摘要：針對目前物聯(lián)網(wǎng)感知層無線通信協(xié)議種類眾多、組網(wǎng)方式多樣的問題，本文采用32位ARM920T芯片S3C2440A，移植Linux2．6．24內核，結合3G網(wǎng)絡和以太網(wǎng)設計了一種多頻段網(wǎng)關。通過以太網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)絡，各頻段網(wǎng)關監(jiān)控了多個頻段的無線傳感器子網(wǎng)節(jié)點的運行情況。
關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關；Linux；點到點協(xié)議
引言
目前，物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IOT)正呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢。本文介紹一種無線多頻段WSN網(wǎng)關，可通過以太網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)絡，監(jiān)控多個頻段的無線傳感器子網(wǎng)節(jié)點的運行情況。
1 系統(tǒng)總體結構
本文設計的系統(tǒng)在感知層采用4個頻段的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。各頻段子網(wǎng)通過一個多頻段網(wǎng)關裝置接入到網(wǎng)絡層。用戶可以通過監(jiān)控終端監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端既可以是固定的PC機，也可以是移動的3G設備。同時，網(wǎng)關還具備良好的擴展性，網(wǎng)關可以同時接入多個頻段的WSN網(wǎng)絡。多頻段WSN網(wǎng)關系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
2 網(wǎng)關硬件系統(tǒng)設計
網(wǎng)關的主控制單元采用ARM9芯片S3C2440A，主頻400 MHz，外擴64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash。微處理器的外設數(shù)據(jù)控制器(PDC)向串行外設提供DMA通道，使其與片內以及片外存儲器讀寫傳輸數(shù)據(jù)時不經過處理器。
網(wǎng)關3G網(wǎng)絡接入端采用USB接口，實現(xiàn)與3G網(wǎng)絡的通信；無線傳感器網(wǎng)絡子網(wǎng)接入端分別是2．4 GHz子網(wǎng)接入模塊、780 MHz子網(wǎng)接入模塊、470 MHz子網(wǎng)接入模塊和433 MHz子網(wǎng)接入模塊，各子網(wǎng)模塊都是通過串口實現(xiàn)與網(wǎng)關主控制單元的通信。以太網(wǎng)控制部分整個網(wǎng)關的結構框圖如圖2所示。
2．1 多頻段無線傳感網(wǎng)子網(wǎng)接入部分
由于S3C2440A芯片自身只有3通道的串口。而4個頻段的子網(wǎng)接入模塊都是采用串行通信接口，ARM9芯片本身不能滿足本系統(tǒng)需求，所以需要利用外圍擴展芯片，設計串口擴展電路來滿足系統(tǒng)的需求。本設計采用TI公司的TL16C554A芯片，通過并行數(shù)據(jù)線和地址線擴展出來4路全功能串口。
TL16C554A芯片是8位數(shù)據(jù)寬度，TL16C554A的D0～D7引腳與ARM9芯片直接相連，讀寫信號是直接連接的。TL16C554A的引腳INA、INTB、INTC、INTD分別接在主控制芯片的引腳INT0、INT2、INT3、INT4，這樣擴展的各通道串口就能通過中斷獨立地工作。
將S3C2440A的地址線A0～A3與TL16C554A的A0～A3直接相連，S3C2440A的nGCS2作為譯碼器74LS139的片選信號。74LS139的輸入端分別接地址線A4～A5。根據(jù)譯碼器譯碼，實現(xiàn)地址分配，再通過ARM芯片地址映射。外擴的4通道串口的物理地址為
通道A——0x10000000～0x10000008
通道B——0x10000010～0x10000018
通道C——0x10000020～0x100000028
通道D——0x10000030～0x10000038。
主控制芯片通過訪問這些地址就能訪問外部寄存器，即TL16C554A芯片片內寄存器地址。多頻段子網(wǎng)接入部分接口電路如圖3所示。
2．2 3G網(wǎng)絡接入接口部分
3G網(wǎng)絡接入部分采用USB接口的華為ET128無線網(wǎng)卡。接入接口使用USB—HUB芯片AU9254A21，它是一款單芯片USB集線器控制器。AU92 54A21采用12MHz無源晶振，為芯片工作提供獨立的時鐘。3G網(wǎng)絡接入部分接口電路如圖4所示。
2．3 以太網(wǎng)接入部分
網(wǎng)關通過以太網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)包的原理是：處理器先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)存入到內部存儲器，提供發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和數(shù)據(jù)長度，然后執(zhí)行發(fā)送命令，由DM9000A將數(shù)據(jù)按TCP／IP協(xié)議格式發(fā)送到物理鏈路上。
因以太網(wǎng)信號電平與以太網(wǎng)控制器信號電平不同，所以在硬件電路實現(xiàn)上需要在控制器與RJ-45接口間增加一個網(wǎng)絡變壓器，網(wǎng)絡變壓器
采用TRC9016。
電信號通過網(wǎng)絡變壓器轉換，然后經RJ-45接口接入以太網(wǎng)，從而完成數(shù)據(jù)發(fā)送過程。DM9000A主要完成數(shù)據(jù)包和數(shù)字電信號之間的相互轉換。
3 網(wǎng)關軟件系統(tǒng)設計
網(wǎng)關的軟件環(huán)境采用的是嵌入式Linux系統(tǒng)。移植好的Linux2．6．24源碼已經包含了以太網(wǎng)控制器DM9000A、USB接口芯片等芯片的驅動。因此，軟件部分只需要設計串口擴展芯片TL1 6C554A的驅動程序以及Linux環(huán)境下的應用程序即可。
3．1 串口擴展芯片TL16C554A驅動的實現(xiàn)
Linux2．6．24內核提供了統(tǒng)一的設備驅動模型。多串口設備驅動的注冊，流程如圖5所示。
3．2 Linux下PPP的管理和配置
根據(jù)網(wǎng)關硬件接口的情況修改、移植通用驅動代碼后，通過相關的配置，定制和編譯網(wǎng)關所需的內核映像文件。內核編譯采用的交叉編譯器版本為arm-linux-gcc3．4．1，使用makemenuconfig ARCH=arm命令進入內核配置圖形化界面，選擇和PPP(Point-to-Point，點對點協(xié)議)有關的選項，添加系統(tǒng)對PPP功能的支持。界面如圖6所示。配置完成以后，保存設置，退出內核配置圖形化界面。使用命令：makeuImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-．編譯完成以后，會在源碼包的arch／arm／boot路徑下生成內核映像文件uImage，如圖7所示。
3．3 嵌入式Linux網(wǎng)絡編程
本設計中通過TD—SCDMA網(wǎng)絡接入Internet。WSN子網(wǎng)的某一節(jié)點在上電后，網(wǎng)關分配給其一個1 6位的短地址，使其在子網(wǎng)中標識自己，然后周期性地發(fā)送其采集到的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關收到傳感器節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)之后，進行IEEE 802．15．4協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉換，為了向網(wǎng)絡設備提供透明的接口和區(qū)分串口數(shù)據(jù)的來源，需要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，所以協(xié)議轉換后加上slip的幀頭，通過串口設備發(fā)送給ARM。
ARM在解析了slip幀頭之后交給上層以及MAC層，解析以太網(wǎng)頭，然后上交給適配層，適配層將對完整的IPv6數(shù)據(jù)進行壓縮或者分片。數(shù)據(jù)在IPv6層根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)，找到要發(fā)送的網(wǎng)絡，并且進行路由轉發(fā)，經過在MAC層加上相應的MAC頭后，經TD模塊發(fā)送到TD—SCDMA通信網(wǎng)。這樣，從子網(wǎng)到TD網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)轉發(fā)結束。
3．3．1 PPP協(xié)議簡介
PPP是一種提供兩個實體之間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)逆溌愤B接設計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路具有全雙工操作、實現(xiàn)流量和差錯控制等功能，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。可以通過撥號或者專線方式，讓客戶端和服務端建立起一種點對點的連接，傳遞數(shù)據(jù)。
3．3．2 建立撥號連接
在Linux系統(tǒng)中，通過PPP可以將主機與一個PPP服務器連接并進入該服務器所連接的網(wǎng)絡資源，就好像直接連上那個網(wǎng)絡一樣。建立一個PPP連接上網(wǎng)主要有以下步驟：第一步是調用會話程序。然后會話程序通過發(fā)送AT指令給3G模塊，完成撥號、身份驗證、配置等工作。最后，客戶端的pppd程序與服務器端的pppd程序進行握手，建立好連接，相互傳遞數(shù)據(jù)。多頻段網(wǎng)關建立網(wǎng)絡連接流程圖如圖8所示。
3．4 應用程序的設計
由于數(shù)據(jù)來源于4個頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點的串口，因此網(wǎng)關的應用程序采集多頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)部分設計上采用Linux系統(tǒng)中的多設備讀取機制select(I／O多工機制)來實現(xiàn)對多個串口的監(jiān)聽。多串口采集數(shù)據(jù)的流程如圖9所示。
4 實例測試
圖10為PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統(tǒng)信息截圖，撥號目標上位機地址是222．182．101．220，從圖中可以看出，PPP撥號成功，并且獲得了TD網(wǎng)絡分配的IPv4地址10．81．185．15，遠程服務器IP為192．200．1．21。
網(wǎng)數(shù)據(jù)信息圖略——編者注。WSN子網(wǎng)數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)關發(fā)送到公網(wǎng)后，TCP／UDP客戶端成功接收顯示的WSN子網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。
結語
隨著物聯(lián)網(wǎng)時代，TD—SCDMA將促進物聯(lián)網(wǎng)有效發(fā)揮無縫通信的巨大威力，該方案充分利用了互聯(lián)網(wǎng)和無線通信公用網(wǎng)絡資源，將無線傳感網(wǎng)技術、嵌入式技術、TD—SCDMA通信有機地結合起來，成功設計了WSN／TD網(wǎng)關，實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與TD—SCDMA網(wǎng)絡的融合，在實際應用當中取得了良好的效果。
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