無線傳感囂網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r地監(jiān)測、感知采集節(jié)點部署區(qū)內(nèi)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(xiàn)象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術(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(jié)點不斷涌現(xiàn)，由這些節(jié)點構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為當(dāng)今的熱點研究方向之一，被認(rèn)為是對21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。
    本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計選擇了器件，充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務(wù))技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)融為一體，成功完成了本次嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensornode)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示，大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析、融合等處理后，通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)送入終端用戶。用戶通過監(jiān)控中心對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測命令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點特點及其功能
    作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關(guān)節(jié)點要處理大量的數(shù)據(jù)，必須具備高速度、大存儲量和較遠(yuǎn)的傳輸距離，即低成本、高效能。同時因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實，充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮，低功耗設(shè)計也成為整個設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
    網(wǎng)關(guān)節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時，還要對傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理和設(shè)置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成；發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實現(xiàn)特定的操作功能；接收采集節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇功能。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點硬件設(shè)計
    依照設(shè)計原則，在很好地實現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能的同時，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導(dǎo)致的移動范圍受限、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點，參考當(dāng)今前沿的短距離無線通信技術(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無線通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設(shè)計方案。其總體結(jié)構(gòu)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收集和處理從采集傳感器節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，合理分配不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲，并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關(guān))；同時支持休眠、任務(wù)喚醒模式，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。[!--empirenews.page--]
    為了實現(xiàn)上述功能，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106。LPC2106支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU，標(biāo)準(zhǔn)JTAG調(diào)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(shè)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(yīng)用；雙UART，其中一個具備完全的調(diào)制解調(diào)器接口，完全滿足本設(shè)計要求；帶有寬范圍的串行通信接口(片內(nèi)多達(dá)64 KB的SRAM)，由于具有大規(guī)模的緩沖區(qū)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(zhuǎn)換器、聲音識別以及低端的圖像處理。
3．2 GPRS無線通信模塊
    首先，WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小，因而在考慮網(wǎng)關(guān)節(jié)點與外部網(wǎng)絡(luò)的連接方式時，上行數(shù)據(jù)率是一個關(guān)鍵指標(biāo)；其次，應(yīng)用環(huán)境制約數(shù)據(jù)上行方式；另外，網(wǎng)關(guān)節(jié)點的成本及集成難度也是一個關(guān)鍵因素。綜合以上三點，選用Simcom公司生產(chǎn)的CPRS無線通信模塊SIM300C。該模塊具有如下特點：
    ①支持兩種操作模式(一種是電路交換數(shù)據(jù)模式CSD，支持語音、數(shù)據(jù)、SMS和FAX業(yè)務(wù)；另一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支CSI-CS4編碼)；
    ②標(biāo)準(zhǔn)的AT命令，為GSM語音、短消息以及GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口；
    ③內(nèi)置TCP／IP協(xié)議，用戶不必自己編寫或者利用操作系統(tǒng)加入?yún)f(xié)議，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期；
    ④數(shù)據(jù)下行、上行傳輸速率分別高達(dá)85．6 kbps和42．8 kbps，標(biāo)準(zhǔn)RS232串行口，通過串行口使用AI、命令完成對模塊的操作；
    ⑤支持最少功能和休眠兩種省電模式。
    需要將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)節(jié)點時，節(jié)點按照WSN的協(xié)議規(guī)范對數(shù)據(jù)進行打包，然后通過無線方式經(jīng)過一跳或多跳將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感數(shù)據(jù)在通過無線傳輸進入網(wǎng)關(guān)節(jié)點后，微處理器利用WSN的協(xié)議棧拆包，得到原始數(shù)據(jù)之后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可應(yīng)用其操作系統(tǒng)上的應(yīng)用軟件根據(jù)具體需求對原始數(shù)據(jù)進行處理(如進行數(shù)據(jù)的融合，去除冗余，減輕網(wǎng)關(guān)節(jié)點對外傳送的負(fù)擔(dān))。處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)由TCP／IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連，如圖3所示。最后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點中的 GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過GSM網(wǎng)絡(luò)或者SMS方式傳送到上位機。當(dāng)需要向傳感器節(jié)點傳達(dá)控制命令時，上位機以短信的方式經(jīng)GSM傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點的GPRS 模塊，完成相應(yīng)任務(wù)。

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

    常用如下一些AT指令。
    ①連網(wǎng)指令：AT返回狀態(tài)：OK(連網(wǎng)成功)
    ②全功能開啟指令：AT+CFUN=1
    ③關(guān)閉模塊指令：AT+CPOWD=1
    ④讀取第n條短信：AT+CMGR=n
    同時，DTR外接一個上拉電阻，配合“AT+CSCLK=1”指令，可以輕易地實現(xiàn)SIM300C的休眠，通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2．5 mA，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。
3．3 射頻收發(fā)模塊
    一個基于IEEE 802．15．4的CC2430無線收發(fā)模塊，主要用來完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間、節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間的無線通信。核心部分是一個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(yuǎn)和低功耗等優(yōu)點。主要特征如下：
    ①工作頻帶范圍是2．4～2．483 5 GHz；
    ②采用IEEE 802．15．4規(guī)范要求的DSSS(直接序列擴頻方式)；
    ③數(shù)據(jù)速率達(dá)250 kbps，碎片速率達(dá)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(RX<27 mA，TX<25 mA)；
    ④低電壓供電(2．1～3．6 V)，內(nèi)部集成VCO、LNA、PA及電源穩(wěn)壓器。[!--empirenews.page--]
    CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CS)與SPI接口相連?？梢酝ㄟ^調(diào)制解調(diào)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單，主要包括晶振電路、天線及阻抗匹配電路、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匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內(nèi)部的PA和LAN提供支流偏置。

    為了提高無線收發(fā)系統(tǒng)的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線的選取也至關(guān)重要，其中包括射頻天線形狀、輸出方向、天線長度、天線材料等一系列因素。射頻電路常用差動天線、不平衡天線。典型的差動天線(如雙極天線)，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環(huán)狀天線。螺旋天線可以看作是單極天線和環(huán)狀天線的混合，但是優(yōu)化起來比單極天線困難。環(huán)狀天線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(shè)計中選用單極天線。
    單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負(fù)載。傳輸線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(shè)計中采用了傳輸線形式。CC2430無線收發(fā)PCB布線圖如圖6所示。

    在PCB布線方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號在正確的頻段，同時要遠(yuǎn)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(shù)字信號對其的干擾。因此，傳輸線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。避讓空間沒有固定公式，根據(jù)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為無線通信頻率的波長)。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示。經(jīng)匹配后的網(wǎng)關(guān)與節(jié)點能在150～200 m的范圍內(nèi)自由通信，傳輸效果令人滿意。
3．4 存儲單元
    微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統(tǒng)的移植存儲的代碼量，以及傳感器節(jié)點每天采集的數(shù)據(jù)量(64個節(jié)點一天大約4．3K)，故必須進行存儲器的擴展。結(jié)合考慮微處理器外設(shè)接口和數(shù)據(jù)存儲讀寫速度，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具有無限的讀寫次數(shù)，掉電數(shù)據(jù)多達(dá)10年保持時間，寫數(shù)據(jù)無延時，快速SPI串行協(xié)議，高達(dá)40 Mbps的總線速度，完善的軟、硬件寫保護，極低的靜態(tài)工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計的需要。
3．5 電源模塊
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般工作在無人值守的環(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(shè)計中采用太陽能電池板實現(xiàn)整個系統(tǒng)的能源供給。比較當(dāng)今常用電池性能，分析計算設(shè)計節(jié)點各模塊的功耗，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，電量儲備最大、重量最輕、壽命最長、充電時間最短、無記憶效應(yīng)，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無線收發(fā)模塊A／D采樣、自動監(jiān)測控制電池電壓，根據(jù)設(shè)計的電池上下限值自動開啟太陽能電池板對其自動充電，始終做到整個節(jié)點電源供給穩(wěn)定。

結(jié) 語
    本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點，對WSN網(wǎng)關(guān)進行了研究，并給出了詳細(xì)的硬件實現(xiàn)方案。關(guān)鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)到有線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸；基于CC2430芯片的RF收發(fā)電路。通過研究，較好地解決了WSN數(shù)據(jù)從采集地到監(jiān)控中心的雙向傳輸問題，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意的結(jié)果，為開發(fā)和構(gòu)造無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域。