【文章內(nèi)容簡介】 IM100E 的 GPRS 接口實現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)之間的 TCP/IP 連接的無線傳感 器網(wǎng)關，實現(xiàn)了與外部網(wǎng)絡的可靠連接。 張要偉等（ 20xx）分析了網(wǎng)關在溫室智能測控系統(tǒng)中的重要性 ,研究了網(wǎng)關的設計原則和器件選型 ,基于 PXA270 低功耗嵌入式處理器設計并實現(xiàn)了具有以太網(wǎng)、USB 主、 CF 等多擴展接口的網(wǎng)關硬件平臺。此外 ,分析了引導加載程序的引導過程 ,并在自主設計的網(wǎng)關上實現(xiàn)了 Blob 的移植。 劉向文（ 20xx）通過以太網(wǎng)控制芯片 RTL8019 與外部以太網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信的無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)關底層驅動的實現(xiàn)方案，分析了接收模塊和發(fā)送模塊，闡述了驅動實現(xiàn)機制和方法。對網(wǎng)關進行了測試，驗證 了網(wǎng)關的信息處理和通信功能。 江海峰等（ 20xx)針對無線傳感器網(wǎng)絡在煤礦井下的推廣和應用要求，用有線的方式實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡和井下主干網(wǎng)絡以太網(wǎng)進行互聯(lián)，網(wǎng)關解決方案基于嵌入式微處理器 S3C4510B 和嵌入式操作系統(tǒng) VxWorks 實現(xiàn)。 吳偉強等（ 20xx）提出了基于 ARM 平臺的 Zigbee 網(wǎng)關設計。本系統(tǒng)在 ARM9 STR912FW44X 處理器上移植μ COSⅡ操作系統(tǒng)和無線射頻收發(fā)模塊 cc2430 搭建網(wǎng)關開發(fā)平臺。它很好地克服了傳統(tǒng)網(wǎng)關架構下 Zigbee 傳輸速率的瓶頸，降低了資源和處理時 間消耗，提高實時處理能力。 甘勇等（ 20xx）針對如何將 Zigbee 網(wǎng)絡與以太網(wǎng)緊密融合的問題，提出了一種基于 ARM 平臺的 Zigbee 網(wǎng)關的設計方案。網(wǎng)關硬件選取集成以太網(wǎng)接口的 ARM9芯片 STR912 與 CC2430 無線模塊為核心進行擴展設計；應用地址適配層及應用協(xié)議層的提出 ，使得網(wǎng)間地址、協(xié)議在應用層統(tǒng)一起來并很容易擴展到其他網(wǎng)絡。 該網(wǎng)關 5 設計方案的提出在滿足網(wǎng)間數(shù)據(jù)交換高效性、透明性的同時也實現(xiàn)了易擴展性。 綜上所述，目前應用比較廣泛、技術比較成熟的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關主要有以下幾大類： ? 基于 Inter 的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關 使用 Intemet 的 WSNs 網(wǎng)關，人們從任何地點、任何時刻獲取到數(shù)據(jù)的愿望成為現(xiàn)實。實現(xiàn)該系統(tǒng)必須解決許多關鍵性問題，比如數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?、準確性和實時性等?；?Intemet 的 WSNs 網(wǎng)關適用于異地或者遠程控制和數(shù)據(jù)采集、故障監(jiān)測、報警等等，其應用范圍十分廣泛。 ? 基于無線通信的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關 對于工作點多、通信距離遠、環(huán)境惡劣且實時性和可靠性要求比較高的場合，可以利用無線通信網(wǎng)絡來實現(xiàn)主控站與各個子站之間的數(shù)據(jù)通信，采用這種遠程數(shù)據(jù)傳輸方式有利于解決復雜連線，無需鋪設電纜或光纜 ，降低了環(huán)境成本?；跓o線通信的 WSNs 網(wǎng)關應用領域十分廣泛，比如說森林火災監(jiān)測 （ 陸志平 ， 20xx） 、軍隊指揮自動化建設 （張來潮， 20xx） 等均可以采用這種技術來實現(xiàn)。 ? 利用公用電話網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關 在通信不是很頻繁、通信數(shù)量較小、實時性和保密性要求不高的場合，可以租用共用電話網(wǎng)，采用撥號方式建立臨時連接的方式來實現(xiàn) WSNs 網(wǎng)關的遠程數(shù)據(jù)傳輸。這種網(wǎng)關價格低廉、運行可靠、可以實時傳輸數(shù)據(jù) （李晶， 20xx） 。 問題的提出 通過 WSNs 在茶園建立旱情監(jiān)測系統(tǒng)，將大大提高茶園集約化、自動化管理水平。WSNs 要真正投入使用，則不能完全孤立存在，需要通過網(wǎng)關設備接入外部網(wǎng)絡，提供用戶對無線傳感器網(wǎng)絡的遠程訪問和監(jiān)測。 一般情況下 ， 傳統(tǒng) sink 網(wǎng)關通過 匯聚節(jié)點與 PC 的 這種工作方式成本高，開銷大，實際應用時易受到工作環(huán)境的限制 （段渭軍， 20xx） 。 茶園往往處于較偏僻地帶， 將匯聚節(jié)點與 PC 相結合作為外部網(wǎng)絡接入設備具有較大難度 。 一個行之有效的解決方法是配置體積小、功耗和成本較低且可以靈活部署的 嵌入式 WSNs 網(wǎng)關，由網(wǎng)關處理所獲取的信息并進行轉發(fā)工作。 通過嵌入式操作系統(tǒng)進行管理操作，利用現(xiàn)有的公眾網(wǎng)絡 (如以太網(wǎng)、 GPRS 或 CDMA 等 )實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，與遠程監(jiān)控中心服務器通信。 6 研究目的和內(nèi)容 在上述單一通信方式的網(wǎng)關中， 有線 以太網(wǎng)通信穩(wěn)定可靠，但需要具備相應的接入條件，這在許多應用情況下難以實現(xiàn)；無線通信移動性能良好，同時 GPRS、 CDMA等無線通信網(wǎng)絡在國內(nèi)已經(jīng)相當普及，如果在無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關中引入無線數(shù)據(jù)傳輸方式，將大大降低開發(fā)成本和周期。無線通信存在的問題是易受到網(wǎng)絡覆蓋面及資費問題困擾。本 論文 為了解決上述問題，在網(wǎng)關上實現(xiàn)包括有線和無線兩種通信方式，在茶園 實際應用時，可根據(jù) WSNs 部署區(qū)域 的境況 自主選擇所需要的通信方式，或者在條件允許的情況下同時使用 具有多種通信方式的網(wǎng)關 。 不僅能夠實現(xiàn)外部網(wǎng)絡的接入，完成 WSNs 數(shù)據(jù)的轉發(fā)，同時還可以適應 WSNs 部署的靈活性。采用經(jīng)濟實用的方式實現(xiàn) WSN 網(wǎng)關與 Inter 網(wǎng)絡的接入 ， 不但可利用遠程控制中心實現(xiàn)對茶園生態(tài)環(huán)境連續(xù)與實時的在線測控，還可進一步降低茶園作業(yè)管理的工作量，提高茶園管理的網(wǎng)絡化、智能化和信息化程度。 本研究得到了華南農(nóng)業(yè)大學校長基金項目“無線傳感網(wǎng)絡分簇算法與作物旱情監(jiān)測系統(tǒng)研究”（項目編號： 20xxX009）課題的資助和支持。該課題的 具 體內(nèi)容是在茶園部署無線傳感器節(jié)點，組建 WSNs，在線監(jiān)測茶樹的旱情程度。茶園 WSNs 旱情監(jiān)測系統(tǒng)主要包括三部分內(nèi)容： 設計 節(jié)點 采集茶園旱情 數(shù)據(jù)，建立 茶園旱情監(jiān)測 WSNs網(wǎng)絡 ， 對所組建成功的網(wǎng)絡進行性能分析， 設計 ZigBee 網(wǎng)絡 Inter 遠程接入 網(wǎng)關 。其中 設計 節(jié)點 及 數(shù)據(jù)的采集、 旱情監(jiān)測 WSNs 網(wǎng)絡的建立 ， 網(wǎng)絡性能分析 由同組其他同學完成，本論文的目標是實現(xiàn) 茶園 WSNs 旱情監(jiān)測系統(tǒng) 遠程接入 的網(wǎng)關。 7 2 WSNs 茶園旱情監(jiān)測 網(wǎng)關總體設計 概述 網(wǎng)關的定義 在計算機網(wǎng)絡中， 網(wǎng)關 (Gateway)稱為網(wǎng)間連接器、協(xié)議轉換器，在使用不同的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)格式或語言，甚至體系結構完全不同的兩種系統(tǒng)之間充當“翻譯器”的角色，是一種充當轉換重任的計算機系統(tǒng)或設備 (謝希仁， 20xx)。通常網(wǎng)關可分為兩類：一是傳輸網(wǎng)關，用于在兩個網(wǎng)絡之間建立傳輸連接；二是應用網(wǎng)關，在應用層上進行協(xié)議轉換。 本課題所研究的旱情 WSN 網(wǎng)關系統(tǒng)是一個傳輸網(wǎng)關。主要用于實現(xiàn) WSNs 與外部網(wǎng)絡的互聯(lián)，并對 WSNs 的數(shù)據(jù)進行轉換以及轉發(fā) —— 設計本網(wǎng)關的過程實質是嵌入式系統(tǒng)的設計。 嵌入式系統(tǒng) 設計 根據(jù) IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會 )的定義 ： 嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設備、機器和車間運行的裝置” (孫天澤， 20xx)。 目前國內(nèi)的一個普遍被認同的定義是 ： 以應用為中心、以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。 類似于通用計算機系統(tǒng)，嵌入式 系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件部分是整個系統(tǒng)的物理基礎， 由高性能的微處理器和外圍接口電路組成，它提供軟件運行的平臺和通信接口 ； 軟件部分 由嵌入式操作系統(tǒng)和其上運行的應用程序構成，控制系統(tǒng)的運行 ； 軟件和 硬件之間由中間層連接。整個嵌入式系統(tǒng)的體系結構如圖 所示 ： 嵌入式應用軟件 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式處理器 嵌入式外圍設備 嵌入式硬件平臺 圖 嵌入式系統(tǒng)體系結構 8 嵌入式系統(tǒng)與通用計算機系統(tǒng)相比具有以下特點 （鄭靈翔 ， 20xx） : 1） 嵌入式系統(tǒng)是面向特定系統(tǒng)應用的。嵌入式處理器大多數(shù)是專門為特定應用設計的，具有低功耗、體積小、集成度高等特點，一般包含各種外圍設備接口的片上系統(tǒng)。 2)嵌入式系統(tǒng)涉及計算機技術、微電子技術、電子技術、通信和軟件等各行各業(yè)。它是一個技術密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 3)嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件都 必須具備高度可定制性。只有這樣才一能適用嵌入式系統(tǒng)應用的需要，在產(chǎn)品價格性能等方面具備競爭力。 4)高實時性的操作系統(tǒng)軟件是嵌入式軟件的基本要求。而且軟件要求固化存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質量和高可靠性。 5)嵌入式系統(tǒng)的生命周期相當長。當嵌入式系統(tǒng)應用到產(chǎn)品以后，還可以進行軟件升級，它的生命周期與產(chǎn)品的生命周期幾乎一樣長。 6)嵌入式系統(tǒng)不具備本地系統(tǒng)開發(fā)能力，通常需要有一套專門的開發(fā)工具和環(huán)境。在計算機后 PC技術時代，嵌入式系統(tǒng)將擁有最大的市場。計算機和網(wǎng)絡已經(jīng)全面滲透到日常生活的每個角落。各種各 樣的新型嵌入式系統(tǒng)設備在應用數(shù)量上已經(jīng)遠遠超過了通用計算機，任何一個普通人可能擁有從大到小的各種嵌入式技術的電子產(chǎn)品。 網(wǎng)關功能 分析 從 WSNs 體系結構圖 中可以看出， 傳感器節(jié)點采集感知區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，進行簡單的處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點 ； 網(wǎng)關利用串行方式讀取數(shù)據(jù)并轉換成用戶可知的信息，如傳感器節(jié)點部署區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、光強等 ； 接著進行遠距離傳輸，傳輸方式包括以太網(wǎng)、無線通信網(wǎng)，最終到達遠程終端。同時，還可以封裝成短消息發(fā)送至移動終端用戶 （于海斌， 20xx） 。用戶 可以 通過 網(wǎng)關 實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡 的管理 ，而無線傳感器網(wǎng)絡也 能把數(shù)據(jù)遠程傳送到用戶手中。因此， WSNs 網(wǎng)關 具有和簇內(nèi)及簇外通信的功能，是一個功能強大的嵌入式系統(tǒng)，有足夠的能量供給、大容量的內(nèi)存與較強的計算能力。 WSNs 網(wǎng)關 的硬件部分主要由中央處理器、存儲模塊、簇內(nèi)連接(射頻收發(fā) )模塊、簇外連接 (通信 )模塊和電源模塊五部分組成。其結構框圖如 圖 所示 ： 9 中央處理單元是系統(tǒng)的核心，主要用來處理從傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能 。 在無線傳感器網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)收發(fā)要比數(shù)據(jù)處理消 耗大得多的能量，一般先將數(shù)據(jù)進行處理后，再進行傳送，因此對處理器計算能力要求很高。 WSNs 網(wǎng)關還需要配備大容量的 FLASH 存儲器來安裝應用程序和保存數(shù)據(jù)，以及 SDRAM 存儲器來運行程序。為了將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ミB網(wǎng)或 WWW 上，網(wǎng)關 還配備有 遠程通信單元 ，用戶可以通過普通 PC 或 GPRS 手機終端來觀測傳感器收集到的數(shù)據(jù)，即圖 簇外連接部分。 WSNs 同時可以疊加與傳感器節(jié)點相同的射頻收發(fā)模塊，用于接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)和向傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)， 即圖 簇內(nèi)連接部分。 WSNs網(wǎng)關 對電源要求很高，除了 CPU 需要 的不同電壓外， GPRS 模塊啟動時需要大的瞬時電流，所以應從硬件和軟件上同時來實現(xiàn)和控制各路電源的供應，以達到有效的節(jié)能 。 基于茶園旱情監(jiān)測的 WSNs 網(wǎng)關特征 茶園 一般 地處丘陵山區(qū) ，多 由連綿不斷的低矮山丘組成的 。 相對高度一般不超過 200m，高低起伏，坡度較緩 。 茶樹高度一般在 75cm100cm 之間。 茶園種植密度主要的有兩種 ： 一是單行條栽茶園，種植行距 150cm，叢距 33cm，每畝種植約 1350叢。 二是雙行條栽茶園，種植大行距為 150cm，小行距為 30cm，叢距 20cm， 每畝種植約 4450 叢。不 論是單條栽，還是雙條栽，每叢通常種植 3 株茶樹。 茶園的這些地形 、 地貌 ， 茶樹特征 ，決定 網(wǎng)關的系統(tǒng)性能、通信方式等設計時要滿足以下幾方面的要求： 中央處理器 簇內(nèi)連接模塊 簇 外 連接 模塊 存儲模塊 電源 模塊 圖 WSNs 網(wǎng)關結構框圖 10 1)可靠性 網(wǎng)關 在 整個 茶園旱情 監(jiān)測系統(tǒng)起著承上啟下的重要作用 ，是聯(lián)系無線環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)與外部網(wǎng)絡的橋梁，如果網(wǎng)關節(jié)點出現(xiàn)了故障或者癱瘓等無法正常工作的情況，雖然網(wǎng)絡內(nèi)部可以通過 WSNs 的自組織性重新組成 旱情 監(jiān)測網(wǎng)絡，但卻無法將 茶園旱情數(shù)據(jù) 傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，因此，對網(wǎng)關的 可靠性提出了較高的要求。 2)低功耗 網(wǎng)關 的工作環(huán)境是 茶園 ，由于網(wǎng)關節(jié)點要經(jīng)常通過射頻傳輸數(shù)據(jù)，耗電比較大，因此要采用專門的供電系統(tǒng)，為了能夠延長整個環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的使用壽命，必須盡量降低網(wǎng)關節(jié)點各部分的功耗，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