陳侃松等

摘 要：以低功耗、低成本、微型化、遠距離的無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為主要依托，設(shè)計一種基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)。將多種短距離無線通信技術(shù)與遠距離無線通信技術(shù)相結(jié)合集成于網(wǎng)關(guān)節(jié)點，構(gòu)建多模態(tài)網(wǎng)關(guān)。通過分析實驗數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)相比具有低成本、易移植、兼容性的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；ARM；Linux

中圖分類號：TP391.4 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）04-00-02

0 引 言

無線傳感網(wǎng)絡(luò)可對網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)監(jiān)測對象進行感知、采集、處理和監(jiān)控，并通過無線通信方式傳送給網(wǎng)絡(luò)終端用戶，將信息世界與物理世界融為一體。但無線傳感網(wǎng)絡(luò)要真正發(fā)揮其在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中的作用還要借助于網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入外部網(wǎng)絡(luò)。本文設(shè)計了針對多種應(yīng)用場合的一種多模態(tài)網(wǎng)關(guān)。

1 硬件部分設(shè)計

嵌入式網(wǎng)關(guān)向上連接遠程監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機程序?qū)崿F(xiàn)遠程的數(shù)據(jù)獲取、設(shè)備監(jiān)控。向下連接到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器?？欤瑢崿F(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和相關(guān)節(jié)點的功能控制。根據(jù)系統(tǒng)功能需求，總體分為三個部分，如圖1所示。

1.1 無線傳感網(wǎng)接入模塊

無線接入模塊根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速率選擇基于ZigBee通信協(xié)議的核心芯片CC2531和前端芯片CC2591，如圖2所示，進一步改善其接收靈敏度，從而延長通信距離。無線接入模塊均采用USB接口方式連接網(wǎng)關(guān)設(shè)備。

1.2 網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)處理模塊

采用基于ARM9的S3C2440平臺構(gòu)建網(wǎng)關(guān)的硬件平臺。主控制器分別接收各個采集模塊的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析，然后通過總線下達控制命令，把處理好的數(shù)據(jù)送回工業(yè)現(xiàn)場，進行實時控制。

1.3 遠程數(shù)據(jù)輸出模塊

遠程數(shù)據(jù)輸出模塊主要是將處理好的數(shù)據(jù)以特定的形式輸出。用戶可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景選擇GSM/GPRS、Ethernet以及UART中的一種，即可實現(xiàn)上位機的實時顯示和監(jiān)控。

2 軟件部分設(shè)計

在Linux操作系統(tǒng)下的程序開發(fā)過程中，每個程序模塊是以任務(wù)的形式開始運行，在創(chuàng)建任務(wù)時，可以對每個任務(wù)提前設(shè)定一個獨有的優(yōu)先級，系統(tǒng)會查詢就緒列表中的優(yōu)先級順序作為執(zhí)行任務(wù)的依據(jù)。軟件部分的組成根據(jù)硬件系統(tǒng)的組成分為三個部分：數(shù)據(jù)無線采集、無線接入模塊的USB驅(qū)動、數(shù)據(jù)的處理和輸出。系統(tǒng)的軟件框圖如圖3所示。

2.1 數(shù)據(jù)無線采集

（1）數(shù)據(jù)采集

根據(jù)網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)送的信標信號選擇傳感器節(jié)點，通過對CC2530初始化后，開中斷進行數(shù)據(jù)采集，判斷存儲容量是否飽和，將數(shù)據(jù)發(fā)送至射頻前端CC2591準備進行無線傳輸。

（2）采集節(jié)點低功耗設(shè)計

通過中斷信號的引入與中斷服務(wù)程序的設(shè)計，以及對射頻前端CC2591工作模式的控制，實現(xiàn)傳感器節(jié)點的休眠/喚醒調(diào)度，優(yōu)化節(jié)點休眠機制；減少節(jié)點功耗，保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量。

2.2 無線接入模塊的USB驅(qū)動

在Linux驅(qū)動中，USB驅(qū)動處于最底層的是USB主機控制器硬件，在其之上運行的是USB主機控制器驅(qū)動，主機控制器之上為USB核心層，再上層為USB設(shè)備驅(qū)動層。因此要實現(xiàn)的USB驅(qū)動包括兩類：USB主機控制器驅(qū)動和USB設(shè)備驅(qū)動，前者控制插入其中的USB設(shè)備，后者控制USB設(shè)備如何與主機通信。在編寫特定設(shè)備的USB設(shè)備驅(qū)動時，主要應(yīng)該完成的工作是probe（）和disconnect（）函數(shù)，即探測和斷開函數(shù)，它們分別在設(shè)備被插入和撥出的時候被調(diào)用，用于初始化和釋放軟硬件資源。

2.3 數(shù)據(jù)的處理和輸出

數(shù)據(jù)管理單元是本設(shè)計軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵部分。負責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、存儲以及相關(guān)處理操作。這一部分所要處理的數(shù)據(jù)包括實時的數(shù)據(jù)和以往數(shù)據(jù)兩部分。在系統(tǒng)完成了初始化后，數(shù)據(jù)的管理單元即可通過平臺總線的方式來傳輸數(shù)據(jù)，對于數(shù)據(jù)的存儲主要基于兩種方式：一是存儲于本地，二是存儲于外部。此外，存儲于本地的數(shù)據(jù)有兩種形式，分為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)存儲和文件系統(tǒng)存儲。根據(jù)嵌入式網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用需求和性能要求，這里網(wǎng)關(guān)采用以本地文件的方式存儲。

3 測試結(jié)果

采用多個ZigBee模塊節(jié)點和S3C2440組成測試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，各終端節(jié)點以協(xié)調(diào)節(jié)點為中心相互通信。節(jié)點可設(shè)置為每隔一段時間采集一次數(shù)據(jù)，組成數(shù)據(jù)幀發(fā)送給網(wǎng)關(guān)部分。網(wǎng)關(guān)分別設(shè)置成通過USB接口接收ZigBee采集數(shù)據(jù)和利用以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器IP地址為192.168.1.17，網(wǎng)關(guān)上無線接入模塊為CC2531。相關(guān)結(jié)果如圖4所示。

將嵌入式網(wǎng)關(guān)平臺、無線傳感網(wǎng)各節(jié)點上電，在網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)完成初始化和 ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)成功建立后，網(wǎng)關(guān)平臺接收匯聚節(jié)點的數(shù)據(jù)并進行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，最后通過以太網(wǎng)的方式傳輸?shù)缴衔粰C監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)通過socket客戶端連接到網(wǎng)關(guān)的socket服務(wù)器。監(jiān)控系統(tǒng)通過對傳輸來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)包解析，并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息顯示在上位機界面。

本地存儲通過搭建文件系統(tǒng)以及自制GUI程序來實現(xiàn)，如圖5所示。

結(jié) 語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐步應(yīng)用到了越來越多的領(lǐng)域，嵌入式網(wǎng)關(guān)作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)通信的橋梁，在 WSN 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)中起著顯著的關(guān)鍵作用。本設(shè)計針對目前無線傳感網(wǎng)的應(yīng)用趨勢，采用模塊化設(shè)計的思想，提出了一種基于ARM的嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)方案，實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸，提高了網(wǎng)關(guān)的通用性。嵌入式Linux系統(tǒng)的應(yīng)用也大大改善了網(wǎng)關(guān)實時性能。未來嵌入式網(wǎng)關(guān)可用于區(qū)域環(huán)境的信息監(jiān)測，如智能樓宇、智能交通、工業(yè)監(jiān)測等應(yīng)用，利用近、遠距離通信方式的結(jié)合延伸了數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍，在實際測試當中取得了良好的效果。

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