引言

WSN是wireless sensor network的簡(jiǎn)稱，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network, WSN）就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC， System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場(chǎng)變革。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。

很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在 1970 年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到 200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。另外一個(gè)原因是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個(gè)月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。

這里的目的是設(shè)計(jì)、開發(fā)一種適合于山地茶園旱情的WSN網(wǎng)關(guān)。

1網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。由CPU、存儲(chǔ)模塊、本地連接模塊、簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接模塊以及簇外網(wǎng)絡(luò)連接模塊組成。

系統(tǒng)采用三星公司的S3C2410作為CPU。S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式處理器，內(nèi)部有內(nèi)存管理單元(memory managerunit，MMU)，可以穩(wěn)定運(yùn)行在266 MHz。

存儲(chǔ)模塊由FLASH存儲(chǔ)器、SDRAM以及SD卡組成。其中，F(xiàn)LASH 7存儲(chǔ)器采用三星公司的K9F1208UDM NAND FLASH；內(nèi)存SDRAM部分采用Hynix Semiconductor公司的HY57V561620芯片；S3C2410帶有SD卡接口，系統(tǒng)擴(kuò)展出SD卡插槽，用SD卡擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

本地連接模塊由串口電路、USB接口電路以及JTAG接口電路3部分組成。串口電路用于系統(tǒng)調(diào)試以及連接(自身)匯聚節(jié)點(diǎn)的DB51針擴(kuò)展接口。USB接口用來連接USB設(shè)備，以及實(shí)現(xiàn)與工作站連接、下載Linux內(nèi)核等功能。該模塊還提供了JTAG接口，方便用戶進(jìn)行JTAG調(diào)試。

簇內(nèi)網(wǎng)絡(luò)連接模塊主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)的連接，匯聚節(jié)點(diǎn)通過DB51針連接器與網(wǎng)關(guān)本地連接模塊中DB9串口連接，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)的連接功能。

簇外網(wǎng)絡(luò)連接模塊的功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)利用以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，供遠(yuǎn)程終端進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢以及遠(yuǎn)程監(jiān)控。簇外連接模塊由以太網(wǎng)接口電路以及GPRS接口電路組成。

2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件平臺(tái)搭建

Linux是內(nèi)核可裁剪、重新配置的操作系統(tǒng)。在ARM平臺(tái)上移植Linux嵌入式操作系統(tǒng)的工作分為建立交叉編譯環(huán)境、Bootloader移植、Linux內(nèi)核(kernel)移植、文件系統(tǒng)移植和系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。Linux系統(tǒng)移植示意圖如圖2所示。

交叉編譯環(huán)境是由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境，可以將應(yīng)用程序轉(zhuǎn)換成能在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的二進(jìn)制代碼。

Bootloader是嵌入式系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個(gè)軟件代碼。它的主要運(yùn)行任務(wù)就是將內(nèi)核映像從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點(diǎn)去運(yùn)行，即開始啟動(dòng)操作系統(tǒng)。

文件系統(tǒng)是指在物理設(shè)備上的任何文件組織和目錄，它構(gòu)成了Linux系統(tǒng)上所有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)選用JFFS2作為文件系統(tǒng)。

在Linux中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和使用一般有兩種方式可供選擇。第一種方式是將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為可加載的模塊，動(dòng)態(tài)地加載到內(nèi)核，模塊是內(nèi)核的一部分，但以獨(dú)立的個(gè)體形式存在；第二種方式是將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序作為內(nèi)核代碼的一部分編譯到內(nèi)核中去，是以內(nèi)核模式運(yùn)行的。本文選用了第二種方式。

3 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，網(wǎng)關(guān)處于承上啟下的地位，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠泄?jié)點(diǎn)。本文的通信軟件包括網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)通信模塊和網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程終端通信模塊。

網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間的通信主要是指網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的過程，一般采用串口通信方式。由于Linux內(nèi)核中已嵌入了串口驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)串口的操作可通過設(shè)備文件來實(shí)現(xiàn)。

網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸則分別通過開發(fā)以太網(wǎng)應(yīng)用程序和利用PPP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)的有線通信和GPRS的無線通信。采用面向連接的客戶機(jī)／服務(wù)器模型，其通信過程見圖3?？紤]到對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，故采用基于TCP的流式套接字(socket)通信機(jī)制。利用Sierra Wireless公司的Aircard750上網(wǎng)卡連接移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)接入Internet，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)卡與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換。利用PPP協(xié)議棧把數(shù)據(jù)包封裝成IP包的格式，發(fā)送給無線模塊。完成從撥號(hào)到最終邏輯通信鏈路的建立需要經(jīng)過：網(wǎng)關(guān)首先通過撥號(hào)呼叫ISP，在得到ISP應(yīng)答后，建立起初始的物理連接，此時(shí)可以檢測(cè)到載波信號(hào)；然后終端與ISP之間開始傳送一系列經(jīng)過PPP封裝的LCP分組，用于協(xié)商選擇將要采用的PPP參數(shù)，參數(shù)協(xié)商完成后開始認(rèn)證過程；認(rèn)證成功后，通信雙方開始交換一系列的NCP分組來配置網(wǎng)絡(luò)層。對(duì)于上層使用IP協(xié)議的情況而言，此過程是由IPCP完成的；當(dāng)NCP配置完成后，邏輯通信鏈路就建立好了，雙方可以開始在此鏈路上交換上層數(shù)據(jù)。該過程中PPP狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

4 試驗(yàn)分析

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)要完成的主要任務(wù)包括采集傳感器節(jié)點(diǎn)旱情監(jiān)測(cè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和封裝后通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)端具有固定公網(wǎng)IP的PC機(jī)。為了驗(yàn)證該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性和適應(yīng)性，分別對(duì)以太網(wǎng)連接和GPRS遠(yuǎn)程傳輸可靠性進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn)。

試驗(yàn)條件：

(1)Ethernet Switch交換機(jī)1個(gè)，EIA／TIA 568B標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)線(直連網(wǎng)線)2根；

(2)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)1套，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)、以太網(wǎng)口驅(qū)動(dòng)程序、串口數(shù)據(jù)采集程序、socket套接字聯(lián)接程序；

(3)利用10Base-T接至網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)1臺(tái)，采用Windows XP操作系統(tǒng)；

(4)Crossbow公司MICAz節(jié)點(diǎn)和MTS310傳感器6套，采用Crossbow公司的Moteview監(jiān)控軟件。

以太網(wǎng)的連接試驗(yàn)主要是針對(duì)網(wǎng)關(guān)連接、網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測(cè)試。網(wǎng)關(guān)連接測(cè)試是驗(yàn)證網(wǎng)關(guān)嵌入式Linux操作系統(tǒng)、CS8900網(wǎng)卡初始化和驅(qū)動(dòng)程序的運(yùn)行正常與否，以及網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測(cè)中心能否通過以太網(wǎng)進(jìn)行正常的網(wǎng)絡(luò)連接。試驗(yàn)證明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

GPRS數(shù)據(jù)傳輸可靠性可以由誤碼率和丟包率來衡量。為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬，該實(shí)驗(yàn)以丟包率作為分析的主要依據(jù)。由于GPRS傳輸延遲的不確定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔相關(guān)，間隔時(shí)間越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃蜁?huì)降低。由于茶園旱情監(jiān)測(cè)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性沒有過高的要求，因此，網(wǎng)關(guān)GPRS遠(yuǎn)程傳輸采用TCP方式，間隔時(shí)間選為5 s。

5 結(jié) 語

針對(duì)目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)采用嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)多種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的WSN網(wǎng)關(guān)，用于茶園旱情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)通過串行口與匯聚節(jié)點(diǎn)通信，可以通過以太網(wǎng)或GPRS兩種可選方式監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。開發(fā)了功能完善的WSN網(wǎng)關(guān)應(yīng)用軟件，在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。隨著3G時(shí)代的到來以及工業(yè)級(jí)3G通信模塊的推出，如何利用網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)WSN與3G的互聯(lián)是今后擬研究解決的問題。