基于龍芯1B的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計與實現(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)，從芯片級做到了信息安全自主可控，對國民經(jīng)濟發(fā)展以及國家安全保障有著重大的現(xiàn)實意義和深遠(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，實現(xiàn)把ZigBee節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進行匯聚存儲、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，再按照TCP/IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)重新進行封裝并通過以太網(wǎng)發(fā)送出去[2]。系統(tǒng)的硬件平臺主要由龍芯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,調(diào)用相應(yīng)的串口API即可實現(xiàn)對串口的讀寫等操作,方便開發(fā)[2]。

2 龍芯最小系統(tǒng)實現(xiàn)

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

3 各模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1 ZigBee內(nèi)部模塊通信實現(xiàn)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部有終端節(jié)點、路由器、協(xié)調(diào)器三種節(jié)點[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)通信實現(xiàn)

網(wǎng)關(guān)與因特網(wǎng)通信模塊的實現(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機連接。本設(shè)計中采用了基于TCP協(xié)議的流式socket。采用C/S模型達到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 測試結(jié)果

圖1 網(wǎng)關(guān)功能測試圖

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，橫軸為測量時間，縱軸為傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

以上結(jié)果表明,本設(shè)計方案的網(wǎng)關(guān)能夠?qū)igBee節(jié)點采集的數(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，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。實現(xiàn)了用戶的遠(yuǎn)程瀏覽訪問，同時實現(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,達到了兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間通信的目的，驗證了網(wǎng)關(guān)基本功能的有效性。

[1]關(guān)輝.物聯(lián)網(wǎng)RFID系統(tǒng)的安全問題及策略[J].福建電腦,2013,29(08):72-73+104.

[2]張藝粟,李鴻彬,賈軍營,于波.物聯(lián)網(wǎng)ZigBee網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2013,22(06):34-38.

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