基于ARM9的嵌入式Zigbee网关设计与实现

μC/OS-II模拟层相关代码编写；

●与μC/OS-II相关的一些结构和函数；

●lib_arch中库函数的实现；

●STR912网络驱动程序编写。

完成以上代码移植的工作后，LwIP就可以顺利运行在μC/OS-II下，主要通过以下程序完成LwIP的初始化及运行：

main（）{

OSInit()；//μC/OS-II初始化

OSTaskCreate(lwip_init_task,LineNo11,lwip_init_stk[TASK_STK_SIZE-1], 0)； //创建LwIP初始化任务

OSTaskCreate(usr_task,LineNo12,usr_stk[TASK_STK_SIZE-1],1)；//创建用户任务

OSStart()；//启动LwIP }

在main函数中创建了lwip_init_task来初始化LwIP任务（优先级为0）和usr_task用户任务（优先级为1）。需要指出的是，在lwip_init_task任务中除了完成初始化硬件时钟和LwIP本身等工作之外，还创建了tcpip_thread（优先级为5）和tcpecho_thread（优先级为6），其中tcpip_thread才是LwIP的主线程，也是应该先创建的。

3.2 μC/OS-II下的Zigbee协议栈的实现

我们在该网关平台上运行自主编写Zigbee协议栈的子集ez_PAN。ez_PAN目前还很不完善，只实现了Zigbee的部分关键功能，仅支持星型和簇状网络(Cluster)，支持网络的动态组网配置和动态绑定等。ez_PAN协议栈结构如图4所示：

图4 ez_PAN协议栈结构

下面给出ez_PAN 协议栈上的协调器（Coordinator）、路由器（Router）和精简节点（RFD）实现的关键代码。Coordinator通过aplFormNetwork()函数建立网络，等待其它节点（Router和RFD）的加入，主要程序如下：

Main（）

{

halInit()； //初始化 HAL 层

hawInit()；//硬件初始化

aplInit()； //初始化APL

ENABLE_GLOBAL_INTERRUPT()； //开中断

aplFormNetwork()； //建立网络

while(apsBusy)()) {apsFSM()；} //等待建立完成

while(1) {apsFSM()；} //循环执行协议栈

}

其中调用apsBusy()来判断当前协议栈是否忙于其它程序调用，apsFSM()是在APS层上实现的FSM(有限状态机)，被apsBusy周期调用来维持ez_PAN的运行。在Coordinator建立网络完成后，允许Router或RFD节点动态加入，关键代码实现如下：

do {

aplJoinNetwork()；//Router或RFD加入网络

while(apsBusy ()) { apsFSM()；} //等待加入完成

} while (aplGetStatus ()! =LRWPAN_SUCCESS)；

3.3 协议转换软件设计

在TCP/IP协议簇中，以太网的数据传输使用硬件地址(MAC)来进行识别，其中ARP（地址解析协议）完成IP地址和数据链路层使用的硬件地址之间的转换，因此为了保证Zigbee网关在以太网中的通信，首先要实现ARP协议的功能。Zigbee网络中的节点数理论上最多可达65536个，每个节点同样有自己唯一的MAC地址(64位长地址或16位短地址)。参考TCP/IP下的实现机制，我们实现了Zigbee协议中的适配层和ARP，实现IP地址到Zigbee节点地址的映射。协议转换的工作原理如图5所示，下面简单描述一下数据包在网关中从Ethernet向Zigbee单方向转换过程：Ethernet端从某网络接口接收一个正常发往本机的IP数据包，简单判断后向上发给对应的UDP或TCP处理函数进行相应处理，然后再向上发给网关应用程序处理；网关应用程序经过简单分析后，确定要转发给Zigbee网络中的哪个节点，通过Zigbee端的ARP解析出该节点在Zigbee网络中的MAC地址，然后将相应数据包成功交至该节点，这样就完成此次从Ethernet向Zigbee端的协议转换。Zigbee向Ethernet端转换类似，不再赘述。

图5 网关协议转换框图

4 结论

本文设计的网关已在我们的“基于Zigbee无线传感器网络的煤矿井下定位跟踪系统”项目中得以实用，取得了较好的效果。经测试该网关具有效率高、响应实时、可靠性高、功耗低，抗干扰能力强等特点，同时具有很好的通用性。由于当前Zigbee技术还在不断的更新和完善中，如何跟踪最新的Zigbee技术来提高网关的性能以及如何提高ez_PAN的多平台可移植性，将是我们以后研究的重点。

本文作者创新点：采用集成Ethernet (MAC)接口的ARM9芯片STR912作为核心扩展设计了一个Zigbee网关，它很好地克服了传统网关架构下Zigbee传输速率的瓶颈，大大降低了协议转换过程中的资源和处理时间消耗。该网关设计思路、技术实现新颖，具有较强的实用性。

参考文献

[1] Zigbee specification v1.1. Zigbee Alliance.http://www.zigbee.org,2006

[2] LwIP v1.2.0 source code. Leon Woestenberg.http://savannah.nongnu.org/projects/lwip/, 2006

[3] Patrick Kinney, Kinney Consulting LLC.Gateways: Beyond the Sensor Network .Zigbee Alliance, 2005

[4] http://www.ece.msstate.edu/~reese/msstatePAN/, 2006

[5] 赵晨,