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摘 要：本文基于ARM11处理器S3C6410和Linux2.6嵌入式操作系统设计了停车指引系统无线Mesh网关，该网关集成了无线zigbee和无线Wifi通信，同时具有图形化网络组态的功能，提高了网关的性能和应用水平。
关键词：ARM11；zigbee；Wifi；图形化组态
中图分类号：TN929.5
ZigBee无线标准遵循802.15.4通信协议，运行该协议的微小的传感器只需要很少的能量并能够相互协调实现通信，这些传感器以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，因此Zigbee可以应用在近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信场合。Zigbee网络在复杂应用时采用Mesh结构，允许终端节点通过多跳和路由选择方式将数据传输至中心处理器，因此可以组成长距离、结构灵活的应用系统。
1 系统工作原理
无线Mesh网络的典型应用模式如图1所示，无线网关起到了与上层决策网络和下层监控网络的桥梁作用，不仅要管理、控制无线Zigbee节点的属性和行为，而且要将无线Mesh网络中的状态数据上传到上位机，同时要能够响应上位机的决策和命令，因此网关的功能是否强大决定了无线Mesh系统的性能与市场竞争力。
通用型无线Mesh网关，不仅提供更灵活的连接方式、更远的通信距离和更灵敏的信号质量，还可以兼容无线Mesh网络的多行业应用具有通用的硬件和软件接口，更具特色的是提供目前网关所不具备的性能：在应用现场可以由项目工程师而不再是研发工程师，对系统进行图形化网络组态及诊断和图形化控制策略开发。
2 Mesh网关硬件设计
本系统硬件电路分为核心板和信号板两个层次，核心板集成了以下资源：
CPU处理器为Samsung S3C6410A，ARM1176JZF-S核，主频533MHz，最高667Mhz；256M DDR RAM，2GB MLC（三星2代）FLASH存储， 掉电非易失；运行操作系统Linux2.6.38；
信号板上集成了以下硬件资源：WIFI模块基于Marvell 8686芯片（IEEE 802.11 B/G）；WIFI AP支持IEEE 802.11 B/G，传输率150Mbps；无线网关上安装Zigbee通信协调器，无线单元上安装Zigbee通信路由器，它们采用相同的硬件设计但由下载的固件来区分不同的功能。
3 Mesh网关软件设计
在设计Zigbee核心通信模块时预留一路TTL电平的RS232与行业应用无线节点进行通信，这样不管是智能家居厂家、仪器仪表厂家还是电力应用厂家都采用相同的232电平与Zigbee核心通信。在软件接口上与无线节点的通信采用标准Modbus RTU协议，而上位机与无线网关采用标准Modbus TCP协议。对无线节点的配置、数据采集和行为控制都可以抽象为对一段数据区域的IO读写，在网关软件中建立独立通信线程与多个无线节点依次进行数据交互，网关为Modbus RTU主站无线节点为从站，协议采用Modbus RTU中读写寄存器的功能码，每个节点的IO数据在网关内存中被分配一段数据空间。
同样需要建立单独通信线程来进行上位机与网关的数据交互：上位机在Modbus TCP通信中充当客户端，与充当服务器的网关建立Socket连接后，依靠Modbus TCP功能码访问不同无线节点的IO数据通信。Modbus RTU和Modbus TCP线程所共享的IO数据采用共享内存方式依赖互斥机制分时访问，
无线网关作为Zigbee网络的协调器以及Modbus RTU的主站，负责建立Zigee无线网络以及发现要加入网络的节点，同时要管理和诊断无线节点的工作状态，在用户利用网关建立网络时支持以图形化的方式对无线节点进行组态。本网关设计一套网络组态与在线诊断软件，软件运行在X86平台的Windows系统上，最終将配置好的网络组态通过以太网连接下载到运行Linux系统的网关上。
控制策略开发环境为用户提供基于Windows系统的软件，它允许用户在无线网关上直接设计和运行控制程序，这样将一般意义上的数据采集网关扩展为不仅可以采集还可以充当现场控制器，成为了完整意义上的无线传感网络控制器，相比单片机开发的控制器具有不可比拟的快速性，相比使用工业界的PLC方案则具有更强大的数据采集能力、成本优势和便携性。基于网络组态中建立的变量和丰富的运算模块以及图形化编程环境、用户设计完成控制策略后下载控制程序到网关中，之后可以在线监测程序的运行状态。借助网关与上位机之间的Modbus TCP通信，在上位机上可以基于工业组太软件如WinCC、iFix、三维力控等SCADA软件对所有无线节点进行监控，从而构成了完整的无线Mesh网络系统应用。
开发系统预先定义为能够将功能块图形式的控制程序编译成能够在Linux操作系统的控制器平台下运行的可执行程序。为了充分利用现有的第三方开源软件资源以简化控制器开发系统设计过程中控制程序编译链接方面的工作，采用了将功能块图预编译成C语言中间代码，再利用能在Windows平台上运行的第三方模拟环境下搭建的交叉编译工具链将C语言中间代码编译链接为能够在相应平台的Linux操作系统下直接运行的可执行代码的方法。
4 总结
本文采用ARM11处理器S3C6410和Linux2.6嵌入式操作系统设计了室内停车指引系统通用型无线Mesh网关，该网关集成了无线zigbee和无线Wifi通信，同时还可以通过图形化的网络组态软件对Zigbee网络进行组态，还可以将控制策略直接运行在网关，在安装空间紧凑、成本要求高的场合有应用推广的价值。
参考文献：
[1]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]马忠梅等.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3]刘卉.基于无线Mesh网络的路由量度研究和AODV协议改进[D].电子科技大学，2008.
[4]马杰.OPNET的无线Mesh路由模块扩展[D].西安电子科技大学，2008.
作者简介：刘帅（1992.9.10-），男，北京人，本科在读。
作者单位：北方工业大学机电工程学院自动化系，北京 100144
关键词：ARM11；zigbee；Wifi；图形化组态
中图分类号：TN929.5
ZigBee无线标准遵循802.15.4通信协议，运行该协议的微小的传感器只需要很少的能量并能够相互协调实现通信，这些传感器以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，因此Zigbee可以应用在近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信场合。Zigbee网络在复杂应用时采用Mesh结构，允许终端节点通过多跳和路由选择方式将数据传输至中心处理器，因此可以组成长距离、结构灵活的应用系统。
1 系统工作原理
无线Mesh网络的典型应用模式如图1所示，无线网关起到了与上层决策网络和下层监控网络的桥梁作用，不仅要管理、控制无线Zigbee节点的属性和行为，而且要将无线Mesh网络中的状态数据上传到上位机，同时要能够响应上位机的决策和命令，因此网关的功能是否强大决定了无线Mesh系统的性能与市场竞争力。
通用型无线Mesh网关，不仅提供更灵活的连接方式、更远的通信距离和更灵敏的信号质量，还可以兼容无线Mesh网络的多行业应用具有通用的硬件和软件接口，更具特色的是提供目前网关所不具备的性能：在应用现场可以由项目工程师而不再是研发工程师，对系统进行图形化网络组态及诊断和图形化控制策略开发。
2 Mesh网关硬件设计
本系统硬件电路分为核心板和信号板两个层次，核心板集成了以下资源：
CPU处理器为Samsung S3C6410A，ARM1176JZF-S核，主频533MHz，最高667Mhz；256M DDR RAM，2GB MLC（三星2代）FLASH存储， 掉电非易失；运行操作系统Linux2.6.38；
信号板上集成了以下硬件资源：WIFI模块基于Marvell 8686芯片（IEEE 802.11 B/G）；WIFI AP支持IEEE 802.11 B/G，传输率150Mbps；无线网关上安装Zigbee通信协调器，无线单元上安装Zigbee通信路由器，它们采用相同的硬件设计但由下载的固件来区分不同的功能。
3 Mesh网关软件设计
在设计Zigbee核心通信模块时预留一路TTL电平的RS232与行业应用无线节点进行通信，这样不管是智能家居厂家、仪器仪表厂家还是电力应用厂家都采用相同的232电平与Zigbee核心通信。在软件接口上与无线节点的通信采用标准Modbus RTU协议，而上位机与无线网关采用标准Modbus TCP协议。对无线节点的配置、数据采集和行为控制都可以抽象为对一段数据区域的IO读写，在网关软件中建立独立通信线程与多个无线节点依次进行数据交互，网关为Modbus RTU主站无线节点为从站，协议采用Modbus RTU中读写寄存器的功能码，每个节点的IO数据在网关内存中被分配一段数据空间。
同样需要建立单独通信线程来进行上位机与网关的数据交互：上位机在Modbus TCP通信中充当客户端，与充当服务器的网关建立Socket连接后，依靠Modbus TCP功能码访问不同无线节点的IO数据通信。Modbus RTU和Modbus TCP线程所共享的IO数据采用共享内存方式依赖互斥机制分时访问，
无线网关作为Zigbee网络的协调器以及Modbus RTU的主站，负责建立Zigee无线网络以及发现要加入网络的节点，同时要管理和诊断无线节点的工作状态，在用户利用网关建立网络时支持以图形化的方式对无线节点进行组态。本网关设计一套网络组态与在线诊断软件，软件运行在X86平台的Windows系统上，最終将配置好的网络组态通过以太网连接下载到运行Linux系统的网关上。
控制策略开发环境为用户提供基于Windows系统的软件，它允许用户在无线网关上直接设计和运行控制程序，这样将一般意义上的数据采集网关扩展为不仅可以采集还可以充当现场控制器，成为了完整意义上的无线传感网络控制器，相比单片机开发的控制器具有不可比拟的快速性，相比使用工业界的PLC方案则具有更强大的数据采集能力、成本优势和便携性。基于网络组态中建立的变量和丰富的运算模块以及图形化编程环境、用户设计完成控制策略后下载控制程序到网关中，之后可以在线监测程序的运行状态。借助网关与上位机之间的Modbus TCP通信，在上位机上可以基于工业组太软件如WinCC、iFix、三维力控等SCADA软件对所有无线节点进行监控，从而构成了完整的无线Mesh网络系统应用。
开发系统预先定义为能够将功能块图形式的控制程序编译成能够在Linux操作系统的控制器平台下运行的可执行程序。为了充分利用现有的第三方开源软件资源以简化控制器开发系统设计过程中控制程序编译链接方面的工作，采用了将功能块图预编译成C语言中间代码，再利用能在Windows平台上运行的第三方模拟环境下搭建的交叉编译工具链将C语言中间代码编译链接为能够在相应平台的Linux操作系统下直接运行的可执行代码的方法。
4 总结
本文采用ARM11处理器S3C6410和Linux2.6嵌入式操作系统设计了室内停车指引系统通用型无线Mesh网关，该网关集成了无线zigbee和无线Wifi通信，同时还可以通过图形化的网络组态软件对Zigbee网络进行组态，还可以将控制策略直接运行在网关，在安装空间紧凑、成本要求高的场合有应用推广的价值。
参考文献：
[1]杜春雷.ARM体系结构与编程[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]马忠梅等.ARM嵌入式处理器结构与应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[3]刘卉.基于无线Mesh网络的路由量度研究和AODV协议改进[D].电子科技大学，2008.
[4]马杰.OPNET的无线Mesh路由模块扩展[D].西安电子科技大学，2008.
作者简介：刘帅（1992.9.10-），男，北京人，本科在读。
作者单位：北方工业大学机电工程学院自动化系，北京 100144