基于嵌入式ARM-Linux無線ZigBee協(xié)調器驅動設計

　農(nóng)田中大范圍的環(huán)境信息監(jiān)測已成為網(wǎng)絡應用范圍重點之一。針對農(nóng)田布線不便的特點，ZigBee無線節(jié)點網(wǎng)絡成為農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的首選，可對其所分布區(qū)域內的各種環(huán)境和檢測對象的信息進行實時的監(jiān)控[1]。然而，控制下層整個網(wǎng)絡狀態(tài)的核心是上位機ARM處理器，而且上位機與下位機通信大多以串口模式來實現(xiàn)[2-3]。但串口通信模式存在串口傳輸速率低(波特率雙方一致)、傳送距離短[4]、數(shù)據(jù)冗余差(數(shù)據(jù)校驗)以及設計串口協(xié)議繁瑣(幀格式)等不足。因此本文研究了ZigBee在ARM9內核中的協(xié)調器字符驅動，利用I/O傳輸數(shù)據(jù)，控制具有協(xié)調器驅動的設備在農(nóng)田任何位置即可組網(wǎng)，以減少協(xié)調器的布局，實現(xiàn)方便快捷的動態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測。
1 田間監(jiān)測系統(tǒng)的要求
　因監(jiān)測節(jié)點需要零散分布在田間，以監(jiān)測田間的空氣和地表的溫度，因此，田間監(jiān)測系統(tǒng)所需要的技術指標應滿足：(1)低功耗。田間采電受到布線限制，因此節(jié)點模塊的耗電量應盡可能低。(2)低成本。田間需要大量布局節(jié)點，投資成本成為廣泛實施的制約因素。(3)低復雜度和高可靠性。田間節(jié)點開發(fā)設備應采用結構簡單、采集數(shù)據(jù)盡可能精確又廉價的設計。綜合上述特點，ZigBee可以作為田間無線協(xié)議首選。
　ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標準的低功耗、低速率、低復雜度的雙向通信技術。它可工作在國際上免授權的2.4 GHz，具有250 Kb/s的最高數(shù)據(jù)傳輸速率和10~75 m的可靠傳輸距離。ZigBee支持星型、樹型、對等和混合型網(wǎng)絡拓撲結構，網(wǎng)絡中的從設備高達254個。根據(jù)如圖1所示的節(jié)點在網(wǎng)絡分布的特點，節(jié)點在網(wǎng)絡中可實現(xiàn)多條數(shù)據(jù)鏈路通信，以選擇最佳的路徑進行傳輸，提高了網(wǎng)絡通信的可靠性。

　協(xié)調器是整個網(wǎng)絡的核心部分，負責完成整個網(wǎng)絡的無線接入和組建，是維持路由器和終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信的關鍵。在田間固定放置協(xié)調器節(jié)點會浪費大量的資源，若動態(tài)地測量田間任意位置的數(shù)據(jù)，把協(xié)調器作為移動設備動態(tài)地測量數(shù)據(jù)則是最好的選擇，并且可以減少田間協(xié)調器的放置，降低設計難度的成本。
2 嵌入式Linux驅動開發(fā)環(huán)境的搭建
　Linux操作系統(tǒng)環(huán)境的搭建如圖2所示。

2.1 Bootloader的移植
　Bootloader是操作系統(tǒng)內核運行之前運行的一小段程序，它為加載內核提供合適的硬件環(huán)境。Bootloader分成Stage1和Stage2兩個階段，具體實現(xiàn)框圖如圖3所示。

　Stage1：主要由匯編實現(xiàn)，包括GPIO驅動、使開發(fā)板上電LED閃爍、關閉所有中斷、設置系統(tǒng)時鐘、關閉看門狗、SDRAM初始化、實現(xiàn)相應驅動(提供更大的執(zhí)行空間)、NAND Flash初始化(驅動開發(fā)板上唯一的固態(tài)存儲掉電不消失設備)以及設置SP棧指針為Stage2中的C語言代碼執(zhí)行做好準備。
Stage2：實現(xiàn)加電自搬移過程、串口調試信息、函數(shù)庫、shell命令等擴展功能。
2.2 內核的編譯和移植
　本硬件移植2.6.27版本的Linux內核：(1)解壓縮tar xf linux-2.6.27.tar.bz2，進入該目錄。(2)移植平臺為ARM體系結構，修改Makefile中的ARCH？=arm CORSS_COMPILE？=arm-linux-(交叉編譯器的前綴)。(3)配置內核：make deconfig(清除原來編譯的config，如果是第一次配置可省略)；make menuconfig進入配置菜單，選擇硬件所需的驅動。大部分可選擇默認選項，但注意網(wǎng)卡驅動一定必選，硬件類型也要匹配。(4)編譯內核make bzImage在～/linux-2.6.27/arch/arm/boot/bzImage生成內核映像，通過tftp把bzImage燒到地址為0x30008000內存上，然后用nand erase kernel擦除kernel分區(qū)上的數(shù)據(jù)，最后用nand write 0x30008000把內存上的數(shù)據(jù)燒到Flash對應的kernel分區(qū)上。
2.3 根文件系統(tǒng)的移植
　運行Linux操作系統(tǒng)，除了內核外還需要根文件系統(tǒng)。用mkdir創(chuàng)建rootfs文件夾，在其中創(chuàng)建根文件系統(tǒng)目錄并安裝busybox。busybox是專門為嵌入式系統(tǒng)設計的，它把大多數(shù)常用的命令(如ls，cp，cd，tar等)拼接在一起，在根文件系統(tǒng)中只有一個可執(zhí)行文件/bin/busybox，其余都是busybox的鏈接。安裝busybox與安裝內核類似，在～$tar xf busybox-1.9.1.tar.bz2、cd busybox-1.9.1/下修改ARCH？=arm CROSS_COMPILE？=arm-linux-；make defconfig、make menuconfig設置busybox安裝路徑rootfs文件夾。將make、make install、busybox文件與一系列鏈接文件安裝在rootfs下。其他鏈接文件在/bin、/sbin、/usr/bin、/usr/sbin中，配置Linuxrc啟動文件、安裝glibc共享庫，在/dev目錄下創(chuàng)建設備文件，將主機系統(tǒng)時鐘拷貝到根文件系統(tǒng)中去，并配置網(wǎng)路和http相關配置文件。最后將文件系統(tǒng)配置成YAFFS文件系統(tǒng)，可直接對文件系統(tǒng)進行讀寫。設置開發(fā)板為NFS方式，啟用可以直接在主機上操作開發(fā)板的根文件系統(tǒng)并進行調試。
3 硬件設計及驅動實現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)硬件設計
　本系統(tǒng)平臺是采用ARM體系結構的S3C2410作為處理器，通過移植的字符設備驅動與ZigBee CC2430無線收發(fā)節(jié)點進行數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)硬件框架圖如圖4所示。

　CC2430是一個真正的片上系統(tǒng)(SoC)，以高性能和低功耗的8051為內核，專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用，它可以用很低的費用構成ZigBee節(jié)點。
現(xiàn)有的硬件是通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭凑沾谕ㄐ艆f(xié)議的格式封裝，大量數(shù)據(jù)的傳輸還需要在串口通信格式的基礎上再進行設計封裝，不僅數(shù)據(jù)傳輸速度慢，而且容錯能力低。如果在內核中加入ZigBee的字符驅動則可省去數(shù)據(jù)發(fā)送時的封裝以及接收時需要解析的麻煩。