基于OMAPL138芯片的無線傳感器網絡節點設計

翟 巍,劉 成,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

基于OMAPL138芯片的無線傳感器網絡節點設計

翟 巍,劉 成,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

隨著傳感器技術、無線網絡技術的迅速發展,無線傳感器網絡在軍事和商業領域有著廣泛的應用前景。無線傳感器網絡中的節點具有感知和路由的功能,是構成無線傳感器網絡的基本單元。針對傳感器節點的特點,基于雙核架構OMAPL138為核心設計了一種低功耗高性能無線傳感器節點。在介紹OMAPL138的基礎上,詳細闡述了傳感器節點設計及實現過程,包括硬件體系結構和軟件開發流程,提出一種無線傳感器網絡節點設計方案。該方案可廣泛應用于其他區域的無線傳感器網絡構建。

無線傳感器網絡 節點 雙核架構

0 引 言

隨著傳感器技術、無線網絡技術以及嵌入式處理技術的發展,無線傳感器網絡正逐漸成為現代信息技術中的一個熱門的研究領域,受到廣泛關注。與傳統網絡相比,無線傳感器網絡隨機布設、多跳通信、自組織和協同工作等特點使得它在軍事、工業、智能家居、環境監測、醫療保健等諸多領域都有著廣闊的應用前景,尤其適合部署在惡劣環境和人不宜到達場所。

無線傳感器網絡主要由大量具有通信計算能力的微小傳感器節點及少量的匯聚節點通過無線通信方式而構成。傳感器節點一方面完成目標傳感信息的采集和預處理,另一方面對本身采集的數據和收到其它節點送的數據進行綜合,轉發到匯聚節點并響應匯聚節點發送的數據及指令[1]。傳感器節點是無線傳感器網絡中最基本的元素同時也是最重要的元素,其主要特點:數量大、體積小、功能強、能耗低、成本低。傳感器節點設計的優劣直接決定整個系統的功能能否實現、各性能指標能否符合要求。因此對傳感器節點的設計是無線傳感器網絡的首要任務,基于OMAPL138平臺設計的傳感器節點采用雙核架構,功能強、功耗低,具有高可靠性、高集成度、高靈活性、高性價比等特點。

1 網絡系統結構

無線傳感器系統的物理實體通常包括:傳感器節點、匯聚節點、接入節點、管理及應用系統終端(簡稱管理應用終端),圖1為無線傳感器網絡系統結構圖。

圖1 無線傳感器網絡系統結構Fig.1 Structure diagram of WSN

傳感器節點和匯聚節點隨機布設在監測區域內部或附近,該過程可以通過人工部署、飛行器撒播或彈射等方式完成,傳感器節點主要利用各種感知探測手段完成對目標信息的捕獲(譬如聲音、震動、紅外、圖像等)和初步處理,并通過無線方式向某個匯聚節點上報,匯聚節點收集并融合處理其周圍各個傳感器節點轉交過來的感知信息,然后通過傳感器網絡按既定格式將數據送至接入節點[2],接入節點將匯聚來的大量信息通過標準IP網絡向管理應用終端傳送。整個系統最終通過管理應用終端對這些數據進行融合、計算和處理,向用戶提供應用服務,輸出監測結果信息。

2 節點硬件設計

傳感器節點的基本硬件功能模塊組成如圖2所示。

圖2 無線傳感器節點硬件框Fig.2 Hardware diagram of wireless sensor node

主要由傳感采集模塊、數據處理模塊(包括CPU、存儲器等)、無線通信模塊和電源模塊組成[3]。傳感采集模塊包括各種傳感器、調理電路和A/D轉換器,用于感知、采集數據和執行各種控制動作;數據處理模塊是節點的核心模塊,用于完成數據處理、數據存儲、執行通信協議和節點調度管理等工作;無線通信模塊用于完成無線通信任務;電源模塊是所有電子系統的基礎,為傳感器節點提供能量供應。

2.1 傳感采集模塊

傳感采集模塊主要負責完成目標區域內信息的采集和數據轉換,主要包括傳感器和調理采集電路兩部分。傳感采集模塊中傳感器的選擇應根據無線傳感器網絡所在的地區環境特點而定,以適應溫度、濕度、聲音、震動、紅外等不同探測信號的要求。傳感器后端的調理電路主要完成將傳感器采集到的模擬信號放大、濾波,轉換成能與A/D轉換器相適配的信號。由于無人傳感器網絡大多部署在環境惡劣的區域內,傳感器采集輸出的原始信號非常微弱,很容易被噪聲淹沒,因此傳感采集模塊的調理電路既能有效抑制噪聲干擾又能放大原始信號,需要設計低功耗、低噪聲、高增益的調理放大電路。依據具體傳感器網絡部署的環境特點,本設計傳感器采集模塊主要提供了聲音、震動、圖像、紅外四種傳感器。

2.2 數據處理模塊

數據處理模塊是無線傳感器節點的計算核心,所有設備的控制、任務調度、能量計算和功能協調、通信協議、數據整合和數據存儲程序都在這個模塊的支持下完成,因此數據處理模塊CPU的選擇在傳感器節點設計中是至關重要的。由于無線傳感器網絡自身的特點,CPU選型應該重點滿足以下方面要求:

1)低功耗:受工作環境限制,無線傳感器網絡中的能量供給通常依賴電池,使用過程中難以更換或者充電,這就要求節點的設計必須考慮節能低功耗。

2)高集成度:受外形尺寸的限制模塊必須能夠提供足夠多的接口。

3)較強的處理能力:隨著感知信息的多樣化,網絡對節點的實時性要求很高,要求處理器的實時處理能力要強。

4)靈活性和擴展性:多功能傳感器節點是傳感器節點發展的趨勢,要求在設計的過程中充分考慮節點的靈活性和擴展性。

傳統無線傳感器網絡節點的處理器大多選用的是ATMEL或TI公司的8位單片機,其使用簡單、功耗較低,但是運算能力有限、擴展接口少、集成度低,很難滿足當前的傳感器節點日益復雜的功能需求。基于新型傳感器節點的需求以及對CPU芯片性能、功耗的研究,本系統采用TI公司基于ARM+DSP雙核架構的超低功耗處理器OMAPL138作為數據處理模塊的CPU。OMAPL138處理器的主要特性[4]:

1)低功耗:功耗范圍從12 mW(深度休眠)到480 mW(最大總功耗),支持DVS、DFS等節能策略。

2)高性能:ARM926EJ 300MHz和DSP C674X 300 MHz雙核架構。

3)豐富外圍接口:提供主機DMA端口、UART、McASP/McBSP、SPI、I2C、MMC/SD控制器、USB1.1/2.0接口、SATA、eCAP以及eQEP等豐富的外圍接口。

4)高集成度:支持通用并行端口(UPP)可為FPGA、高速A/D、數據轉換器以及處理器間通信提供直接接口,VPIF接口可直接連接圖像傳感器。

5)高擴展性:支持標準EMIF接口,支持Nor-Flash、NandFlash等存儲模塊;支持DDR2、mDDR外擴存儲器擴展。

本系統所涉及的各個硬件模塊均是直接從OMAPL138的片上接口引出,硬件設計簡單可靠,軟件編程方便快捷,不僅縮小了板卡體積、降低了成本,而且也降低了開發難度,縮短研發周期。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊由無線射頻模塊和天線組成,主要負責與其它節點進行無線通信,交換控制消息和收發數據。同時無線傳輸模塊也是傳感器節點主要的耗能模塊之一,是傳感器節點設計的重點。無線通信模塊采用的調制模式、數據率、發射功率都是影響通信能量消耗的關鍵因素,因此選擇無線收發芯片時應考慮以下幾點因素:功耗、發射功率、頻段、無線芯片所需要的外圍元件數量等。

本系統采用GainSpan公司推出的符合802. 11b/g/n標準的SOC無線射頻模塊GS1011M,它是基于單芯片的解決方案,模塊功能高度集成、接口資源豐富,只需極少的外部電路,性能穩定且功耗極低(μW)。GSM1011M的主要性能特點:

1)高集成單芯片,集成了射頻、基帶、MAC、CPU、RTC、SRAM和FLASH。

2)支持IEEE標準802.11b/g/n協議,最高速率可達11 Mb/s。

3)3.3 V單電源供電,通過動態電源管理,可獲得極低的功耗。

2.4 電源模塊

電源模塊主要為傳感器節點提供運行所需的能量,電源模塊直接關系到傳感器節點的壽命、成本、體積和設計復雜度。電池供電是目前傳感器節點比較常見的供電方式,本系統采用鋰電池供電,其能量密度高體積小,支持剩余電能檢測上報。電源模塊將剩余電能信息上報至節點,傳感器節點依據自身剩余電能信息采取休眠算法在不同工作狀態之間動態切換,從而最大限度的延長無線傳感器網絡使用壽命,提高傳感器節點的使用周期[5]。

3 節點軟件設計

嵌入式操作系統是嵌入式系統的核心,它主要負責分配嵌入式系統的硬件資源和軟件資源,同時調度硬件和軟件的工作。由于嵌入式系統資源的嚴格限制,嵌入式操作系統必須具有良好的可剪裁性、可移植性、強實時性、高可靠性以及可擴展性。常見的嵌入式操作系統有:Vxworks、PSOS、Nucleus、WinCE、Linux等。本設計中選用了目前比較流行的Linux作為嵌入式操作系統,并基于這一平臺實現應用軟件的設計。Linux內核采用Linux2.6.32版本,通過Vmware虛擬機制作RAMDISK文件并燒寫至Flash中的。節點上電以后,u-boot會從Flash中讀取RAMDISK文件到內存,當嵌入式系統啟動以后,便可以把它當作文件系統使用。

由于OMAPL138內含ARM9和C674X DSP兩個內核,因此軟件開發需在兩個不同的環境下進行: ARM內核采用嵌入式Linux開發環境、DSP內核采用CCS集成開發環境[6]。傳感器節點的軟件組織結構視圖如圖3所示。軟件構成包括ARM模塊和DSP模塊,ARM端主要包括系統管理控制、數據分發控制、信息控制、通信協議棧以及Linux操作系統;DSP端在TI DSP/BIOS下主要完成傳感器采集信號的處理;ARM和DSP雙核之間的通信和數據的交互采用專用的底層雙核通信模塊DSPLINK,通過DSPLINK可共享片內一塊RAM內存區域和片外的DDR。

圖3 傳感器節點軟件組織結構視圖Fig.3 Structure diagram of sensor node software

3.1 ARM模塊

傳感器節點提供的大多數外設均是連接在OMAPL138芯片的ARM端的,通過運行在ARM模塊的軟件來管理節點外設及程序的運行。

Linux系統啟動以后,對傳感器節點進行初始化設置,包括網絡的初始化、節點組網、與匯聚節點握手通信等。信息控制模塊主要完成采集控制、DSPLINK傳輸控制、指令控制三類功能,采集控制通過對FPGA驅動的設置來操作節點配備的聲、震動、紅外、圖像傳感器;DSPLINK傳輸控制主要負責在ARM模塊和DSP模塊之間搭建通道,實現ARM對DSP上算法的控制和數據傳輸[7];指令控制模塊主要負責接收后端模塊或者節點自身的各種指令,完成解析并進行相應的處理。數據分發控制模塊將采集到的節點的聲音幀、震動幀、紅外幀和圖像幀根據數據自身時間戳篩選出同一時刻不同傳感器采集的數據幀,進行多傳感器信息融合算法計算,封裝成融合數據幀。系統管理控制模塊主要負責處理匯聚節點發送的各種系統控制信息和節點上無線模塊的數據傳輸控制。ARM模塊的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 ARM模塊軟件流程Fig.4 Flow chart of the ARM module

3.2 DSPLINK模塊

DSPLINK模塊是ARM端和DSP端之間通信的橋梁,在ARM端和DSP端作用類似。在ARM端作為Linux內核的一部分存在,通過驅動提供API接口直接操作;在DSP端則是連接到TI提供的實時操作系統DSP/BIOS,也作為驅動存在。通過DSPLINK軟件模塊使得ARM和DSP直接實現無縫通信。DSPLINK的軟件架構如圖5所示。

3.2.1 GPP端

GPP端主要對運行在ARM上的嵌入式操作系統提供支持,比較常用的是Linux和WinCE。對ARM端的用戶提供API直接屏蔽底層,直接操作共享內存實現通信。DSPLINK API的主要組件有:

1)PROC:PROC組件在CPP的應用中表示DSP處理器,該組件主要提供以下服務:初始化DSP,加載DSP代碼,讀寫、運行DSP程序,響應其他平臺的控制。

2)CHNL:CHNL是channel的縮寫,表示一個邏輯通道,負責GPP與DSP之間的數據傳輸,CHNL具有無方向性,通道方向可以在運行時進行配置。如果多通道復用在CPP端和DSP端的一條物理連接上,物理連接是基于link和相關link驅動特性。被傳輸的數據中不包含目的地址和源地址的任何信息,數據發送端和接收端的數據通路需要初始化時建立完畢。CHNL組件采用issue-reclaim模式進行數據傳輸,基于DSP/BIOS的SIO模塊模仿issuereclaim行為模式。

3)MSGQ:MSGQ表述消息隊列方式,負責GPP端與DSP端可變長度短消息的交互,基于DSP/BIOS的MSGQ模塊實現。消息的收發都要以隊列的方式進行,發送者將消息寫入到消息隊列中,消息接收者從消息隊列中接收信息。一個消息隊列只可以有一個接收者,但可以有多個發送者,一個任務可以讀寫多個消息隊列。

4)POOL:POOL模塊提供了API用于控制存儲器池的創建和關閉,POOL創建的存儲器池由CHNL和MSGQ調用,用于創建數據傳遞和消息傳遞的緩存區。

圖5 DSPLINK軟件架構Fig.5 Software architecture of DSPLINK

3.2.2 DSP端

DSP端不支持DSPLINK的API,主要功能是數字信號處理,其通信則是基于TI提供的實時操作系統DSP/BIOS中的SIO、GIO、MSGQ等模塊實現的。因此傳感數據的算法必須運行在DSP/BIOS上。

3.3 DSP模塊

OMAPL138芯片中的DSP模塊在本設計中只是一個協處理器,僅用于傳感器數據處理。由模擬前端A/D采集得到的聲、震動、紅外、圖像傳感數據通過FPGA送至DSP端的片上外設UPP接口[8], UPP將接收到的各種傳感器數據依據其標簽進行分類后交給DSP模塊中不同的算法模塊進行處理,傳感算法模塊處理后得到聲音的原始數據、識別結果、定位參數,震動的原始數據、識別結果、定位參數,紅外和圖像的原始數據、識別結果,最終通過DSPLINK傳送至ARM模塊,完成數據分發控制和系統管理。DSP模塊的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 DSP模塊軟件流程Fig.6 Flow chart of the DSP module

4 結 語

為滿足低功耗高性能傳感器節點的需求,設計了一種基于OMAPL138的無線傳感器系統節點。該節點接口豐富、性能強大且體積小、功耗低,不僅滿足多樣的傳感器接口,還能夠實時處理采集的傳感數據使得復雜的算法得以實現,嵌入式開源的Linux系統也使得軟件的配置更加靈活。該節點已成功應用于無人值守網絡化傳感器系統,運行可靠穩定,還可廣泛應用于其他領域的無線傳感器網絡的節點構建。

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ZHAI Wei(1982-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in the research of wireless sensor network.

劉 成(1986—),男,碩士,工程師,主要研究方向為數字信號處理;

LIU Cheng(1986-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in digital signal processing.

田永春(1974—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為戰術通信系統。

TIAN Yong-chun(1974-),male,Ph.D.,senior engineer, mainly engaged in the research oftactical communication system.

Design of Wireless Sensor Network Node based on OMAPL138 Chip

ZHAI Wei,LIU Cheng,TIAN Yong-chun
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

With the rapid development of sensor and wireless network technology,wireless sensor network would have large application prospects in military and commercial areas.The nodes with perception and routing functions in the wireless sensor network are the elementary units of the whole network.Aiming at the features of sensor network node,and based on dual-core architecture OMAPL138,a wireless sensor network node with low power-consumption and high performance is designed.With the introduction of OMAPL138,the design process and implementation of sensor network node are also described,including the hardware architecture and the software development procedure.This solution could be applied in the construction of wireless sensor network in other fields.

wireless sensor network;node;dual-core architecture

TP212.9

A

1002-0802(2014)02-0221-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.020

翟 巍(1982—),男,碩士,工程師,主要研究方向為無線傳感器網絡;