无线传感器网络的嵌入式网关硬件设计
发布时间：2010-1-15 17:15
发布者：李宽
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无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知采集节点部署区内感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给终端用户。随着通信技术、嵌入式技术、传感器技术的飞速发展和日趋成熟，具有感知、计算、通信、路由功能的微传感器节点不断涌现，由这些节点构成的无线传感器网络备受关注。因其在工业控制、智能家居、医疗健康等领域的广泛应用而成为当今的热点研究方向之一，被认为是对21世纪产生巨大影响的高新技术。 本文针对无线传感器网络嵌入式网关系统硬件设计选择了器件，充分将GPRS(通用无线分组交换业务)技术、嵌入式技术、短距离无线通信技术融为一体，成功完成了本次嵌入式产品的开发。 1 无线传感器网络体系结构 无线传感器网络系统通常由传感器节点(sensornode)、网关节点(sink node)和终端用户组成。如图1所示，大量的传感器节点部署在监测区域，通过自组织方式构成网络。传感器节点监测到的数据经过多跳后路由到网关节点，网关节点在对数据进行分析、融合等处理后，通过有线或者无线的方式将数据送入终端用户。用户通过监控中心对传感器网络进行配置和管理，发布监测命令以及收集监测数据。 
2 网关节点特点及其功能 作为感知区域内传感器节点与外部网络或终端用户的桥梁，网关节点要处理大量的数据，必须具备高速度、大存储量和较远的传输距离，即低成本、高效能。同时因部署在环境恶劣地域，频繁更换能源很不现实，充足的能量供应必须优先考虑，低功耗设计也成为整个设计的关键环节之一。 网关节点在完成不同网络间协议转换的同时，还要对传感器网络进行管理和设置，需具备以下功能：扫描并选定物理信道，分配无线传感器网络内部网络地址，初始化网络设置；记录WSN网络所采用的MAC算法和路由协议，协助节点完成与邻居节点连接的建立和路由的形成；发送监控中心控制指令，为用户实现特定的操作功能；接收采集节点的请求和数据，具有数据融合、仲裁请求和路由选择功能。 3 网关节点硬件设计 依照设计原则，在很好地实现上述网关节点功能的同时，为克服因传统网关采用有线方式 (如串口电缆RS232)与终端用户相连而导致的移动范围受限、远程监控困难、不能准确提供基准定位信息等一系列缺点，参考当今前沿的短距离无线通信技术、嵌入式技术，给出集中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS无线通信模块、电源模块五位于一体的硬件设计方案。其总体结构及相互接口如图2所示。 
3．1 中央处理单元 网关的中央处理单元主要用来收集和处理从采集传感器节点送来的数据，合理分配不同节点的数据存储，并且完成终端用户对传感器网络节点的控制命令(包括休眠时间、采集间隔、传感器开关)；同时支持休眠、任务唤醒模式，满足整个系统低功耗要求。 为了实现上述功能，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM处理器LPC2106。LPC2106支持实时仿真和跟踪的ARM7TDMI -SCPU，标准JTAG调试接口，并带有128 KB嵌入的高速Flash存储器；小型的LQFP封装(7 mm×7 mm)、2种低功耗模式(空闲模式和掉电模式)以及外设功能的单独使能和禁止，非常适合于小型化、低功耗作为主要要求的应用；双UART，其中一个具备完全的调制解调器接口，完全满足本设计要求；带有宽范围的串行通信接口(片内多达64 KB的SRAM)，由于具有大规模的缓冲区和强大的处理器能力，非常适合于通信网关和协议转换器、声音识别以及低端的图像处理。 3．2 GPRS无线通信模块 首先，WSN是一种以数据为中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小，因而在考虑网关节点与外部网络的连接方式时，上行数据率是一个关键指标；其次，应用环境制约数据上行方式；另外，网关节点的成本及集成难度也是一个关键因素。综合以上三点，选用Simcom公司生产的CPRS无线通信模块 SIM300C。该模块具有如下特点： ①支持两种操作模式(一种是电路交换数据模式CSD，支持语音、数据、SMS和FAX业务；另一种是分组交换模式GPRS，采用多时隙，支CSI-CS4编码)； ②标准的AT命令，为GSM语音、短消息以及GPRS数据业务提供无线接口； ③内置TCP／IP协议，用户不必自己编写或者利用操作系统加入协议，降低了系统开发难度，缩短了开发周期； ④数据下行、上行传输速率分别高达85．6 kbps和42．8 kbps，标准RS232串行口，通过串行口使用AI、命令完成对模块的操作； ⑤支持最少功能和休眠两种省电模式。 需要将数据传输到网关节点时，节点按照WSN的协议规范对数据进行打包，然后通过无线方式经过一跳或多跳将数据传送到网关节点。传感数据在通过无线传输进入网关节点后，微处理器利用WSN的协议栈拆包，得到原始数据之后，网关节点可应用其操作系统上的应用软件根据具体需求对原始数据进行处理(如进行数据的融合，去除冗余，减轻网关节点对外传送的负担)。处理后的数据经由TCP／IP模块打包后通过串口与SIM300C相连，如图3所示。最后，网关节点中的 GPRS模块将数据通过GSM网络或者SMS方式传送到上位机。当需要向传感器节点传达控制命令时，上位机以短信的方式经GSM传送到网关节点的GPRS 模块，完成相应任务。 
如图4所示，将手机卡插入SIM卡座，通过相应的AT指令便可以很方便地实现上位机和网关之间的自由通信，按流量计费，降低系统成本。 
常用如下一些AT指令。 ①连网指令：AT返回状态：OK(连网成功) ②全功能开启指令：AT+CFUN=1 ③关闭模块指令：AT+CPOWD=1 ④读取第n条短信：AT+CMGR=n 同时，DTR外接一个上拉电阻，配合“AT+CSCLK=1”指令，可以轻易地实现SIM300C的休眠，通过短信即可唤醒。休眠时GPRS电流消耗仅2．5 mA，满足整个系统低功耗要求。 3．3 射频收发模块 一个基于IEEE 802．15．4的CC2430无线收发模块，主要用来完成网络节点之间、节点与网关节点之间的无线通信。核心部分是一个CC2420射频收发器，它完全支持ZigBee组网协议，具备传输速率高、传输距离远和低功耗等优点。主要特征如下： ①工作频带范围是2．4～2．483 5 GHz； ②采用IEEE 802．15．4规范要求的DSSS(直接序列扩频方式)； ③数据速率达250 kbps，碎片速率达2 Mchip／s，接收灵敏度高(-94 dBm)，邻道抗干扰能力强(39 dB)，超低电流消耗(RX<27 mA，TX<25 mA)； ④低电压供电(2．1～3．6 V)，内部集成VCO、LNA、PA及电源稳压器。 CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CS)与SPI接口相连。可以通过调制解调控制寄存器的控制位配置成不同的发射和接收模式，通常工作在缓冲模式。如图5所示，它的外围电路器件简单，主要包括晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等。射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入／输出阻抗，使其输入／输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA和LAN提供支流偏置。 
为了提高无线收发系统的效率，保证传输距离，射频电路天线的选取也至关重要，其中包括射频天线形状、输出方向、天线长度、天线材料等一系列因素。射频电路常用差动天线、不平衡天线。典型的差动天线(如双极天线)，不需要巴伦(balun)匹配可直接接人。其他短距离通信的天线有单极天线、螺旋天线和环状天线。螺旋天线可以看作是单极天线和环状天线的混合，但是优化起来比单极天线困难。环状天线易于集成到印刷电路板(PCB)中，但是由于发射阻抗非常低，难于匹配，且匹配效果不好，因此设计中选用单极天线。 单端单极天线要求在差分输出和天线之间有巴伦匹配。巴伦匹配可以采用传输线形式，也可以采用离散元器件形式，两种形式都等效于在天线连接处匹配了50 Ω的负载。传输线形式较离散元器件形式，不仅改善了误差向量幅度性能，而且灵敏度和谐波抑制也得到改善，所以设计中采用了传输线形式。CC2430无线收发PCB布线图如图6所示。 
在PCB布线方面，λ／2巴伦匹配的传输线确保射频信号在正确的频段，同时要远离有耗材料(比如电池)，靠近射频芯片以减少两者之间的射频损耗。另外，还要避免数字信号对其的干扰。因此，传输线各方向上要留有一定的避让空间，该距离与工作频率成反比。避让空间没有固定公式，根据物理形状、材料的射频损耗等确定。对于芯片，避让空间的最小半径在λ／100左右；对于较大的有源损耗体(如AA电池)，最小半径在λ／10左右(λ为无线通信频率的波长)。采用的巴伦匹配传输线的避让空间如图6所示。经匹配后的网关与节点能在150～200 m的范围内自由通信，传输效果令人满意。 3．4 存储单元 微处理器自带128 KB Flash不能满足操作系统的移植存储的代码量，以及传感器节点每天采集的数据量(64个节点一天大约4．3K)，故必须进行存储器的扩展。结合考虑微处理器外设接口和数据存储读写速度，选择2 Mb的非易失性铁电随机存储器FM25H20。其硬件原理图如图7所示。 
FM25H20具有无限的读写次数，掉电数据多达10年保持时间，写数据无延时，快速SPI串行协议，高达40 Mbps的总线速度，完善的软、硬件写保护，极低的静态工作电流(5μA)，非常适合本嵌入式网关设计的需要。 3．5 电源模块 无线传感器网络节点一般工作在无人值守的环境下，所以选择能源非常重要；另外，自然界的能源补充也至关重要。设计中采用太阳能电池板实现整个系统的能源供给。比较当今常用电池性能，分析计算设计节点各模块的功耗，选择额定电压为3．7 V、容量为1 Ah的高能量密度电池锂离子电池(Lithium Ion battery)。与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，电量储备最大、重量最轻、寿命最长、充电时间最短、无记忆效应，是目前性能最好的电池。双组电源轮流供电(一用一备)，利用无线收发模块A／D采样、自动监测控制电池电压，根据设计的电池上下限值自动开启太阳能电池板对其自动充电，始终做到整个节点电源供给稳定。 结语 本文针对无线传感器网络特点，对WSN网关进行了研究，并给出了详细的硬件实现方案。关键模块是：基于SIM1300C模块的GPRS接口实现无线网络到有线网络的数据传输；基于CC2430芯片的RF收发电路。通过研究，较好地解决了WSN数据从采集地到监控中心的双向传输问题，从逻辑上将物理世界与信息世界更加紧密地融合于一体；在低功耗、高速度、低噪声、低成本方面取得了较为满意的结果，为开发和构造无线传感器网络开拓了新的应用领域。 参考文献 1. 孙利民,李建中,陈渝,等.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:34. 2. 欧杰峰,刘兴华.基于CDMA模块的无线传感器网络网关的实现[J].计算机工程,2007,33(1):116. 3. 李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:2-43,56-57. 4. Kraus John D,Marhefka Ronald J.天线(下册)[M].章文勋,译.3版.北京:电子工业出版社,2005:307-308. 作者：电子科技大学 夏显秋 童玲 田雨 来源：《单片机与嵌入式系统应用》2009（8） |
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