基于ARM的茶園WSNs旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)終稿

1、. . . . 分類號(hào)* S24 學(xué)校代碼 10564UDC* 學(xué) 號(hào) 2006210007 密 級(jí) 學(xué) 位 論 文基于ARM的茶園WSNs旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) 鐘榮敏指導(dǎo)教師王衛(wèi)星 教授申請學(xué)位級(jí)別 碩士專業(yè)名稱農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化論文提交日期2008年3月論文答辯日期2008年5月學(xué)院名稱 工程學(xué)院 學(xué)位授予日期 2008年6月洪添勝 教授答辯委員會(huì)主席韋 崗 教授評(píng)閱人趙祚喜 教授摘 要無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（WSNs)的應(yīng)用研究方興未艾，深入到了包括農(nóng)業(yè)在的各個(gè)領(lǐng)域。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(dòng)化管理水平。而WSNs要真正投入使用，則不能完全孤立存在，需要通過網(wǎng)

2、關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)，提供用戶對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)測。本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)茶園WSNs旱情監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案。該方案采用基于ARM920T核心的三星S3C2410X嵌入式芯片的開發(fā)板，該開發(fā)板的外圍電路主要包括存儲(chǔ)器系統(tǒng)、串行通信接口、以太網(wǎng)接口、PCMCIA接口和其他電路系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了DB51標(biāo)準(zhǔn)接口單元，為其他數(shù)據(jù)傳輸方式的添加預(yù)留了接口。通過建立交叉編譯環(huán)境，Bootloader、Linux核和JFFS2文件系統(tǒng)的移植搭建軟件平臺(tái)，并完成了相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的移植，設(shè)計(jì)了應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)利用串口通信實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理、存儲(chǔ)；利用有線以太網(wǎng)和無

3、線通信網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)信息的傳輸載體，向遠(yuǎn)程終端發(fā)送傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)。該網(wǎng)關(guān)通過有線和無線數(shù)據(jù)傳輸方式結(jié)合的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)茶園的實(shí)際部署條件靈活采用選擇經(jīng)由以太網(wǎng)或者無線通信網(wǎng)絡(luò)方式與遠(yuǎn)程終端或移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性、實(shí)時(shí)性、可靠性和適應(yīng)性。關(guān)鍵詞： WSNs 嵌入式 ARM 網(wǎng)關(guān) LinuxAbstractTheDesign Of WSNs Gateway Based On ARM For Drought Monitoring InTea PlantationZhong Rongmin（College of Engineering,South China Agricu

4、ltural 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 networks, combining the features of wire and wireless communication network and embedded system technology, aiming at th

5、e remote data transmission of wireless sensor networks 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 communication interface, Ethernet interface,

6、PCMCIA interface and other circuit systems, and provide serial-port extension unit and standard interface unit to be used for further linkage of other data transmission method. In this gateway, the Linux embedded operating system is selected to supervise each hardware and serve as the software platf

7、orm. The application software of the gateway implemented the functions of the gateway including real time collecting, processing and storing of aggregation node data in wireless sensor networks through serial-port communication, utilizing Ethenet and wireless communication network as carriers in tra

8、nsferring data information to transmit data of the sensor network to remote terminals. The design of this gateway not only has good extensibility, but also has compensated for the limitation of single data transmission method for present gateways and realized integration of wired and wireless data t

9、ransmission methord.Further, the efficiency of operating the gateway is improved by supervision of embedded operating system.Key words: wireless sensor networks embedded systemgateway ARM Linux目 錄1 前言11.1 研究意義11.2 國外研究現(xiàn)狀21.2.1 WSNs的農(nóng)業(yè)應(yīng)用21.2.2 網(wǎng)關(guān)國外研究現(xiàn)狀31.3問題的提出51.4 研究目的和容62 WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)72.1 概述72.

10、1.1 網(wǎng)關(guān)的定義72.1.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)72.1.3 網(wǎng)關(guān)功能分析82.2 基于茶園旱情監(jiān)測的WSNs網(wǎng)關(guān)特征92.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)概要102.3.1 處理器的選型102.3.2 操作系統(tǒng)選型122.3.3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案132.4 本章小結(jié)143 網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)153.1 系統(tǒng)CPU部分153.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊173.2.1 FLASH存儲(chǔ)器173.2.2 系統(tǒng)SDRAM部分173.2.3 SD卡接口電路183.3 網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程接入接口183.3.1 以太網(wǎng)接口電路183.3.2 PCMCIA接口電路193.4 系統(tǒng)本地連接接口203.4.1 USB接口電路203.4.2 串口電路213.4

11、.3 JTAG接口電路213.5 電源模塊213.6 匯聚節(jié)點(diǎn)接口設(shè)計(jì)223.7 GPRS無線上網(wǎng)卡aircard750說明233.8 本章小結(jié)234 網(wǎng)關(guān)Linux平臺(tái)的建立244.1 開發(fā)環(huán)境的建立244.2 Bootloader的移植254.3 Linux核（kernel）的移植264.4 文件系統(tǒng)的生成284.4.1 日志閃存文件系統(tǒng)版本2-JFFS2294.4.2 創(chuàng)建JFFS2文件系統(tǒng)294.5 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)304.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序框架304.5.2 CS8900驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)314.6 本章小結(jié)345 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)355.1 網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通信實(shí)現(xiàn)355.

12、1.1 Linux下的串口通信355.1.2 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)幀375.1.3 匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)處理385.2 網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)405.2.1 以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸軟件設(shè)計(jì)405.2.2 GPRS數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)435.3 本章小結(jié)486 試驗(yàn)與分析496.1 有線以太網(wǎng)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)506.1.1 網(wǎng)關(guān)連接試驗(yàn)506.1.2 網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)試驗(yàn)516.1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸試驗(yàn)536.2 GPRS 遠(yuǎn)程通信與可靠性分析546.2.1 GPRS撥號(hào)連接試驗(yàn)546.2.2 GPRS通信可靠性分析556.3 本章小結(jié)577 結(jié)論與討論587.1 結(jié)論587.2 討論與展望58參

13、考文獻(xiàn)60致64附錄A 部分實(shí)物照片65附錄 B 核移植前源代碼修改部分66附錄C 部分程序的源代碼67華南農(nóng)業(yè)大學(xué)71學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明71學(xué)位論文使用授權(quán)書7174 / 791 前言1.1 研究意義我國是一個(gè)水資源缺乏的國家。按人均水資源量計(jì)算，人均占有量只有2500m3，約為世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被聯(lián)合國列為13個(gè)貧水國家之一。另一方面，我國水資源的分步很不平衡（王穎杰，2006）。有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國家埃與和以色列的水平。我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍低下，就全國圍而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率

14、高的國家已達(dá)70%80%。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平較低，這也是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國等一些國家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理；采用傳感器來監(jiān)測土壤的墑情和農(nóng)作物的生長，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。因而建立旱情監(jiān)測系統(tǒng)，將為解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問題提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。喝茶已經(jīng)成為了全球健康生活的時(shí)尚，據(jù)資料顯示，目前世界人均飲茶05kg；我國茶葉消費(fèi)現(xiàn)狀最新數(shù)字顯示，2006年我國人均茶葉消費(fèi)0.4 kg，即將接近世界消費(fèi)茶葉水平（黃丹，2006）。茶葉消費(fèi)市場的潛力巨大，大面積種植茶樹，

15、發(fā)展茶產(chǎn)業(yè)，不失解決“三農(nóng)”問題的重要思路。茶樹多生長在山坡地，傳統(tǒng)的茶樹種植多“靠天吃飯”，若在茶園建立旱情監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化控制，不僅可以提高水源利用率，緩解水資源日趨緊的矛盾，還可以增加茶葉的產(chǎn)量和品質(zhì)，降低茶葉成本。近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)技術(shù)迅速興起，成為國外研究的熱點(diǎn)。WSNs利用放置于監(jiān)測場景中的大量傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)監(jiān)測對(duì)象進(jìn)行協(xié)作化的信息感知和采集。傳感器節(jié)點(diǎn)以無線方式將現(xiàn)場信息傳輸?shù)阶鳛榫W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)中心的基站，由基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，以得到準(zhǔn)確的決策信息，并最終驅(qū)動(dòng)特定的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的精確化和智能化測控（亭，2006）。通過構(gòu)建不依賴于大量信號(hào)

16、傳輸線和動(dòng)力線的農(nóng)業(yè)WSNs生態(tài)測控系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤水肥、作物生長和病蟲災(zāi)害等信息的精確測量，為灌溉施肥、病蟲防治和作物收種等工作帶來巨大方便，又可解決傳統(tǒng)測控設(shè)施建設(shè)成本高、安裝復(fù)雜、維護(hù)困難和影響作業(yè)環(huán)境等問題，同時(shí)大大提高設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化控制和管理水平。1.2 國外研究現(xiàn)狀1.2.1WSNs的農(nóng)業(yè)應(yīng)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(luò)可以有效降低人力消耗和對(duì)農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的作物環(huán)境和作物信息。近年來，國外在農(nóng)、林、牧業(yè)的信息傳輸方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。歐盟ISI啟動(dòng)了Wirelesslnfo項(xiàng)

17、（19982003），期望運(yùn)用GSM/GPRS/HSDCS無線通信技術(shù)，建立先進(jìn)農(nóng)林管理多媒體服務(wù)系統(tǒng)；Digital Sun 公司開發(fā)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)灑水系統(tǒng)，傳感器感應(yīng)土壤的水分，并在設(shè)定條件下與接收器通信，控制灌溉系統(tǒng)的閥門打開、關(guān)閉，從而達(dá)到自動(dòng)節(jié)水灌溉的目的；澳大利亞的CSRIOICTCenter 將無線傳感器節(jié)點(diǎn)安置在動(dòng)物身體上對(duì)動(dòng)物的生理狀況（脈搏、血壓等）和外界環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，避免了有線線路對(duì)動(dòng)物生活的干擾，研制成完善的草地放牧與動(dòng)物模型（王殊，2007）；國信息交通大學(xué)時(shí)嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室用WSN搭建了自動(dòng)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)（Seong-eun Yoo，2007）如圖1.1所示，該系統(tǒng)

18、部署在國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(luò)節(jié)點(diǎn)，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(shè)備（如PDA）。監(jiān)測溫室作物生長狀況和控制溫室的環(huán)境。 圖1.1 國大白菜溫室大棚傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)國在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與農(nóng)業(yè)信息化等方面獲得了較快發(fā)展，目前主要研究成果有：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的研究（駱凱等，2008；光照等，2007；黃偉等，2008；海建等，2008）；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大棚蔬菜的應(yīng)用（宋迪等，2008；程光，2007）；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在節(jié)水灌溉的應(yīng)用（友兵等，2007；

19、黃生等，2007；曾煉成等，2008）；以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在草地放牧與動(dòng)物模型的研究（王殊，2007）。但未見茶園相關(guān)應(yīng)用的報(bào)道。1.2.2 網(wǎng)關(guān)國外研究現(xiàn)狀與時(shí)獲取感知區(qū)域的信息并進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)發(fā)等操作是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的關(guān)鍵問題之一。網(wǎng)關(guān)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的的主要功能是：一是與時(shí)獲取感知區(qū)域的信息并進(jìn)行處理，二是通過其他網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，如圖1.2。也可以在此基礎(chǔ)上添加新的輔助功能，例如遠(yuǎn)程終端的控制功能，報(bào)警功能等。傳統(tǒng)的無線傳感器sink網(wǎng)關(guān)是利用匯聚節(jié)點(diǎn)與PC相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，一般情況下，匯聚節(jié)點(diǎn)接收傳感器節(jié)點(diǎn)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

20、、轉(zhuǎn)換、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)等工作。其中，轉(zhuǎn)發(fā)功能是PC利用網(wǎng)卡接入外部網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。目前，國外已有關(guān)于WSNs信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)难芯繄?bào)道。圖1.2 WSNs體系結(jié)構(gòu)美國的Crossbow公司曾推出具有以太網(wǎng)通信功能的網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品并得到應(yīng)用。哈佛大學(xué)的科研人員曾經(jīng)在位于厄瓜多爾境的唐古拉瓦火山(voleanThngnrahua)附近部署了小圍的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采集次聲波信號(hào)并傳送至網(wǎng)關(guān)，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（Werner-Allen G，2005）。 國一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也提出了有關(guān)解決方案。 尤著宏等（2005）針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在青藏鐵路沿線多年凍土區(qū)典型段

21、地溫、變形監(jiān)測方面的特殊要求, 設(shè)計(jì)了一種WSN網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)基于CC2431以與C8051F320的USB接口的軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)接收各傳感器節(jié)點(diǎn)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(jì)算機(jī)。霍宏偉等（2006）提出了一種IPv6無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式處理器ATmega128、智能射頻芯片CC2420以與網(wǎng)絡(luò)控制芯片RTLS019的接入網(wǎng)關(guān)設(shè)備。段渭軍等（2007）針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)Sink網(wǎng)關(guān)的不足，提出了一種基于PDA的移動(dòng)Sink網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，重點(diǎn)討論了PDA與Sink節(jié)點(diǎn)之間的連接，PDA與Sink節(jié)點(diǎn)、PDA與GPS接收機(jī)與PDA與控

22、制終端之間通信的一些關(guān)鍵技術(shù)?？锱d紅等（2007）提出一種基于CC1010 的RF 接口實(shí)現(xiàn)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信基于SIM100E 的GPRS 接口實(shí)現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)之間的TCP/IP 連接的無線傳感器網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了與外部網(wǎng)絡(luò)的可靠連接。要偉等（2008）分析了網(wǎng)關(guān)在溫室智能測控系統(tǒng)中的重要性,研究了網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)原則和器件選型,基于PXA270 低功耗嵌入式處理器設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有以太網(wǎng)、USB 主、CF 等多擴(kuò)展接口的網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)。此外,分析了引導(dǎo)加載程序的引導(dǎo)過程,并在自主設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)了Blob 的移植。向文（2008）通過以太網(wǎng)控制芯片RTL8019 與外部以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無線傳感器網(wǎng)

23、絡(luò)的網(wǎng)關(guān)底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方案，分析了接收模塊和發(fā)送模塊，闡述了驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)制和方法。對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)的信息處理和通信功能。江海峰等（2009)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在煤礦井下的推廣和應(yīng)用要求，用有線的方式實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和井下主干網(wǎng)絡(luò)以太網(wǎng)進(jìn)行互聯(lián)，網(wǎng)關(guān)解決方案基于嵌入式微處理器S3C4510B 和嵌入式操作系統(tǒng)VxWorks 實(shí)現(xiàn)。吳偉強(qiáng)等（2009）提出了基于ARM 平臺(tái)的Zigbee 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)在ARM9 STR912FW44X 處理器上移植COS-操作系統(tǒng)和無線射頻收發(fā)模塊cc2430 搭建網(wǎng)關(guān)開發(fā)平臺(tái)。它很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)架構(gòu)下Zigbee 傳輸速率的瓶頸，降低了資源和

24、處理時(shí)間消耗，提高實(shí)時(shí)處理能力。甘勇等（2009）針對(duì)如何將Zigbee網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)緊密融合的問題，提出了一種基于ARM平臺(tái)的Zigbee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案。網(wǎng)關(guān)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(jìn)行擴(kuò)展設(shè)計(jì)；應(yīng)用地址適配層與應(yīng)用協(xié)議層的提出，使得網(wǎng)間地址、協(xié)議在應(yīng)用層統(tǒng)一起來并很容易擴(kuò)展到其他網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案的提出在滿足網(wǎng)間數(shù)據(jù)交換高效性、透明性的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了易擴(kuò)展性。綜上所述，目前應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)主要有以下幾大類：l 基于Internet的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)使用Intemet的WSNs網(wǎng)關(guān)，人們從任何地點(diǎn)、任何時(shí)刻獲取

25、到數(shù)據(jù)的愿望成為現(xiàn)實(shí)。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)必須解決許多關(guān)鍵性問題，比如數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、?zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性等?；贗ntemet的WSNs網(wǎng)關(guān)適用于異地或者遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報(bào)警等等，其應(yīng)用圍十分廣泛。l 基于無線通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)對(duì)于工作點(diǎn)多、通信距離遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣且實(shí)時(shí)性和可靠性要求比較高的場合，可以利用無線通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)主控站與各個(gè)子站之間的數(shù)據(jù)通信，采用這種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式有利于解決復(fù)雜連線，無需鋪設(shè)電纜或光纜，降低了環(huán)境成本?；跓o線通信的WSNs網(wǎng)關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，比如說森林火災(zāi)監(jiān)測（陸志平，2006）、軍隊(duì)指揮自動(dòng)化建設(shè)（來潮，2006）等均可以采用這種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。l 利用公

26、用網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)在通信不是很頻繁、通信數(shù)量較小、實(shí)時(shí)性和性要求不高的場合，可以租用共用網(wǎng)，采用撥號(hào)方式建立臨時(shí)連接的方式來實(shí)現(xiàn)WSNs網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。這種網(wǎng)關(guān)價(jià)格低廉、運(yùn)行可靠、可以實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)（晶，2006）。1.3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(dòng)化管理水平。WSNs要真正投入使用，則不能完全孤立存在，需要通過網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)，提供用戶對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程訪問和監(jiān)測。一般情況下，傳統(tǒng)sink網(wǎng)關(guān)通過匯聚節(jié)點(diǎn)與PC的這種工作方式成本高，開銷大，實(shí)際應(yīng)用時(shí)易受到工作環(huán)境的限制（段渭軍，2007）。茶園往往處于較偏僻地帶，將匯聚節(jié)點(diǎn)與PC相

27、結(jié)合作為外部網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備具有較大難度。一個(gè)行之有效的解決方法是配置體積小、功耗和成本較低且可以靈活部署的嵌入式WSNs網(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)處理所獲取的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)工作。通過嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行管理操作，利用現(xiàn)有的公眾網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、GPRS或CDMA等)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器通信。1.4 研究目的和容在上述單一通信方式的網(wǎng)關(guān)中，有線以太網(wǎng)通信穩(wěn)定可靠，但需要具備相應(yīng)的接入條件，這在許多應(yīng)用情況下難以實(shí)現(xiàn)；無線通信移動(dòng)性能良好，同時(shí)GPRS、CDMA等無線通信網(wǎng)絡(luò)在國已經(jīng)相當(dāng)普與，如果在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)中引入無線數(shù)據(jù)傳輸方式，將大大降低開發(fā)成本和周期。無線通信存在的問題是易受到網(wǎng)絡(luò)覆蓋

28、面與資費(fèi)問題困擾。本論文為了解決上述問題，在網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)包括有線和無線兩種通信方式，在茶園實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)WSNs部署區(qū)域的境況自主選擇所需要的通信方式，或者在條件允許的情況下同時(shí)使用具有多種通信方式的網(wǎng)關(guān)。不僅能夠?qū)崿F(xiàn)外部網(wǎng)絡(luò)的接入，完成WSNs數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)還可以適應(yīng)WSNs部署的靈活性。采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)關(guān)與Internet網(wǎng)絡(luò)的接入，不但可利用遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園生態(tài)環(huán)境連續(xù)與實(shí)時(shí)的在線測控，還可進(jìn)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(luò)化、智能化和信息化程度。本研究得到了華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校長基金項(xiàng)目“無線傳感網(wǎng)絡(luò)分簇算法與作物旱情監(jiān)測系統(tǒng)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2006

29、X009）課題的資助和支持。該課題的具體容是在茶園部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)，組建WSNs，在線監(jiān)測茶樹的旱情程度。茶園WSNs旱情監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分容：設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)采集茶園旱情數(shù)據(jù)，建立茶園旱情監(jiān)測WSNs網(wǎng)絡(luò)，對(duì)所組建成功的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行性能分析，設(shè)計(jì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)Internet遠(yuǎn)程接入網(wǎng)關(guān)。其中設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)的采集、旱情監(jiān)測WSNs網(wǎng)絡(luò)的建立，網(wǎng)絡(luò)性能分析由同組其他同學(xué)完成，本論文的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)茶園WSNs旱情監(jiān)測系統(tǒng)遠(yuǎn)程接入的網(wǎng)關(guān)。2 WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)2.1 概述2.1.1 網(wǎng)關(guān)的定義在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)(Gateway)稱為網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或

30、語言，甚至體系結(jié)構(gòu)完全不同的兩種系統(tǒng)之間充當(dāng)“翻譯器”的角色，是一種充當(dāng)轉(zhuǎn)換重任的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或設(shè)備(希仁，2003)。通常網(wǎng)關(guān)可分為兩類：一是傳輸網(wǎng)關(guān)，用于在兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間建立傳輸連接；二是應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，在應(yīng)用層上進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換。本課題所研究的旱情WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)是一個(gè)傳輸網(wǎng)關(guān)。主要用于實(shí)現(xiàn)WSNs與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并對(duì)WSNs的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換以與轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)本網(wǎng)關(guān)的過程實(shí)質(zhì)是嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。2.1.2 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)根據(jù)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì))的定義：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置” (天澤，2007)。目前國的一個(gè)普遍被認(rèn)同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基

31、礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。類似于通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，由高性能的微處理器和外圍接口電路組成，它提供軟件運(yùn)行的平臺(tái)和通信接口；軟件部分由嵌入式操作系統(tǒng)和其上運(yùn)行的應(yīng)用程序構(gòu)成，控制系統(tǒng)的運(yùn)行；軟件和硬件之間由中間層連接。整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：嵌入式應(yīng)用軟件嵌入式操作系統(tǒng)嵌入式處理器嵌入式外圍設(shè)備嵌入式硬件平臺(tái)圖2.1 嵌入式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比具有以下特點(diǎn)（靈翔，2006）:1）嵌入式系統(tǒng)是面向特定系統(tǒng)應(yīng)用的。嵌入式處理器大多數(shù)是

32、專門為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的，具有低功耗、體積小、集成度高等特點(diǎn)，一般包含各種外圍設(shè)備接口的片上系統(tǒng)。2)嵌入式系統(tǒng)涉與計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電子技術(shù)、通信和軟件等各行各業(yè)。它是一個(gè)技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識(shí)集成系統(tǒng)。3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都必須具備高度可定制性。只有這樣才一能適用嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的需要，在產(chǎn)品價(jià)格性能等方面具備競爭力。4)高實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固化存儲(chǔ)，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性。5)嵌入式系統(tǒng)的生命周期相當(dāng)長。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到產(chǎn)品以后，還可以進(jìn)行軟件升級(jí)，它的生命周期與產(chǎn)品的生命周期幾乎一樣長。6)嵌入式系統(tǒng)

33、不具備本地系統(tǒng)開發(fā)能力，通常需要有一套專門的開發(fā)工具和環(huán)境。在計(jì)算機(jī)后PC技術(shù)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)將擁有最大的市場。計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面滲透到日常生活的每個(gè)角落。各種各樣的新型嵌入式系統(tǒng)設(shè)備在應(yīng)用數(shù)量上已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了通用計(jì)算機(jī)，任何一個(gè)普通人可能擁有從大到小的各種嵌入式技術(shù)的電子產(chǎn)品。2.1.3 網(wǎng)關(guān)功能分析從WSNs體系結(jié)構(gòu)圖1.2中可以看出，傳感器節(jié)點(diǎn)采集感知區(qū)域的數(shù)據(jù)，進(jìn)行簡單的處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)利用串行方式讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息，如傳感器節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域的溫度、濕度、光強(qiáng)等；接著進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，傳輸方式包括以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)，最終到達(dá)遠(yuǎn)程終端。同時(shí)，還可以封裝成短消息發(fā)送至移動(dòng)

34、終端用戶（于海斌， 2006）。用戶可以通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也能把數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送到用戶手中。因此，WSNs網(wǎng)關(guān)具有和簇與簇外通信的功能，是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式系統(tǒng)，有足夠的能量供給、大容量的存與較強(qiáng)的計(jì)算能力。WSNs網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理器、存儲(chǔ)模塊、簇連接(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。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示：中央處理器簇內(nèi)連接模塊簇外連接模塊存儲(chǔ)模塊電源模塊圖2.2 WSNs網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)框圖中央處理單元是系統(tǒng)的核心，主要用來處理從傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以與完成一些控制功能。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)收發(fā)要比數(shù)據(jù)處理消耗大得多的能

35、量，一般先將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，再進(jìn)行傳送，因此對(duì)處理器計(jì)算能力要求很高。WSNs網(wǎng)關(guān)還需要配備大容量的FLASH存儲(chǔ)器來安裝應(yīng)用程序和保存數(shù)據(jù)，以與SDRAM存儲(chǔ)器來運(yùn)行程序。為了將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ミB網(wǎng)或WWW上，網(wǎng)關(guān)還配備有遠(yuǎn)程通信單元，用戶可以通過普通PC或GPRS手機(jī)終端來觀測傳感器收集到的數(shù)據(jù)，即圖2.2簇外連接部分。WSNs同時(shí)可以疊加與傳感器節(jié)點(diǎn)一樣的射頻收發(fā)模塊，用于接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)和向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，即圖2.2簇連接部分。WSNs網(wǎng)關(guān)對(duì)電源要求很高，除了CPU需要的不同電壓外， GPRS模塊啟動(dòng)時(shí)需要大的瞬時(shí)電流，所以應(yīng)從硬件和軟件上同時(shí)來實(shí)現(xiàn)和控制各路電源的供應(yīng)

36、，以達(dá)到有效的節(jié)能。2.2 基于茶園旱情監(jiān)測的WSNs網(wǎng)關(guān)特征 茶園一般地處丘陵山區(qū)，多由連綿不斷的低矮山丘組成的。相對(duì)高度一般不超過200m，高低起伏，坡度較緩。茶樹高度一般在75cm-100cm之間。茶園種植密度主要的有兩種：一是單行條栽茶園，種植行距150cm，叢距33cm，每畝種植約1350叢。 二是雙行條栽茶園，種植大行距為150cm，小行距為30cm，叢距20cm， 每畝種植約4450叢。不論是單條栽，還是雙條栽，每叢通常種植3株茶樹。茶園的這些地形、地貌，茶樹特征，決定網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)性能、通信方式等設(shè)計(jì)時(shí)要滿足以下幾方面的要求：1)可靠性網(wǎng)關(guān)在整個(gè)茶園旱情監(jiān)測系統(tǒng)起著承上啟下的重要作

37、用，是聯(lián)系無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)與外部網(wǎng)絡(luò)的橋梁，如果網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)了故障或者癱瘓等無常工作的情況，雖然網(wǎng)絡(luò)部可以通過WSNs的自組織性重新組成旱情監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，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(duì)網(wǎng)關(guān)的可靠性提出了較高的要求。2)低功耗網(wǎng)關(guān)的工作環(huán)境是茶園，由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要經(jīng)常通過射頻傳輸數(shù)據(jù)，耗電比較大，因此要采用專門的供電系統(tǒng)，為了能夠延長整個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命，必須盡量降低網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)各部分的功耗，避免出現(xiàn)因網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)供電不足而造成整個(gè)環(huán)境系統(tǒng)癱瘓的情況。此外，WSNs網(wǎng)關(guān)能量的消耗主要集中在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳送數(shù)據(jù)。在其他情況下，應(yīng)該盡量使WSNs網(wǎng)關(guān)處于睡眠或空閑狀態(tài)，以節(jié)約能量。 3)通

38、信方式需求WSNs網(wǎng)關(guān)既要和傳感器節(jié)點(diǎn)通信，又要與外部網(wǎng)絡(luò)通信，它應(yīng)該有簇通信和簇外通信雙重功能。和簇通信采用與節(jié)點(diǎn)一樣的通信的方式，而與簇外通信可以選擇有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)和GPRS方式。要使通信做到有效、可靠，應(yīng)保證網(wǎng)關(guān)的通信方式是多樣化，并且是穩(wěn)定的，不受環(huán)境影響或影響很小。4)數(shù)據(jù)處理能力在實(shí)際工作中，每個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)管理的節(jié)點(diǎn)可能會(huì)達(dá)到上百個(gè)，因此可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間大量的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，而這些數(shù)據(jù)可能需要通過數(shù)據(jù)融合等處理后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，因此要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處理器有較高的處理速度，以與能夠存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，來滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性要求。5)擴(kuò)展性隨著需求的不斷提高，以后會(huì)增加定位等其

39、他功能，這就要求網(wǎng)關(guān)是一個(gè)開放、易于擴(kuò)展的系統(tǒng)，只需要在現(xiàn)有系統(tǒng)上增加一些軟、硬件模塊，就能實(shí)現(xiàn)特定的需要，便于系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)。2.3 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)概要2.3.1 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(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、能量計(jì)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(chǔ)都需要在這個(gè)模塊的支持下完成。常用嵌入式處理器PowerPC，MIPS和ARM等具有體積小、重量輕、成本低與可靠性高等特點(diǎn)，從ARM系列中選擇一款合適的來作為匯聚節(jié)點(diǎn)的中央處理器。ARM處理器選擇主要從以下幾方面來考慮(天澤，2005)：1)ARM微處理器核的結(jié)構(gòu)ARM微處理器包含一系列的核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的

40、應(yīng)用領(lǐng)域，用戶如果希望使用WinCE或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時(shí)間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，如ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM等。ARM7TDMI不支持 WindowsCE和標(biāo)準(zhǔn)Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)也可運(yùn)行于ARM7TDMI硬件平臺(tái)之上。2)系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHz，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時(shí)鐘為20MH

41、z-133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為 1.1MIPS/MHz，常見的ARM9的系統(tǒng)主時(shí)鐘頻率為100MHz-233MHz，ARM10最高可以達(dá)到700MHz。不同芯片對(duì)時(shí)鐘的處理不同，有的芯片只需要一個(gè)主時(shí)鐘頻率，有的芯片部時(shí)鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時(shí)鐘。3)芯片存儲(chǔ)器的容量大多數(shù)的ARM微處理器片存儲(chǔ)器的容量都不太大，需要用戶在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)外擴(kuò)存儲(chǔ)器。4)片的外圍電路除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、RTC

42、、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等。從對(duì)WSNs網(wǎng)關(guān)功能分析結(jié)果考慮，處理器應(yīng)該具有較高的工作頻率與大容量的片存儲(chǔ)器以滿足快速處理功能；具有大量的I/O接口，滿足擴(kuò)展性要求；片集成眾多外設(shè)控制器，實(shí)現(xiàn)外設(shè)連接而不增加其他外部控制器；要具有很好的電源管理功能，達(dá)到最小的功耗控制。綜合以上幾點(diǎn)，本論文選擇了三星公司的基于ARM9核的S3C2410X作為中央處理器。2.3.2操作系統(tǒng)選型現(xiàn)代信息社會(huì)的高效性、協(xié)同性客觀上要求軟件的編寫便于多人分工合作、編寫的軟件具有可重用性，軟件也日趨復(fù)雜。所有這些迫切需要有一個(gè)屏蔽底層硬件的、功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)來支持。嵌入式軟件的核心就是嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（

43、RTOS）。主要有：VxWorks，Linux，WinCE，mC/OS-II等。1） WinCEWinCE是一個(gè)簡潔的、高效率的多平臺(tái)操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計(jì)允許它對(duì)于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。WinCE的缺點(diǎn)是價(jià)格高、不開放源碼、而且缺乏實(shí)時(shí)性(何宗健，2006)。2）VxworksVxworks是目前嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中使用最廣泛，市場占有率最高的系統(tǒng)。它支持多種處理器，如x86、i960、Sun Sparc、powerPC、ARM等。Vxworks的缺點(diǎn)是操作系統(tǒng)本身以與開發(fā)環(huán)境都是專有的，軟件的開發(fā)和維護(hù)成本高（方敏，2004）。3）mC/OS-mC/OS-是著名

44、的源代碼公開的實(shí)時(shí)核，適用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。可管理多達(dá)63個(gè)應(yīng)用任務(wù)，并可以提供如下服務(wù)：信號(hào)量、互斥信號(hào)量、事件標(biāo)識(shí)、消息、消息隊(duì)列、任務(wù)管理、固定大小存塊管理、時(shí)間管理。mC/OS-的缺點(diǎn)是可提供的API函數(shù)接口相對(duì)較少，很多工作需要用戶自己去完成(J.Labrosse，2003)。4）LinuxLinux操作系統(tǒng)是一種開放源碼，可裁剪核，運(yùn)行于個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站上的類UNIX操作系統(tǒng)。它最初是由一名芬蘭學(xué)生Linux Torvalds開發(fā)的，后來成立了一個(gè)由他領(lǐng)導(dǎo)的核開發(fā)小組對(duì)Linux核進(jìn)行了完善。這使Linux在短期就成為了一個(gè)穩(wěn)定成熟的操作系統(tǒng)

45、，在x86，Alpha，Sparc，ARM等硬件平臺(tái)上運(yùn)行穩(wěn)定高效。作為一種成熟，穩(wěn)定并在短時(shí)間得到廣泛應(yīng)用的開源操作系統(tǒng)，Linux作為自由軟件有兩個(gè)特點(diǎn)：一是它免費(fèi)提供源碼，二是愛好者可以按照自己的需要自由修改、復(fù)制和發(fā)布程序的源碼，并公布在Internet上。世界各地的開源愛好者為Linux編寫各種各樣的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用軟件，使得Linux不僅只是一個(gè)核，而是一個(gè)包括系統(tǒng)管理工具、完整的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具與應(yīng)用軟件在的操作系統(tǒng)（靈翔，2006）。商業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)要付出昂貴的費(fèi)用，C/OS-比較簡單，在選用的平臺(tái)功能較強(qiáng)大的情況下，不宜采用。Linux對(duì)網(wǎng)絡(luò)中最常用TCP/IP協(xié)議有著最

46、完備的支持；在多任務(wù)、多用戶下表現(xiàn)出高效性、安全性和穩(wěn)定性；目前，大量的硬件廠商開始提供驅(qū)動(dòng)；Linux下的任何軟件都是免費(fèi)的。Linux還可以根據(jù)需要靈活裁減核大小以減少它的體積。在實(shí)時(shí)方面，Linux2.6核對(duì)進(jìn)程調(diào)度做了較大改進(jìn)，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，還引入了核搶占技術(shù)，只要重新調(diào)度是安全的，核就可以在任何時(shí)候搶占正在執(zhí)行的任務(wù)。 綜上所述，本論文選擇基于2.6.14核版本Linux作為WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)。2.3.3 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程，和前面對(duì)WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)功能的需求分析，在選擇了合適的中央處理器、嵌入式操

47、作系統(tǒng)后，可以得出網(wǎng)關(guān)的具體設(shè)計(jì)方案，圖2.3是詳細(xì)的軟、硬件框圖。S3C2410X(Linux OS)由GPIO實(shí)現(xiàn)的DB51連接器HOST USB串口DB9網(wǎng)絡(luò)CS8900AFLASHSDRAMSD卡PCMCIA接口（外接WLAN、GSM/CDMA）、電源模塊JTAG接口本地連接部分存儲(chǔ)部分簇外連接部分簇內(nèi)連接部分 圖2.3網(wǎng)關(guān)總設(shè)計(jì)框圖2.4 本章小結(jié)本章在分析嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程的基礎(chǔ)上，結(jié)合WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)的功能特征需求，按照對(duì)處理器的需求確定以S3C2410X作為網(wǎng)關(guān)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(guān)的操作系統(tǒng)，最后確定出一個(gè)完整的設(shè)計(jì)框圖。3

48、 網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)為了為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，茶園WSNs旱情監(jiān)測網(wǎng)關(guān)采用的瑞泰創(chuàng)新科技的ICETEK_ARM9_S3C2410開發(fā)板作為硬件平臺(tái)。該板主要由S3C2410XCPU、64M SDRAM、64M FLASH，100M以太網(wǎng)卡接口、SD卡接口、PCMCIA接口、串口等部分組成，只要擴(kuò)展出匯聚節(jié)點(diǎn)接口外加PCMCIA接口的GPRS無線上網(wǎng)卡就能完全滿足設(shè)計(jì)方案的硬件要求。3.1 系統(tǒng)CPU部分該開發(fā)套件采用三星公司的S3C2410X作系統(tǒng)CPU，是一款基于ARM920T核的16/32位RISC嵌入式處理器，部有存管理單元MMU（Memory Manager Unit），AMBA（

49、Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線，獨(dú)立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存的哈佛緩存結(jié)構(gòu)?？梢苑€(wěn)定運(yùn)行在266MHz，可以運(yùn)行Linux和Windows CE等需要MMU的嵌入式操作系統(tǒng)。S3C2410X的功能框圖如圖3.1所示。圖3.1 S3C2410X功能框圖從S3C2410X的功能框圖可以看出其部還集成了豐富的外圍接口資源，包括：l 1個(gè)LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶）l SDRAM控制器，3個(gè)UART通道l 4個(gè)DMA通道l 4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)部時(shí)鐘l 8通道的10位ADCl 觸摸屏接口和IIS總線接口

50、l 2個(gè)USB主機(jī)接口，1個(gè)USB設(shè)備接口，2個(gè)SPI接口l SD接口和MMC接口l 看門狗計(jì)數(shù)器，117位通用IO口和24位外部中斷源l 8通道10位AD控制器，電源管理單元S3C2410X是32位的RISC處理器，其32位的地址總線尋址空間可達(dá)到4G，即0x000000000xFFFFFFFF。S3C2410X將前面1G的尋址空間0x000000000x40000000分8個(gè)BANK，每個(gè)BANK的尋址空間為128M。Bank0可以配置成16位或者32位總線，用于系統(tǒng)啟動(dòng)，一般將啟動(dòng)的ROM映射到Bank0空間。其中Bank0到Bank5的起始地址和結(jié)束地址都是固定的，可將ROM或SRAM

51、類型的外圍設(shè)備或存儲(chǔ)器件映射到這里。Bank6和Bank7用于ROM、SRAM、SDRAM，這兩個(gè)Bank大小是可變的，可以通過配置寄存器設(shè)置為2MB、4MB、8MB、16MB、32MB、64MB或者128MB，但是兩個(gè)區(qū)間大小必須一樣，Bank7的開始地址是Bank6的結(jié)束地址。如圖3.2所示：S3C2410X通過nGCS7:08個(gè)通用片選信號(hào)來分別選擇這8個(gè)Bank。圖3.2 S3C2410X內(nèi)存映射結(jié)構(gòu)3.2 系統(tǒng)存儲(chǔ)模塊3.2.1FLASH存儲(chǔ)器開發(fā)板采用了三星公司的64M×8bit的K9F1208UDM NAND Flash，相對(duì)與NOR Flash來說，價(jià)格低廉的NAND

52、 Flash應(yīng)用越來越多，但是NAND Flash接口復(fù)雜，對(duì)于一般的接口控制比較復(fù)雜。S3C2410X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3.3所示。圖3.3 系統(tǒng)FLASH部分電路3.2.2 系統(tǒng)SDRAM部分開發(fā)板的存SDRAM采用Hynix Semiconductor公司的HY57V561620片，是4Banks×4M×16bit結(jié)構(gòu)的，本系統(tǒng)采用兩片HY57V561620T擴(kuò)展成16M 32bit(one word)存。圖3.4所示為1片HY57V561620T的電路圖，另外一片HY57V561620T和此片采用

53、地址總線復(fù)用的方式，而將數(shù)據(jù)總線擴(kuò)展為32位。它有4個(gè)Bank，通過BA0和BA1引腳來尋址四個(gè)Bank，每個(gè)Bank有4M的存儲(chǔ)空間，地址線A0A12這13根地址線是行列復(fù)用的，13根行地址線和9根列地址線用來每個(gè)Bank里4M空間的尋址。HY57V561620是16位的SDRAM，在這里用兩片HY57V561620組合構(gòu)成了32位數(shù)據(jù)總線的SDRAM。圖3.4系統(tǒng)SDRAM部分電路圖3.2.3SD卡接口電路S3C2410X帶有一個(gè)SD卡接口，嵌入式開發(fā)板擴(kuò)展出SD卡插槽，接口電路如圖3.5所示。圖3.5 SD卡接口電路3.3 網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程接入接口3.3.1 以太網(wǎng)接口電路以太網(wǎng)接口電路采用CS

54、8900網(wǎng)口芯片和部集成網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45太網(wǎng)接口構(gòu)成兩部分構(gòu)成。CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種高集成度局域網(wǎng)控制器，一個(gè)真正的單片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案，部集成了以太網(wǎng)電路所要的所有數(shù)字和模擬電路。CS8900是高集成度單片以太網(wǎng)解決方案，外部只需要極少的器件，接收和發(fā)送都在芯片部完成，部集成4KB的RAM，節(jié)省了外部連接RAM的麻煩。CS8900可以工作在MEM、IO和DMA三種模式，該開發(fā)板將CS8900配置為兩種模式：MEM和IO模式。將CS8900的存映射到S3C2410X的Bank3，用LnGCS3選通CS8900。網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)接口電路如圖3.6所示。圖

55、3.6 CS8900芯片接口電路3.3.2 PCMCIA接口電路本開發(fā)板PCMCIA接口通過專用擴(kuò)展芯片CL-PD6710擴(kuò)展而得，芯片的片選讀寫連接到CPU的nGCS2引腳上，對(duì)應(yīng)存空間：0x10000000-0x17FFFFFF。接口如圖3.7所示。茶園旱情監(jiān)測WSNs網(wǎng)關(guān)通過該接口，直接連GRRS無線網(wǎng)卡遠(yuǎn)程接入數(shù)據(jù)中心。圖3.7 PCMCIA接口電路3.4 系統(tǒng)本地連接接口3.4.1USB接口電路S3C2410X提供了兩個(gè)主USB接口，和一個(gè)從USB接口，其中的一個(gè)主USB接口和從USB接口是復(fù)用的，開發(fā)板可用跳線來選擇使用主USB還是從USB。兩個(gè)主USB口用來接U盤、USB鼠標(biāo)、USB鍵盤等USB設(shè)備，從USB用來和工作站連接，在Linux系統(tǒng)開發(fā)時(shí)和主機(jī)通訊，下載Linux核等。電路如圖3.8所示。圖3.8 USB接口電路3.4.2串口電路S3C2410X部集成有三路串口，串口1通常在系統(tǒng)調(diào)試的時(shí)候會(huì)用到，串口2和串口3可以連接各種串口設(shè)備， 將3.3V的串口信號(hào)通過MAX3232串口電平轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)備RS232電平即可，如圖3.9所示。本網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)用串口2連接擴(kuò)展的DB51針匯聚節(jié)點(diǎn)接口。 圖3.9 串口電路 3.4.3 JTAG接口電路S3C2410部