基于Zigbee技术的农业物联网汇聚节点设计 |
| 2013-03-20 17:59 作者：刘长荣 姜仲秋 来源：硅谷网-《硅谷》杂志 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网文 据《硅谷》杂志2012年第23期刊文称，介绍一款基于MC13224+ENC28J60来构建无线传感网汇聚节点的设计构思，重点讲述该系统的软硬件设计。该汇集节点可广泛应用于农业物联网，具有低功耗高性能特点。该系统以μC/OS-II为操作系统，移植LwIP协议栈，搭建Web服务器，很方便实现远程信息采集和控制。
关键词：汇聚节点；μC/OS-II；LwIP；Zigbee
利用物联网技术等现代信息技术改造传统农业、装备农业是实现农业现代化的重要途径。目前农业物联网技术应用总体还处于初步应用阶段，迫切需要国家开展农业物联网技术应用示范项目，加快建设应用示范基地，深入开展相关技术研发和集成创新，探索产业化应用模式。本文设计的是一款应用于农业物联网基于无线传感网芯片MC13224处理器和以太网芯片ENC28J60无线传感网汇聚节点，它具有高效信息汇集、数据处理以及远程控制等多项功能。
1总体设计
1.1芯片选型
本系统采用MC13224作为处理器，它结合了32位ARM嵌入式系统技术与ZigBee无线技术相，具有低功耗，高性能特点。通过对现有的各种汇集节点芯片功耗分析，如图1所示，MC13224在能耗方面具有更为优秀表现。而且对于农业物联网汇集节点需要更大型的组网功能，使用32微ARM强大的处理能力和网络控制能力，就显得非常必要。本系统网络芯片选取配置有标准串行外设接口的网络控制器ENC28J60，它具有以下优势：具有可编程过滤功能；配置有10MbpsSPI接口，硬件设计更为简单；具有可编程双端口SRAM缓冲器，可减轻主控处理器的内存负荷，提升处理器速度。
表1主流zigbee无线通信处理器功耗表
型号 标准 工作功耗 工作功耗 内控制器
RX TX 挂起 掉电
CC2430 ZigBee04/06 27mA 25mA 0.9uA 0.6uA 8位C51
CC2530 ZigBee07/PRO 24mA 29mA 1uA 0.4uA 8位C51
MC13224 ZigBee07/PRO 22mA 29mA 0.8uA 0.3uA 32位ARM7
1.2系统结构
农业物联网蔬菜温室监控系统原理图，如图1所示。该系统由汇聚节点和子节点群（包括传感节点和调控节点），远程监控中心组成。其中汇聚节点主要由两部分组成：用于信息汇集的zigbee无线传输和数据处理MC13224处理器模块以及远程数据传输的网络控制模块ENC28J60。
图1系统原理图
2硬件设计
硬件设计部分主要是网络接口电路设计。本系统选取网卡芯片ENC28J60，它与主控芯片MC13224通过SPI进行连接，硬件接口电路比较简单。主控芯片MC13224，SPI总线可分别工作主/从站模式下，在本项目中MC13224的SPI工作设置为主站模式。由于MC13224的SPI接口与ENC28J60的接口都可以工作在3.3v，因而可直接把相对应的引脚相连。其中利用MC13224的GPIO3作为片选输出口，控制网络芯片的连接。具体连接如图2所示。
图2网络接口连接图
3软件设计
系统整个软件部分工作主要是μC/OS－II的移植和LwIP协议栈的移植以及应用程序编写。
3.1μC/OS-II的移植
将μC/OS-Ⅱ移植到MC13224（ARM7）处理器上，主要修改OS_CPU.H、OS_CPU_A.S、OS_CPU_C.C这三个与ARM处理器相关的文件。OS_CPU.H主要修改包含编译器相关的堆栈类型的定义、数据类型的定义、以及开关中断几个宏定义和函数说明；用OS_CPU_C.C主要实现任务堆栈的初始化函数OSTaskStkInit()；OS_CPU_A.S中的汇编语言函数，主要实现任务调度和任务切换几个汇编函数：OSstartHighRdy()、OSCtxSw()、OSIntetxsw()，OSTickISR()。
3.2LwIP协议栈的移植
LwIP的体系结构LwIP由TCP/IP协议的实现模块（IP、ICMP、UDP、TCP）以及相关的支持模块，这些支持模块包括操作系统模拟层、缓冲与内存管理模块、网络接口函数等。
LwIP协议栈的移植主要工作是实现网络接口函数以及修改LwIP的操作系统模拟层（sys_arch）。LwIP的操作系统模拟层提供了任务通信接口，移植主要工作修改任务通信接口。由于μC/OS-Ⅱ提供信号量和消息队列，因而只需对LwIP通信接口修改就可以。主要实现以下几个函数，分别是信号量操作函数，消息队列操作函数、临界保护函数、任务创建函数、任务销毁函数。
3.3应用程序
本项目研发的汇聚节点主要实现了以下功能：
1）接收来自各终端节点采集的温室的温度、湿度和光照强度等环境信息；
2）对采集通过高性能低功耗ARM处理器进行处理形成控制决策；
3）将控制指令通过无线网络下发到调控节点，控制加热器、灌溉机等设备改变温室环境；
4）汇聚节点发送环境信息到控制中心，并接收来自控制中心指令，以便用户通过Internet实现对系统的远程维护。
本项目的主要模块，如图3所示。
图3软件功能模块
4结束语
本文设计的基于MC13224+ENC28J60来构建无线传感网汇聚节点，具有高实时性和低功耗，安全性好，系统功能完善等优势，能够较好适应今后农业物联网发展的需要。本系统设计对嵌入式的远程测控具有一定借鉴意义。 |
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