黃俊杰　王汝傳　沙　超

摘要:網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)(如移動(dòng)通信網(wǎng)、電信網(wǎng)等)互聯(lián)互通的重要設(shè)備。文章設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2420芯片的網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信,并利用無(wú)線網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備與無(wú)線局域網(wǎng)的連接,克服了網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)備布置的局限性,擴(kuò)大了網(wǎng)關(guān)設(shè)備和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);網(wǎng)關(guān);無(wú)線接入

Abstract: Gateway is an important equipment for realizing the interconnection between Wireless Sensor Networks (WSNs) and other infrastructure networks (such as mobile communication networks, telecommunication networks, etc). This paper designs and implements a kind of gateway for WSN, which communicates with WSN by using of CC2420 chip. The gateway connects with external networks wirelessly using WLAN module and overcomes the limitations of hardware deployment, as well as expands the application scope of gateway equipment for WSN.

Key words: wireless sensor network; gateway; wireless access

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)在農(nóng)業(yè)、軍事、用以及工商業(yè)方面都具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而,在實(shí)際應(yīng)用中的WSN并不能以一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)形式存在。網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到上層服務(wù)器進(jìn)行分析、處理,同時(shí)上層服務(wù)器端Internet對(duì)網(wǎng)絡(luò)的WWW服務(wù)、文件傳輸協(xié)議(FTP)服務(wù)等需要將相關(guān)命令下發(fā)到WSN中的節(jié)點(diǎn),且不同類(lèi)型的WSN節(jié)點(diǎn)間也需要通信共享信息。這都需要WSN實(shí)現(xiàn)與不同類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)[3]。

ZigBee在IEEE802.15.4的基礎(chǔ)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和應(yīng)用編程接口(API)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,成為應(yīng)用于無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制的全球性無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn),無(wú)疑是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的首選技術(shù)之一[4]。隨著基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用,如何通過(guò)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如無(wú)線局域網(wǎng)、Internet、GPRS等)對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程管理,控制感測(cè)環(huán)境中的各種傳感裝置,逐漸成為該領(lǐng)域的重要研究課題[5-6]。圖1給出了基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。

圖1中,傳感器節(jié)點(diǎn)采集感知區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù),進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn);網(wǎng)關(guān)讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息,如傳感器節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、加速度、坐標(biāo)等;接著通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器、不同網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)路由器、全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)處理等重要角色,成為網(wǎng)絡(luò)間連接的不可缺少的紐帶。因此設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)[7]。

1 網(wǎng)關(guān)接入方式的比較分析

理論上說(shuō),網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以采用任意網(wǎng)絡(luò)技術(shù)接入外部網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心建立連接。美國(guó)的Crossbow公司曾推出具有以太網(wǎng)通信功能的匯聚節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品并得到應(yīng)用。哈佛大學(xué)的科研人員在位于厄瓜多爾境內(nèi)的唐古拉瓦火山附近部署了小范圍的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò),采集次聲波信號(hào)并傳送至匯聚節(jié)點(diǎn),通過(guò)接入無(wú)線調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到9 km外火山監(jiān)測(cè)站的一臺(tái)PC上[8]。中國(guó)一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)也提出了有關(guān)解決方案,比較典型的是基于有線通信方式的以太網(wǎng)[9]和無(wú)線通信方式的GPRS[10]、CDMA等WSN網(wǎng)關(guān)。但在實(shí)際應(yīng)用中,選擇網(wǎng)關(guān)的接入方式時(shí),首先應(yīng)該考慮的是WSN的應(yīng)用環(huán)境所能提供的可能的網(wǎng)絡(luò)接入方式。其次,與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比,WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小。因而,在考慮網(wǎng)關(guān)與外部網(wǎng)絡(luò)的連接方式時(shí),上行數(shù)據(jù)率是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的成本及集成度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。通過(guò)有線方式接入到其他網(wǎng)絡(luò),給硬件設(shè)備的布置帶來(lái)了許多不便,大大局限了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用。GPRS接入方式上行數(shù)據(jù)率較低。綜合考慮以上因素,WLAN網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和設(shè)備性價(jià)比上都有優(yōu)勢(shì),因此,本文設(shè)計(jì)的無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備通過(guò)USB2.0接口加載無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)備,選用WLAN作為網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心的空中接口,克服了硬件設(shè)備布置的局限性,大大擴(kuò)展了網(wǎng)關(guān)設(shè)備的應(yīng)用范圍。表1為幾種接入方式在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)率和集成難度的比較。

2 網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)方案

2.1 系統(tǒng)概述

網(wǎng)關(guān)的功能包括兩個(gè)方面:一是通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)獲取的信息并進(jìn)行轉(zhuǎn)換,二是與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。本文設(shè)計(jì)的WSN網(wǎng)關(guān)采用嵌入式系統(tǒng),由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序等組成,網(wǎng)關(guān)的硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.2 硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)

嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備由核心板、底板和通信模塊組成,核心板上集成Atmel AT91RM9200處理器,64M SDRAM存儲(chǔ)器以及16M的Flash存儲(chǔ)器。AT91ARM9200微處理器芯片具有工業(yè)級(jí)200M IPSARM920T內(nèi)核、16字節(jié)的指令和16 kbyte的數(shù)據(jù)高速緩存的處理器,內(nèi)部有128 kbyte的只讀存儲(chǔ)器,外部總線包括SDRAM接口、Burst Flash接口和SRAM控制器、USB設(shè)備和主控制器接口、10/100M以太網(wǎng)接口、電源管理器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、系統(tǒng)時(shí)鐘、同步串行控制器、6通道的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4通道的USART、兩線制接口(I2C)、SPI接口、多媒體卡接口和GPIO等。AT91ARM9200微處理器芯片是一個(gè)多用途的通用芯片,內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件,具有很高的性價(jià)比,特別適用于工業(yè)控制領(lǐng)域。

網(wǎng)關(guān)設(shè)備底板上提供以下外設(shè)接口:一個(gè)USB2.0接口、一個(gè)6×2雙排插針和一個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。外圍硬件接口的選擇將決定整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)何種方式接入網(wǎng)絡(luò)。

通信模塊采用的是CC2420芯片,挪威半導(dǎo)體公司Chipcon推出的CC2420是全球首顆符合Zigbee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻芯片,支持250 kbit/s數(shù)據(jù)傳輸率。該公司還提供開(kāi)發(fā)工具套件,通過(guò)該套件用戶可很快地進(jìn)行Zigbee網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估和設(shè)計(jì),該套件包括一個(gè)基于CC2420的內(nèi)嵌Z-Stacktm Zigbee協(xié)議棧的硬件模塊。軟件包括用于首次定制的Z-Stacktm Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置器、用于建立用戶自己應(yīng)用程序框架的Z-Stacktm Zigbee Porfile Builder以及為方便網(wǎng)絡(luò)調(diào)度而提供的Z-Tooltm Zigbee Protocol Stack Trace工具。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)通過(guò)6×2雙排插針外接CC2420通信模塊,實(shí)現(xiàn)與WSN的數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)關(guān)實(shí)物圖如圖3所示。

2.3 與外部網(wǎng)絡(luò)連接接口的設(shè)計(jì)

WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵功能就是實(shí)現(xiàn)與Internet的互聯(lián)。實(shí)現(xiàn)WSN通信協(xié)議與當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)間協(xié)議(TCP/IP)的轉(zhuǎn)換。WSN網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)互聯(lián)通常采用如下3種方式進(jìn)行[11]:

(1)在WSN與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置一個(gè)服務(wù)代理,代理既可以與WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信,同時(shí)也可以與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)上的主機(jī)進(jìn)行通信。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)正是充當(dāng)此代理的作用。

(2)在WSN與TCP/IP網(wǎng)絡(luò)間采用一種時(shí)延自適應(yīng)網(wǎng)(DTN)結(jié)構(gòu),能可靠地運(yùn)行在異常惡劣的環(huán)境中。

(3)由于WSN的網(wǎng)絡(luò)特性,從節(jié)點(diǎn)省能以及容量有限的角度,WSN可以運(yùn)行簡(jiǎn)化的TCP/IP內(nèi)核。事實(shí)證明此種方式同樣行之有效,當(dāng)然需要解決許多挑戰(zhàn)性問(wèn)題。

實(shí)際的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)可以分別基于上述3種結(jié)構(gòu)或者采用3種方式中的結(jié)合。本文通過(guò)加載無(wú)線網(wǎng)卡模塊,以無(wú)線的方式接入外部網(wǎng)絡(luò)。這需要為網(wǎng)關(guān)設(shè)備的嵌入式Linux系統(tǒng)加載無(wú)線模塊內(nèi)核,并移植無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)到嵌入式Linux系統(tǒng)中。步驟如下:

(1)修改Wireless_tools.29.tar.gz工具包的Makefile文件,使其編譯時(shí)采用交叉編譯,生成適合嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備的文件。

(2)順序執(zhí)行Make,make install命令,進(jìn)行編譯及安裝。

(3)用網(wǎng)線將網(wǎng)關(guān)設(shè)備與PC機(jī)連接起來(lái),用Mount命令將PC Linux系統(tǒng)掛載到網(wǎng)關(guān)Linux系統(tǒng)下,并將wireless/sbin目錄及wireless/lib目錄下的內(nèi)容分別復(fù)制到網(wǎng)關(guān)Linux系統(tǒng)下的/sbin和/lib目錄。

(4)下載最新版本的無(wú)線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng),修改其Makefile文件,使其編譯時(shí)采用交叉編譯,生成適合嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備的文件。

(5)在嵌入式Linux系統(tǒng)中,在/etc目錄下新建目錄Wireless/RT73STA。

(6)執(zhí)行make all指令,將生成的rt73.ko、rt73.bin、rt73sta.dat文件拷貝至Wireless/RT73STA目錄下。

(7)在網(wǎng)關(guān)設(shè)備終端下執(zhí)行dos2unix/etc/Wireless/RT73STA/rt73sta.dat命令,實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。

(8)執(zhí)行insmod命令加載rt73.ko,再用ifconfig、iwconfig等命令設(shè)置網(wǎng)關(guān)IP地址等內(nèi)容。

2.4 協(xié)議模塊的設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)ZigBee射頻獲取來(lái)自無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的多元化采集信息(包括一般環(huán)境傳感信息、多媒體傳感信息等),并逐漸通過(guò)自下而上各協(xié)議層次的規(guī)范化數(shù)據(jù)解析。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件與支撐軟件根據(jù)其接入網(wǎng)絡(luò)或服務(wù)對(duì)象的業(yè)務(wù)與數(shù)據(jù)需求,并根據(jù)傳感數(shù)據(jù)的自身特性,開(kāi)展處理、分析、融合與提取,得到滿足條件的多類(lèi)型傳感信息,并提供給建立于系統(tǒng)軟件之上的TCP/IP協(xié)議體系,作為其初始業(yè)務(wù)源。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將按照該協(xié)議的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn),完成業(yè)務(wù)類(lèi)型確定、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作,由無(wú)線網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)最終的接入功能[12]。 嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件部分由3個(gè)模塊組成:利用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)ZigBee協(xié)調(diào)器功能的模塊,實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)嵌入式TCP/IP協(xié)議的功能模塊,將ZigBee報(bào)文轉(zhuǎn)化為無(wú)線局域網(wǎng)報(bào)文模塊[13]。

在分析控制系統(tǒng)、Z-Stack以及TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文提出了網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與IEEE802.15.4/ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次、網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與Internet網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議層次的應(yīng)用模型[14-15]。該通信協(xié)議的網(wǎng)關(guān)層次體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

本文測(cè)試系統(tǒng)包括:測(cè)試PC機(jī)一臺(tái)(作為接入網(wǎng)絡(luò)下的信息接收終端),傳感器節(jié)點(diǎn)8個(gè),網(wǎng)關(guān)設(shè)備一個(gè)和無(wú)線路由器一個(gè)。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖5所示。

各傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳的方式將采集的數(shù)據(jù)打包向嵌入式網(wǎng)關(guān)傳輸,網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)包后進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)幀封裝等一系列操作并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡模塊將重新封裝好的數(shù)據(jù)包發(fā)送給無(wú)線路由器。無(wú)線路由器再通過(guò)WLAN將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給測(cè)試PC機(jī)。采集的數(shù)據(jù)包括溫度、濕度和光感強(qiáng)度。

測(cè)試PC機(jī)ping通網(wǎng)關(guān)的具體過(guò)程如下:

(1)當(dāng)測(cè)試PC機(jī)運(yùn)行Ping命令時(shí),首先以廣播形式發(fā)送地址解析協(xié)議(ARP)報(bào)文,查找目的IP的物理地址。

(2)當(dāng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)接收到ARP命令并且判斷目的IP與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的IP相同時(shí),發(fā)送ARP應(yīng)答報(bào)文給相應(yīng)測(cè)試PC機(jī)。

(3)測(cè)試PC機(jī)收到應(yīng)答報(bào)文之后,以網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的物理地址為目的地址,發(fā)送網(wǎng)間控制報(bào)文協(xié)議(ICMP)請(qǐng)求命令,網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)收到ICMP請(qǐng)求命令之后,以ICMP應(yīng)答命令回復(fù),總共持續(xù)4次。

圖6顯示了測(cè)試PC機(jī)上顯示的實(shí)時(shí)溫度、濕度及光感強(qiáng)度的數(shù)值查詢結(jié)果。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的采樣間隔為5 s,工作頻率為2 483.5 MHz。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在對(duì)比了多種網(wǎng)關(guān)接入方式之后,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種面向WLAN的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)利用無(wú)線網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)了傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線互聯(lián)。與傳統(tǒng)的通過(guò)有線方式接入以太網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)相比,本網(wǎng)關(guān)克服了硬件設(shè)備布施的局限性,與GPRS、CDMA等網(wǎng)關(guān)相比,本網(wǎng)關(guān)在上行速率、集成成本、開(kāi)發(fā)難易程度上具有綜合性的優(yōu)勢(shì)。作為與外部網(wǎng)絡(luò)連接的可靠、便捷的紐帶,本網(wǎng)關(guān)從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體。

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收稿日期:2009-06-17

黃俊杰,南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院在讀碩士研究生,主要研究方向是普適計(jì)算、傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)。

王汝傳,南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向是計(jì)算機(jī)軟件、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全、Agent和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

沙超,南京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院在讀博士研究生,主要研究方向是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。