一種無線傳感網網關的設計*

萬書芹，魏 斌，陳子逢，黃召軍，虞致國

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

物聯網是以信息的交互、處理為目的，通過各種感知設備，網絡傳輸手段將信息采集并傳輸至目標信息處理平臺，并在此基礎上構建出特定應用的系統體系。物聯網是實現全方位信息交互和決策優化的綜合性系統架構和應用實踐。無線傳感器網絡作為一種新興的研究領域，是物聯網技術的重要組成部分。隨著各種技術的發展，無線傳感器網絡的研究日益深入，除了在軍事、工業、農業、環境等多個領域有著廣泛的應用，在民用領域的應用研究也越來越多。

無線傳感網的快速發展所帶來的問題是，如何才能在實現這些海量數據通信的高速化、低成本化、低功耗化的同時，實現數字化、寬帶化和智能化？隨著移動通訊技術的飛速發展，不斷涌現新的寬帶接入技術，目前通訊行業中存在多種網絡結構，如電信網、互聯網、電視網以及物聯網等。因此設計一種具備多網接入能力的無線接入設備是解決上述問題的關鍵。該無線接入設備應當分為兩部分：終端設備和網關設備。終端設備是具備網絡接入功能的各種終端，網關設備主要包含處理核心和各個連接模塊。網關設備無疑是該系統的核心。本文據此思想提出了一種無線傳感網網關的設計。文中首先提出該無線傳感網網關設備的系統設計，其次對網關的硬件設計進行了詳細介紹，最后對軟件的開發作了簡要介紹。

2 系統設計

網關是傳感網絡中最大的匯聚點，可以實現不同網絡之間的無縫融合[1]。網關一般采用高端嵌入式微處理器和存儲空間相對較大的擴展芯片，以提高系統的處理速度和存儲網絡節點的信息量。傳感器節點采集感知區域內的數據，進行簡單的處理后發送至匯聚節點，網關利用串行方式讀取數據并轉換成用戶可知的信息，如傳感器節點部署區域內的溫度、濕度、加速度、坐標等，接著進行遠距離傳輸，傳輸方式有以太網、移動通信網(CDMA)、WiFi、ZigBee。本網關系統主要由以下幾個部分組成：中央處理器、人機交互模塊、存儲器、以太網模塊、CDMA模塊、WiFi模塊和ZigBee射頻模塊，如圖1所示。其中中央處理器負責分析處理來自各個不同網絡的數據，根據標識發送到對應的網絡中，從而實現信息在不同網絡中的傳送。

圖1 網關系統結構

3 硬件設計

根據總體方案，本無線傳感網網關采用嵌入式結構。首先需要設計網關所采用的硬件平臺，平臺上包括各種外設接口，此外還要設計各種通訊模塊。硬件平臺分核心板和底板兩部分分別設計。核心板主要由處理器、存儲器構成，通過接口與底板連接。底板將核心板接口上的不同信號根據需要作相應處理，形成所需要的各種接口以備與不同的通訊模塊及數據設備相連。網關的總體硬件結構如圖2所示。其中微處理器為網關的核心，它負責運行操作系統及各個通訊模塊所需的驅動程序和協議棧。

圖2 網關硬件結構示意圖

3.1 核心處理器與存儲器

硬件設計中的關鍵問題是處理速度。傳感器網絡主要使用嵌入式微處理器和嵌入式微控制器。網關作為網絡中的重要節點一般采用高性能嵌入式微處理器，并且這些微處理器一般具有集成度高、體積小、重量輕、功耗低、功能全等特點。因此，核心處理器我們選用三星公司的S3C6410為中央處理器。S3C6410 RISC 處理器采用的CPU是ARM1176JZF-S[2]，具有JAVA加速引擎和16kB/16kB I/D緩存和16kB/16kB I/D TCM技術。在1.1V和1.2V的工作電壓下工作頻率最高為533MHz 和667MHz。該處理器集成了多種外設接口，如圖3。連接總線接口有I2C、I2S、UART、GPIO、SPI、HIS、USB OTG 2.0、USB Host 1.1、HS-MMC/SD卡等；系統外圍設備有RTL、 PLL、 Watch-Dog、 DMA和8×8的鍵盤矩陣；多媒體加速器主要有相機I/F、多格式編解碼、支持2D/3D圖形等，以及串行通信接口、以太網接口、相機接口。外圍電路主要包括存儲器系統、時鐘系統、電源系統和其他電路系統。

一般系統中主要使用Flash和SDRAM這兩種存儲器，SDRAM作為內部存儲器，但隨著嵌入式系統處理器主頻的提高，SDRAM的速度只能工作在133MHz的主頻上，已不能滿足日益增速的處理器工作要求。當前DDR技術占據了內存技術的主流，在內部存儲器的選擇上我們選用三星公司的K4X1G163PC系列中的64×16bit的DDR內存產品，兩塊芯片構成256MB的內存空間，用于高速存儲系統運行時產生的各種數據。需要注意的是，在PCB設計中要嚴格控制時鐘線和控制線等長，同一組數據、DQS、DQM等長以及線間距的控制。在帶有DDR的嵌入式系統主板中，DDR的走線設計是PCB設計中最難的部分，必須按照嚴格的約束走線，同時充分考慮信號完整性和時序匹配問題以確保設計出的系統的穩定性和可靠性。

外部存儲選用NAND Flash K9GAG08U0E-SCB0芯片，MLC（Multi-Layer Cell）存儲格式，存儲容量為2GB。該芯片封裝為TSOP，共有48個腳，其中8位I/O端口用于輸入命令、地址和數據，在讀操作下輸出數據。Flash主要存放軟件的目標代碼，如Bootloader引導程序、操作系統內核、各種驅動程序及應用程序。在PCB設計中同樣要確保時鐘線和控制線等長，同一組信號的等長。

3.2 常用外設接口

（1）UART

S3C6410處理器內置了4個通用異步收發串行接口UART0～UART3，其中UART1為5線串口，其他皆為3線串口。由于該串口采用的是TTL電平，一般的計算機及通訊模塊的串口設備采用的是RS-232電平，因此為了便于與其他設備的通訊，這里我們需要采用MAX3232CSE電平匹配模塊來實現電平的轉換。

（2）USB

由于常見的攝像頭、鍵盤、鼠標、高速存儲器及通訊設備采用USB接口，為了方便擴展外設，芯片內置了USB OTG，可以支持設備和主機兩種功能，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps，只用于設備）以及低速（1.5Mbps，只用于主機）轉換。設計中引出該接口為mini USB 2.0。此外芯片還內置了USB主機接口，支持低速和全速USB設備，在設計中采用了USB Hub進行擴展，擴展至3個USB Host 1.1接口。

（3）SD卡

S3C6410微處理器中帶有兩路SDIO0和SDIO1接口，本系統中接出SDIO0，作為普通SD卡使用。該接口也可以支持高速大容量SDHC卡。S3C6410微處理器另一個特點是支持SD卡啟動功能。6410從SD卡啟動時，首先要把bootloader程序燒寫到SD卡高位地址起始處，插上SD卡，并將控制SD卡啟動的開關打開，此時打開電源開關，系統就會運行。

（4）LCD

S3C6410微處理器提供了觸摸屏接口，且本身自帶觸摸屏控制器，XP、XM、YP、YM為其四線觸摸屏接口，將此4個信號直接從CPU引出，連接四線電阻觸摸屏使用。LCD接口座中包含了常見LCD所用的大部分控制信號（行場掃描、時鐘和使能等）和6:6: 6模式的RGB數據信號。

3.3 通信模塊接口

本項目所設計的網關可實現ZigBee網絡、WiFi網絡、CDMA網絡和以太網四種網絡的接入功能，同時可實現其中任意兩種網絡之間的數據通信。因此，該網關涉及四種不同網絡通訊模塊，其中ZigBee射頻模塊作為獨立模塊單獨設計，以太網模塊直接在底板上實現，其他兩種模塊從市場購買成熟產品。下面分別介紹這四種通信模塊接口。

（1）ZigBee射頻模塊

本模塊的處理芯片采用飛思卡爾公司基于ARM內核的ZigBee無線單片機MC13224[3]，該芯片集成了標準的ARM7內核、2.4GHz射頻收發器、IEEE 802.15.4 MAC硬件加速器和AES硬件加速器，內部集成了FLASH、SRAM和ROM、AD轉換等模塊，并在開發環境中提供了最新ZigBee 2007/PRO協議棧。該芯片只需要很少的外圍配合電路即可實現無線通信。在模塊的設計中采用了低功耗設計，最低功耗可達0.015mA。模塊對外提供UART、SPI、I2C、SSI接口進行數據傳輸，可外接多種傳感器。模塊與中央處理器通過SPI總線以四線方式相連，傳送從其他支持ZigBee協議的無線節點發送過來的數字類信息至處理器。同時中央處理器通過SPI總線控制ZigBee射頻模塊并接受數據、發送控制信息。

（2）以太網

本網關以以太網作為網關設備有線接入互聯網，采用DM9000A網卡芯片[4]，它可以自適應10/100Mbps網絡，且功耗低，輸入輸出端口工作電壓為3.3V～5V之間。提供8位和16位的內存訪問數據接口以便與不同的處理器相連接。在應用中一般在DM9000A和RJ45之間需加一轉換器，設計中需特別注意盡可能將RJ45靠近轉換器。在器件的選購中我們選用的RJ45連接頭內部已經包含了耦合線圈，因此不必另接網絡變壓器，使用普通的網線即可連接本網關至路由器或者交換機。

（3）CDMA

目前，國內有三種3G無線網絡模式：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。本方案選用其中最成熟的WCDMA 3G網，運營商是中國聯通。對應此3G無線網絡，市面上有不同的產品可用，為了簡化設計并提高穩定性，這里選用了HUAWEI E1750，帶USB接口，通過USB接口與主機通訊。

（4）WiFi

WiFi是一種可以將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。可以幫助用戶訪問電子郵件、Web和流式媒體，它為用戶提供了無線的寬帶互聯網訪問。只要有無線路由的存在，就可以輕松將信息傳送到互聯網上。本網關在設計中為WiFi模塊留下了接口，通過I2C總線與主機通訊。

4 軟件設計

在硬件平臺的基礎上，軟件的設計主要有建立開發環境、移植Linux操作系統、設計網關處理程序，此處略去前一、二步，主要詳述網關處理程序的設計。本網關的處理過程主要分為：CDMA/ZigBee通信、CDMA/WiFi通信、CDMA/以太網通信、ZigBee/WiFi通信、ZigBee/以太網通信、WiFi/以太網通信。下面給出以太網/ZigBee通信的程序流程圖（如圖4），其他網絡間通信的處理流程是相類似的。

CDMA網絡中某一個節點請求與ZigBee中某一節點通信，CDMA網絡中該節點首先發送一個請求信息給CDMA模塊，該請求信息里包含ZigBee網絡中節點的地址信息，CDMA模塊接收到該信號后，發送給處理器，處理器獲得該信號，首先查詢地址對應表，將請求信息中的地址轉化成ZigBee網絡節點的地址，然后發送一個連接請求信號（已經轉化成ZigBee網絡中節點的地址）給ZigBee模塊，ZigBee模塊將請求信號轉發到ZigBee網絡中對應的節點。若ZigBee節點可以進行數據通信，則回送一個同意通信的信號給處理器，處理器接收到該信號后，就在CDMA網絡和ZigBee網絡間建立一條通信通道。然后處理器發送連接成功信號給CDMA模塊及CDMA網絡節點，兩個網絡中的網絡節點開始數據通信。

圖4 以太網/ZigBee通信的程序流程圖

5 結束語

本文設計了基于處理器ARM11的高速芯片S3C6410的傳感網絡網關，該網關可以實現以太網、CDMA、WiFi和ZigBee四種網絡之間的通信。目前世界各國都在大力發展物聯網，物聯網與其他網絡的融合是不可避免的，本網關的應用前景十分廣闊。

[1]蔡皓.基于嵌入式系統的無線傳感器網絡網關設計與實現[D].北京郵電大學，2008.

[2]S3C6410X RISC Microprocessor User’s Manual,Revision 1.10[EB/OL].http://www.samsungsemi.com,2008.

[3]MC1322x RM,Rev.0.0[EB/OL].http://www.freescale.com,2010.

[4]DM9000A-17-DS-P04[EB/OL].Jan.10,2006.