摘  要： 以ARM9處理器S3C2410作為嵌入式Linux的系統(tǒng)開發(fā)和運(yùn)行平臺(tái)，利用適合田間要求的無(wú)線ZigBee節(jié)點(diǎn)CC2430，在Linux內(nèi)核中實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器的字符驅(qū)動(dòng)，使其通過(guò)IO進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免了串口數(shù)據(jù)傳輸速率低、數(shù)據(jù)冗余性差、程序設(shè)計(jì)繁瑣等缺點(diǎn)。詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)過(guò)程，包括網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的選取，bootloader、內(nèi)核、文件系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)和移植。
關(guān)鍵詞： ZigBee；ARM9；CC2430；內(nèi)核；移植；驅(qū)動(dòng)

　農(nóng)田中大范圍的環(huán)境信息監(jiān)測(cè)已成為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用范圍重點(diǎn)之一。針對(duì)農(nóng)田布線不便的特點(diǎn)，ZigBee無(wú)線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)成為農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的首選，可對(duì)其所分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境和檢測(cè)對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控[1]。然而，控制下層整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的核心是上位機(jī)ARM處理器，而且上位機(jī)與下位機(jī)通信大多以串口模式來(lái)實(shí)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(yàn))以及設(shè)計(jì)串口協(xié)議繁瑣(幀格式)等不足。因此本文研究了ZigBee在ARM9內(nèi)核中的協(xié)調(diào)器字符驅(qū)動(dòng)，利用I/O傳輸數(shù)據(jù)，控制具有協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)的設(shè)備在農(nóng)田任何位置即可組網(wǎng)，以減少協(xié)調(diào)器的布局，實(shí)現(xiàn)方便快捷的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)。
1 田間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的要求
　因監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)需要零散分布在田間，以監(jiān)測(cè)田間的空氣和地表的溫度，因此，田間監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需要的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：(1)低功耗。田間采電受到布線限制，因此節(jié)點(diǎn)模塊的耗電量應(yīng)盡可能低。(2)低成本。田間需要大量布局節(jié)點(diǎn)，投資成本成為廣泛實(shí)施的制約因素。(3)低復(fù)雜度和高可靠性。田間節(jié)點(diǎn)開發(fā)設(shè)備應(yīng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、采集數(shù)據(jù)盡可能精確又廉價(jià)的設(shè)計(jì)。綜合上述特點(diǎn)，ZigBee可以作為田間無(wú)線協(xié)議首選。
　ZigBee協(xié)議是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗、低速率、低復(fù)雜度的雙向通信技術(shù)。它可工作在國(guó)際上免授權(quán)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(duì)等和混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的從設(shè)備高達(dá)254個(gè)。根據(jù)如圖1所示的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)分布的特點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中可實(shí)現(xiàn)多條數(shù)據(jù)鏈路通信，以選擇最佳的路徑進(jìn)行傳輸，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

　協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心部分，負(fù)責(zé)完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線接入和組建，是維持路由器和終端節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信的關(guān)鍵。在田間固定放置協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)浪費(fèi)大量的資源，若動(dòng)態(tài)地測(cè)量田間任意位置的數(shù)據(jù)，把協(xié)調(diào)器作為移動(dòng)設(shè)備動(dòng)態(tài)地測(cè)量數(shù)據(jù)則是最好的選擇，并且可以減少田間協(xié)調(diào)器的放置，降低設(shè)計(jì)難度的成本。
2 嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)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(nèi)核運(yùn)行之前運(yùn)行的一小段程序，它為加載內(nèi)核提供合適的硬件環(huán)境。Bootloader分成Stage1和Stage2兩個(gè)階段，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

　Stage1：主要由匯編實(shí)現(xiàn)，包括GPIO驅(qū)動(dòng)、使開發(fā)板上電LED閃爍、關(guān)閉所有中斷、設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘、關(guān)閉看門狗、SDRAM初始化、實(shí)現(xiàn)相應(yīng)驅(qū)動(dòng)(提供更大的執(zhí)行空間)、NAND Flash初始化(驅(qū)動(dòng)開發(fā)板上唯一的固態(tài)存儲(chǔ)掉電不消失設(shè)備)以及設(shè)置SP棧指針為Stage2中的C語(yǔ)言代碼執(zhí)行做好準(zhǔn)備。
Stage2：實(shí)現(xiàn)加電自搬移過(guò)程、串口調(diào)試信息、函數(shù)庫(kù)、shell命令等擴(kuò)展功能。
2.2 內(nèi)核的編譯和移植
　本硬件移植2.6.27版本的Linux內(nèi)核：(1)解壓縮tar xf linux-2.6.27.tar.bz2，進(jìn)入該目錄。(2)移植平臺(tái)為ARM體系結(jié)構(gòu)，修改Makefile中的ARCH？=arm CORSS_COMPILE？=arm-linux-(交叉編譯器的前綴)。(3)配置內(nèi)核：make deconfig(清除原來(lái)編譯的config，如果是第一次配置可省略)；make menuconfig進(jìn)入配置菜單，選擇硬件所需的驅(qū)動(dòng)。大部分可選擇默認(rèn)選項(xiàng)，但注意網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)一定必選，硬件類型也要匹配。(4)編譯內(nèi)核make bzImage在～/linux-2.6.27/arch/arm/boot/bzImage生成內(nèi)核映像，通過(guò)tftp把bzImage燒到地址為0x30008000內(nèi)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(nèi)存上的數(shù)據(jù)燒到Flash對(duì)應(yīng)的kernel分區(qū)上。
2.3 根文件系統(tǒng)的移植
　運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)，除了內(nèi)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(shè)計(jì)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(gè)可執(zhí)行文件/bin/busybox，其余都是busybox的鏈接。安裝busybox與安裝內(nèi)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(shè)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(dòng)文件、安裝glibc共享庫(kù)，在/dev目錄下創(chuàng)建設(shè)備文件，將主機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘拷貝到根文件系統(tǒng)中去，并配置網(wǎng)路和http相關(guān)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(duì)文件系統(tǒng)進(jìn)行讀寫。設(shè)置開發(fā)板為NFS方式，啟用可以直接在主機(jī)上操作開發(fā)板的根文件系統(tǒng)并進(jìn)行調(diào)試。
3 硬件設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　本系統(tǒng)平臺(tái)是采用ARM體系結(jié)構(gòu)的S3C2410作為處理器，通過(guò)移植的字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)與ZigBee CC2430無(wú)線收發(fā)節(jié)點(diǎn)進(jìn)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(gè)真正的片上系統(tǒng)(SoC)，以高性能和低功耗的8051為內(nèi)核，專門針對(duì)IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用，它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成ZigBee節(jié)點(diǎn)。
    現(xiàn)有的硬件是通過(guò)串口實(shí)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(chǔ)上再進(jìn)行設(shè)計(jì)封裝，不僅數(shù)據(jù)傳輸速度慢，而且容錯(cuò)能力低。如果在內(nèi)核中加入ZigBee的字符驅(qū)動(dòng)則可省去數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)的封裝以及接收時(shí)需要解析的麻煩。
3.2 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
　Linux的輸入輸出設(shè)備分為字符設(shè)備、塊設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備三類。字符設(shè)備是發(fā)送和接收都按照字符方式進(jìn)行。塊設(shè)備則是傳輸固定大小的數(shù)據(jù)給設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備則是通過(guò)BSD套接口訪問(wèn)設(shè)備。驅(qū)動(dòng)程序一般以模塊方式編寫，加載和卸載主要由module_init()和module_exit()完成[2]。
　(1)模塊加載和卸載
　模塊需要入口函數(shù)module_init(zigbee_init)的實(shí)現(xiàn)代碼如下：
int __init zigbee_init(void)
{
        if(zigbee_major){
        　　dev=MKDEV(zigbee_major，zigbee_minor)；
        　　result=register_chrdev_region(ev，1，“zigbee”)；
        　　}else{
        　　result=alloc_chrdev_region(&dev，zigbee_minor，1，
 “zigbee”)；
        　　……
        　　zigbee_major=MAJOR(dev)；
        　　……
        　　}
        　　cdev=cdev_alloc()；
        　　cdev->ops=&zigbee_fops；
        　　rc=cdev_add(cdev，dev，1)；
        　　……；
        　　return 0
}
module_exit(zigbee_exit)
{
        cdev_dev(cdev)；
        return 0
}
　在不同的系統(tǒng)中，同一設(shè)備的設(shè)備號(hào)不盡相同，如果靜態(tài)設(shè)置設(shè)備號(hào)，則在換另外的平臺(tái)時(shí)，設(shè)備號(hào)有可能沖突，所以動(dòng)態(tài)分配是最佳選擇。
　(2)模塊驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)
　注冊(cè)設(shè)備編號(hào)后要將設(shè)備驅(qū)動(dòng)與之連接，因此必須用file_operation結(jié)構(gòu)建立鏈接，并建立中斷通知相關(guān)數(shù)據(jù)。其實(shí)現(xiàn)代碼如下：
Struct file_operation zigbee_fops={
        .owner=THIS_MODULE，
        .open=zigbee_open，
        .read=zigbee_read，
        .write=zigbee_write，
        .ioctl=.zigbee_ioctl，
        .relese=zigbee_release，
}
　當(dāng)上層應(yīng)用調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，驅(qū)動(dòng)程序需要完成以下功能：
　①初始化設(shè)備。S3C2410與下層ZigBee CC2430連接管腳處于工作狀態(tài)，注冊(cè)并使能中斷。
?、诎凑語(yǔ)igBee協(xié)議規(guī)則構(gòu)建數(shù)據(jù)包并發(fā)送給CC2430，實(shí)現(xiàn)不同控制命令，使芯片完成數(shù)據(jù)發(fā)送和狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換。
?、郛?dāng)下位機(jī)接收到的數(shù)據(jù)與協(xié)議包格式不符時(shí)，產(chǎn)生中斷，用戶須重新發(fā)送數(shù)據(jù)。
　其實(shí)現(xiàn)代碼如下：
Int zigbee_open(struct inode *inode， struct file *filp)
{
        Rc=request_irq(IRQ_EINT0，zigbee_interrupt， SA_INTERRUPT，“zigbee”，NULL)；
        Enable_irq()；
        …
        Set_io()； //初始化I/O
        …
}
　用戶發(fā)送數(shù)據(jù)通過(guò)ssize_t zigbee_write(struct file *filp，const char __usr *buf， ssize_t count，loff_t *f_ops)傳到內(nèi)核空間，然后調(diào)用構(gòu)建數(shù)據(jù)包函數(shù)把數(shù)據(jù)打包發(fā)送出去。
　用戶控制下層命令，實(shí)現(xiàn)代碼如下：
int zigbee_ioctl(struct inode *inode， struct file *filp， unsigned int cmd， unsigned long arg)
{
        Switch(cmd)
        Case A：
            Set_state()； //設(shè)置設(shè)備類型
        Case B：
            Set_restart()；
        Case C：
            Set_start()；
        Case D：
            Set_printf()；//輸出網(wǎng)絡(luò)地址信息
}
Static zigbee_interrupt(int irq， void *dev_id)
{
        Flag=1；
        Set_restart()；
        Outb(&buf， &add)；
        Return IRQ_HANDLED；
}
　除實(shí)現(xiàn)以上函數(shù)外，還需要實(shí)現(xiàn)zigbee_relese(struct inode*inode， struct file*filp)，釋放程序運(yùn)行中所有資源。
　本文通過(guò)上位機(jī)處理器ARM9CS3C2410，設(shè)計(jì)了ZigBee內(nèi)核字符驅(qū)動(dòng)，輕松地實(shí)現(xiàn)了對(duì)下位機(jī)的控制，也方便了用戶的上層開發(fā)，提供了用戶與下位機(jī)數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌?，避免了用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)程序設(shè)計(jì)的繁瑣性。由于篇幅限制本文沒(méi)給出控制下層模塊命令的具體實(shí)現(xiàn)代碼。希望通過(guò)本文能促進(jìn)ZigBee協(xié)調(diào)器驅(qū)動(dòng)的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊帆，廖桂平，李錦衛(wèi)，等．無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2008(3)：20-23.
[2] 甘勇，王華，常亞軍，等.基于ARM平臺(tái)的ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2009，42(1)：199-201.
[3] 魏守包，唐慧強(qiáng)．基于嵌入式ARM-uClinux的ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(1)：62-64.
[4] 包長(zhǎng)春，石瑞珍，馬玉泉.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23(8)：160~163.