 2 4 3 a _ d e m o 开发、调试、编程模板2 块。 2 5 本章小结 本章主要论述了系统的组成，该系统主要包括三个功能模块，并详细介绍 了三个模块的具体功能和连接方式，最后论述了该系统搭建的硬件与软件平台。 网关协议栈的移植 3 网关协议栈的移植 3 1 网关协议栈移植的硬件准备 c o n t i k i 嵌入式操作系统是支持多任务的、开源的操作系统，最早由a d a m s d u n k e l s 所开发设计，是专门为嵌入式系统和无线传感器网络而设计。经过有效 剪裁，只需要4 0 k b 的r o m 和4 k 的r a m 。而基于a r m 7 的l p c 2 2 2 0 开发板 并没有内置给r o m 预留过多的空间，这就需要外扩闪存。 本文选用以s s t 公司的存储器s s t 3 9 v f l 6 0 存储器，它是1 m * 1 6 的c m o s 多功能闪存器件，采用4 8 脚t s o p 封装，其存储容量为2 m b ，工作电压为 2 7 v 3 6 v 。 将s s t 3 9 v f l 6 0 芯片的片选信号设置成c s 0 ，l p c 2 2 2 0 芯片的c s 0 ( p 小9 1 ) 接至s s t 3 9 v f l 6 0 的c e 端，s s t 3 9 v f l 6 0 的读写信号o e 端接l p c 2 2 2 0 芯片的 c s 0 ( p 矾9 0 ) ，s s t 3 9 v f l 6 0 的写信号w e 接至l p c 2 2 2 0 的w e ( p 矾2 9 ) ， s s t 3 9 v f l 6 0 的1 6 位数据总线 d o d 1 5 与l p c 2 2 2 0 的6 位数据总线 d o d 1 5 相 连接，将l p c 2 2 2 0 的外部存储器的引脚地址输出线 a 1 - a 2 0 与s s t 3 9 v f l 6 0 的 【a 0 a 9 连接，其物理地址寻址范围为0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 0 1 f f f f f 。其s s t 3 9 v f l 6 0 闪存与l p c 2 2 2 0 连接电路图如图3 1 所示。 1 3 网关协议栈的移植 图3 - 1s s t 3 9 v f l 6 0 闪存与l p c 2 2 2 0 连接电路图 3 2 相关技术介绍 嵌入式c o n t i k i 操作系统和x m p p 协议栈均是为低功耗的开放的通用性好的 无线传感器网络而设计服务的，下面将对它们分别作介绍。 3 。2 1 嵌入式c o n t i k i 操作系统介绍 嵌入式c o n t i k i 操作系统是支持多任务的、开源的操作系统，最早由a d a m s d u n k c l s 所开发设计，现在是专门为嵌入式系统和无线传感器网络而设计。它能 够在要求条件十分苛刻的开发环境中运行，同时只需要几k 的r a m 和几十k 的r o m ，占用系统资源非常少。c o n t i k i 已经提供了一个基础性的口协议栈， 同时维持最小硬件抽象，以便有一个共同的软件基础架构，使它能够广泛在不 同的试验平台应用。如今，c o n t i k i 已经被广泛应用在嵌入式操作系统中，美国 的通用、美国国家宇航局都在使用它。 c o n t i k i 是基于事件驱动的嵌入式操作系统，它的程序执行流程也是基于事 件的，事件通过硬件请求或者是底层请求来触发，可抢占的多线程以可选的函 数库来实现。c o n t i k i 硬件资源的抽象以系统库的形式实现，并和其他程序任意 地连接。为了能够实现优先执行的原则，c o n t i k i 并不禁止中断。在内存分配方 1 4 网关协议栈的移植 面，c o n t i k i 支持两种：系统动态内存分配、预分配的内存块分配。由于c o n t i k i 支持运行时系统模块的更新，同时支持在运行时对特定模块和服务的加载和卸 载，所以c o n t i k i 具有良好的可扩展性，这就便于在复杂的环境甚至是难以接近 的环境中对软件惊醒及时的更新，对硬件节点做到良好的维护和升级。在节能 方面，c o n t i k i 无显式低功耗模式，需要用户程序自行实现，事件调度器提供事 件队列长度，便于用户程序判断。这就使c o n t i k i 具有智能化，能够根据用户需 要，调配功耗，节能方面起到了事半功倍的作用。c o n t i k i 能够非常方便