基于龍芯1B的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陸銳,周圣雅,王姍

(成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都，610059）

0 引言

隨著“智慧地球”的潮流，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在實(shí)現(xiàn)信息交流上的作用越來越突出。目前市場上廣泛應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)多是基于嵌入式的，但物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)嵌入式處理器基本都不是本國的處理器。本文設(shè)計(jì)了一種基于國產(chǎn)自主芯片龍芯1B的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，從芯片級(jí)做到了信息安全自主可控，對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及國家安全保障有著重大的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。

1 系統(tǒng)功能描述

物聯(lián)網(wǎng)的基本體系架構(gòu)可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層（傳輸層）和應(yīng)用層[1]。網(wǎng)關(guān)主要體現(xiàn)在匯聚層，實(shí)現(xiàn)把ZigBee節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再按照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)據(jù)重新進(jìn)行封裝并通過以太網(wǎng)發(fā)送出去[2]。系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由龍芯1B控制器、ZigBee模塊、RS232串口通信以及其他外圍電路等幾部分組成。

軟件的設(shè)計(jì)基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)和Z-Stack協(xié)議棧,它們都提供了串口驅(qū)動(dòng),調(diào)用相應(yīng)的串口API即可實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的讀寫等操作,方便開發(fā)[2]。

2 龍芯最小系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

龍芯1B支持處理器從 SPI Flash 啟動(dòng)，上電后自動(dòng)執(zhí)行存儲(chǔ)在SPI ROM 中的PMON,PMON程序會(huì)初始化串口、網(wǎng)口等外圍設(shè)備，引導(dǎo)Linux內(nèi)核啟動(dòng)。

3 各模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee內(nèi)部模塊通信實(shí)現(xiàn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有終端節(jié)點(diǎn)、路由器、協(xié)調(diào)器三種節(jié)點(diǎn)[2]，ZigBee支持星型、樹型和網(wǎng)狀型3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。本文以協(xié)調(diào)器為中心，組建星型網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建。

3.2 網(wǎng)關(guān)主控模塊與ZigBee模塊通信實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)主控模塊和ZigBee模塊通過串口連接，獲取ZigBee采集到的數(shù)據(jù)。串口通信滿足嵌入式系統(tǒng)低功耗、高帶寬利用率的基本硬件要求[2]。

3.3 網(wǎng)關(guān)主控模塊與因特網(wǎng)通信實(shí)現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)與因特網(wǎng)通信模塊的實(shí)現(xiàn)，一方面，網(wǎng)關(guān)通過RJ45與因特網(wǎng)連接，另一方面，通過串口線與PC機(jī)連接。本設(shè)計(jì)中采用了基于TCP協(xié)議的流式socket。采用C/S模型達(dá)到IP網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)客戶端的命令和數(shù)據(jù)交互。Client先將用戶的需求提交給Server,再將Server返回的結(jié)果以特定形式提供給用戶。

4 測(cè)試結(jié)果

圖1 網(wǎng)關(guān)功能測(cè)試圖

網(wǎng)關(guān)主控模塊負(fù)責(zé)接收ZigBee模塊通過串口傳送的數(shù)據(jù),解析并發(fā)送到IP網(wǎng)絡(luò)客戶端，最終通過網(wǎng)頁顯示。此處以溫濕度為例，網(wǎng)關(guān)IP地址配置為192.168.1.110， 客戶端IP地址為192.168.1.120。IP網(wǎng)絡(luò)客戶端解析接收到的數(shù)據(jù)解析后得到的結(jié)果如圖 1所示。

其中，橫軸為測(cè)量時(shí)間，縱軸為傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

以上結(jié)果表明,本設(shè)計(jì)方案的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)igBee節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)正確地上傳至IP網(wǎng)絡(luò)PC客戶端并通過網(wǎng)頁顯示,實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)利用龍芯1B控制器，提出了一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)和Z-Stack協(xié)議棧的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，將ZigBee收集到的相關(guān)信息通過網(wǎng)關(guān)上傳到IP 網(wǎng)絡(luò)、PC客戶端。實(shí)現(xiàn)了用戶的遠(yuǎn)程瀏覽訪問，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)收發(fā)等功能,達(dá)到了兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信的目的，驗(yàn)證了網(wǎng)關(guān)基本功能的有效性。

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[3]周嶺松,余春暄.基于ZigBee技術(shù)的溫、濕度控制系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù),2011,34(06):47-50.