基于NIOS軟核的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺硬/軟件實(shí)現

　　1 引言

　　傳感器網(wǎng)絡(luò )中, 隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點(diǎn)通過(guò)自組織的方式構成網(wǎng)絡(luò ), 借助于節點(diǎn)中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號, 從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現象。在通信方式上, 雖然可以采用有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)、紅外和光等多種形式, 但一般認為短距離的無(wú)線(xiàn)低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò )使用, 一般稱(chēng)作無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )(WSNs) 。這種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)傳感器節點(diǎn)都可以進(jìn)行周?chē)h(huán)境數據的采集、簡(jiǎn)單計算以及與其它節點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò )的多節點(diǎn)特性使得眾多的傳感器可以通過(guò)協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感, 以及組成一個(gè)容錯性好的的采集系統。正是由于這些優(yōu)點(diǎn), 近年來(lái)出現了許多基于分布式的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用, 如搶險救災、智能家居以及生物化學(xué)武器攻擊的探測和救援。

　　然而, 作為一種新興出現的技術(shù), 建立一個(gè)運轉良好、魯棒(Robust) 性好的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )還是面臨著(zhù)許多挑戰。而且由于它的一些獨特特性, 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計方法與現有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的設計方法有很大不同。例如, 由于傳感器網(wǎng)絡(luò )中的傳感器節點(diǎn)分布密集, 所以需要大范圍的數據管理和處理技術(shù)。其次, 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)一般部署在人類(lèi)難以到達和接觸的區域, 這就使傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的維護面臨著(zhù)很大的挑戰。除此之外,電源消耗也是一個(gè)很重要的問(wèn)題, 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)作為微小器件, 只能配備有限的電源, 在有些應用場(chǎng)合下, 更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節點(diǎn)的壽命在很大程度上依賴(lài)于電池的壽命, 所以降低功耗以延長(cháng)系統的壽命是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計需要首要考慮的問(wèn)題。許多無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )方面的研究人員都在注重研究新的節約功耗的協(xié)議和算法, 這些協(xié)議和算法需要傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺進(jìn)行實(shí)驗和驗證。以下小節我們就將介紹一種無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )實(shí)驗平臺, 在這個(gè)平臺上可以對協(xié)議和算法方便地進(jìn)行實(shí)驗和驗證。

　　在此平臺中我們采用了Altera公司的NIOS 軟核嵌入式處理器, 它是一種可特許的通用RISC CPU, 也就說(shuō), 是以IP 核的方式將它提供給設計者。它可以與各種各樣的外設、定制指令和硬件加速單元相結合, 構成一個(gè)定制的SOPC。該處理器具有可由用戶(hù)配置的L1( 第一層) 指令與數據超高速緩存。NIOS 處理器還具有一種基于JTAG 的OCI(片上儀器) 內核, 使軟件開(kāi)發(fā)人員在實(shí)時(shí)調試方面具有更明顯的優(yōu)勢。該處理器的軟件支持可擴展到對APR、IP、ICMP、TCP、UDP 和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議支持。

　　2 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )平臺架構

　　典型的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構如圖1 所示, 無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)經(jīng)多跳轉發(fā), 通過(guò)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò ), 在網(wǎng)絡(luò )的任務(wù)管理節點(diǎn)對傳感信息進(jìn)行管理、分類(lèi)、處理, 再把傳感信息送給應用用戶(hù)使用。傳感器節點(diǎn)首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關(guān)的數據, 并對這些數據進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳送到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )通常具有兩種應用模式: 主動(dòng)輪詢(xún)模式、被動(dòng)模式。主動(dòng)模式要求網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)對各個(gè)傳感器節點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)的輪詢(xún)以獲得消息,而被動(dòng)模式則要求在某個(gè)傳感器節點(diǎn)事件發(fā)生時(shí), 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)能予以及時(shí)的響應。各個(gè)傳感器節點(diǎn)得到的數據還能進(jìn)行組合, 這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò )的效率。當然這也要求傳感器節點(diǎn)要具有一定的計算能力。

　　3 系統硬件實(shí)現

　　在本文介紹的系統架構中, 主要需要實(shí)現的是傳感器節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺, 下面介紹這兩個(gè)平臺的硬件實(shí)現。

　　3.1 傳感器節點(diǎn)的硬件實(shí)現

　　器節點(diǎn)的功能是采集人們感興趣的數據, 并將數據發(fā)送給各個(gè)傳感器節點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)。傳感器節點(diǎn)主要由電源模塊、計算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成, 如圖2 所示。

　　(1)根據以上所述的節點(diǎn)結構, 我們在系統中采用了Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA, Cyclone是一款低價(jià)格、中等密度的FPGA, 采用0.13μm全銅SRAM工藝, 容量從2910 個(gè)邏輯單元到20010 個(gè)邏輯單元, 1.5V 內核。使其與NIOS 軟核嵌入式處理器完美結合, 能夠將處理器、存儲器、A/D 和D/A 轉換器等系統設計需要的功能模塊集成在一起, 構建成一個(gè)可編程的片上系統, 實(shí)現傳感器節點(diǎn)模塊的高度集成化。

　　(2)傳感器節點(diǎn)的通信模塊的功能是由TRF6901 射頻收發(fā)器來(lái)實(shí)現。該收發(fā)器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中, 該收發(fā)器可以工作在860MHz～930MHz 公共頻段中。射頻模塊通過(guò)串口與NIOS 軟核心處理器通信。以下是TRF6901 可供參考的一些特性:
a.低功耗, 發(fā)射電流最大為40mA, 接收電流最大為20mA, 待機電流最大為4μA;
b.可以使用OOK 和FSK 兩種調制方式;
c.集成有頻率合成器和壓控振蕩器;
d.內含鎖相環(huán)和參考振蕩器;
e.具有9dBm 的典型輸出功率;
f.內含可編程電池檢測電路;
g.帶有接收信號強度檢測器;
h.具有靈活的3 線(xiàn)串行接口, 可方便地與微控制器進(jìn)行連接;
i.基準振蕩器頻率可編程微調;
j.集成度高, 外圍元件少。

　　(3)每個(gè)傳感器節點(diǎn)采用AA 電池供電。

　　3.2 網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現

　　網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、頻收發(fā)模塊和GPRS 通信模塊組成, 如圖3 所示。網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來(lái)處理從傳感器節點(diǎn)采集到的數據以及完成一些控制功能。中央處理單元的功能實(shí)現仍是采用Altera公司的FPGA 中的Cyclone系列與NIOS 軟核嵌入式處理器的結合完成的。這樣的設計使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應用。此外, 它可以集成許多外設接口, 包括USB2.0 接口和以太網(wǎng)接口等。

　　為了將采集到的數據傳輸到互聯(lián)網(wǎng)上, 網(wǎng)關(guān)設備還配有GPRS 通信單元, GPRS 通信單元主要是由Telit公司的GM862 模塊組成, 該模塊和NIOS 處理器之間的通信采用AT 命令, 這樣可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品設計。它通過(guò)中國移動(dòng)現成的GPRS 網(wǎng)絡(luò )將傳感器采集到的數據傳輸的互聯(lián)網(wǎng)上, 用戶(hù)可以通過(guò)普通PC 和GPRS 手機終端來(lái)觀(guān)測傳感器采集到的數據。網(wǎng)關(guān)同時(shí)還配有與傳感器節點(diǎn)相同的RF 收發(fā)模塊, 用于接受傳感器節點(diǎn)發(fā)送的數據。

　　4 系統的軟件結構

　　在我們的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )系統中, 軟件部分主要是在網(wǎng)關(guān)和傳感器節點(diǎn)上, 主要利用匯編和C 語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)。網(wǎng)關(guān)端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節點(diǎn)傳輸過(guò)來(lái)的數據, 它主要由GPRS 通信軟件、RF 通信軟件、命令行軟件以及任務(wù)管理軟件組成, 如圖4 所示。傳感器節點(diǎn)端的軟件主要完成的功能是接受傳感單元的數據, 并將數據發(fā)送到傳感器節點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)上,它除了沒(méi)有GPRS 通信軟件之外, 其它與網(wǎng)關(guān)端軟件組成相同。

　　5 小結

　　在文章中介紹了一個(gè)基于NIOS 軟核的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )演示系統, 整個(gè)系統建立在嵌入式NIOS 軟核心處理器的基礎上, 盡量使用SOPC Builder 中已有的標準配置IP 核, 具有硬件集成度高、設計周期短, 可以通過(guò)合理控制各部件實(shí)現低功耗要求, 軟件易于開(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是新興的通信應用網(wǎng)絡(luò ), 其應用可以涉及到人類(lèi)生活和社會(huì )活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此, 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )將是未來(lái)的一個(gè)無(wú)孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò ), 需要各種技術(shù)支撐。目前, 該實(shí)驗平臺已在實(shí)驗室開(kāi)始運用。今后, 發(fā)展迅速的SOPC技術(shù)和成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過(guò)適當的改進(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展, 應用到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中, 形成新的市場(chǎng)增長(cháng)點(diǎn), 創(chuàng )造無(wú)線(xiàn)通信的新天地。