基于ARM的茶园WSNs旱情监测网关设计终稿

1、. . . . 分类号* S24 学校代码 10564UDC* 学 号 2006210007 密 级 学 位 论 文基于ARM的茶园WSNs旱情监测网关设计 钟荣敏指导教师王卫星 教授申请学位级别 硕士专业名称农业电气化与自动化论文提交日期2008年3月论文答辩日期2008年5月学院名称 工程学院 学位授予日期 2008年6月洪添胜 教授答辩委员会主席韦 岗 教授评阅人赵祚喜 教授摘 要无线传感器网络技术（WSNs)的应用研究方兴未艾，深入到了包括农业在的各个领域。通过WSNs在茶园建立旱情监测系统，将大大提高茶园集约化、自动化管理水平。而WSNs要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网

2、关设备接入外部网络，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。本文提出了一种基于嵌入式系统茶园WSNs旱情监测系统网关设计方案。该方案采用基于ARM920T核心的三星S3C2410X嵌入式芯片的开发板，该开发板的外围电路主要包括存储器系统、串行通信接口、以太网接口、PCMCIA接口和其他电路系统，并设计了DB51标准接口单元，为其他数据传输方式的添加预留了接口。通过建立交叉编译环境，Bootloader、Linux核和JFFS2文件系统的移植搭建软件平台，并完成了相关的设备驱动程序的移植，设计了应用软件实现利用串口通信实现对无线传感器网络中汇聚节点数据的实时采集、处理、存储；利用有线以太网和无

3、线通信网络作为数据信息的传输载体，向远程终端发送传感器网络的数据。该网关通过有线和无线数据传输方式结合的设计与实现，可以根据茶园的实际部署条件灵活采用选择经由以太网或者无线通信网络方式与远程终端或移动终端进行数据通信。保证了数据传输的灵活性、实时性、可靠性和适应性。关键词： WSNs 嵌入式 ARM 网关 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 录1 前言11.1 研究意义11.2 国外研究现状21.2.1 WSNs的农业应用21.2.2 网关国外研究现状31.3问题的提出51.4 研究目的和容62 WSNs茶园旱情监测网关总体设计72.1 概述72.

10、1.1 网关的定义72.1.2 嵌入式系统设计72.1.3 网关功能分析82.2 基于茶园旱情监测的WSNs网关特征92.3 网关设计概要102.3.1 处理器的选型102.3.2 操作系统选型122.3.3 网关系统的设计方案132.4 本章小结143 网关硬件平台153.1 系统CPU部分153.2 系统存储模块173.2.1 FLASH存储器173.2.2 系统SDRAM部分173.2.3 SD卡接口电路183.3 网关远程接入接口183.3.1 以太网接口电路183.3.2 PCMCIA接口电路193.4 系统本地连接接口203.4.1 USB接口电路203.4.2 串口电路213.4

11、.3 JTAG接口电路213.5 电源模块213.6 汇聚节点接口设计223.7 GPRS无线上网卡aircard750说明233.8 本章小结234 网关Linux平台的建立244.1 开发环境的建立244.2 Bootloader的移植254.3 Linux核（kernel）的移植264.4 文件系统的生成284.4.1 日志闪存文件系统版本2-JFFS2294.4.2 创建JFFS2文件系统294.5 系统驱动程序的实现304.5.1 设备驱动程序框架304.5.2 CS8900驱动程序设计314.6 本章小结345 远程数据传输方式设计与实现355.1 网关与汇聚节点的通信实现355.

12、1.1 Linux下的串口通信355.1.2 汇聚节点数据帧375.1.3 汇聚节点数据读取与数据处理385.2 网关与远程终端数据传输的设计与实现405.2.1 以太网远程数据传输软件设计405.2.2 GPRS数据通信实现435.3 本章小结486 试验与分析496.1 有线以太网远程数据传输试验506.1.1 网关连接试验506.1.2 网关接收汇聚节点数据试验516.1.3 远程数据传输试验536.2 GPRS 远程通信与可靠性分析546.2.1 GPRS拨号连接试验546.2.2 GPRS通信可靠性分析556.3 本章小结577 结论与讨论587.1 结论587.2 讨论与展望58参

13、考文献60致64附录A 部分实物照片65附录 B 核移植前源代码修改部分66附录C 部分程序的源代码67华南农业大学71学位论文原创性声明71学位论文使用授权书7174 / 791 前言1.1 研究意义我国是一个水资源缺乏的国家。按人均水资源量计算，人均占有量只有2500m3，约为世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被联合国列为13个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分步很不平衡（王颖杰，2006）。有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃与和以色列的水平。我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国围而言，水的利用率仅为45%，而水资源利用率

14、高的国家已达70%80%。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理；采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现现水管理的自动化。因而建立旱情监测系统，将为解决农业灌溉用水的问题提供科学依据，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。喝茶已经成为了全球健康生活的时尚，据资料显示，目前世界人均饮茶05kg；我国茶叶消费现状最新数字显示，2006年我国人均茶叶消费0.4 kg，即将接近世界消费茶叶水平（黄丹，2006）。茶叶消费市场的潜力巨大，大面积种植茶树，

15、发展茶产业，不失解决“三农”问题的重要思路。茶树多生长在山坡地，传统的茶树种植多“靠天吃饭”，若在茶园建立旱情监测系统，实现灌溉系统自动化控制，不仅可以提高水源利用率，缓解水资源日趋紧的矛盾，还可以增加茶叶的产量和品质，降低茶叶成本。近年来，无线传感器网络(WSNs)技术迅速兴起，成为国外研究的热点。WSNs利用放置于监测场景中的大量传感器节点，对监测对象进行协作化的信息感知和采集。传感器节点以无线方式将现场信息传输到作为网络数据中心的基站，由基站进行数据分析和处理，以得到准确的决策信息，并最终驱动特定的执行机构作业，从而实现对农田的精确化和智能化测控（亭，2006）。通过构建不依赖于大量信号

16、传输线和动力线的农业WSNs生态测控系统，既可实现对土壤水肥、作物生长和病虫灾害等信息的精确测量，为灌溉施肥、病虫防治和作物收种等工作带来巨大方便，又可解决传统测控设施建设成本高、安装复杂、维护困难和影响作业环境等问题，同时大大提高设施农业的自动化控制和管理水平。1.2 国外研究现状1.2.1WSNs的农业应用在传统农业中，人们获取农田信息的方式都很有限，主要是通过人工测量，获取过程需要消耗大量的人力，如通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的作物环境和作物信息。近年来，国外在农、林、牧业的信息传输方面进行了系统的研究。欧盟ISI启动了Wirelesslnfo项

17、（19982003），期望运用GSM/GPRS/HSDCS无线通信技术，建立先进农林管理多媒体服务系统；Digital Sun 公司开发了无线传感器网络自动洒水系统，传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的；澳大利亚的CSRIOICTCenter 将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等）和外界环境进行监测，避免了有线线路对动物生活的干扰，研制成完善的草地放牧与动物模型（王殊，2007）；国信息交通大学时嵌入式系统实验室用WSN搭建了自动农业系统（Seong-eun Yoo，2007）如图1.1所示，该系统

18、部署在国Dongbu Handong 种子研究中心的大白菜温室大棚，包括：用于监测和控制温室环境的无线传感器网络节点，用于管理WSNs的管理子系统，已经用于访问管理子系统数据库的各种手持设备（如PDA）。监测温室作物生长状况和控制温室的环境。 图1.1 国大白菜温室大棚传感器节点、网络系统结构国在农业系统远程监控与农业信息化等方面获得了较快发展，目前主要研究成果有：无线传感器网络应用于农业环境监测的研究（骆凯等，2008；光照等，2007；黄伟等，2008；海建等，2008）；无线传感器网络在大棚蔬菜的应用（宋迪等，2008；程光，2007）；无线传感器网络在节水灌溉的应用（友兵等，2007；

19、黄生等，2007；曾炼成等，2008）；以与无线传感器网络在草地放牧与动物模型的研究（王殊，2007）。但未见茶园相关应用的报道。1.2.2 网关国外研究现状与时获取感知区域的信息并进行处理、转发等操作是无线传感器网络应用中的关键问题之一。网关在无线传感器网络中的的主要功能是：一是与时获取感知区域的信息并进行处理，二是通过其他网络进行数据转发，如图1.2。也可以在此基础上添加新的辅助功能，例如远程终端的控制功能，报警功能等。传统的无线传感器sink网关是利用汇聚节点与PC相结合来实现的，一般情况下，汇聚节点接收传感器节点发送的数据，通过有线方式(串口或USB电缆)与PC相连，后者完成数据的读取

20、、转换、显示、转发等工作。其中，转发功能是PC利用网卡接入外部网络来实现的。目前，国外已有关于WSNs信息进行远距离传输的研究报道。图1.2 WSNs体系结构美国的Crossbow公司曾推出具有以太网通信功能的网关产品并得到应用。哈佛大学的科研人员曾经在位于厄瓜多尔境的唐古拉瓦火山(voleanThngnrahua)附近部署了小围的无线传感器网络，采集次声波信号并传送至网关，通过接入无线MODEM将数据转发到9公里外火山监测站的PC上（Werner-Allen G，2005）。 国一些大学和科研机构也提出了有关解决方案。 尤著宏等（2005）针对无线传感器网络应用在青藏铁路沿线多年冻土区典型段

21、地温、变形监测方面的特殊要求, 设计了一种WSN网关节点。该节点基于CC2431以与C8051F320的USB接口的软硬件设计与实现接收各传感器节点的数据并以有线的方式将数据传送给最终用户计算机。霍宏伟等（2006）提出了一种IPv6无线传感器网络以太网接入网关的设计，实现了基于嵌入式处理器ATmega128、智能射频芯片CC2420以与网络控制芯片RTLS019的接入网关设备。段渭军等（2007）针对无线传感器网络传统Sink网关的不足，提出了一种基于PDA的移动Sink网关系统的设计与实现方案，重点讨论了PDA与Sink节点之间的连接，PDA与Sink节点、PDA与GPS接收机与PDA与控

22、制终端之间通信的一些关键技术。匡兴红等（2007）提出一种基于CC1010 的RF 接口实现与无线传感器网络的通信基于SIM100E 的GPRS 接口实现了与互联网之间的TCP/IP 连接的无线传感器网关，实现了与外部网络的可靠连接。要伟等（2008）分析了网关在温室智能测控系统中的重要性,研究了网关的设计原则和器件选型,基于PXA270 低功耗嵌入式处理器设计并实现了具有以太网、USB 主、CF 等多扩展接口的网关硬件平台。此外,分析了引导加载程序的引导过程,并在自主设计的网关上实现了Blob 的移植。向文（2008）通过以太网控制芯片RTL8019 与外部以太网络进行数据通信的无线传感器网

23、络的网关底层驱动的实现方案，分析了接收模块和发送模块，阐述了驱动实现机制和方法。对网关进行了测试，验证了网关的信息处理和通信功能。江海峰等（2009)针对无线传感器网络在煤矿井下的推广和应用要求，用有线的方式实现无线传感器网络和井下主干网络以太网进行互联，网关解决方案基于嵌入式微处理器S3C4510B 和嵌入式操作系统VxWorks 实现。吴伟强等（2009）提出了基于ARM 平台的Zigbee 网关设计。本系统在ARM9 STR912FW44X 处理器上移植COS-操作系统和无线射频收发模块cc2430 搭建网关开发平台。它很好地克服了传统网关架构下Zigbee 传输速率的瓶颈，降低了资源和

24、处理时间消耗，提高实时处理能力。甘勇等（2009）针对如何将Zigbee网络与以太网紧密融合的问题，提出了一种基于ARM平台的Zigbee网关的设计方案。网关硬件选取集成以太网接口的ARM9芯片STR912与CC2430无线模块为核心进行扩展设计；应用地址适配层与应用协议层的提出，使得网间地址、协议在应用层统一起来并很容易扩展到其他网络。该网关设计方案的提出在满足网间数据交换高效性、透明性的同时也实现了易扩展性。综上所述，目前应用比较广泛、技术比较成熟的无线传感器网络网关主要有以下几大类：l 基于Internet的无线传感器网络网关使用Intemet的WSNs网关，人们从任何地点、任何时刻获取

25、到数据的愿望成为现实。实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性等。基于Intemet的WSNs网关适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用围十分广泛。l 基于无线通信的无线传感器网络网关对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线通信网络来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程数据传输方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。基于无线通信的WSNs网关应用领域十分广泛，比如说森林火灾监测（陆志平，2006）、军队指挥自动化建设（来潮，2006）等均可以采用这种技术来实现。l 利用公

26、用网的无线传感器网络网关在通信不是很频繁、通信数量较小、实时性和性要求不高的场合，可以租用共用网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现WSNs网关的远程数据传输。这种网关价格低廉、运行可靠、可以实时传输数据（晶，2006）。1.3问题的提出通过WSNs在茶园建立旱情监测系统，将大大提高茶园集约化、自动化管理水平。WSNs要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。一般情况下，传统sink网关通过汇聚节点与PC的这种工作方式成本高，开销大，实际应用时易受到工作环境的限制（段渭军，2007）。茶园往往处于较偏僻地带，将汇聚节点与PC相

27、结合作为外部网络接入设备具有较大难度。一个行之有效的解决方法是配置体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的嵌入式WSNs网关，由网关处理所获取的信息并进行转发工作。通过嵌入式操作系统进行管理操作，利用现有的公众网络(如以太网、GPRS或CDMA等)实现远程数据传输，与远程监控中心服务器通信。1.4 研究目的和容在上述单一通信方式的网关中，有线以太网通信稳定可靠，但需要具备相应的接入条件，这在许多应用情况下难以实现；无线通信移动性能良好，同时GPRS、CDMA等无线通信网络在国已经相当普与，如果在无线传感器网络网关中引入无线数据传输方式，将大大降低开发成本和周期。无线通信存在的问题是易受到网络覆盖

28、面与资费问题困扰。本论文为了解决上述问题，在网关上实现包括有线和无线两种通信方式，在茶园实际应用时，可根据WSNs部署区域的境况自主选择所需要的通信方式，或者在条件允许的情况下同时使用具有多种通信方式的网关。不仅能够实现外部网络的接入，完成WSNs数据的转发，同时还可以适应WSNs部署的灵活性。采用经济实用的方式实现WSN网关与Internet网络的接入，不但可利用远程控制中心实现对茶园生态环境连续与实时的在线测控，还可进一步降低茶园作业管理的工作量，提高茶园管理的网络化、智能化和信息化程度。本研究得到了华南农业大学校长基金项目“无线传感网络分簇算法与作物旱情监测系统研究”（项目编号：2006

29、X009）课题的资助和支持。该课题的具体容是在茶园部署无线传感器节点，组建WSNs，在线监测茶树的旱情程度。茶园WSNs旱情监测系统主要包括三部分容：设计节点采集茶园旱情数据，建立茶园旱情监测WSNs网络，对所组建成功的网络进行性能分析，设计ZigBee网络Internet远程接入网关。其中设计节点与数据的采集、旱情监测WSNs网络的建立，网络性能分析由同组其他同学完成，本论文的目标是实现茶园WSNs旱情监测系统远程接入的网关。2 WSNs茶园旱情监测网关总体设计2.1 概述2.1.1 网关的定义在计算机网络中，网关(Gateway)称为网间连接器、协议转换器，在使用不同的通信协议、数据格式或

30、语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间充当“翻译器”的角色，是一种充当转换重任的计算机系统或设备(希仁，2003)。通常网关可分为两类：一是传输网关，用于在两个网络之间建立传输连接；二是应用网关，在应用层上进行协议转换。本课题所研究的旱情WSN网关系统是一个传输网关。主要用于实现WSNs与外部网络的互联，并对WSNs的数据进行转换以与转发设计本网关的过程实质是嵌入式系统的设计。2.1.2 嵌入式系统设计根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义：嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” (天泽，2007)。目前国的一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基

31、础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。类似于通用计算机系统，嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是整个系统的物理基础，由高性能的微处理器和外围接口电路组成，它提供软件运行的平台和通信接口；软件部分由嵌入式操作系统和其上运行的应用程序构成，控制系统的运行；软件和硬件之间由中间层连接。整个嵌入式系统的体系结构如图2.1所示：嵌入式应用软件嵌入式操作系统嵌入式处理器嵌入式外围设备嵌入式硬件平台图2.1 嵌入式系统体系结构嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点（灵翔，2006）:1）嵌入式系统是面向特定系统应用的。嵌入式处理器大多数是

32、专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般包含各种外围设备接口的片上系统。2)嵌入式系统涉与计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业。它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。3)嵌入式系统的硬件和软件都必须具备高度可定制性。只有这样才一能适用嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。4)高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。5)嵌入式系统的生命周期相当长。当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。6)嵌入式系统

33、不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和环境。在计算机后PC技术时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每个角落。各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种嵌入式技术的电子产品。2.1.3 网关功能分析从WSNs体系结构图1.2中可以看出，传感器节点采集感知区域的数据，进行简单的处理后发送至汇聚节点；网关利用串行方式读取数据并转换成用户可知的信息，如传感器节点部署区域的温度、湿度、光强等；接着进行远距离传输，传输方式包括以太网、无线通信网，最终到达远程终端。同时，还可以封装成短消息发送至移动

34、终端用户（于海斌， 2006）。用户可以通过网关实现对无线传感器网络的管理，而无线传感器网络也能把数据远程传送到用户手中。因此，WSNs网关具有和簇与簇外通信的功能，是一个功能强大的嵌入式系统，有足够的能量供给、大容量的存与较强的计算能力。WSNs网关的硬件部分主要由中央处理器、存储模块、簇连接(射频收发)模块、簇外连接(通信)模块和电源模块五部分组成。其结构框图如图2.2所示：中央处理器簇内连接模块簇外连接模块存储模块电源模块图2.2 WSNs网关结构框图中央处理单元是系统的核心，主要用来处理从传感器节点采集到的数据以与完成一些控制功能。在无线传感器网络中，数据收发要比数据处理消耗大得多的能

35、量，一般先将数据进行处理后，再进行传送，因此对处理器计算能力要求很高。WSNs网关还需要配备大容量的FLASH存储器来安装应用程序和保存数据，以与SDRAM存储器来运行程序。为了将采集到的数据传输到互连网或WWW上，网关还配备有远程通信单元，用户可以通过普通PC或GPRS手机终端来观测传感器收集到的数据，即图2.2簇外连接部分。WSNs同时可以叠加与传感器节点一样的射频收发模块，用于接收传感器节点发送的数据和向传感器节点发送数据，即图2.2簇连接部分。WSNs网关对电源要求很高，除了CPU需要的不同电压外， GPRS模块启动时需要大的瞬时电流，所以应从硬件和软件上同时来实现和控制各路电源的供应

36、，以达到有效的节能。2.2 基于茶园旱情监测的WSNs网关特征 茶园一般地处丘陵山区，多由连绵不断的低矮山丘组成的。相对高度一般不超过200m，高低起伏，坡度较缓。茶树高度一般在75cm-100cm之间。茶园种植密度主要的有两种：一是单行条栽茶园，种植行距150cm，丛距33cm，每亩种植约1350丛。 二是双行条栽茶园，种植大行距为150cm，小行距为30cm，丛距20cm， 每亩种植约4450丛。不论是单条栽，还是双条栽，每丛通常种植3株茶树。茶园的这些地形、地貌，茶树特征，决定网关的系统性能、通信方式等设计时要满足以下几方面的要求：1)可靠性网关在整个茶园旱情监测系统起着承上启下的重要作

37、用，是联系无线环境监测网与外部网络的桥梁，如果网关节点出现了故障或者瘫痪等无常工作的情况，虽然网络部可以通过WSNs的自组织性重新组成旱情监测网络，但却无法将茶园旱情数据传输到监控中心，因此，对网关的可靠性提出了较高的要求。2)低功耗网关的工作环境是茶园，由于网关节点要经常通过射频传输数据，耗电比较大，因此要采用专门的供电系统，为了能够延长整个环境监测系统的使用寿命，必须尽量降低网关节点各部分的功耗，避免出现因网关节点供电不足而造成整个环境系统瘫痪的情况。此外，WSNs网关能量的消耗主要集中在对数据进行处理和传送数据。在其他情况下，应该尽量使WSNs网关处于睡眠或空闲状态，以节约能量。 3)通

38、信方式需求WSNs网关既要和传感器节点通信，又要与外部网络通信，它应该有簇通信和簇外通信双重功能。和簇通信采用与节点一样的通信的方式，而与簇外通信可以选择有线网络、无线网络和GPRS方式。要使通信做到有效、可靠，应保证网关的通信方式是多样化，并且是稳定的，不受环境影响或影响很小。4)数据处理能力在实际工作中，每个网关节点管理的节点可能会达到上百个，因此可能会出现短时间大量的环境数据传输到网关节点，而这些数据可能需要通过数据融合等处理后传输到监控中心，因此要求网关节点处理器有较高的处理速度，以与能够存储大量的数据，来满足无线传感器网络的实时性要求。5)扩展性随着需求的不断提高，以后会增加定位等其

39、他功能，这就要求网关是一个开放、易于扩展的系统，只需要在现有系统上增加一些软、硬件模块，就能实现特定的需要，便于系统的升级维护。2.3 网关设计概要2.3.1 处理器的选型处理器(CPU)是嵌入式系统硬件的核心，所有的设备控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议转换、数据整合和数据转储都需要在这个模块的支持下完成。常用嵌入式处理器PowerPC，MIPS和ARM等具有体积小、重量轻、成本低与可靠性高等特点，从ARM系列中选择一款合适的来作为汇聚节点的中央处理器。ARM处理器选择主要从以下几方面来考虑(天泽，2005)：1)ARM微处理器核的结构ARM微处理器包含一系列的核结构，以适应不同的

40、应用领域，用户如果希望使用WinCE或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，如ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、Strong-ARM等。ARM7TDMI不支持 WindowsCE和标准Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系统也可运行于ARM7TDMI硬件平台之上。2)系统的工作频率系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHz，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MH

41、z-133MHz，ARM9系列微处理器的典型处理速度为 1.1MIPS/MHz，常见的ARM9的系统主时钟频率为100MHz-233MHz，ARM10最高可以达到700MHz。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片部时钟控制器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟。3)芯片存储器的容量大多数的ARM微处理器片存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统时外扩存储器。4)片的外围电路除ARM微处理器核以外，几乎所有的ARM芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，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协处理器等。从对WSNs网关功能分析结果考虑，处理器应该具有较高的工作频率与大容量的片存储器以满足快速处理功能；具有大量的I/O接口，满足扩展性要求；片集成众多外设控制器，实现外设连接而不增加其他外部控制器；要具有很好的电源管理功能，达到最小的功耗控制。综合以上几点，本论文选择了三星公司的基于ARM9核的S3C2410X作为中央处理器。2.3.2操作系统选型现代信息社会的高效性、协同性客观上要求软件的编写便于多人分工合作、编写的软件具有可重用性，软件也日趋复杂。所有这些迫切需要有一个屏蔽底层硬件的、功能强大的操作系统来支持。嵌入式软件的核心就是嵌入式实时多任务操作系统（

43、RTOS）。主要有：VxWorks，Linux，WinCE，mC/OS-II等。1） WinCEWinCE是一个简洁的、高效率的多平台操作系统。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户电子设备进行定制。WinCE的缺点是价格高、不开放源码、而且缺乏实时性(何宗健，2006)。2）VxworksVxworks是目前嵌入式系统领域中使用最广泛，市场占有率最高的系统。它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、powerPC、ARM等。Vxworks的缺点是操作系统本身以与开发环境都是专有的，软件的开发和维护成本高（方敏，2004）。3）mC/OS-mC/OS-是著名

44、的源代码公开的实时核，适用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器(DSP)。可管理多达63个应用任务，并可以提供如下服务：信号量、互斥信号量、事件标识、消息、消息队列、任务管理、固定大小存块管理、时间管理。mC/OS-的缺点是可提供的API函数接口相对较少，很多工作需要用户自己去完成(J.Labrosse，2003)。4）LinuxLinux操作系统是一种开放源码，可裁剪核，运行于个人计算机和工作站上的类UNIX操作系统。它最初是由一名芬兰学生Linux Torvalds开发的，后来成立了一个由他领导的核开发小组对Linux核进行了完善。这使Linux在短期就成为了一个稳定成熟的操作系统

45、，在x86，Alpha，Sparc，ARM等硬件平台上运行稳定高效。作为一种成熟，稳定并在短时间得到广泛应用的开源操作系统，Linux作为自由软件有两个特点：一是它免费提供源码，二是爱好者可以按照自己的需要自由修改、复制和发布程序的源码，并公布在Internet上。世界各地的开源爱好者为Linux编写各种各样的驱动程序和应用软件，使得Linux不仅只是一个核，而是一个包括系统管理工具、完整的开发环境、开发工具与应用软件在的操作系统（灵翔，2006）。商业的嵌入式操作系统要付出昂贵的费用，C/OS-比较简单，在选用的平台功能较强大的情况下，不宜采用。Linux对网络中最常用TCP/IP协议有着最

46、完备的支持；在多任务、多用户下表现出高效性、安全性和稳定性；目前，大量的硬件厂商开始提供驱动；Linux下的任何软件都是免费的。Linux还可以根据需要灵活裁减核大小以减少它的体积。在实时方面，Linux2.6核对进程调度做了较大改进，采用一种新的调度算法，解决了先前版本调度程序的不足，还引入了核抢占技术，只要重新调度是安全的，核就可以在任何时候抢占正在执行的任务。 综上所述，本论文选择基于2.6.14核版本Linux作为WSNs茶园旱情监测网关的操作系统。2.3.3 网关系统的设计方案根据嵌入式系统的设计流程，和前面对WSNs茶园旱情监测网关功能的需求分析，在选择了合适的中央处理器、嵌入式操

47、作系统后，可以得出网关的具体设计方案，图2.3是详细的软、硬件框图。S3C2410X(Linux OS)由GPIO实现的DB51连接器HOST USB串口DB9网络CS8900AFLASHSDRAMSD卡PCMCIA接口（外接WLAN、GSM/CDMA）、电源模块JTAG接口本地连接部分存储部分簇外连接部分簇内连接部分 图2.3网关总设计框图2.4 本章小结本章在分析嵌入式系统开发流程的基础上，结合WSNs茶园旱情监测网关的功能特征需求，按照对处理器的需求确定以S3C2410X作为网关的处理器，在比较几种常用的嵌入式操作系统后，选择Linux作为网关的操作系统，最后确定出一个完整的设计框图。3

48、 网关硬件平台为了为了缩短开发周期，降低开发成本，茶园WSNs旱情监测网关采用的瑞泰创新科技的ICETEK_ARM9_S3C2410开发板作为硬件平台。该板主要由S3C2410XCPU、64M SDRAM、64M FLASH，100M以太网卡接口、SD卡接口、PCMCIA接口、串口等部分组成，只要扩展出汇聚节点接口外加PCMCIA接口的GPRS无线上网卡就能完全满足设计方案的硬件要求。3.1 系统CPU部分该开发套件采用三星公司的S3C2410X作系统CPU，是一款基于ARM920T核的16/32位RISC嵌入式处理器，部有存管理单元MMU（Memory Manager Unit），AMBA（

49、Advanced Microcontroller Bus Architecture）总线，独立的16KB指令和16KB数据缓存的哈佛缓存结构。可以稳定运行在266MHz，可以运行Linux和Windows CE等需要MMU的嵌入式操作系统。S3C2410X的功能框图如图3.1所示。图3.1 S3C2410X功能框图从S3C2410X的功能框图可以看出其部还集成了丰富的外围接口资源，包括：l 1个LCD控制器（支持STN和TFT带有触摸屏的液晶）l SDRAM控制器，3个UART通道l 4个DMA通道l 4个具有PWM功能的计时器和1个部时钟l 8通道的10位ADCl 触摸屏接口和IIS总线接口

50、l 2个USB主机接口，1个USB设备接口，2个SPI接口l SD接口和MMC接口l 看门狗计数器，117位通用IO口和24位外部中断源l 8通道10位AD控制器，电源管理单元S3C2410X是32位的RISC处理器，其32位的地址总线寻址空间可达到4G，即0x000000000xFFFFFFFF。S3C2410X将前面1G的寻址空间0x000000000x40000000分8个BANK，每个BANK的寻址空间为128M。Bank0可以配置成16位或者32位总线，用于系统启动，一般将启动的ROM映射到Bank0空间。其中Bank0到Bank5的起始地址和结束地址都是固定的，可将ROM或SRAM

51、类型的外围设备或存储器件映射到这里。Bank6和Bank7用于ROM、SRAM、SDRAM，这两个Bank大小是可变的，可以通过配置寄存器设置为2MB、4MB、8MB、16MB、32MB、64MB或者128MB，但是两个区间大小必须一样，Bank7的开始地址是Bank6的结束地址。如图3.2所示：S3C2410X通过nGCS7:08个通用片选信号来分别选择这8个Bank。图3.2 S3C2410X内存映射结构3.2 系统存储模块3.2.1FLASH存储器开发板采用了三星公司的64M×8bit的K9F1208UDM NAND Flash，相对与NOR Flash来说，价格低廉的NAND

52、 Flash应用越来越多，但是NAND Flash接口复杂，对于一般的接口控制比较复杂。S3C2410X部集成了NAND Flash控制器，使其和NAND Flash之间的接口非常的简单，如图3.3所示。图3.3 系统FLASH部分电路3.2.2 系统SDRAM部分开发板的存SDRAM采用Hynix Semiconductor公司的HY57V561620片，是4Banks×4M×16bit结构的，本系统采用两片HY57V561620T扩展成16M 32bit(one word)存。图3.4所示为1片HY57V561620T的电路图，另外一片HY57V561620T和此片采用

53、地址总线复用的方式，而将数据总线扩展为32位。它有4个Bank，通过BA0和BA1引脚来寻址四个Bank，每个Bank有4M的存储空间，地址线A0A12这13根地址线是行列复用的，13根行地址线和9根列地址线用来每个Bank里4M空间的寻址。HY57V561620是16位的SDRAM，在这里用两片HY57V561620组合构成了32位数据总线的SDRAM。图3.4系统SDRAM部分电路图3.2.3SD卡接口电路S3C2410X带有一个SD卡接口，嵌入式开发板扩展出SD卡插槽，接口电路如图3.5所示。图3.5 SD卡接口电路3.3 网关远程接入接口3.3.1 以太网接口电路以太网接口电路采用CS

54、8900网口芯片和部集成网络变压器的RJ45太网接口构成两部分构成。CS8900芯片是Cirrus Logic公司生产的一种高集成度局域网控制器，一个真正的单片、全双工的以太网解决方案，部集成了以太网电路所要的所有数字和模拟电路。CS8900是高集成度单片以太网解决方案，外部只需要极少的器件，接收和发送都在芯片部完成，部集成4KB的RAM，节省了外部连接RAM的麻烦。CS8900可以工作在MEM、IO和DMA三种模式，该开发板将CS8900配置为两种模式：MEM和IO模式。将CS8900的存映射到S3C2410X的Bank3，用LnGCS3选通CS8900。网关以太网接口电路如图3.6所示。图

55、3.6 CS8900芯片接口电路3.3.2 PCMCIA接口电路本开发板PCMCIA接口通过专用扩展芯片CL-PD6710扩展而得，芯片的片选读写连接到CPU的nGCS2引脚上，对应存空间：0x10000000-0x17FFFFFF。接口如图3.7所示。茶园旱情监测WSNs网关通过该接口，直接连GRRS无线网卡远程接入数据中心。图3.7 PCMCIA接口电路3.4 系统本地连接接口3.4.1USB接口电路S3C2410X提供了两个主USB接口，和一个从USB接口，其中的一个主USB接口和从USB接口是复用的，开发板可用跳线来选择使用主USB还是从USB。两个主USB口用来接U盘、USB鼠标、USB键盘等USB设备，从USB用来和工作站连接，在Linux系统开发时和主机通讯，下载Linux核等。电路如图3.8所示。图3.8 USB接口电路3.4.2串口电路S3C2410X部集成有三路串口，串口1通常在系统调试的时候会用到，串口2和串口3可以连接各种串口设备， 将3.3V的串口信号通过MAX3232串口电平转换芯片转换为准备RS232电平即可，如图3.9所示。本网关系统用串口2连接扩展的DB51针汇聚节点接口。 图3.9 串口电路 3.4.3 JTAG接口电路S3C2410部