基于ZigBee技術的溫室監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關設計方案引言溫室監(jiān)控系統(tǒng)用于實時監(jiān)測室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度等環(huán)境參數(shù)，以便做出相應調(diào)整，使作物處于最佳環(huán)境中生長?，F(xiàn)有的無線溫室監(jiān)控系統(tǒng)大多在無線局域網(wǎng)絡覆蓋范圍內(nèi)進行環(huán)境信息監(jiān)測，傳輸范圍有限，且功耗和成本較高。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術。2節(jié)5號電池即可使ZigBee射頻芯片工作6～24個月。本設計采用ZigBee技術組建無線局域網(wǎng)，并通過網(wǎng)關接人到以太網(wǎng)。不但很好地解決了功耗和成本問題，而且也有效擴展了數(shù)據(jù)的傳輸范圍。1系統(tǒng)設計溫室監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖如圖1所示。系統(tǒng)由無線傳感節(jié)點、嵌入式網(wǎng)關、人機交互界面3個部分組成。無線傳感節(jié)點通過連接傳感器來獲得相應的環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點。嵌入式網(wǎng)關承擔網(wǎng)絡管理的功能，主要負責組建ZigBee無線網(wǎng)絡并將傳感節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)上傳至以太網(wǎng)中。人機交互界面的作用是將這些數(shù)據(jù)實時地顯示在網(wǎng)頁上，也可以通過網(wǎng)頁進行遠程控制。圖1溫室監(jiān)控系統(tǒng)的結構示意圖無線局域網(wǎng)中的各傳感器節(jié)點采集溫度、濕度、C02濃度等環(huán)境信息，經(jīng)網(wǎng)關處理后，監(jiān)控終端計算機通過IE瀏覽器即可訪問這些數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控環(huán)境信息。2硬件設計整個系統(tǒng)涉及ZigBee網(wǎng)絡和以太網(wǎng)，為了使2個網(wǎng)絡能相互通信，需要建立網(wǎng)關。本文用嵌入式BOA服務器作為2個網(wǎng)絡的信息中轉(zhuǎn)站，以實現(xiàn)網(wǎng)關的功能。BOA服務器是一個小巧高效的Web服務器，運行于Unix或Linux系統(tǒng)下，支持CGI的、適合用于嵌入式系統(tǒng)的單任務的HTTP服務器。2.1網(wǎng)關硬件設計嵌入式BOA服務器可以在嵌入式Linux操作系統(tǒng)的支持下進行設計。網(wǎng)關硬件結構如圖2所示。圖2網(wǎng)關硬件結構網(wǎng)關硬件包括如下部分：①S3C2440A，Samsung公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的32位RISC嵌入式微處理器，運行頻率可達400MHz。

②256MBFlash，存儲Bootloader和Linux操作系統(tǒng)以及文件系統(tǒng)。

③64MBSDRAM，作為系統(tǒng)運行時的程序和數(shù)據(jù)存儲器。

④DM9000A網(wǎng)絡控制器，提供以太網(wǎng)連接功能，以滿足用戶通過TCP／IP以太網(wǎng)進行實時的數(shù)據(jù)交互。

⑤JTAG仿真調(diào)試接口，支持ADS等集成開發(fā)環(huán)境利用JTAG調(diào)試接口對整個硬件電路進行軟件開發(fā)和調(diào)試。

⑥UART接口，連接CC2430射頻芯片以實現(xiàn)ZigBee無線局域網(wǎng)絡與以太網(wǎng)的互聯(lián)。2.2ZigBee節(jié)點硬件設計ZigBee節(jié)點硬件結構如圖3所示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構成。圖3ZigBee節(jié)點硬件結構CC2430芯片整合了高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器內(nèi)核和工業(yè)標準的增強型8051MCU，還包括了8KB的SDRAM、128KB的Flash，是一種片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。將相應的傳感器與CC2430的I／O引腳連接，可測得所需的溫室環(huán)境參數(shù)，并通過ZjgBee無線網(wǎng)絡進行傳輸。本系統(tǒng)在每個ZigBee節(jié)點上分別連接溫度傳感器、濕度傳感器和CO2傳感器來監(jiān)測不同節(jié)點處相應的環(huán)境信息。3軟件設計本設計基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)，通過編寫DM9000A網(wǎng)卡驅(qū)動和UART異步串口驅(qū)動實現(xiàn)以太網(wǎng)與ZigBee網(wǎng)絡的互聯(lián)。網(wǎng)關的分層結構如圖4所示。在TCP／IP協(xié)議和ZigBee協(xié)議上分別開發(fā)Web、CGI程序以及無線收發(fā)程序。Web、CGI程序用于人機交互界面，無線收發(fā)程序用來實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡的通信。圖4網(wǎng)關的分層結構圖CGI（CommonGatewayInterface）規(guī)定Web服務器調(diào)用其他程序的接口協(xié)議標準，提供給Web服務器一個執(zhí)行外部程序的通道。這種服務端技術使得瀏覽器和服務器之間具有交互性。CGI程序?qū)儆谝粋€外部程序，編譯成可執(zhí)行文件后，可以在服務端運行。通過調(diào)用CGI程序可實現(xiàn)Web服務器與Web瀏覽器的交互，CGI程序接收Web瀏覽器發(fā)送給Web服務器的控制命令，并進行處理，再將響應結果回送給Web服務器及Web瀏覽器。由于BOA服務器搭建在Linux系統(tǒng)之上，因此需要將嵌入式Linux系統(tǒng)移植到S3C2440芯片上。3.1移植BootloaderBootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前執(zhí)行的一小段程序，通過這段程序初始化硬件設備。Bootloader可移植性強，只要根據(jù)硬件資源修改少量代碼即可直接使用。3.2移植Linux內(nèi)核Linux內(nèi)核是嵌入式操作系統(tǒng)的核心，內(nèi)核移植包括內(nèi)核配置、內(nèi)核編譯、內(nèi)核下載3個部分。嵌入式設備主要用NANDFlash作為存儲器，NANDFlash容量有限，因此在配置內(nèi)核時需要裁減一些不需要的功能以減小內(nèi)核的體積。由于要將編譯好的Linux內(nèi)核映像和文件系統(tǒng)映像燒寫到NANDFlash中，因此設置NANDFlash分區(qū)。本項目采用256MB的NANDFlash，將其分為3個區(qū)：0區(qū)為Bootloader分區(qū)，1區(qū)為內(nèi)核分區(qū)，2區(qū)為根文件系統(tǒng)分區(qū)。內(nèi)核配置完成后執(zhí)行makezImage命令生成Linux內(nèi)核映像文件，然后將內(nèi)核映像文件下載至NANDFlash的內(nèi)核分區(qū)上。3.3移植根文件系統(tǒng)和BOA服務器根文件系統(tǒng)是嵌入式Linux系統(tǒng)啟動的重要組成部分，也是用戶應用程序的載體。本方案采用busybox制作yaffs2文件系統(tǒng)，并在文件系統(tǒng)中加入BOA服務器。BOA是一款單任務的HTTP服務器，當有連接請求到來時，通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，同時它為CGI程序創(chuàng)建新的進程。移植好BOA服務器后，在文件系統(tǒng)中建立／var／www／cgi-bin文件夾，此文件夾用于存放靜態(tài)網(wǎng)頁和CGI程序。3.4網(wǎng)關軟件設計網(wǎng)關軟件程序流程如圖5所示。S3C2440通過I／O端口觸發(fā)CC2430，使其無線發(fā)送相應的指令，遠程控制傳感器節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集。采集到的數(shù)據(jù)通過UART串口傳回S3C2440并上傳至嵌入式BOA服務器。用戶通過IE瀏覽器就可以實時采集到相應的環(huán)境信息。圖5網(wǎng)關軟件程序流程圖傳感節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)最終將上傳至嵌入式BOA服務器上，用戶可通過IE瀏覽器訪問服務器IP地址來監(jiān)測溫室的環(huán)境信息，監(jiān)測網(wǎng)頁如圖6所