無(wú)線(xiàn)傳感器網(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。

　　為了實(shí)現上述功能，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106。LPC2106支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU，標準JTAG調試接口，并帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲器；小型的LQFP封裝(7 mm×7 mm)、2種低功耗模式(空閑模式和掉電模式)以及外設功能的單獨使能和禁止，非常適合于小型化、低功耗作為主要要求的應用；雙UART，其中一個(gè)具備完全的調制解調器接口，完全滿(mǎn)足本設計要求；帶有寬范圍的串行通信接口(片內多達64 KB的SRAM)，由于具有大規模的緩沖區和強大的處理器能力，非常適合于通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉換器、聲音識別以及低端的圖像處理。

　　3．2 GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　首先，WSN是一種以數據為中心的網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的上行數據量大而下行數據量小，因而在考慮網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò )的連接方式時(shí)，上行數據率是一個(gè)關(guān)鍵指標；其次，應用環(huán)境制約數據上行方式；另外，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的成本及集成難度也是一個(gè)關(guān)鍵因素。綜合以上三點(diǎn)，選用Simcom公司生產(chǎn)的CPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊SIM300C。該模塊具有如下特點(diǎn)：

　?、僦С謨煞N操作模式(一種是電路交換數據模式CSD，支持語(yǔ)音、數據、SMS和FAX業(yè)務(wù)；另一種是分組交換模式GPRS，采用多時(shí)隙，支CSI-CS4編碼)；

　?、跇藴实腁T命令，為GSM語(yǔ)音、短消息以及GPRS數據業(yè)務(wù)提供無(wú)線(xiàn)接口；

　?、蹆戎肨CP／IP協(xié)議，用戶(hù)不必自己編寫(xiě)或者利用操作系統加入協(xié)議，降低了系統開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期；

　?、軘祿滦?、上行傳輸速率分別高達85．6 kbps和42．8 kbps，標準RS232串行口，通過(guò)串行口使用AI、命令完成對模塊的操作；

　?、葜С肿钌俟δ芎?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/休眠">休眠兩種省電模式。

　　需要將數據傳輸到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)時(shí)，節點(diǎn)按照WSN的協(xié)議規范對數據進(jìn)行打包，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式經(jīng)過(guò)一跳或多跳將數據傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。傳感數據在通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)入網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)后，微處理器利用WSN的協(xié)議棧拆包，得到原始數據之后，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可應用其操作系統上的應用軟件根據具體需求對原始數據進(jìn)行處理(如進(jìn)行數據的融合，去除冗余，減輕網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)對外傳送的負擔)。處理后的數據經(jīng)由TCP／IP模塊打包后通過(guò)串口與SIM300C相連，如圖3所示。最后，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)中的 GPRS模塊將數據通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò )或者SMS方式傳送到上位機。當需要向傳感器節點(diǎn)傳達控制命令時(shí)，上位機以短信的方式經(jīng)GSM傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的GPRS 模塊，完成相應任務(wù)。

　　如圖4所示，將手機卡插入SIM卡座，通過(guò)相應的AT指令便可以很方便地實(shí)現上位機和網(wǎng)關(guān)之間的自由通信，按流量計費，降低系統成本。

　　常用如下一些AT指令。

　?、龠B網(wǎng)指令：AT返回狀態(tài)：OK(連網(wǎng)成功)

　?、谌δ荛_(kāi)啟指令：AT+CFUN=1

　?、坳P(guān)閉模塊指令：AT+CPOWD=1

　?、茏x取第n條短信：AT+CMGR=n

　　同時(shí)，DTR外接一個(gè)上拉電阻，配合“AT+CSCLK=1”指令，可以輕易地實(shí)現SIM300C的休眠，通過(guò)短信即可喚醒。休眠時(shí)GPRS電流消耗僅2．5 mA，滿(mǎn)足整個(gè)系統低功耗要求。

　　3．3 射頻收發(fā)模塊

　　一個(gè)基于IEEE 802．15．4的CC2430無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，主要用來(lái)完成網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間、節點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)通信。核心部分是一個(gè)CC2420射頻收發(fā)器，它完全支持ZigBee組網(wǎng)協(xié)議，具備傳輸速率高、傳輸距離遠和低功耗等優(yōu)點(diǎn)。主要特征如下：

　?、俟ぷ黝l帶范圍是2．4～2．483 5 GHz；

　?、诓捎肐EEE 802．15．4規范要求的DSSS(直接序列擴頻方式)；

　?、蹟祿俾蔬_250 kbps，碎片速率達2 Mchip／s，接收靈敏度高(-94 dBm)，鄰道抗干擾能力強(39 dB)，超低電流消耗(RX27 mA，TX25 mA)；

　?、艿碗妷汗╇?2．1～3．6 V)，內部集成VCO、LNA、PA及電源穩壓器。

　　CC2420通過(guò)簡(jiǎn)單的四線(xiàn)(SI、SO、SCLK、CS)與SPI接口相連?？梢酝ㄟ^(guò)調制解調控制寄存器的控制位配置成不同的發(fā)射和接收模式，通常工作在緩沖模式。如圖5所示，它的外圍電路器件簡(jiǎn)單，主要包括晶振電路、天線(xiàn)及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來(lái)匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時(shí)為芯片內部的PA和LAN提供支流偏置。

　　為了提高無(wú)線(xiàn)收發(fā)系統的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線(xiàn)的選取也至關(guān)重要，其中包括射頻天線(xiàn)形狀、輸出方向、天線(xiàn)長(cháng)度、天線(xiàn)材料等一系列因素。射頻電路常用差動(dòng)天線(xiàn)、不平衡天線(xiàn)。典型的差動(dòng)天線(xiàn)(如雙極天線(xiàn))，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線(xiàn)有單極天線(xiàn)、螺旋天線(xiàn)和環(huán)狀天線(xiàn)。螺旋天線(xiàn)可以看作是單極天線(xiàn)和環(huán)狀天線(xiàn)的混合，但是優(yōu)化起來(lái)比單極天線(xiàn)困難。環(huán)狀天線(xiàn)易于集成到印刷電路板(PCB)中，但是由于發(fā)射阻抗非常低，難于匹配，且匹配效果不好，因此設計中選用單極天線(xiàn)。

　　單端單極天線(xiàn)要求在差分輸出和天線(xiàn)之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線(xiàn)形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線(xiàn)連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線(xiàn)形式較離散元器件形式，不僅改善了誤差向量幅度性能，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設計中采用了傳輸線(xiàn)形式。CC2430無(wú)線(xiàn)收發(fā)PCB布線(xiàn)圖如圖6所示。

　　在PCB布線(xiàn)方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線(xiàn)確保射頻信號在正確的頻段，同時(shí)要遠離有耗材料(比如電池)，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外，還要避免數字信號對其的干擾。因此，傳輸線(xiàn)各方向上要留有一定的避讓空間，該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒(méi)有固定公式，根據物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右；對于較大的有源損耗體(如AA電池)，最小半徑在λ／10左右(λ為無(wú)線(xiàn)通信頻率的波長(cháng))。采用的巴倫匹配傳輸線(xiàn)的避讓空間如圖6所示。經(jīng)匹配后的網(wǎng)關(guān)與節點(diǎn)能在150～200 m的范圍內自由通信，傳輸效果令人滿(mǎn)意。

　　3．4 存儲單元

　　微處理器自帶128 KB Flash不能滿(mǎn)足操作系統的移植存儲的代碼量，以及傳感器節點(diǎn)每天采集的數據量(64個(gè)節點(diǎn)一天大約4．3K)，故必須進(jìn)行存儲器的擴展。結合考慮微處理器外設接口和數據存儲讀寫(xiě)速度，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。

　　FM25H20具有無(wú)限的讀寫(xiě)次數，掉電數據多達10年保持時(shí)間，寫(xiě)數據無(wú)延時(shí)，快速SPI串行協(xié)議，高達40 Mbps的總線(xiàn)速度，完善的軟、硬件寫(xiě)保護，極低的靜態(tài)工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網(wǎng)關(guān)設計的需要。

　　3．5 電源模塊

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般工作在無(wú)人值守的環(huán)境下，所以選擇能源非常重要；另外，自然界的能源補充也至關(guān)重要。設計中采用太陽(yáng)能電池板實(shí)現整個(gè)系統的能源供給。比較當今常用電池性能，分析計算設計節點(diǎn)各模塊的功耗，選擇額定電壓為3．7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量?jì)渥畲?、重量最輕、壽命最長(cháng)、充電時(shí)間最短、無(wú)記憶效應，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊A／D采樣、自動(dòng)監測控制電池電壓，根據設計的電池上下限值自動(dòng)開(kāi)啟太陽(yáng)能電池板對其自動(dòng)充電，始終做到整個(gè)節點(diǎn)電源供給穩定。

　　
結 語(yǔ)

　　本文針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)，對WSN網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了研究，并給出了詳細的硬件實(shí)現方案。關(guān)鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )到有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的數據傳輸；基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路。通過(guò)研究，較好地解決了WSN數據從采集地到監控中心的雙向傳輸問(wèn)題，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體；在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿(mǎn)意的結果，為開(kāi)發(fā)和構造無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )開(kāi)拓了新的應用領(lǐng)域。