無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3G網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與研制

摘要：網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)出口，是其重要組成部分。3G網(wǎng)絡(luò)的到來將為無線數(shù)據(jù)傳輸帶來新一輪的發(fā)展。設(shè)計了一款與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，采用以LPC2148 ARM7芯片為核心，與無線射頻芯片及華為EM770W模塊組成硬件系統(tǒng)；以μC／OS-Ⅱ作為實時操作系統(tǒng)，自主編寫合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網(wǎng)關(guān)處于休眠狀態(tài)，并進(jìn)行了相關(guān)實驗。試驗結(jié)果表明：本網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、低功耗、丟包率低等特點。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)；寬帶碼分多址；嵌入式

0 引言
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的研究與開發(fā)是目前信息領(lǐng)域的一個熱點，國內(nèi)外已有大量科技人員研究將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于各領(lǐng)域。而無線傳感器網(wǎng)關(guān)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，為滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳感的周期性、同步性等特點，有必要研究適用于不同應(yīng)用場合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。
    文獻(xiàn)提出了一種可以通過以太網(wǎng)、公共電話網(wǎng)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，運(yùn)用多線程技術(shù)控制各通信方式并行執(zhí)行，但數(shù)據(jù)的實時傳輸速率有待提高。文獻(xiàn)設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于CC2420芯片的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，并利用無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備與無線局域網(wǎng)的連接。該嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備由核心板、底板和通信模塊組成，通過USB 2．0接口加載無線網(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。由于采用與無線局域網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離受到一定限制。文獻(xiàn)采用S3C2410，CS8900A組合設(shè)計了一款監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量，由WSN網(wǎng)關(guān)通過有線以太網(wǎng)或GPRS對數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實現(xiàn)對茶園旱情的遠(yuǎn)程監(jiān)測。但該網(wǎng)關(guān)是在ARM實驗箱上實現(xiàn)的，且功耗較大。
    本文在研究大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從提高數(shù)據(jù)的實時傳輸速率、降低網(wǎng)關(guān)功耗、盡可能延長網(wǎng)關(guān)的生命周期出發(fā)，使用新型3G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾逝c穩(wěn)定性。通過合理設(shè)計穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)與具有實時性的軟件系統(tǒng)，達(dá)到了WSN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸?shù)脑O(shè)計目的。

1 硬件系統(tǒng)
    根據(jù)WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計的要求，結(jié)合WCDMA網(wǎng)絡(luò)的特點。WSN網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、無線通信模塊、3G通信模塊、數(shù)據(jù)備份模塊和電源模塊組成，如圖1所示。網(wǎng)關(guān)通過無線通信模塊接收節(jié)點傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，通過格式轉(zhuǎn)換，由3G通信模塊發(fā)送給上位機(jī)控制中心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了方便軟、硬件升級與調(diào)試，網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展了串口與SPI口。

    WSN網(wǎng)關(guān)的核心模塊采用了ARM7的LPC2148芯片，CPU時鐘頻率為12 MHz。由于LPC2148芯片具有32 KB的SRAM與512 KB的SROM，滿足軟件系統(tǒng)的存儲與運(yùn)行要求，不需要外擴(kuò)存儲模塊，使硬件設(shè)計簡單化。同時為了提高WSN網(wǎng)關(guān)在無線方面的接收能力，選取nRF905工作在433 MHz頻段。根據(jù)WCDMA網(wǎng)絡(luò)的特點，采用了華為公司的EM770W作為3G通信模塊。EM770W支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和華為擴(kuò)展AT指令集，內(nèi)置TCP／IP協(xié)議棧，傳輸速率最大可達(dá)7．2 Mb／s。數(shù)據(jù)備份模塊選擇用SD卡，使各種特殊數(shù)據(jù)(報警數(shù)據(jù)或臨界值數(shù)據(jù))可以更方便地通過PC機(jī)讀取。采用無線通信模塊、3G通信模塊和核心模塊分開設(shè)計的方式，更有利于提高網(wǎng)關(guān)使用的靈活性。網(wǎng)關(guān)實物圖如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)
   在上述硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合與3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腤SN網(wǎng)關(guān)傳輸數(shù)據(jù)的實時性，穩(wěn)定性，周期性強(qiáng)，時間間隔長，瞬間傳輸量大的特點，選擇了μC／OS-Ⅱ作為其操作系統(tǒng)和自主編寫通信協(xié)議。
2．1 軟件系統(tǒng)組成
    網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)兩部分組成。本設(shè)計根據(jù)μC／OS-Ⅱ具有實時性高，對ROM、RAM需求小、移植簡單等特點，同時，結(jié)合網(wǎng)關(guān)需求，采用了μC／OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)。μC／Os-Ⅱ是基于任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度，根據(jù)這個原理，創(chuàng)建4個應(yīng)用任務(wù)。當(dāng)某事件發(fā)生時，系統(tǒng)必須在非常短的時間內(nèi)快速作出響應(yīng)，網(wǎng)關(guān)可以盡快的轉(zhuǎn)發(fā)相關(guān)的環(huán)境監(jiān)控信息。圖3為軟件系統(tǒng)框架圖。

    由于3G網(wǎng)絡(luò)信號的強(qiáng)弱可能導(dǎo)致網(wǎng)關(guān)與WCD-MA網(wǎng)絡(luò)連接的失敗，采用基于結(jié)果處理的狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，對各個階段處理后的結(jié)果進(jìn)行判斷，處理其產(chǎn)生的錯誤，從而保障網(wǎng)關(guān)與WCDMA網(wǎng)絡(luò)的連通。
2．2 通信協(xié)議的設(shè)計
    通信模塊的功耗在網(wǎng)關(guān)的功耗中占主要部分，為了降低功耗，必須設(shè)計一種合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網(wǎng)關(guān)處于休眠狀態(tài)，同時又要保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐暾浴?br />     節(jié)點發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)為主動的消息幀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

    結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性休眠喚醒的特點，采用簡化的發(fā)送和應(yīng)答機(jī)制，即簡化的T-MAC協(xié)議。網(wǎng)關(guān)先偵聽載波，當(dāng)信道空閑時，向所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送同步幀，各節(jié)點接收到同步幀后根據(jù)同步幀的信息修改自身時鐘，并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信息，達(dá)到整個網(wǎng)絡(luò)同步的目的。然后網(wǎng)關(guān)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收所有節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，之后網(wǎng)關(guān)進(jìn)入睡眠模式，如此循環(huán)反復(fù)。
    隨著時間的推移，時間同步誤差的增加，網(wǎng)關(guān)和節(jié)點可能出現(xiàn)失步，所以需要周期性地發(fā)送時間同步信息，保證網(wǎng)關(guān)與節(jié)點時間同步誤差不累加。

3 實驗結(jié)果與分析
3．1 無線通信距離測試
    無線通信距離是網(wǎng)關(guān)性能的一個重要方面，其大小取決于射頻模塊的發(fā)送功率，兩者成正比。nRF905具有發(fā)射功率可選功能，分別為-20dBm，-2dBm，6 dBm和10 dBm。本測試分別在室內(nèi)，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上以不同的發(fā)射功率測試網(wǎng)關(guān)無線通信距離，射頻設(shè)定在433 MHz頻段，工作電壓為3．2 V。由節(jié)點周期性的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時，再由網(wǎng)關(guān)向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)雙方實現(xiàn)正常通信時，用精度為0．01 m激光測距儀測量網(wǎng)關(guān)與節(jié)點之間的直線距離，分別測量20次，最后取其平均值。測量的結(jié)果如表1所示。

3．2 WCDMA網(wǎng)絡(luò)丟包率測試
    數(shù)據(jù)包在WCDMA網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，可能由于信號中斷、載波沖突等原因而丟失。為了測試WCD-MA網(wǎng)絡(luò)的丟包率，分別在室內(nèi)，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點軟件設(shè)定周期性發(fā)送2個字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到WCDMA網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)包中包括流水號信息，能直觀得知丟包序號。使用2節(jié)AA電池為節(jié)點供電，工作電壓為3．2 V，3G模塊采用TCP／IP模式傳輸，每個地點分別進(jìn)行5天實驗。實驗結(jié)果如表2所示。

    由表2可得，網(wǎng)關(guān)所處環(huán)境的障礙物越少，網(wǎng)絡(luò)信號越好，丟包的可能性越小?？傮w而言，WCDMA網(wǎng)絡(luò)的丟包率較小，網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，網(wǎng)關(guān)性能達(dá)到設(shè)計要求。
3．3 功耗測試
    WSN網(wǎng)關(guān)的功耗主要來自無線通信模塊與3G通信模塊，設(shè)定網(wǎng)關(guān)每10 min收集一次數(shù)據(jù)，每次喚醒30 s，每天實驗12 h，為期30天。網(wǎng)關(guān)核心模塊由2節(jié)AA南孚電池供電，每天實驗開始和結(jié)束都用示波器測量一次網(wǎng)關(guān)主模塊電壓，網(wǎng)關(guān)主模塊電壓變化曲線如圖5所示。

    由圖5可知，隨著發(fā)送時間越長，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包越多，網(wǎng)關(guān)功耗隨之增加，兩者可近似認(rèn)為線性關(guān)系。網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包越少，通信模塊活動時間越短，網(wǎng)關(guān)能耗越低，網(wǎng)關(guān)生命周期越長。

4 結(jié)語
    通過分析當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用方面存在的問題與不足，結(jié)合國內(nèi)最新3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文設(shè)計了一款與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。試驗結(jié)果表明：本網(wǎng)關(guān)具有實時數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、性能穩(wěn)定、丟包率低于1％等特點。本文設(shè)計的WSN網(wǎng)關(guān)具有良好的適用性，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特點，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)兩者的結(jié)合提供一種方法。