【文章內(nèi)容簡介】 信間的通信干擾，必須選擇符合要求的拓撲結(jié)構(gòu)與功率。(2)節(jié)點定位。原理是根據(jù)一定的算法在已知節(jié)點基礎(chǔ)上定位未知節(jié)點。節(jié)點定位在有些場合是比較重要的，如森林火災。(3)時間同步。節(jié)點間時間的必須是同步的，因為WSN中是分布式協(xié)同工作。(4)數(shù)據(jù)管理與融合。為更好地管理傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，需要將用戶屏蔽在技術(shù)之外且能夠友好地控制WSN,使物理網(wǎng)絡(luò)邏輯化。目前，應用最廣泛的專用電子系統(tǒng)非嵌入式系統(tǒng)莫屬。隨著應用范圍的擴展與延伸,對技術(shù)廣度和深度的要求也越來越苛刻，主要體現(xiàn)在智能控制的應用與處理信息的能力,以及對設(shè)備的成本的高低、性能好壞、開發(fā)周期長短和可靠性高低等的關(guān)注。嵌入式處理器核心是嵌入式系統(tǒng)，縱觀整個嵌入式處理器應用市場,單片機的成功案例雖然尤為顯著，而單純的單片機或微控制器技術(shù)顯然已經(jīng)無法滿足需求。而ARM芯片憑借處理能力強和功耗低等優(yōu)勢一舉搶占市場先機,并逐步滲透到我們生活的各個領(lǐng)域。基于ARM芯片的優(yōu)勢考慮，本設(shè)計選取了CortexA8系列中的互聯(lián)型產(chǎn)品S5PV210作為總控制芯片。因為它的片內(nèi)外設(shè)非常豐富，大可不必再對存儲器再擴展,從而開發(fā)成本也減少了，開發(fā)難度也降低了。 嵌入式 TCP/IP在Internet上所使用的TCP/IP協(xié)議是一個分層設(shè)計的協(xié)議集合,每一層有每一層的功能。在嵌入式系統(tǒng)中的TCP/IP具有其顯著的特點：(1)存儲使用量減少。為了不影響到系統(tǒng)性能和成本，在實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中應該想盡辦法減少存儲空間的使用量。(2)高度可裁剪性。為滿足不同應用的需求，在協(xié)議棧的實現(xiàn)必須高度模塊化,以方便更好地實現(xiàn)對目標系統(tǒng)的可栽剪。通常可裁剪程度同代碼實現(xiàn)的模塊化程度成正比。(3)可移植性強。嵌入式系統(tǒng)硬件平臺雖然很多，但我們平時在設(shè)計時應注意在實現(xiàn)的過程中應避免語言的不協(xié)調(diào)性。同時為了提高代碼的復用率，在硬件驅(qū)動層我們必須進行高精度的抽象和封裝,使協(xié)議獨立于平臺。本章對物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)與它在物聯(lián)網(wǎng)應用中的功能作了深入分析,根據(jù)需求設(shè)計出系統(tǒng)總體方案，并分析了實現(xiàn)該設(shè)計系統(tǒng)所需要的核心技術(shù)，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計本章主要是介紹系統(tǒng)硬件的各模塊電路設(shè)計原理。在功能上,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)既要作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制中心，又要實現(xiàn)一個嵌入式WEB服務(wù)器，即既要滿足到遠程控制的需要,又要考慮到室內(nèi)近程控制的便捷性。故硬件電路中應包含以下的功能電路:能實現(xiàn)通信、控制和管理,能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接,能執(zhí)行射頻模塊的無線收發(fā)信息,能實現(xiàn)近程控制的基本輸入輸出。本設(shè)計，其實就是一個智能型電子系統(tǒng)，因為它廣泛涉及到多任務(wù)通信、通信協(xié)議控制、數(shù)據(jù)傳輸與處理等方面。本系統(tǒng)采用以ARM為代表的高性能微控制器(MPU)為核心,其優(yōu)勢是有強大的處理器、豐富的片內(nèi)外設(shè),主要適用于的應用場合就是那些需要操作系統(tǒng)、支持多任務(wù)、良好人機交互功能的情形。本系統(tǒng)采用ARM CortexA8內(nèi)核的S5PV210的微處理器為主控制芯片來實現(xiàn)設(shè)計。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖31所示。在該圖中，主要分為兩部分，一部分是ARM處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其片內(nèi)外設(shè)，位于藍色粗線框內(nèi)部；另一部分最小系統(tǒng)電路及外圍應用電路，位于藍色粗線框外部。圖31 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖本系統(tǒng)依據(jù)功能主要劃分以下三個模塊:主控制模塊、以太網(wǎng)接口模塊、WSN協(xié)調(diào)器接口模塊?，F(xiàn)在簡單闡述下其功能:(1)主控制模塊:該模塊以ARM作為系統(tǒng)的主處理器,芯片運行所必須的外接電路模塊包括電源電路、時鐘電路、復位電路，而這些便組成了最小系統(tǒng)電路。除此之外還有本地應用電路，如：輸入輸出的LCD、KEY和LED電路、存儲擴展數(shù)據(jù)的SD卡接口、5V電源接入和程序下載的MINI USB接口電路、與PC機通信的電平轉(zhuǎn)換電路等。(2)以太網(wǎng)接口模塊:因為主控制器已經(jīng)可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入對MAC層的支持,所以在外部只接以太網(wǎng)的PHY以及網(wǎng)絡(luò)接口就行。(3)WSN協(xié)調(diào)器接口模塊:該接口模塊是局部無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總調(diào)度中心，通常接WSN的協(xié)調(diào)器,如:CC11CC24CC2530等模塊,通過串行接口實現(xiàn)與主控模塊的通信。本節(jié)首先詳細介紹系統(tǒng)所使用的芯片，然后再對各個電路子模塊分別進行介紹。 ARM 微控制器S5PV210因為在整個設(shè)計中，系統(tǒng)對以太網(wǎng)MAC的需求、嵌入式操作系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議和大量的應用程序，都需要占用大量的存儲空間，基于這些考慮，我們選擇S5PV210作為整個設(shè)計的微控制器。S5PV210的主要技術(shù)指標如下內(nèi)核：ARM CortexA8主頻：1GHz內(nèi)存：512MB DDR2Flash：256MB SLC NAND FLASH最高可支持1080p@30fps硬件解碼視頻流暢播放，格式可為：MPEG4/MPEGVC1支持流暢的2D/3D圖形加速支持HDMI顯示接口支持1個USB ，1個USB 支持1個SDIO接口（Micro SD卡接口）支持1路RS232串口接口（調(diào)試串口）支持2個獨立CAMERA接口支持100M以太網(wǎng)卡支持AC97立體聲音頻輸入/輸出接口支持RTC實時時鐘保存支持2個用戶按鍵、88矩陣鍵盤接口(外擴鍵盤接口)支持LED 燈顯示 （1個電源顯示，2個用戶 LED 燈）支持標準JTAG接口支持用戶擴展接口 （2路SPI接口， 2路IIC接口 ，3路PWM ，4路UART，6路ADC，1路 SDIO接口和其它用戶擴展 IO ）、7寸、多款液晶模塊接口產(chǎn)品尺寸：105mm x 85mmPCB板層：8層電源供電：+5V /2A調(diào)試接口：20pin，工作溫度：20~+70℃（電氣指標：符合CE，F(xiàn)CC，CCC規(guī)范要求）整個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的核心部件是主控制器。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、任務(wù)調(diào)度、存儲轉(zhuǎn)發(fā)等系統(tǒng)任務(wù)都由它負責，如圖 32 所示為主控制器原理圖:圖 32 主控制器原理圖本開發(fā)板的有線網(wǎng)絡(luò)采用了DM9000網(wǎng)卡芯片，它可以自適應10/100M網(wǎng)絡(luò)，RJ45連接頭內(nèi)部已經(jīng)包含了耦合線圈，因此使用普通的網(wǎng)線即可連接本開發(fā)板至路由器或者交換機，而不必另接網(wǎng)絡(luò)變壓器。網(wǎng)絡(luò)接口原理圖如圖33所示：圖33 網(wǎng)絡(luò)接口原理圖S5PV210本身總共有4個串口，其中UART1為四線的功能串口，UART0、3為兩線串口。在本開發(fā)板上，UART0和UART1已經(jīng)經(jīng)過RS232電平轉(zhuǎn)換，它們分別對應于COM0和COM1，可以通過附帶的交叉串口線和PC互相通訊。串口原理圖如圖34所示：圖34串口原理圖 USB 接口電路本開發(fā)板具有兩種USB接口，一種是USB Host()接口，它和普通PC的USB接口是一樣的，可以接USB攝像頭、USB鍵盤、USB鼠標、優(yōu)盤等常見的USB外設(shè)；另外一種是miniUSB()，主要用于軟件安裝和程序調(diào)試，常用于Android系統(tǒng)的ADB功能。USB原理圖如圖35所示：圖35 USB原理圖處理器S5PV210能適應以太網(wǎng)連接的需求。它內(nèi)部集成的以太網(wǎng)MAC模塊性能高、靈活度高。該模塊支持獨立于介質(zhì)的接口(Mil)和精簡的獨立于介質(zhì)的接口(RMII)，而Mil和RMII是兩種連接到外接PHY模塊的標準接口,可廣泛應用于路由器、交換機、網(wǎng)卡等。以太網(wǎng)連接框圖如圖36所示。其中用于站點管理的主要是：周期性時鐘信號 (MDC)和數(shù)據(jù)的輸入輸出線(MDIO),通過它們我們能夠很方便地訪問網(wǎng)卡芯片的寄存器,具體連接見圖36：圖36 以太網(wǎng)連接方案框圖以太網(wǎng)模塊功能闡述如下:MC控制器:主要是為以太網(wǎng)鏈路層提供服務(wù)。在這部分里，定義了 MAC幀的格式以及在介質(zhì)上是怎樣進行傳輸?shù)?還有可用于多種事件的發(fā)生而產(chǎn)生的MAC中斷,通過應用程序的參數(shù)設(shè)定進行MAC地址過濾,還定義了物理尋址、邏輯拓撲。(2) DMA:主要是支持AHB主從接口下的突發(fā)傳輸,在這部分中有兩套獨立的FIFO(每套2K)收發(fā)控制器，它們的作用分別處理數(shù)據(jù)收發(fā)緩沖,與MCIJ之間的通信通過控制狀態(tài)寄存器和描述符列表兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。(3) PTP:主要是設(shè)置接收和發(fā)送頓的時間戳,以及粗調(diào)和細調(diào)的校正方法,如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時間比目標時間大時，這時就會觸發(fā)中斷,通過MCU的復用功能I/O輸出秒脈沖。本設(shè)計選用的是一款集成度高、成本低、效益高的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器PHY芯片DM9000。它由一個處理接口，一個10/100M自適應的PHY和4K DWORD值的SRAM組成。DM9000物理協(xié)議層接口完全支持使用10MBps下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100MBps下5類非屏蔽雙絞線?？梢宰詣油瓿膳渲靡宰畲笙薅鹊剡m合其線路帶寬。其端口驅(qū)動程序可方便移植。圖37 以太網(wǎng)接口電路 WSN協(xié)調(diào)器接口模塊該模塊是實現(xiàn)嵌入式ZigBee應用的片上系統(tǒng)，其作用就是方便CC2530模塊的接入。采用擁有32/64/128 KB可選閃存、8KB SRAM的增強型8051 MCU等高性能模塊,并內(nèi)置了 ZigBee協(xié)議找。因為以CC2530為核心的Zigbee模塊里有無線協(xié)議棧代碼和高頻設(shè)計,這樣一來，用戶主要將精力集中在自己的應用代碼開發(fā)。由于自身硬件資源匱乏且對環(huán)境要求較高,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)直接接入傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)想便成了天方夜譚。最簡單易行的方法就是：利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)WSN與IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián),而網(wǎng)關(guān)還需要一個WSN協(xié)調(diào)器對傳感網(wǎng)進行總體協(xié)調(diào)調(diào)度。在本設(shè)計中采用現(xiàn)有的20個引腳的接口電路的Zigbee無線模塊。如圖38所示為WSN協(xié)調(diào)器接口電路,協(xié)調(diào)器與主控制器之間可以通過USART和SPI兩種方式實現(xiàn)通信。圖38 WSN協(xié)調(diào)器接口電路本小節(jié)對物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)進行了詳細設(shè)計，選取 S5PV210作為主控器，并完成了對主控制器和外圍芯片的接口電路設(shè)計。第四章三個模塊的連通性測試本系統(tǒng)將主要介紹三個模塊功能的實現(xiàn)過程以及測試結(jié)果，即ZigBee內(nèi)部模塊通信的實現(xiàn)、ZigBee模塊與網(wǎng)關(guān)通信的實現(xiàn)、網(wǎng)關(guān)與因特網(wǎng)通信的實現(xiàn)。 ZigBee內(nèi)部模塊通信實現(xiàn)ZigBee內(nèi)部模塊通信連接方式如圖41所示:圖41 ZigBee內(nèi)部模塊通信連接方式ZigBee CC2530自身集成了片內(nèi)的溫度傳感器。本實驗中路由器（Router）節(jié)點將采集到的室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器（Coordinator），協(xié)調(diào)器再通過UART發(fā)送給上位機并最終顯示出來。部分API函數(shù)與功能如表42所示：表42 API函數(shù)與功能網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的程序流程圖如圖43所示,其主要是編譯、網(wǎng)絡(luò)應用層初始化、目的地址設(shè)定、注冊端點描述符、注冊按鍵等。其中定義的處理事件的類型包括:按鍵、收到消息、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變，對收到的消息進行以下結(jié)構(gòu)體定義:typedefstruct{osal_event_hdr_t hdr。uint16