【正文】 gital Sun 公司開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡自動灑水系統(tǒng)， 傳感器感應土壤的水分， 并在設定條件下與接收器通信， 控制灌溉系 統(tǒng)的閥門打開、關閉， 從而達到自動節(jié)水灌溉的目的；澳大利亞的 CSRIO ICT Center 將無線傳感器節(jié)點安置在動物身體上對動物的生理狀況（脈搏、血壓等） 和外界環(huán)境進行監(jiān)測， 避免了有線線路對動物生活的干擾， 研制成完善的草地放牧與動物模型 （王殊， 20xx） ； 韓國信息交通大學時嵌入式系統(tǒng)實驗室用 WSN搭建了自動農(nóng)業(yè)系統(tǒng) （ Seongeun Yoo， 20xx） 如圖 ，該系統(tǒng)部署在韓國 Dongbu Handong 種子研究中心的大白菜溫室大棚，包括：用于監(jiān)測和控制溫室環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，用于 管理 WSNs的管理子系統(tǒng)，已經(jīng)用于訪問管理子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的各種手持設備（如 PDA）。另一方面，我國水資源的分步很不平衡 （王穎杰， 20xx） 。通過建立交叉編譯環(huán)境， Bootloader、 Linux 內(nèi)核和 JFFS2 文件系統(tǒng)的移植搭建軟件平臺，并 完成 了相關的設備驅(qū)動程序 的移植 ，設計了應用軟件實現(xiàn)利用串口通信實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡中匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的實時采集、處理、存儲；利用 有線 以太網(wǎng)和無線通信網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)信息的傳輸載體，向遠程終端發(fā)送傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)。 WSNs利用放置于監(jiān)測場景中的大量傳感器節(jié)點 ， 對監(jiān)測對象進行協(xié)作化的信息感知和采集。哈佛大學的科研人員曾經(jīng)在位于厄瓜多爾境內(nèi)的唐古拉瓦火山 (voleanThngnrahua)附近部署了小范圍的無線傳感器網(wǎng)絡，采集次聲波信號并傳送至 網(wǎng)關 ，通過接入 無線MODEM 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到 9 公里外火山監(jiān)測站的 PC 上 （ WernerAllen G， 20xx） 。網(wǎng)關硬件選取集成以太網(wǎng)接口的 ARM9芯片 STR912 與 CC2430 無線模塊為核心進行擴展設計；應用地址適配層及應用協(xié)議層的提出 ，使得網(wǎng)間地址、協(xié)議在應用層統(tǒng)一起來并很容易擴展到其他網(wǎng)絡。無線通信存在的問題是易受到網(wǎng)絡覆蓋面及資費問題困擾。整個嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構如圖 所示 ： 嵌入式應用軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式處理器 嵌入式外圍設備 嵌入式硬件平臺 圖 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構 8 嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比具有以下特點 （鄭靈翔 ， 20xx） : 1） 嵌入式系統(tǒng)是面向特定系統(tǒng)應用的。同時，還可以封裝成短消息發(fā)送至移動終端用戶 （于海斌， 20xx） 。 茶園的這些地形 、 地貌 ， 茶樹特征 ，決定 網(wǎng)關的系統(tǒng)性能、通信方式等設計時要滿足以下幾方面的要求： 中央處理器 簇內(nèi)連接模塊 簇 外 連接 模塊 存儲模塊 電源 模塊 圖 WSNs 網(wǎng)關結(jié)構框圖 10 1)可靠性 網(wǎng)關 在 整個 茶園旱情 監(jiān)測系統(tǒng)起著承上啟下的重要作用 ，是聯(lián)系無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)與外部網(wǎng)絡的橋梁，如果網(wǎng)關節(jié)點出現(xiàn)了故障或者癱瘓等無法正常工作的情況，雖然網(wǎng)絡內(nèi)部可以通過 WSNs 的自組織性重新組成 旱情 監(jiān)測網(wǎng)絡，但卻無法將 茶園旱情數(shù)據(jù) 傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，因此，對網(wǎng)關的 可靠性提出了較高的要求。 3)芯片內(nèi)存儲器的容量 大多數(shù)的 ARM微 處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大，需要用戶在設計系統(tǒng) 時外擴存儲器 。 ?C/OSⅡ 的缺點是可提供的 API 函數(shù)接口相對較少，很多工作需要用戶自己去完成 (， 20xx)。 可以穩(wěn)定運行在 266MHz，可以運行 Linux 和 Windows CE等需要 MMU 的嵌入式操作系統(tǒng)。 CS8900 芯片是 Cirrus Logic 公司生產(chǎn)的一種高集成度局域網(wǎng)控制圖 SD 卡 接口電路 19 器，一個真正的單片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案，內(nèi)部集成了以太網(wǎng)電路所要的所有數(shù)字和模擬電路。 7805 和 LM1117 的 22 最大輸出電流都可以達到 800mA，可以為基站提供足夠的功率。 開發(fā)環(huán)境的建立 在嵌入式開發(fā)過程中有宿主機和目標機的角色之分：宿主機是執(zhí)行編譯、鏈接、定制過程的計算機；目標機 指運行嵌入 軟件的硬件平臺。 Bootloader 引導程序最基本的功能是對硬件系統(tǒng)的初始化和內(nèi)核啟動參數(shù)設置并啟動內(nèi)核。 5)重啟系統(tǒng)后 設置生效，到此交叉環(huán)境已經(jīng)成功安裝。在下一章里，本文將介紹如何在網(wǎng)關系統(tǒng)里實現(xiàn) aircard750 的驅(qū)動和 PPP 遠程接入。本網(wǎng)關系統(tǒng)用串口 2 連接擴展的DB51 針匯聚節(jié)點接口。 它有 4 個 Bank，通過 BA0 和 BA1 引腳來尋址四個 Bank，每個 Bank 有 4M 的存儲空間，地址線 A0－ A12 這 13 根地址線是行列復用的， 13 根行地址線和 9 根列地址線用來每個 Bank 里 4M 空間的尋址。 圖 網(wǎng)關總 設計框圖 本章小結(jié) 本章在分析嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程的基礎上，結(jié)合 WSNs 茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關的功能 S3C2410X (Linux OS) 由 GPIO 實現(xiàn)的DB51 連接器 HOST USB 串口 DB9 網(wǎng)絡 CS8900A FLASH SDRAM SD 卡 PCMCIA 接口（外接WLAN、 GSM/CDMA） 、 電源模塊 JTAG 接口 本地連接部分 存儲部分 簇外連接部分 簇內(nèi)連接部分 14 特征 需求，按照對處理器的需求確定以 S3C2410X 作為網(wǎng)關 的處理器，在比較幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)后，選擇 Linux 作為網(wǎng)關的操作系統(tǒng)，最后確定出一個完整的設計框圖。它支持多種處理器，如 x8 i960、 Sun Sparc、 powerPC、 ARM 等 。 ARM7TDMI不支持 WindowsCE和標準 Linux，但目前有 uCLinux等不需要 MMU支持的操作系統(tǒng) 也 可運行于 ARM7TDMI硬件平臺之上。 茶樹高度一般在 75cm100cm 之間。在計算機后 PC技術時代，嵌入式系統(tǒng)將擁有最大的市場。 嵌入式系統(tǒng) 設計 根據(jù) IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會 )的定義 ： 嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置” (孫天澤， 20xx)。 茶園往往處于較偏僻地帶， 將匯聚節(jié)點與 PC 相結(jié)合作為外部網(wǎng)絡接入設備具有較大難度 。 吳偉強等（ 20xx）提出了基于 ARM 平臺的 Zigbee 網(wǎng)關設計。傳統(tǒng)的 無線傳感器 sink網(wǎng)關是利用匯聚節(jié)點與 PC 相結(jié)合來實現(xiàn)的，一 般情況下，匯聚節(jié)點接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過有線方式 (串口或 USB 電纜 )與 PC 相連，后者完成數(shù)據(jù)的讀取、轉(zhuǎn)換、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)等工作。 喝茶已經(jīng)成為了全球健康生活的時尚，據(jù)資料顯示，目前 世界人均飲茶 0． 5kg；我國茶葉消費現(xiàn)狀最新數(shù)字顯示， 20xx年我國人均茶葉消費 kg，即將接近世 界 消費茶葉水平 （ 黃韓丹 ， 20xx） 。通過 WSNs 在茶園建立旱情監(jiān)測系統(tǒng)， 將大大提高茶園集約化、自動化管理水平。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進節(jié)水灌溉制度。 網(wǎng)關國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 及時獲取感知區(qū)域內(nèi)的信息并進行處理、轉(zhuǎn)發(fā)等操作是無線傳感器網(wǎng)絡應用中的關鍵問題之一 。 劉向文（ 20xx）通過以太網(wǎng)控制芯片 RTL8019 與外部以太網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信的無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關底層驅(qū)動的實現(xiàn)方案，分析了接收模塊和發(fā)送模塊，闡述了驅(qū)動實現(xiàn)機制和方法。 問題的提出 通過 WSNs 在茶園建立旱情監(jiān)測系統(tǒng)，將大大提高茶園集約化、自動化管理水平。通常網(wǎng)關可分為兩類：一是傳輸網(wǎng)關，用于在兩個網(wǎng)絡之間建立傳輸連接；二是應用網(wǎng)關，在應用層上進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。 5)嵌入式系統(tǒng)的生命周期相當長。 WSNs網(wǎng)關 對電源要求很高，除了 CPU 需要 的不同電壓外， GPRS 模塊啟動時需要大的瞬時電流，所以應從硬件和軟件上同時來實現(xiàn)和控制各路電源的供應，以達到有效的節(jié)能 。 網(wǎng)關 設計 概要 處理器的選型 處理器 (CPU)是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心 ，所有的設備控制、任務調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲都需要在這個模塊的支持 下 完成 。它的模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。 在實時方面， 內(nèi)核對進程調(diào)度做了較大改進，采用一種新的調(diào)度算法，解決了先前版本調(diào)度程序的不足，還引入了內(nèi)核搶占技術，只要重新調(diào)度是安全的，內(nèi)核就可以在任何時候搶占正在執(zhí)行的任務。 S3C2410X 內(nèi)部集成了 NAND Flash 控制器，使其和 NAND Flash 之間的接口非常的簡單，如圖 所示。兩個主USB 口用來接 U 盤、 USB 鼠標、 USB 鍵盤等 USB 設備，從 USB 用來和工作站連接，在 Linux 系統(tǒng)開發(fā)時和主機通訊，下載 Linux 內(nèi)核等。 360 度可旋轉(zhuǎn)天線，信號捕獲能力 強 。 1)在宿主機上安裝 Fedora6 操作系統(tǒng)。依賴于 CPU 的體系機構的代碼，比如設備初始化等，放在 stagel 中，采用 ARM 匯編語言來實現(xiàn) 。編譯過程由交叉編譯器實現(xiàn)。匯聚節(jié) 點與網(wǎng)關的接 口如圖 所示。將 CS8900 的內(nèi)存映射到 S3C2410X 的 Bank3，用 LnGCS3選通 CS8900。 S3C2410X 將前面 1G 的尋址空間 0x00000000 －0x40000000 分 8 個 BANK，每個 BANK 的尋址空間為 128M。這使 Linux 在短期內(nèi)就成為了一個穩(wěn)定成熟的操作系統(tǒng)，在 x86， Alpha， Sparc， ARM 等硬件平臺上運行穩(wěn)定高效。綜合以上幾點， 本 論文 選擇了 三星 公司的 基 于 ARM9核的S3C2410X作為中央處理器 。在其他情況下，應該盡量使 WSNs 網(wǎng)關 處于睡眠或空閑狀態(tài)，以節(jié)約能量。 WSNs 網(wǎng)關 的硬件部分主要由中央處理器、存儲模塊、簇內(nèi)連接(射頻收發(fā) )模塊、簇外連接 (通信 )模塊和電源模塊五部分組成。它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。采用經(jīng)濟實用的方式實現(xiàn) WSN 網(wǎng)關與 Inter 網(wǎng)絡的接入 ， 不但可利用遠程控制中心實現(xiàn)對茶園生態(tài)環(huán)境連續(xù)與實時的在線測控，還可進一步降低茶園作業(yè)管理的工作量，提高茶園管理的網(wǎng)絡化、智能化和信息化程度。實現(xiàn)該系統(tǒng)必須解決許多關鍵性問題，比如數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、準確性和實時性等。該節(jié)點基于 CC2431 以 4 及 C8051F320 的 USB 接口的軟硬件設計與實現(xiàn)接收各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)并以有線的方式將數(shù)據(jù)傳送給最終用戶計算機。 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 WSNs 的 農(nóng)業(yè)應用 在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們 獲取農(nóng)田信息的方式都很有限， 主要是通過人工測量， 獲取過程需要消耗大量的人力， 如 通過使用無線傳感器網(wǎng)絡可以有效降低人力消耗和對農(nóng)田環(huán)境的影響， 獲取精確的作物環(huán)境和作物信息 。 關鍵詞： WSNs 嵌入式 ARM 網(wǎng)關 Linux Ⅰ 3 Abstract The Design Of WSNs Gateway Based On ARM For Drought Monitoring In Tea Plantation Zhong Rongmin （ College of Engineering,South China Agricultural University, Guangzhou 510642， China） A WSNs gateway design scheme based on ARM is demonstrated in this dissertation. This scheme focuses on the development of wireless sensor works, bining the features of wire and wireless munication work and embedded system technology, aiming at the remote data transmission of wireless sensor works for drought monitoring in tea plantation. The new gateway adopts ARM920T micro controller S3C2410X as the kernel of hardware platform. Its peripheral circuits mainly include the storage system, serial munication interface, Ether interface, PCMCIA interface and other circuit systems, and provide serialport extension unit and standard interface unit to be used for further linkage of other data transmission method. In this gateway