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(jìn)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，由上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)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?shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和相關(guān)節(jié)點(diǎn)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(jìn)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(jìn)行統(tǒng)一分析，然后通過總線下達(dá)控制命令，把處理好的數(shù)據(jù)送回工業(yè)現(xiàn)場，進(jìn)行實(shí)時控制。

1.3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)輸出模塊

遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)上位機(jī)的實(shí)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(yùn)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(dú)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(diǎn)發(fā)送的信標(biāo)信號選擇傳感器節(jié)點(diǎn)，通過對CC2530 初始化后，開中斷進(jìn)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(zhǔn)備進(jìn)行無線傳輸。

(2) 采集節(jié)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的休眠 / 喚醒調(diào)度，優(yōu)化節(jié)點(diǎn)休眠機(jī)制；減少節(jié)點(diǎn)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(jī) 控制器硬件，在其之上運(yùn)行的是 USB 主機(jī)控制器驅(qū)動，主機(jī) 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(shí)現(xiàn)的 USB 驅(qū)動包括兩類 ：USB 主機(jī)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(jī)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵部分。負(fù)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(shí)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(diǎn)和 S3C2440 組成測試網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng) 絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各終端節(jié)點(diǎn)以協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)為中心相互通信。 節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)的數(shù)據(jù)并進(jìn)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(jī)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(jìn)行數(shù)據(jù)包解析，并將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息顯示在上位 機(jī)界面。

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

4 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(shí)現(xiàn)方案，實(shí)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(shí)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(yuǎn)距離通信方式的結(jié)合延伸了數(shù)據(jù)監(jiān)測 范圍，在實(shí)際測試當(dāng)中取得了良好的效果。