摘要：以ARM9處理器S3C2410作為嵌入式Linux的系統開發和運行平臺，利用適合田間要求的無線ZigBee節點CC2430，在Linux內核中實現協調器的字符驅動，使其通過IO進行數據傳輸，避免了串口數據傳輸速率低、數據冗余性差、程序設計繁瑣等缺點。詳細介紹了該系統的設計和開發過程，包括網絡通信協議的選取，bootloader、內核、文件系統以及驅動程序的實現和移植。
農田中大范圍的環境信息監測已成為網絡應用范圍重點之一。針對農田布線不便的特點，ZigBee無線節點網絡成為農田信息采集系統的首選，可對其所分布區域內的各種環境和檢測對象的信息進行實時的監控[1]。然而，控制下層整個網絡狀態的核心是上位機ARM處理器，而且上位機與下位機通信大多以串口模式來實現[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]、數據冗余差(數據校驗)以及設計串口協議繁瑣(幀格式)等不足。因此本文研究了ZigBee在ARM9內核中的協調器字符驅動，利用I/O傳輸數據，控制具有協調器驅動的設備在農田任何位置即可組網，以減少協調器的布局，實現方便快捷的動態數據監測。
1 田間監測系統的要求
因監測節點需要零散分布在田間，以監測田間的空氣和地表的溫度，因此，田間監測系統所需要的技術指標應滿足：(1)低功耗。田間采電受到布線限制，因此節點模塊的耗電量應盡可能低。(2)低成本。田間需要大量布局節點，投資成本成為廣泛實施的制約因素。(3)低復雜度和高可靠性。田間節點開發設備應采用結構簡單、采集數據盡可能精確又廉價的設計。綜合上述特點，ZigBee可以作為田間無線協議首選。
ZigBee協議是基于IEEE802.15.4標準的低功耗、低速率、低復雜度的雙向通信技術。它可工作在國際上免授權的2.4GHz，具有250Kb/s的最高數據傳輸速率和10~75m的可靠傳輸距離。ZigBee支持星型、樹型、對等和混合型網絡拓撲結構，網絡中的從設備高達254個。根據如圖1所示的節點在網絡分布的特點，節點在網絡中可實現多條數據鏈路通信，以選擇最佳的路徑進行傳輸，提高了網絡通信的可靠性。
協調器是整個網絡的核心部分，負責完成整個網絡的無線接入和組建，是維持路由器和終端節點之間的數據通信的關鍵。在田間固定放置協調器節點會浪費大量的資源，若動態地測量田間任意位置的數據，把協調器作為移動設備動態地測量數據則是最好的選擇，并且可以減少田間協調器的放置，降低設計難度的成本。
2 嵌入式Linux驅動開發環境的搭建
Linux操作系統環境的搭建如圖2所示。
2.1 Bootloader的移植
Bootloader是操作系統內核運行之前運行的一小段程序，它為加載內核提供合適的硬件環境。Bootloader分成Stage1和Stage2兩個階段，具體實現框圖如圖3所示。
Stage1：主要由匯編實現，包括GPIO驅動、使開發板上電LED閃爍、關閉所有中斷、設置系統時鐘、關閉看門狗、SDRAM初始化、實現相應驅動(提供更大的執行空間)、NAND Flash初始化(驅動開發板上唯一的固態存儲掉電不消失設備)以及設置SP棧指針為Stage2中的C語言代碼執行做好準備。
Stage2：實現加電自搬移過程、串口調試信息、函數庫、shell命令等擴展功能。
2.2 內核的編譯和移植
本硬件移植2.6.27版本的Linux內核：(1)解壓縮tar xf linux-2.6.27.tar.bz2，進入該目錄。(2)移植平臺為ARM體系結構，修改Makefile中的ARCH？=arm CORSS_COMPILE？=arm-linux-(交叉編譯器的前綴)。(3)配置內核：make deconfig(清除原來編譯的config，如果是第一次配置可省略)；make menuconfig進入配置菜單，選擇硬件所需的驅動。大部分可選擇默認選項，但注意網卡驅動一定必選，硬件類型也要匹配。(4)編譯內核make bzImage在～/linux-2.6.27/arch/arm/boot/bzImage生成內核映像，通過tftp把bzImage燒到地址為0x30008000內存上，然后用nand erase kernel擦除kernel分區上的數據，最后用nand write 0x30008000把內存上的數據燒到Flash對應的kernel分區上。
2.3 根文件系統的移植
運行Linux操作系統，除了內核外還需要根文件系統。用mkdir創建rootfs文件夾，在其中創建根文件系統目錄并安裝busybox。busybox是專門為嵌入式系統設計的，它把大多數常用的命令(如ls，cp，cd，tar等)拼接在一起，在根文件系統中只有一個可執行文件/bin/busybox，其余都是busybox的鏈接。安裝busybox與安裝內核類似，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啟動文件、安裝glibc共享庫，在/dev目錄下創建設備文件，將主機系統時鐘拷貝到根文件系統中去，并配置網路和http相關配置文件。最后將文件系統配置成YAFFS文件系統，可直接對文件系統進行讀寫。設置開發板為NFS方式，啟用可以直接在主機上操作開發板的根文件系統并進行調試。
3 硬件設計及驅動實現
3.1 系統硬件設計
本系統平臺是采用ARM體系結構的S3C2410作為處理器，通過移植的字符設備驅動與ZigBee CC2430無線收發節點進行數據的傳輸。系統硬件框架圖如圖4所示。
CC2430是一個真正的片上系統(SoC)，以高性能和低功耗的8051為內核，專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用，它可以用很低的費用構成ZigBee節點。
現有的硬件是通過串口實現數據傳輸，數據傳輸的格式要按照串口通信協議的格式封裝，大量數據的傳輸還需要在串口通信格式的基礎上再進行設計封裝，不僅數據傳輸速度慢，而且容錯能力低。如果在內核中加入ZigBee的字符驅動則可省去數據發送時的封裝以及接收時需要解析的麻煩。
3.2 Linux設備驅動實現
Linux的輸入輸出設備分為字符設備、塊設備和網絡設備三類。字符設備是發送和接收都按照字符方式進行。塊設備則是傳輸固定大小的數據給設備。網絡設備則是通過BSD套接口訪問設備。驅動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module_init(zigbee_init)的實現代碼如下：
在不同的系統中，同一設備的設備號不盡相同，如果靜態設置設備號，則在換另外的平臺時，設備號有可能沖突，所以動態分配是最佳選擇。
(2)模塊驅動實現
注冊設備編號后要將設備驅動與之連接，因此必須用file_operation結構建立鏈接，并建立中斷通知相關數據。其實現代碼如下：
當上層應用調用驅動程序時，驅動程序需要完成以下功能：
①初始化設備。S3C2410與下層ZigBee CC2430連接管腳處于工作狀態，注冊并使能中斷。
②按照ZigBee協議規則構建數據包并發送給CC2430，實現不同控制命令，使芯片完成數據發送和狀態間的轉換。
③當下位機接收到的數據與協議包格式不符時，產生中斷，用戶須重新發送數據。
其實現代碼如下：
除實現以上函數外，還需要實現zigbee_relese(struct inode*inode，struct file*filp)，釋放程序運行中所有資源。
本文通過上位機處理器ARM9CS3C2410，設計了ZigBee內核字符驅動，輕松地實現了對下位機的控制，也方便了用戶的上層開發，提供了用戶與下位機數據傳輸的接口，避免了用串口進行數據傳輸時程序設計的繁瑣性。由于篇幅限制本文沒給出控制下層模塊命令的具體實現代碼。希望通過本文能促進ZigBee協調器驅動的進一步實現和研究。
參考文獻
[1] 楊帆，廖桂平，李錦衛，等．無線傳感器網絡在農田環境信息監測中的應用[J].農業網絡信息，2008(3)：20-23.
[2] 甘勇，王華，常亞軍，等.基于ARM平臺的ZigBee網關設計[J].通信技術，2009，42(1)：199-201.
[3] 魏守包，唐慧強．基于嵌入式ARM-uClinux的ZigBee網絡設計[J].儀表技術與傳感器，2009(1)：62-64.
[4] 包長春，石瑞珍，馬玉泉.基于ZigBee技術的農業設施測控系統的設計[J].農業工程學報，2007，23(8)：160~163.
