基于嵌入式ARM-Linux無線ZigBee協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

李 婧，史智興，崔哲偉，賈 方

(河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 保定 071001)

農(nóng)田中大范圍的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)已成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍重點(diǎn)之一。針對(duì)農(nóng)田布線不便的特點(diǎn)，ZigBee無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)成為農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的首選，可對(duì)其所分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控[1]。然而，控制下層整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的核心是上位機(jī)ARM處理器，而且上位機(jī)與下位機(jī)通信大多以串口模式來實(shí)現(xiàn)[2-3]。但串口通信模式存在串口傳輸速率低 (波特率雙方一致)、傳送距離短[4]、數(shù)據(jù)冗余差(數(shù)據(jù)校驗(yàn))以及設(shè)計(jì)串口協(xié)議繁瑣(幀格式)等不足。因此本文研究了ZigBee在ARM9內(nèi)核中的協(xié)調(diào)器字符驅(qū)動(dòng)，利用I/O傳輸數(shù)據(jù)，控制具有協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)的設(shè)備在農(nóng)田任何位置即可組網(wǎng)，以減少協(xié)調(diào)器的布局，實(shí)現(xiàn)方便快捷的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。

1 田間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求

因監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要零散分布在田間，以監(jiān)測(cè)田間的空氣和地表的溫度，因此，田間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：(1)低功耗。田間采電受到布線限制，因此節(jié)點(diǎn)模塊的耗電量應(yīng)盡可能低。(2)低成本。田間需要大量布局節(jié)點(diǎn)，投資成本成為廣泛實(shí)施的制約因素。(3)低復(fù)雜度和高可靠性。田間節(jié)點(diǎn)開發(fā)設(shè)備應(yīng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采集數(shù)據(jù)盡可能精確又廉價(jià)的設(shè)計(jì)。綜合上述特點(diǎn)，ZigBee可以作為田間無線協(xié)議首選。

ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、低速率、低復(fù)雜度的雙向通信技術(shù)。它可工作在國(guó)際上免授權(quán)的2.4 GHz，具有250 Kb/s的最高數(shù)據(jù)傳輸速率和10～75 m的可靠傳輸距離。ZigBee支持星型、樹型、對(duì)等和混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備高達(dá)254個(gè)。根據(jù)如圖1所示的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)分布的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)多條數(shù)據(jù)鏈路通信，以選擇最佳的路徑進(jìn)行傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無線接入和組建，是維持路由器和終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵。在田間固定放置協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)浪費(fèi)大量的資源，若動(dòng)態(tài)地測(cè)量田間任意位置的數(shù)據(jù)，把協(xié)調(diào)器作為移動(dòng)設(shè)備動(dòng)態(tài)地測(cè)量數(shù)據(jù)則是最好的選擇，并且可以減少田間協(xié)調(diào)器的放置，降低設(shè)計(jì)難度的成本。

圖1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

2 嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)開發(fā)環(huán)境的搭建

Linux操作系統(tǒng)環(huán)境的搭建如圖2所示。

圖2 Linux環(huán)境搭建

2.1 Bootloader的移植

Bootloader是操作系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一小段程序，它為加載內(nèi)核提供合適的硬件環(huán)境。Bootloader分成Stage1和Stage2兩個(gè)階段，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

圖3 bootloader實(shí)現(xiàn)原理圖

Stage1：主要由匯編實(shí)現(xiàn)，包括GPIO驅(qū)動(dòng)、使開發(fā)板上電LED閃爍、關(guān)閉所有中斷、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、關(guān)閉看門狗、SDRAM初始化、實(shí)現(xiàn)相應(yīng)驅(qū)動(dòng) (提供更大的執(zhí)行空間)、NAND Flash初始化(驅(qū)動(dòng)開發(fā)板上唯一的固態(tài)存儲(chǔ)掉電不消失設(shè)備)以及設(shè)置SP棧指針為Stage2中的C語言代碼執(zhí)行做好準(zhǔn)備。

Stage2：實(shí)現(xiàn)加電自搬移過程、串口調(diào)試信息、函數(shù)庫、shell命令等擴(kuò)展功能。

2.2 內(nèi)核的編譯和移植

本硬件移植2.6.27版本的Linux內(nèi)核：(1)解壓縮tar xf linux-2.6.27.tar.bz2，進(jìn)入該目錄。(2)移植平臺(tái)為ARM體系結(jié)構(gòu)，修改Makefile中的ARCH？=arm CORSS_COMPILE？=arm-linux-(交叉編譯器的前綴)。(3)配置內(nèi)核：make deconfig(清除原來編譯的config，如果是第一次配置可省略)；make menuconfig進(jìn)入配置菜單，選擇硬件所需的驅(qū)動(dòng)。大部分可選擇默認(rèn)選項(xiàng)，但注意網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)一定必選，硬件類型也要匹配。(4)編譯內(nèi)核make bzImage在～/linux-2.6.27/arch/arm/boot/bzImage生成內(nèi)核映像，通過tftp把bzImage燒到地址為0x30008000內(nèi)存上，然后用nand erase kernel擦除kernel分區(qū)上的數(shù)據(jù)，最后用nand write 0x30008000把內(nèi)存上的數(shù)據(jù)燒到Flash對(duì)應(yīng)的kernel分區(qū)上。

2.3 根文件系統(tǒng)的移植

運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，除了內(nèi)核外還需要根文件系統(tǒng)。用mkdir創(chuàng)建rootfs文件夾，在其中創(chuàng)建根文件系統(tǒng)目錄并安裝busybox。busybox是專門為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，它把大多數(shù)常用的命令(如 ls，cp，cd，tar 等)拼 接在一起，在根文件系統(tǒng)中只有一個(gè)可執(zhí)行文件/bin/busybox，其余都是 busybox的鏈接。安裝 busybox與安裝內(nèi) 核 類 似， 在 ～$tar xf busybox-1.9.1.tar.bz2、cd busybox-1.9.1/下修改 ARCH？=arm CROSS_COMPILE？=arm-linux-；make defconfig、make menuconfig設(shè)置 busybox安裝路徑 rootfs文件夾。 將 make、make install、busybox文件與一系列鏈接文件安裝在rootfs下。其他鏈接文件在/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin 中，配置 Linuxrc啟動(dòng)文件、安裝glibc共享庫，在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，將主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘拷貝到根文件系統(tǒng)中去，并配置網(wǎng)路和http相關(guān)配置文件。最后將文件系統(tǒng)配置成YAFFS文件系統(tǒng)，可直接對(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行讀寫。設(shè)置開發(fā)板為NFS方式，啟用可以直接在主機(jī)上操作開發(fā)板的根文件系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試。

3 硬件設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)平臺(tái)是采用ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C2410作為處理器，通過移植的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)與ZigBee CC2430無線收發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)硬件框架圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框架圖

CC2430是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)，以高性能和低功耗的8051為內(nèi)核，專門針對(duì)IEEE802.15.4和 ZigBee應(yīng)用，它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)。

現(xiàn)有的硬件是通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭凑沾谕ㄐ艆f(xié)議的格式封裝，大量數(shù)據(jù)的傳輸還需要在串口通信格式的基礎(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝，不僅數(shù)據(jù)傳輸速度慢，而且容錯(cuò)能力低。如果在內(nèi)核中加入ZigBee的字符驅(qū)動(dòng)則可省去數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的封裝以及接收時(shí)需要解析的麻煩。

3.2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

Linux的輸入輸出設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三類。字符設(shè)備是發(fā)送和接收都按照字符方式進(jìn)行。塊設(shè)備則是傳輸固定大小的數(shù)據(jù)給設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則是通過BSD套接口訪問設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序一般以模塊方式編寫，加載和卸載主要由 module_init()和module_exit()完成[2]。

(1)模塊加載和卸載

模塊需要入口函數(shù)module_init(zigbee_init)的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

在不同的系統(tǒng)中，同一設(shè)備的設(shè)備號(hào)不盡相同，如果靜態(tài)設(shè)置設(shè)備號(hào)，則在換另外的平臺(tái)時(shí)，設(shè)備號(hào)有可能沖突，所以動(dòng)態(tài)分配是最佳選擇。

(2)模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

注冊(cè)設(shè)備編號(hào)后要將設(shè)備驅(qū)動(dòng)與之連接，因此必須用file_operation結(jié)構(gòu)建立鏈接，并建立中斷通知相關(guān)數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

當(dāng)上層應(yīng)用調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序需要完成以下功能：

①初始化設(shè)備。S3C2410與下層ZigBee CC2430連接管腳處于工作狀態(tài)，注冊(cè)并使能中斷。

②按照ZigBee協(xié)議規(guī)則構(gòu)建數(shù)據(jù)包并發(fā)送給CC2430，實(shí)現(xiàn)不同控制命令，使芯片完成數(shù)據(jù)發(fā)送和狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。

③當(dāng)下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)與協(xié)議包格式不符時(shí)，產(chǎn)生中斷，用戶須重新發(fā)送數(shù)據(jù)。

其實(shí)現(xiàn)代碼如下：

用戶發(fā)送數(shù)據(jù)通過ssize_t zigbee_write(struct file*filp，const char__usr*buf， ssize_t count，loff_t*f_ops)傳到內(nèi)核空間，然后調(diào)用構(gòu)建數(shù)據(jù)包函數(shù)把數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。

用戶控制下層命令，實(shí)現(xiàn)代碼如下：

除實(shí)現(xiàn)以上函數(shù)外，還需要實(shí)現(xiàn)zigbee_relese(struct inode*inode，struct file*filp)，釋放程序運(yùn)行中所有資源。

本文通過上位機(jī)處理器ARM9CS3C2410，設(shè)計(jì)了ZigBee內(nèi)核字符驅(qū)動(dòng)，輕松地實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)的控制，也方便了用戶的上層開發(fā)，提供了用戶與下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢苊饬擞么谶M(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)程序設(shè)計(jì)的繁瑣性。由于篇幅限制本文沒給出控制下層模塊命令的具體實(shí)現(xiàn)代碼。希望通過本文能促進(jìn)ZigBee協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和研究。

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