环境监测系统物联网网关的设计与实现

周茜　王艳敏　单承刚

摘要：物联网网关在未来的物联网时代将会扮演非常重要的角色，它将成为连接感知网络与传统通信网络的纽带。该系统基于STM32F107+uC/OS-2构建物联网网关，通过串口与ZigBee协调器通信，获取ZigBee终端节点采集的传感数据并显示在uC/GUI界面上。ZigBee终端节点基CC2530+OSAL构建，采集外围环境温湿度、光照度及火焰数据汇聚于ZigBee协调器。上位机控制软件通过串口与STM32网关通信，可实时显示监测环境信息，并可反向控制各终端节点。网关运行良好，系统经过测试，可以较为准确稳定的测定周围环境信息，并可实现对火灾的预警和防控。

关键词：ZigBee协调器；路由器；STM32F107；Cortex网关

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）03-0284-02

物联网目前的应用已遍及智能交通、环境监测、智能家居、智能医疗等多个领域，它的三项基本技术分别为传感器技术、RFID技术以及嵌入式系统技术。随着物联网技术的普及，在互联网+技术的推动下，物联网对环境监测有了更加积极的作用。本文主要讲述的是物联网技术在环境监测及火灾防控方面的作用，环境监测系统是专门为森林环境监测、粮仓环境监测、智能楼宇环境监测等开发设计的智能控制系统。物联网技术应用到环境监测以后，既可以有效减少资源损失也可以降低因为火灾引起的人员伤亡。

本文主要针对环境监测系统的物联网网关的设计展开，从 STM32+uC/OS-2软硬件平台的搭建到uC/OS-2操作系统上应用程序的设计等，旨在实现一个基于ZigBee无线传输技术的网关设计，详细分析ZigBee协调器与Cortex网关的串口通信实现、网关对ZigBee数据包的分解、uC/GUI界面设计、uC/OS-2操作系统多任务的实现及网关对ZigBee节点的反控过程。

1 系统硬件平台

该环境监测系统是基于STM32F107芯片构建，运行uC/OS-2嵌入式操作系统。利用ZigBee技术组建无线传感器网络，实现对各个环境数据的监测和采集，汇总各监测节点的数据到协调器，经处理后显示在uC/GUI界面上，最后通过串口发送到上位机。

1.1 STM32F107微处理器

STM32F107芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。STM32F107连接线系列采用高性能的ARM Cortex-M3 32位处理器，高速嵌入式储器（快闪存储多达256个字节与64字节），所有设备提供通用16位定时器，以及标准和先进的通讯接口。

1.2 网关的硬件接口

1.2.1 网关与ZigBee协调器的硬件接口设计

Cortex-M3网关与ZigBee协调器模块通过串口实现通信，ZigBee协调器的串口0通过扩展插槽连接Cortex-M3网关的串口4。ZigBee协调器的硬件接口图如图2所示，CC2530的P0.2和P0.3是串口0的接收发送管脚。

1.2.2 LCD硬件接口设计

LCD采用128×64液晶显示屏，CC2530之间通信时采用串行接口，进行信息显示时需要进行LCD库函数的移植，在应用层调用库函数，以实现用户需要显示的信息。其中LCD_RS是Data与Command的切换信号，对LCD的控制IC初始化。LCD_WR的作用是写入数据。

2 系统软件设计

系统的软件平台基于uC/OS-2操作系统，uC/OS-2是一个可以基于ROM运行的、可裁剪的、抢占式、实时多任务内核、具有高度可移植性的实时操作系统。uC/OS-2可以视为一个多任务调度器，具体实现系统启动任务、网关对ZigBee协调器数据包的分解任务、触摸屏显示任务和蜂鸣器报警任务。

2.1 ZigBee协调器数据处理过程

路由器监测节点加入ZigBee网络后，采集环境数据发送至协调器，协调器封装监测节点的数据依次串口传输至Cortex-M3网关，同时协调器还可以接收网关发送的指令对监测节点进行反控。

2.2 网关对ZigBee协调器数据包的分解

网关对ZigBee协调器数据包接收通过UART4中断服务函数实现，在中断的处理函数中，把接收到的数据依次发送至上位机，同时每接收一个节点的10字节的数据就抛出消息邮箱。网关主程序端通过申请接收消息邮箱获取每个节点的环境数据，并显示在uC/GUI界面上。

2.3 网关主程序设计

网关主程序的设计围绕着系统硬件的初始化、GUI库的初始化、uC/GUI界面的显示、uC/OS-2多任务的处理来设计。网关uC/GUI界面能够显示每个监测节点的温湿度，火焰，光照等数据。超过设定温度报警数值，蜂鸣器报警。uC/GUI界面操作可以对ZigBee监测节点进行反控。

3 实验结果

ZigBee网络构建后，ZigBee节点加入该网络并进行数据传输。网关的ZigBee模块接收到数据后对其进行处理，并按照在ZigBee数据处理任务函数里边规定的输出方式进行输出，在网关uC/GUI界面上进行显示，并通过串口在上位机上显示。下图为环境监测系统的网关界面：

4 结束语

本文主要设计一个基于ZigBee技术的无线环境监测系统。该系统监测节点采用CC2530单片机作为MCU，并且结合ZigBee协议架构进行编程设计，来构建ZigBee传感器监测节点。实现基于CC2530的传感器数据采集系统设计，并在IAR集成开发环境中进行基于ZigBee架构的编程，节点模块的调试。实验过程中各方面运行良好，且成本较低，可以实现在智能楼宇、森林火情、粮仓环境等领域中的环境监测。

参考文献：

[1] JSLee，YC Huang. ITRI ZBnode： A ZigBee/IEEE 802.15.4 Platfrom for Wireless Sensor Networks.

[2] 韩敬海，倪建城.Cortex-M3开发技术及实践[M]西安电子科技大学出版社，2014.1.

[3] 韩敬海，吴明君.ZigBee开发技术及实践[M]西安电子科技大学出版社，2014.1.

[4] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M] 北京：北京航空航天大学出版社，1993：594-599.

[5] 廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[6] 奥尔斯.物联网创新实验系统[J].嵌入式网关，2011（4）：14.

[7] 周相兵，马洪江，苗放.一种基于云计算的旅游云构架模式研究[J].重庆师范大学学报（自然科学版），2013，30（12）：79-86.

[8] 黄书强，王高才，单志广，玉辉，李阳，陈庆麟.智慧城市中无线网络节点部署优化方案研究[J].计算机研究与发展，2014，51（2）：278-289.

[9] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2014.2.