【文章內(nèi)容簡介】 ，避免出現(xiàn)因網(wǎng)關節(jié)點供電不足而造成整個環(huán)境系統(tǒng)癱瘓的情況。此外，WSNs網(wǎng)關能量的消耗主要集中在對數(shù)據(jù)進行處理和傳送數(shù)據(jù)。在其他情況下，應該盡量使WSNs網(wǎng)關處于睡眠或空閑狀態(tài)，以節(jié)約能量。 3)通信方式需求WSNs網(wǎng)關既要和傳感器節(jié)點通信，又要與外部網(wǎng)絡通信，它應該有簇內(nèi)通信和簇外通信雙重功能。和簇內(nèi)通信采用與節(jié)點相同的通信的方式，而與簇外通信可以選擇有線網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡和GPRS方式。要使通信做到有效、可靠，應保證網(wǎng)關的通信方式是多樣化，并且是穩(wěn)定的，不受環(huán)境影響或影響很小。4)數(shù)據(jù)處理能力在實際工作中，每個網(wǎng)關節(jié)點管理的節(jié)點可能會達到上百個，因此可能會出現(xiàn)短時間內(nèi)大量的環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關節(jié)點，而這些數(shù)據(jù)可能需要通過數(shù)據(jù)融合等處理后傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，因此要求網(wǎng)關節(jié)點處理器有較高的處理速度，以及能夠存儲大量的數(shù)據(jù)，來滿足無線傳感器網(wǎng)絡的實時性要求。5)擴展性隨著需求的不斷提高，以后會增加定位等其他功能，這就要求網(wǎng)關是一個開放、易于擴展的系統(tǒng)，只需要在現(xiàn)有系統(tǒng)上增加一些軟、硬件模塊，就能實現(xiàn)特定的需要，便于系統(tǒng)的升級維護。 網(wǎng)關設計概要 處理器的選型處理器(CPU)是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心，所有的設備控制、任務調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲都需要在這個模塊的支持下完成。常用嵌入式處理器PowerPC，MIPS和ARM等具有體積小、重量輕、成本低及可靠性高等特點，從ARM系列中選擇一款合適的來作為匯聚節(jié)點的中央處理器。ARM處理器選擇主要從以下幾方面來考慮(孫天澤，2005)：1)ARM微處理器內(nèi)核的結構ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結構，以適應不同的應用領域，用戶如果希望使用WinCE或標準Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Unit)功能的ARM芯片，如ARM720T、ARM920T、ARM922T、ARM946T、StrongARM等。ARM7TDMI不支持 WindowsCE和標準Linux，但目前有uCLinux等不需要MMU支持的操作系統(tǒng)也可運行于ARM7TDMI硬件平臺之上。2)系統(tǒng)的工作頻率系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHz133MHz，ARM9系列微處理器的典型處理速度為 ，常見的ARM9的系統(tǒng)主時鐘頻率為100MHz233MHz，ARM10最高可以達到700MHz。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。3)芯片內(nèi)存儲器的容量大多數(shù)的ARM微處理器片內(nèi)存儲器的容量都不太大，需要用戶在設計系統(tǒng)時外擴存儲器。4)片內(nèi)的外圍電路除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據(jù)各自不同的應用領域，擴展了相關功能模塊，并集成在芯片之中，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等。從對WSNs網(wǎng)關功能分析結果考慮，處理器應該具有較高的工作頻率及大容量的片內(nèi)存儲器以滿足快速處理功能；具有大量的I/O接口，滿足擴展性要求；片內(nèi)集成眾多外設控制器，實現(xiàn)外設連接而不增加其他外部控制器；要具有很好的電源管理功能，達到最小的功耗控制。綜合以上幾點，本論文選擇了三星公司的基于ARM9核的S3C2410X作為中央處理器。 操作系統(tǒng)選型現(xiàn)代信息社會的高效性、協(xié)同性客觀上要求軟件的編寫便于多人分工合作、編寫的軟件具有可重用性，軟件也日趨復雜。所有這些迫切需要有一個屏蔽底層硬件的、功能強大的操作系統(tǒng)來支持。嵌入式軟件的核心就是嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）。主要有：VxWorks，Linux，WinCE，mC/OSII等。1） WinCEWinCE是一個簡潔的、高效率的多平臺操作系統(tǒng)。它的模塊化設計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設備進行定制。WinCE的缺點是價格高、不開放源碼、而且缺乏實時性(何宗健，2006)。2）VxworksVxworks是目前嵌入式系統(tǒng)領域中使用最廣泛，市場占有率最高的系統(tǒng)。它支持多種處理器，如x8i960、Sun Sparc、powerPC、ARM等。Vxworks的缺點是操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，軟件的開發(fā)和維護成本高（李方敏，2004）。3）mC/OSⅡmC/OSⅡ是著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，適用于8位，16位和32位單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)?？晒芾矶噙_63個應用任務，并可以提供如下服務：信號量、互斥信號量、事件標識、消息郵箱、消息隊列、任務管理、固定大小內(nèi)存塊管理、時間管理。mC/OSⅡ的缺點是可提供的API函數(shù)接口相對較少，很多工作需要用戶自己去完成(，2003)。4）LinuxLinux操作系統(tǒng)是一種開放源碼，可裁剪內(nèi)核，運行于個人計算機和工作站上的類UNIX操作系統(tǒng)。它最初是由一名芬蘭學生Linux Torvalds開發(fā)的，后來成立了一個由他領導的內(nèi)核開發(fā)小組對Linux內(nèi)核進行了完善。這使Linux在短期內(nèi)就成為了一個穩(wěn)定成熟的操作系統(tǒng)，在x86，Alpha，Sparc，ARM等硬件平臺上運行穩(wěn)定高效。作為一種成熟，穩(wěn)定并在短時間內(nèi)得到廣泛應用的開源操作系統(tǒng)，Linux作為自由軟件有兩個特點：一是它免費提供源碼，二是愛好者可以按照自己的需要自由修改、復制和發(fā)布程序的源碼，并公布在Internet上。世界各地的開源愛好者為Linux編寫各種各樣的驅(qū)動程序和應用軟件，使得Linux不僅只是一個內(nèi)核，而是一個包括系統(tǒng)管理工具、完整的開發(fā)環(huán)境、開發(fā)工具及應用軟件在內(nèi)的操作系統(tǒng)（鄭靈翔，2006）。商業(yè)的嵌入式操作系統(tǒng)要付出昂貴的版權費用，μC/OSⅡ比較簡單，在選用的平臺功能較強大的情況下，不宜采用。Linux對網(wǎng)絡中最常用TCP/IP協(xié)議有著最完備的支持；在多任務、多用戶下表現(xiàn)出高效性、安全性和穩(wěn)定性；目前，大量的硬件廠商開始提供驅(qū)動；Linux下的任何軟件都是免費的。Linux還可以根據(jù)需要靈活裁減內(nèi)核大小以減少它的體積。在實時方面，采用一種新的調(diào)度算法，解決了先前版本調(diào)度程序的不足，還引入了內(nèi)核搶占技術，只要重新調(diào)度是安全的，內(nèi)核就可以在任何時候搶占正在執(zhí)行的任務。 綜上所述。 網(wǎng)關系統(tǒng)的設計方案根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的設計流程，和前面對WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關功能的需求分析，在選擇了合適的中央處理器、嵌入式操作系統(tǒng)后，可以得出網(wǎng)關的具體設計方案，、硬件框圖。S3C2410X(Linux OS)由GPIO實現(xiàn)的DB51連接器HOST USB串口DB9網(wǎng)絡CS8900AFLASHSDRAMSD卡PCMCIA接口（外接WLAN、GSM/CDMA）、電源模塊JTAG接口本地連接部分存儲部分簇外連接部分簇內(nèi)連接部分 本章小結本章在分析嵌入式系統(tǒng)開發(fā)流程的基礎上，結合WSNs茶園旱情監(jiān)測網(wǎng)關的功能特征需求，按照對處理器的需求確定以S3C2410X作為網(wǎng)關的處理器，在比較幾種常用的嵌入式操作系統(tǒng)后，選擇Linux作為網(wǎng)關的操作系統(tǒng)，最后確定出一個完整的設計框圖。3 網(wǎng)關硬件平臺為了為了縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，茶園WSNs旱情監(jiān)測網(wǎng)關采用的北京瑞泰創(chuàng)新科技有限公司的ICETEK_ARM9_S3C2410開發(fā)板作為硬件平臺。該板主要由S3C2410XCPU、64M SDRAM、64M FLASH，100M以太網(wǎng)卡接口、SD卡接口、PCMCIA接口、串口等部分組成，只要擴展出匯聚節(jié)點接口外加PCMCIA接口的GPRS無線上網(wǎng)卡就能完全滿足設計方案的硬件要求。 系統(tǒng)CPU部分該開發(fā)套件采用三星公司的S3C2410X作系統(tǒng)CPU，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MMU（Memory Manager Unit），AMBA（Advanced Microcontroller Bus Architecture）總線，獨立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)緩存的哈佛緩存結構?？梢苑€(wěn)定運行在266MHz，可以運行Linux和Windows CE等需要MMU的嵌入式操作系統(tǒng)。 S3C2410X功能框圖從S3C2410X的功能框圖可以看出其內(nèi)部還集成了豐富的外圍接口資源，包括：l 1個LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶）l SDRAM控制器，3個UART通道l 4個DMA通道l 4個具有PWM功能的計時器和1個內(nèi)部時鐘l 8通道的10位ADCl 觸摸屏接口和IIS總線接口l 2個USB主機接口，1個USB設備接口，2個SPI接口l SD接口和MMC接口l 看門狗計數(shù)器，117位通用IO口和24位外部中斷源l 8通道10位AD控制器，電源管理單元S3C2410X是32位的RISC處理器，其32位的地址總線尋址空間可達到4G，即0x00000000－0xFFFFFFFF。S3C2410X將前面1G的尋址空間0x00000000－0x40000000分8個BANK，每個BANK的尋址空間為128M。Bank0可以配置成16位或者32位總線，用于系統(tǒng)啟動，一般將啟動的ROM映射到Bank0空間。其中Bank0到Bank5的起始地址和結束地址都是固定的，可將ROM或SRAM類型的外圍設備或存儲器件映射到這里。Bank6和Bank7用于ROM、SRAM、SDRAM，這兩個Bank大小是可變的，可以通過配置寄存器設置為2MB、4MB、8MB、16MB、32MB、64MB或者128MB，但是兩個區(qū)間大小必須相同，Bank7的開始地址是Bank6的結束地址。：S3C2410X通過nGCS[7:0]8個通用片選信號來分別選擇這8個Bank。 S3C2410X內(nèi)存映射結構 系統(tǒng)存儲模塊 FLASH存儲器開發(fā)板采用了三星公司的64M8bit的K9F1208UDM NAND Flash，相對與NOR Flash來說，價格低廉的NAND Flash應用越來越多，但是NAND Flash接口復雜，對于一般的接口控制比較復雜。S3C2410X內(nèi)部集成了NAND Flash控制器，使其和NAND Flash之間的接口非常的簡單。 系統(tǒng)FLASH部分電路 系統(tǒng)SDRAM部分開發(fā)板的內(nèi)存SDRAM采用Hynix Semiconductor公司的HY57V561620片，是4Banks4M16bit結構的，本系統(tǒng)采用兩片HY57V561620T擴展成16M 32bit(one word)內(nèi)存。，另外一片HY57V561620T和此片采用地址總線復用的方式，而將數(shù)據(jù)總線擴展為32位。它有4個Bank，通過BA0和BA1引腳來尋址四個Bank，每個Bank有4M的存儲空間，地址線A0－A12這13根地址線是行列復用的，13根行地址線和9根列地址線用來每個Bank里4M空間的尋址。HY57V561620是16位的SDRAM，在這里用兩片HY57V561620組合構成了32位數(shù)據(jù)總線的SDRAM。 SD卡接口電路 S3C2410 X帶有一個SD卡接口，嵌入式開發(fā)板擴展出SD卡插槽。 SD卡接口電路 網(wǎng)關遠程接入接口 以太網(wǎng)接口電路以太網(wǎng)接口電路采用CS8900網(wǎng)口芯片和內(nèi)部集成網(wǎng)絡變壓器的RJ45太網(wǎng)接口構成兩部分構成。CS8900芯片是Cirrus Logic公司生產(chǎn)的一種高集成度局域網(wǎng)控制器，一個真正的單片、全雙工的以太網(wǎng)解決方案，內(nèi)部集成了以太網(wǎng)電路所要的所有數(shù)字和模擬電路。CS8900是高集成度單片以太網(wǎng)解決方案，外部只需要極少的器件，接收和發(fā)送都在芯片內(nèi)部完成，內(nèi)部集成4KB的RAM，節(jié)省了外部連接RAM的麻煩。CS8900可以工作在MEM、IO和DMA三種模式，該開發(fā)板將CS8900配置為兩種模式：MEM和IO模式。將CS8900的內(nèi)存映射到S3C2410X的Bank3，用LnGCS3選通CS8900。 CS8900芯片接口電路 PCMCIA接口電路本開發(fā)板PCMCIA接口通過專用擴展芯片CLPD6710擴展而得，芯片的片選讀寫連接到CPU的nGCS2引腳上，對應內(nèi)存空間：0x100000000x17FFFFFF。茶園旱情監(jiān)測WSNs網(wǎng)關通過該接口，直接連GRRS無線網(wǎng)卡遠程接入數(shù)據(jù)中心。 PCMCIA接口電路 系統(tǒng)本地連接接口 USB接口電路S3C2410X提供了兩個主USB接口，和一個從USB接口，其中的一個主USB接口和從USB接口是復用的，開發(fā)板可用跳線來選擇使用主USB還是從USB。兩個主USB口用來接U盤、USB鼠標、USB鍵盤等USB設備，從USB用來和工作站連接，在Linux系統(tǒng)開發(fā)時和主機通訊，下載Linux內(nèi)核等。 USB接口電路 串口電路S3C2410X內(nèi)部集成有三路串口，串口1通常在系統(tǒng)調(diào)試的時候會用到，串口2和串口3可以連接各種串口設備， 。本網(wǎng)關系統(tǒng)用串口2連接擴展的DB51針匯聚節(jié)點接口。 串口電路 JTAG接口電路S3C2410內(nèi)部集成JTAG接口，支持JTAG調(diào)試，電路設計時直接將JTAG信號引出即可。 JTAG接口電路 電源模塊網(wǎng)關內(nèi)部需要5V，外部供電電源為交流220V，通過變壓器和整流橋轉(zhuǎn)換為直流后經(jīng)過7805芯片產(chǎn)生5V的直流，作為基站的電源系統(tǒng)。7805和LM1117的最大輸出電流都可以達到800mA，