无线传感器网络的嵌入式网关硬件设计 无线传感器网络, 无线传感器节点, 嵌入式网关硬件, 嵌入式网关

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来源：网络
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。