研究面向ＷＬＡＮ的无线传感器网络网关设备及其接入机

　　【关键词】及其,设备,接入,机制,无线,研究,面向,传感器,网络,网关

　无线传感器网络(WSN)在农业、军事、用以及工商业方面都具有广阔的应用前景[1-2]。然而,在实际应用中的WSN并不能以一个独立的通信网络形式存在。网络中监测的数据需要发送到上层服务器进行分析、处理,同时上层服务器端Internet对网络的WWW服务、文件传输协议(FTP)服务等需要将相关命令下发到WSN中的节点,且不同类型的WSN节点间也需要通信共享信息。这都需要WSN实现与不同类型网络间的互联[3]。
　　ZigBee在IEEE802.15.4的基础上对网络层协议和应用编程接口(API)进行了标准化,成为应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准,无疑是无线传感器网络组网的首选技术之一[4]。随着基于ZigBee的无线传感器网络技术的广泛应用,如何通过现有网络基础设施(如无线局域网、Internet、GPRS等)对其进行远程管理,控制感测环境中的各种传感装置,逐渐成为该领域的重要研究课题[5-6]。图1给出了基于ZigBee的无线传感器网络体系结构。
　　图1中,传感器节点采集感知区域内的数据,进行简单的处理后发送至汇聚节点;网关读取数据并转换成用户可知的信息,如传感器节点部署区域内的温度、湿度、加速度、坐标等;接着通过无线局域网(WLAN)进行远距离传输。
　　在无线传感器网络中网关担当网络间的协议转换器、不同网络类型的网络路由器、全网数据聚集、存储处理等重要角色,成为网络间连接的不可缺少的纽带。因此设计出高效、稳定的网关节点是整个无线传感器网络设计中的重要一环[7]。
　　
　　1 网关接入方式的比较分析
　　
　　理论上说,网关设备可以采用任意网络技术接入外部网络与监控中心建立连接。美国的Crossbow公司曾推出具有以太网通信功能的汇聚节点产品并得到应用。哈佛大学的科研人员在位于厄瓜多尔境内的唐古拉瓦火山附近部署了小范围的无线传感器网络,采集次声波信号并传送至汇聚节点,通过接入无线调制解调器将数据转发到9 km外火山监测站的一台PC上[8]。中国一些大学和科研机构也提出了有关解决方案,比较典型的是基于有线通信方式的以太网[9]和无线通信方式的GPRS[10]、CDMA等WSN网关。但在实际应用中,选择网关的接入方式时,首先应该考虑的是WSN的应用环境所能提供的可能的网络接入方式。其次,与现有网络相比,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,在考虑网关与外部网络的连接方式时,上行数据率是一个关键指标。网关节点的成本及集成度也是一个关键因素。通过有线方式接入到其他网络,给硬件设备的布置带来了许多不便,大大局限了网关设备的应用。GPRS接入方式上行数据率较低。综合考虑以上因素,WLAN网络在网络覆盖、数据传输速率、网络的稳定性和设备性价比上都有优势,因此,本文设计的无线传感器网关设备通过USB2.0接口加载无线网卡设备,选用WLAN作为网关与监控中心的空中接口,克服了硬件设备布置的局限性,大大扩展了网关设备的应用范围。表1为几种接入方式在网络覆盖、数据率和集成难度的比较。

　　2 网关的实现方案
　　
　　2.1 系统概述
　　网关的功能包括两个方面:一是通过汇聚节点获取的信息并进行转换,二是与外部网络进行通信。本文设计的WSN网关采用嵌入式系统,由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、应用程序等组成,网关的硬件总体结构图如图2所示。
　　2.2 硬件平台的设计
　　嵌入式网关设备由核心板、底板和通信模块组成,核心板上集成Atmel AT91RM9200处理器,64M SDRAM存储器以及16M的Flash存储器。AT91ARM9200微处理器芯片具有工业级200M IPSARM920T内核、16字节的指令和16 kbyte的数据高速缓存的处理器,内部有128 kbyte的只读存储器,外部总线包括SDRAM接口、Burst Flash接口和SRAM控制器、USB设备和主控制器接口、10/100M以太网接口、电源管理器、实时时钟、系统时钟、同步串行控制器、6通道的定时/计数器、4通道的USART、两线制接口(I2C)、SPI接口、多媒体卡接口和GPIO等。AT91ARM9200微处理器芯片是一个多用途的通用芯片,内部集成了微处理器和常用外围组件,具有很高的性价比,特别适用于工业控制领域。
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　　网关设备底板上提供以下外设接口:一个USB2.0接口、一个6×2双排插针和一个10M/100M自适应以太网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式接入网络。
　　通信模块采用的是CC2420芯片,挪威半导体公司Chipcon推出的CC2420是全球首颗符合Zigbee联盟标准的2.4 GHz射频芯片,支持250 kbit/s数据传输率。该公司还提供开发工具套件,通过该套件用户可很快地进行Zigbee网络的评估和设计,该套件包括一个基于CC2420的内嵌Z-Stacktm Zigbee协议栈的硬件模块。软件包括用于首次定制的Z-Stacktm Zigbee网络配置器、用于建立用户自己应用程序框架的Z-Stacktm Zigbee Porfile Builder以及为方便网络调度而提供的Z-Tooltm Zigbee Protocol Stack Trace工具。本文设计的网关通过6×2双排插针外接CC2420通信模块,实现与WSN的数据传输。网关实物图如图3所示。

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