環境監測系統物聯網網關的設計與實現

周茜　王艷敏　單承剛

摘要：物聯網網關在未來的物聯網時代將會扮演非常重要的角色，它將成為連接感知網絡與傳統通信網絡的紐帶。該系統基于STM32F107+uC/OS-2構建物聯網網關，通過串口與ZigBee協調器通信，獲取ZigBee終端節點采集的傳感數據并顯示在uC/GUI界面上。ZigBee終端節點基CC2530+OSAL構建，采集外圍環境溫濕度、光照度及火焰數據匯聚于ZigBee協調器。上位機控制軟件通過串口與STM32網關通信，可實時顯示監測環境信息，并可反向控制各終端節點。網關運行良好，系統經過測試，可以較為準確穩定的測定周圍環境信息，并可實現對火災的預警和防控。

關鍵詞：ZigBee協調器；路由器；STM32F107；Cortex網關

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）03-0284-02

物聯網目前的應用已遍及智能交通、環境監測、智能家居、智能醫療等多個領域，它的三項基本技術分別為傳感器技術、RFID技術以及嵌入式系統技術。隨著物聯網技術的普及，在互聯網+技術的推動下，物聯網對環境監測有了更加積極的作用。本文主要講述的是物聯網技術在環境監測及火災防控方面的作用，環境監測系統是專門為森林環境監測、糧倉環境監測、智能樓宇環境監測等開發設計的智能控制系統。物聯網技術應用到環境監測以后，既可以有效減少資源損失也可以降低因為火災引起的人員傷亡。

本文主要針對環境監測系統的物聯網網關的設計展開，從 STM32+uC/OS-2軟硬件平臺的搭建到uC/OS-2操作系統上應用程序的設計等，旨在實現一個基于ZigBee無線傳輸技術的網關設計，詳細分析ZigBee協調器與Cortex網關的串口通信實現、網關對ZigBee數據包的分解、uC/GUI界面設計、uC/OS-2操作系統多任務的實現及網關對ZigBee節點的反控過程。

1 系統硬件平臺

該環境監測系統是基于STM32F107芯片構建，運行uC/OS-2嵌入式操作系統。利用ZigBee技術組建無線傳感器網絡，實現對各個環境數據的監測和采集，匯總各監測節點的數據到協調器，經處理后顯示在uC/GUI界面上，最后通過串口發送到上位機。

1.1 STM32F107微處理器

STM32F107芯片集成了各種高性能工業標準接口，且STM32不同型號產品在引腳和軟件上具有完美的兼容性，可以輕松適應更多的應用。STM32F107連接線系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位處理器，高速嵌入式儲器（快閃存儲多達256個字節與64字節），所有設備提供通用16位定時器，以及標準和先進的通訊接口。

1.2 網關的硬件接口

1.2.1 網關與ZigBee協調器的硬件接口設計

Cortex-M3網關與ZigBee協調器模塊通過串口實現通信，ZigBee協調器的串口0通過擴展插槽連接Cortex-M3網關的串口4。ZigBee協調器的硬件接口圖如圖2所示，CC2530的P0.2和P0.3是串口0的接收發送管腳。

1.2.2 LCD硬件接口設計

LCD采用128×64液晶顯示屏，CC2530之間通信時采用串行接口，進行信息顯示時需要進行LCD庫函數的移植，在應用層調用庫函數，以實現用戶需要顯示的信息。其中LCD_RS是Data與Command的切換信號，對LCD的控制IC初始化。LCD_WR的作用是寫入數據。

2 系統軟件設計

系統的軟件平臺基于uC/OS-2操作系統，uC/OS-2是一個可以基于ROM運行的、可裁剪的、搶占式、實時多任務內核、具有高度可移植性的實時操作系統。uC/OS-2可以視為一個多任務調度器，具體實現系統啟動任務、網關對ZigBee協調器數據包的分解任務、觸摸屏顯示任務和蜂鳴器報警任務。

2.1 ZigBee協調器數據處理過程

路由器監測節點加入ZigBee網絡后，采集環境數據發送至協調器，協調器封裝監測節點的數據依次串口傳輸至Cortex-M3網關，同時協調器還可以接收網關發送的指令對監測節點進行反控。

2.2 網關對ZigBee協調器數據包的分解

網關對ZigBee協調器數據包接收通過UART4中斷服務函數實現，在中斷的處理函數中，把接收到的數據依次發送至上位機，同時每接收一個節點的10字節的數據就拋出消息郵箱。網關主程序端通過申請接收消息郵箱獲取每個節點的環境數據，并顯示在uC/GUI界面上。

2.3 網關主程序設計

網關主程序的設計圍繞著系統硬件的初始化、GUI庫的初始化、uC/GUI界面的顯示、uC/OS-2多任務的處理來設計。網關uC/GUI界面能夠顯示每個監測節點的溫濕度，火焰，光照等數據。超過設定溫度報警數值，蜂鳴器報警。uC/GUI界面操作可以對ZigBee監測節點進行反控。

3 實驗結果

ZigBee網絡構建后，ZigBee節點加入該網絡并進行數據傳輸。網關的ZigBee模塊接收到數據后對其進行處理，并按照在ZigBee數據處理任務函數里邊規定的輸出方式進行輸出，在網關uC/GUI界面上進行顯示，并通過串口在上位機上顯示。下圖為環境監測系統的網關界面：

4 結束語

本文主要設計一個基于ZigBee技術的無線環境監測系統。該系統監測節點采用CC2530單片機作為MCU，并且結合ZigBee協議架構進行編程設計，來構建ZigBee傳感器監測節點。實現基于CC2530的傳感器數據采集系統設計，并在IAR集成開發環境中進行基于ZigBee架構的編程，節點模塊的調試。實驗過程中各方面運行良好，且成本較低，可以實現在智能樓宇、森林火情、糧倉環境等領域中的環境監測。

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