無(wú)線(xiàn)傳感囂網(wǎng)絡(luò )的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節點(diǎn)構成的網(wǎng)絡(luò )，能夠實(shí)時(shí)地監測、感知采集節點(diǎn)部署區內感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些信息進(jìn)行處理后以無(wú)線(xiàn)的方式發(fā)送出去，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )最終發(fā)送給終端用戶(hù)。隨著(zhù)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節點(diǎn)不斷涌現，由這些節點(diǎn)構成的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )備受關(guān)注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫療健康等領(lǐng)域的廣泛應用而成為當今的熱點(diǎn)研究方向之一，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。
本文針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )嵌入式網(wǎng)關(guān)系統硬件設計選擇了器件，充分將GPRS(通用無(wú)線(xiàn)分組交換業(yè)務(wù))技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)融為一體，成功完成了本次嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )體系結構
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統通常由傳感器節點(diǎn)(sensornode)、網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)(sink node)和終端用戶(hù)組成。如圖1所示，大量的傳感器節點(diǎn)部署在監測區域，通過(guò)自組織方式構成網(wǎng)絡(luò )。傳感器節點(diǎn)監測到的數據經(jīng)過(guò)多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)在對數據進(jìn)行分析、融合等處理后，通過(guò)有線(xiàn)或者無(wú)線(xiàn)的方式將數據送入終端用戶(hù)。用戶(hù)通過(guò)監控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監測命令以及收集監測數據。

2 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)特點(diǎn)及其功能
作為感知區域內傳感器節點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò )或終端用戶(hù)的橋梁，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)要處理大量的數據，必須具備高速度、大存儲量和較遠的傳輸距離，即低成本、高效能。同時(shí)因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現實(shí)，充足的能量供應必須優(yōu)先考慮，低功耗設計也成為整個(gè)設計的關(guān)鍵環(huán)節之一。
網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)在完成不同網(wǎng)絡(luò )間協(xié)議轉換的同時(shí)，還要對傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行管理和設置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )內部網(wǎng)絡(luò )地址，初始化網(wǎng)絡(luò )設置；記錄WSN網(wǎng)絡(luò )所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節點(diǎn)完成與鄰居節點(diǎn)連接的建立和路由的形成；發(fā)送監控中心控制指令，為用戶(hù)實(shí)現特定的操作功能；接收采集節點(diǎn)的請求和數據，具有數據融合、仲裁請求和路由選擇功能。

3 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)硬件設計
依照設計原則，在很好地實(shí)現上述網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)功能的同時(shí)，為克服因傳統網(wǎng)關(guān)采用有線(xiàn)方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶(hù)相連而導致的移動(dòng)范圍受限、遠程監控困難、不能準確提供基準定位信息等一系列缺點(diǎn)，參考當今前沿的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)，給出集中央處理單元、存儲單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設計方案。其總體結構及相互接口如圖2所示。

3．1 中央處理單元
網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來(lái)收集和處理從采集傳感器節點(diǎn)送來(lái)的數據，合理分配不同節點(diǎn)的數據存儲，并且完成終端用戶(hù)對傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的控制命令(包括休眠時(shí)間、采集間隔、傳感器開(kāi)關(guān))；同時(shí)支持休眠、任務(wù)喚醒模式，滿(mǎn)足整個(gè)系統低功耗要求。