1、1分类号* S24 学校代码 10564UDC* 学 号 2006210007 密 级 学 位 论 文基于 ARM 的茶园 WSNs 旱情监测网关设计钟荣敏指导教师姓名 王卫星 教授申请学位级别 硕士 专业名称 农业电气化与自动化论文提交日期 2008 年 3 月 论文答辩日期 2008 年 5 月学院名称 工程学院 学位授予日期 2008 年 6 月答辩委员会主席 赵祚喜 教授韦 岗 教授洪添胜 教授评阅人2摘 要无线传感器网络技术（WSNs)的应用研究方兴未艾，深入到了包括农业在内的各个领域。通过 WSNs 在茶园建立旱情监测系统，将大大提高茶园集约化、自动化管理水平。而 WSNs 要真正
2、投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。本文提出了一种基于嵌入式系统茶园 WSNs 旱情监测系统网关设计方案。该方案采用基于 ARM920T 核心的三星 S3C2410X 嵌入式芯片的开发板，该开发板的外围电路主要包括存储器系统、串行通信接口、以太网接口、PCMCIA 接口和其他电路系统，并设计了 DB51 标准接口单元，为其他数据传输方式的添加预留了接口。通过建立交叉编译环境，Bootloader、Linux 内核和 JFFS2 文件系统的移植搭建软件平台，并完成了相关的设备驱动程序的移植，设计了应用软件实现利用串口通信实现对无线
3、传感器网络中汇聚节点数据的实时采集、处理、存储；利用有线以太网和无线通信网络作为数据信息的传输载体，向远程终端发送传感器网络的数据。该网关通过有线和无线数据传输方式结合的设计与实现，可以根据茶园的实际部署条件灵活采用选择经由以太网或者无线通信网络方式与远程终端或移动终端进行数据通信。保证了数据传输的灵活性、实时性、可靠性和适应性。关键词： WSNs 嵌入式 ARM 网关 Linux3AbstractThe Design Of WSNs Gateway Based On ARM For Drought Monitoring In Tea PlantationZhong Rongmin（Colle
4、ge of Engineering,South China Agricultural University,Guangzhou 510642，China）A WSNs gateway design scheme based on ARM is demonstrated in this dissertation. This scheme focuses on the development of wireless sensor networks, combining the features of wire and wireless communication network and embed
5、ded system technology, aiming at the remote data transmission of wireless sensor networks for drought monitoring in tea plantation.The new gateway adopts ARM920T micro controller S3C2410X as the kernel of hardware platform. Its peripheral circuits mainly include the storage system, serial communicat
6、ion interface, Ethernet interface, PCMCIA interface and other circuit systems, and provide serial-port extension unit and standard interface unit to be used for further linkage of other data transmission method. In this gateway, the Linux embedded operating system is selected to supervise each hardw
7、are and serve as the software platform. The application software of the gateway implemented the functions of the gateway including real time collecting, processing and storing of aggregation node data in wireless sensor networks through serial-port communication, utilizing Ethenet and wireless commu
8、nication network as carriers in transferring data information to transmit data of the sensor network to remote terminals.The design of this gateway not only has good extensibility, but also has compensated for the limitation of single data transmission method for present gateways and realized integr
9、ation of wired and wireless data transmission methord.Further, the efficiency of operating the gateway is improved by supervision of embedded operating system.Key words: wireless sensor networks embedded system gateway ARM Linux4目 录1 前言 .11.1 研究意义 .11.2 国内外研究现状 .21.2.1 WSNs 的农业应用 .21.2.2 网关国内外研究现状 .
10、31.3 问题的提出 .51.4 研究目的和内容 .62 WSNs 茶园旱情监测网关总体设计 .72.1 概述 .72.1.1 网关的定义 .72.1.2 嵌入式系统设计 .72.1.3 网关功能分析 .82.2 基于茶园旱情监测的 WSNs 网关特征 .92.3 网关设计概要 .102.3.1 处理器的选型 .102.3.2 操作系统选型 .122.3.3 网关系统的设计方案 .132.4 本章小结 .143 网关硬件平台 .153.1 系统 CPU 部分 .153.2 系统存储模块 .173.2.1 FLASH 存储器 .173.2.2 系统 SDRAM 部分 .173.2.3 SD 卡接
11、口电路 .183.3 网关远程接入接口 .183.3.1 以太网接口电路 .183.3.2 PCMCIA 接口电路 .193.4 系统本地连接接口 .203.4.1 USB 接口电路 .203.4.2 串口电路 .213.4.3 JTAG 接口电路 .213.5 电源模块 .213.6 汇聚节点接口设计 .223.7 GPRS 无线上网卡 aircard750 说明 .233.8 本章小结 .234 网关 Linux 平台的建立 .244.1 开发环境的建立 .244.2 Bootloader 的移植 .254.3 Linux 内核（kernel）的移植 .264.4 文件系统的生成 .284
12、.4.1 日志闪存文件系统版本 2-JFFS2 .2954.4.2 创建 JFFS2 文件系统 .294.5 系统驱动程序的实现 .304.5.1 设备驱动程序框架 .304.5.2 CS8900 驱动程序设计 .314.6 本章小结 .345 远程数据传输方式设计与实现 .355.1 网关与汇聚节点的通信实现 .355.1.1 Linux 下的串口通信 .355.1.2 汇聚节点数据帧 .375.1.3 汇聚节点数据读取与数据处理 .385.2 网关与远程终端数据传输的设计与实现 .405.2.1 以太网远程数据传输软件设计 .405.2.2 GPRS 数据通信实现 .435.3 本章小结
13、.486 试验与分析 .496.1 有线以太网远程数据传输试验 .506.1.1 网关连接试验 .506.1.2 网关接收汇聚节点数据试验 .516.1.3 远程数据传输试验 .536.2 GPRS 远程通信及可靠性分析 .546.2.1 GPRS 拨号连接试验 .546.2.2 GPRS 通信可靠性分析 .556.3 本章小结 .577 结论与讨论 .587.1 结论 .587.2 讨论与展望 .58参 考 文 献 .60致 谢 .64附录 A 部分实物照片 .65附录 B 内核移植前源代码修改部分 .66附录 C 部分程序的源代码 .67华南农业大学 .71学位论文原创性声明 .71学位论
14、文版权使用授权书 .7111 前言1.1 研究意义我国是一个水资源缺乏的国家。按人均水资源量计算，人均占有量只有2500m3，约为世界人均水量的1/4，在世界排110位，已被联合国列为13个贫水国家之一。另一方面，我国水资源的分步很不平衡（王颖杰，2006） 。有些地区的人均占有量甚至低于世界最贫水的国家埃及和以色列的水平。我国农业用水量约占总用水量的80% 左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍低下，就全国范围而言，水的利用率仅为45% ，而水资源利用率高的国家已达70%80%。灌溉系统自动化的水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由
15、传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理；采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长，实现现水管理的自动化。因而建立旱情监测系统，将为解决农业灌溉用水的问题提供科学依据，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。喝茶已经成为了全球健康生活的时尚，据资料显示，目前世界人均饮茶05kg；我国茶叶消费现状最新数字显示，2006年我国人均茶叶消费0.4 kg，即将接近世界消费茶叶水平（黄韩丹，2006） 。茶叶消费市场的潜力巨大，大面积种植茶树，发展茶产业，不失解决“三农”问题的重要思路。茶树多生长在山坡地，传统的茶树种植多“靠天吃饭” ，若在茶园建立旱情监测系统，实现灌溉系统自动化
16、控制，不仅可以提高水源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加茶叶的产量和品质，降低茶叶成本。近年来，无线传感器网络(WSNs)技术迅速兴起，成为国内外研究的热点。WSNs 利用放置于监测场景中的大量传感器节点，对监测对象进行协作化的信息感知和采集。传感器节点以无线方式将现场信息传输到作为网络数据中心的基站，由基站进行数据分析和处理，以得到准确的决策信息，并最终驱动特定的执行机构作业，从而实现对农田的精确化和智能化测控（孙亭，2006） 。通过构建不依赖于大量信号传输线和动力线的农业 WSNs 生态测控系统，既可实现对土壤水肥、作物生长和病虫灾害等信息的精确测量，为灌溉施肥、病虫防治和作物
17、收种等工作带来巨大方便，又可解决传统测控设施建设成本高、安装复杂、维护困难和影响作业环境等问题，同时大大提高设施农业的自动化控制和管理水平。21.2 国内外研究现状1.2.1 WSNs 的农业应用在传统农业中，人们获取农田信息的方式都很有限， 主要是通过人工测量， 获取过程需要消耗大量的人力，如通过使用无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响， 获取精确的作物环境和作物信息。近年来，国内外在农、林、牧业的信息传输方面进行了系统的研究。欧盟ISI启动了 Wirelesslnfo项（19982003） ，期望运用GSM/GPRS/HSDCS无线通信技术，建立先进农林管理多媒体服务系统；
18、Digital Sun 公司开发了无线传感器网络自动洒水系统， 传感器感应土壤的水分， 并在设定条件下与接收器通信， 控制灌溉系统的阀门打开、关闭， 从而达到自动节水灌溉的目的；澳大利亚的CSRIO ICT Center 将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等） 和外界环境进行监测， 避免了有线线路对动物生活的干扰， 研制成完善的草地放牧与动物模型（王殊，2007） ；韩国信息交通大学时嵌入式系统实验室用WSN搭建了自动农业系统（ Seong-eun Yoo，2007）如图1.1所示，该系统部署在韩国Dongbu Handong 种子研究中心的大白菜温室大棚，包括：用于
19、监测和控制温室环境的无线传感器网络节点，用于管理WSNs的管理子系统，已经用于访问管理子系统数据库的各种手持设备（如PDA） 。监测温室内作物生长状况和控制温室的环境。图1.1 韩国大白菜温室大棚传感器节点、网络系统结构国内在农业系统远程监控及农业信息化等方面获得了较快发展，目前主要研究成果有：无线传感器网络应用于农业环境监测的研究（骆凯等，2008；崔光照等，2007；黄伟等，2008；李海建等，2008） ；无线传感器网络在大棚蔬菜的应用（宋迪3等，2008；孙程光，2007） ；无线传感器网络在节水灌溉的应用（冯友兵等，2007；黄刘生等，2007；曾炼成等，2008） ；以及无线传感器
20、网络在草地放牧与动物模型的研究（王殊，2007） 。但未见茶园相关应用的报道。1.2.2 网关国内外研究现状及时获取感知区域内的信息并进行处理、转发等操作是无线传感器网络应用中的关键问题之一。网关在无线传感器网络中的的主要功能是：一是及时获取感知区域内的信息并进行处理，二是通过其他网络进行数据转发，如图 1.2。也可以在此基础上添加新的辅助功能，例如远程终端的控制功能，报警功能等。传统的无线传感器 sink 网关是利用汇聚节点与 PC 相结合来实现的，一般情况下，汇聚节点接收传感器节点发送的数据，通过有线方式(串口或 USB 电缆)与 PC 相连，后者完成数据的读取、转换、显示、转发等工作。其
21、中，转发功能是 PC 利用网卡接入外部网络来实现的。目前，国内外已有关于 WSNs 信息进行远距离传输的研究报道。图 1.2 WSNs 体系结构美国的 Crossbow 公司曾推出具有以太网通信功能的网关产品并得到应用。哈佛大学的科研人员曾经在位于厄瓜多尔境内的唐古拉瓦火山(voleanThngnrahua)附近部署了小范围的无线传感器网络，采集次声波信号并传送至网关，通过接入无线MODEM 将数据转发到 9 公里外火山监测站的 PC 上（Werner-Allen G，2005） 。 国内一些大学和科研机构也提出了有关解决方案。 尤著宏等（2005）针对无线传感器网络应用在青藏铁路沿线多年冻土
22、区典型段地温、变形监测方面的特殊要求, 设计了一种 WSN 网关节点。该节点基于 CC24314以及 C8051F320 的 USB 接口的软硬件设计与实现接收各传感器节点的数据并以有线的方式将数据传送给最终用户计算机。霍宏伟等（2006）提出了一种 IPv6 无线传感器网络以太网接入网关的设计，实现了基于嵌入式处理器 ATmega128、智能射频芯片 CC2420 以及网络控制芯片RTLS019 的接入网关设备。段渭军等（2007）针对无线传感器网络传统 Sink 网关的不足，提出了一种基于PDA 的移动 Sink 网关系统的设计与实现方案，重点讨论了 PDA 与 Sink 节点之间的连接，
23、PDA 与 Sink 节点、 PDA 与 GPS 接收机及 PDA 与控制终端之间通信的一些关键技术。匡兴红等（2007）提出一种基于 CC1010 的 RF 接口实现与无线传感器网络的通信基于 SIM100E 的 GPRS 接口实现了与互联网之间的 TCP/IP 连接的无线传感器网关，实现了与外部网络的可靠连接。张要伟等（2008）分析了网关在温室智能测控系统中的重要性,研究了网关的设计原则和器件选型,基于 PXA270 低功耗嵌入式处理器设计并实现了具有以太网、USB 主、 CF 等多扩展接口的网关硬件平台。此外,分析了引导加载程序的引导过程,并在自主设计的网关上实现了 Blob 的移植。
24、刘向文（2008）通过以太网控制芯片 RTL8019 与外部以太网络进行数据通信的无线传感器网络的网关底层驱动的实现方案，分析了接收模块和发送模块，阐述了驱动实现机制和方法。对网关进行了测试，验证了网关的信息处理和通信功能。江海峰等（2009)针对无线传感器网络在煤矿井下的推广和应用要求，用有线的方式实现无线传感器网络和井下主干网络以太网进行互联，网关解决方案基于嵌入式微处理器 S3C4510B 和嵌入式操作系统 VxWorks 实现。吴伟强等（2009）提出了基于 ARM 平台的 Zigbee 网关设计。本系统在 ARM9 STR912FW44X 处理器上移植 COS-操作系统和无线射频收发
25、模块 cc2430 搭建网关开发平台。它很好地克服了传统网关架构下 Zigbee 传输速率的瓶颈，降低了资源和处理时间消耗，提高实时处理能力。甘勇等（2009）针对如何将 Zigbee 网络与以太网紧密融合的问题，提出了一种基于 ARM 平台的 Zigbee 网关的设计方案。网关硬件选取集成以太网接口的 ARM9芯片 STR912 与 CC2430 无线模块为核心进行扩展设计；应用地址适配层及应用协议层的提出，使得网间地址、协议在应用层统一起来并很容易扩展到其他网络。该5网关设计方案的提出在满足网间数据交换高效性、透明性的同时也实现了易扩展性。综上所述，目前应用比较广泛、技术比较成熟的无线传感
26、器网络网关主要有以下几大类： 基于 Internet 的无线传感器网络网关使用 Intemet 的 WSNs 网关，人们从任何地点、任何时刻获取到数据的愿望成为现实。实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性等。基于 Intemet 的 WSNs 网关适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛。 基于无线通信的无线传感器网络网关对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线通信网络来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程数据传输方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。基于无
27、线通信的 WSNs 网关应用领域十分广泛，比如说森林火灾监测（陆志平，2006） 、军队指挥自动化建设（张来潮，2006）等均可以采用这种技术来实现。 利用公用电话网的无线传感器网络网关在通信不是很频繁、通信数量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可以租用共用电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现 WSNs 网关的远程数据传输。这种网关价格低廉、运行可靠、可以实时传输数据（李晶，2006） 。1.3 问题的提出通过 WSNs 在茶园建立旱情监测系统，将大大提高茶园集约化、自动化管理水平。WSNs 要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。一般情况下，传统 sink 网关通过汇聚节点与 PC 的这种工作方式成本高，开销大，实际应用时易受到工作环境的限制（段渭军，2007） 。茶园往往处于较偏僻地带，将汇聚节点与 PC 相结合作为外部网络接入设备具有较大难度。一个行之有效的解决方法是配置体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的嵌入式 WSNs 网关，由网关处理所获取的信息并进行转发工作。通过嵌入式操作系统进行管理操作，利用现有的公众网络( 如以太网、GPRS 或 CDMA 等)实现远程数据传输，与远程监控中心
