環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

周茜　王艷敏　單承剛

摘要：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在未來的物聯(lián)網(wǎng)時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的紐帶。該系統(tǒng)基于STM32F107+uC/OS-2構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，通過串口與ZigBee協(xié)調(diào)器通信，獲取ZigBee終端節(jié)點采集的傳感數(shù)據(jù)并顯示在uC/GUI界面上。ZigBee終端節(jié)點基CC2530+OSAL構(gòu)建，采集外圍環(huán)境溫濕度、光照度及火焰數(shù)據(jù)匯聚于ZigBee協(xié)調(diào)器。上位機控制軟件通過串口與STM32網(wǎng)關(guān)通信，可實時顯示監(jiān)測環(huán)境信息，并可反向控制各終端節(jié)點。網(wǎng)關(guān)運行良好，系統(tǒng)經(jīng)過測試，可以較為準確穩(wěn)定的測定周圍環(huán)境信息，并可實現(xiàn)對火災(zāi)的預(yù)警和防控。

關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)調(diào)器；路由器；STM32F107；Cortex網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0284-02

物聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用已遍及智能交通、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、智能醫(yī)療等多個領(lǐng)域，它的三項基本技術(shù)分別為傳感器技術(shù)、RFID技術(shù)以及嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，在互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)的推動下，物聯(lián)網(wǎng)對環(huán)境監(jiān)測有了更加積極的作用。本文主要講述的是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測及火災(zāi)防控方面的作用，環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是專門為森林環(huán)境監(jiān)測、糧倉環(huán)境監(jiān)測、智能樓宇環(huán)境監(jiān)測等開發(fā)設(shè)計的智能控制系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到環(huán)境監(jiān)測以后，既可以有效減少資源損失也可以降低因為火災(zāi)引起的人員傷亡。

本文主要針對環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計展開，從 STM32+uC/OS-2軟硬件平臺的搭建到uC/OS-2操作系統(tǒng)上應(yīng)用程序的設(shè)計等，旨在實現(xiàn)一個基于ZigBee無線傳輸技術(shù)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計，詳細分析ZigBee協(xié)調(diào)器與Cortex網(wǎng)關(guān)的串口通信實現(xiàn)、網(wǎng)關(guān)對ZigBee數(shù)據(jù)包的分解、uC/GUI界面設(shè)計、uC/OS-2操作系統(tǒng)多任務(wù)的實現(xiàn)及網(wǎng)關(guān)對ZigBee節(jié)點的反控過程。

1 系統(tǒng)硬件平臺

該環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是基于STM32F107芯片構(gòu)建，運行uC/OS-2嵌入式操作系統(tǒng)。利用ZigBee技術(shù)組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對各個環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測和采集，匯總各監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，經(jīng)處理后顯示在uC/GUI界面上，最后通過串口發(fā)送到上位機。

1.1 STM32F107微處理器

STM32F107芯片集成了各種高性能工業(yè)標準接口，且STM32不同型號產(chǎn)品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應(yīng)更多的應(yīng)用。STM32F107連接線系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位處理器，高速嵌入式儲器（快閃存儲多達256個字節(jié)與64字節(jié)），所有設(shè)備提供通用16位定時器，以及標準和先進的通訊接口。

1.2 網(wǎng)關(guān)的硬件接口

1.2.1 網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件接口設(shè)計

Cortex-M3網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器模塊通過串口實現(xiàn)通信，ZigBee協(xié)調(diào)器的串口0通過擴展插槽連接Cortex-M3網(wǎng)關(guān)的串口4。ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件接口圖如圖2所示，CC2530的P0.2和P0.3是串口0的接收發(fā)送管腳。

1.2.2 LCD硬件接口設(shè)計

LCD采用128×64液晶顯示屏，CC2530之間通信時采用串行接口，進行信息顯示時需要進行LCD庫函數(shù)的移植，在應(yīng)用層調(diào)用庫函數(shù)，以實現(xiàn)用戶需要顯示的信息。其中LCD_RS是Data與Command的切換信號，對LCD的控制IC初始化。LCD_WR的作用是寫入數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件平臺基于uC/OS-2操作系統(tǒng)，uC/OS-2是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務(wù)內(nèi)核、具有高度可移植性的實時操作系統(tǒng)。uC/OS-2可以視為一個多任務(wù)調(diào)度器，具體實現(xiàn)系統(tǒng)啟動任務(wù)、網(wǎng)關(guān)對ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包的分解任務(wù)、觸摸屏顯示任務(wù)和蜂鳴器報警任務(wù)。

2.1 ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)處理過程

路由器監(jiān)測節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，采集環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器封裝監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)依次串口傳輸至Cortex-M3網(wǎng)關(guān)，同時協(xié)調(diào)器還可以接收網(wǎng)關(guān)發(fā)送的指令對監(jiān)測節(jié)點進行反控。

2.2 網(wǎng)關(guān)對ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包的分解

網(wǎng)關(guān)對ZigBee協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)包接收通過UART4中斷服務(wù)函數(shù)實現(xiàn)，在中斷的處理函數(shù)中，把接收到的數(shù)據(jù)依次發(fā)送至上位機，同時每接收一個節(jié)點的10字節(jié)的數(shù)據(jù)就拋出消息郵箱。網(wǎng)關(guān)主程序端通過申請接收消息郵箱獲取每個節(jié)點的環(huán)境數(shù)據(jù)，并顯示在uC/GUI界面上。

2.3 網(wǎng)關(guān)主程序設(shè)計

網(wǎng)關(guān)主程序的設(shè)計圍繞著系統(tǒng)硬件的初始化、GUI庫的初始化、uC/GUI界面的顯示、uC/OS-2多任務(wù)的處理來設(shè)計。網(wǎng)關(guān)uC/GUI界面能夠顯示每個監(jiān)測節(jié)點的溫濕度，火焰，光照等數(shù)據(jù)。超過設(shè)定溫度報警數(shù)值，蜂鳴器報警。uC/GUI界面操作可以對ZigBee監(jiān)測節(jié)點進行反控。

3 實驗結(jié)果

ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建后，ZigBee節(jié)點加入該網(wǎng)絡(luò)并進行數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)的ZigBee模塊接收到數(shù)據(jù)后對其進行處理，并按照在ZigBee數(shù)據(jù)處理任務(wù)函數(shù)里邊規(guī)定的輸出方式進行輸出，在網(wǎng)關(guān)uC/GUI界面上進行顯示，并通過串口在上位機上顯示。下圖為環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)界面：

4 結(jié)束語

本文主要設(shè)計一個基于ZigBee技術(shù)的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點采用CC2530單片機作為MCU，并且結(jié)合ZigBee協(xié)議架構(gòu)進行編程設(shè)計，來構(gòu)建ZigBee傳感器監(jiān)測節(jié)點。實現(xiàn)基于CC2530的傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計，并在IAR集成開發(fā)環(huán)境中進行基于ZigBee架構(gòu)的編程，節(jié)點模塊的調(diào)試。實驗過程中各方面運行良好，且成本較低，可以實現(xiàn)在智能樓宇、森林火情、糧倉環(huán)境等領(lǐng)域中的環(huán)境監(jiān)測。

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