基于嵌入式Linux的傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合網(wǎng)關(guān)設(shè)計

摘 要：論述了傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上提出了一種通用的綜合網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案。針對傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署的特點，該方案可實現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)連接；同時針對傳感器網(wǎng)絡(luò)和其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交互，還在應(yīng)用層實現(xiàn)了代理模塊。實驗結(jié)果表明，此方案可以滿足大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；Linux；傳感器網(wǎng)絡(luò)；3G；代理

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2014）01-0044-03

0 引 言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)之一，正逐步成為國際上備受關(guān)注的、涉及多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的熱點前沿研究領(lǐng)域[1]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在概念上是由部署在工作區(qū)域內(nèi)的、大量的、靜止或移動的廉價低功耗傳感器節(jié)點組成，這些節(jié)點通過無線通信的方式構(gòu)成一個自組織和多跳的無線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、傳輸和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的被感知對象的信息，并最終將這些信息以多跳方式傳送到匯聚（sink）節(jié)點實現(xiàn)信息共享[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有眾多類型的傳感器，可探測范圍從溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)可以擴(kuò)展至電磁輻射等精密檢測，具有極大的適應(yīng)性和擴(kuò)展性，因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有著極其廣闊的應(yīng)用場景。

1 傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種典型應(yīng)用就是使用網(wǎng)絡(luò)自組織形式實現(xiàn)物理信息的感知，并通過傳感器網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)作節(jié)點實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。由于傳感器網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸協(xié)議不一致， 不能夠?qū)崿F(xiàn)直接將數(shù)據(jù)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)管理中心，這就必須借助協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)備（網(wǎng)關(guān)）來實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)。典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

同時，我們應(yīng)該考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的簡單性和隨機(jī)性等特點，通過有線方式實現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)通信具有很多的限制性，有線部署受到用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾p絞線長度限制以及不適應(yīng)于室外部署等諸多限制，因此，在網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的3G連接尤為必要。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)開發(fā)環(huán)境和體系結(jié)構(gòu)

2.1 傳感器網(wǎng)關(guān)開發(fā)環(huán)境

2.1.1 ARM處理器

ARM是Advanced RISC Machines的縮寫[3]，既是一個公司的名稱，也是一類處理器的統(tǒng)稱。本設(shè)計方案中使用TQ-2440開發(fā)平臺，核心板系統(tǒng)處理器為ARM9架構(gòu)，主頻為400 MHz；板上包含64M SDRAM、256M Nand Flash、2M Nor Flash，同時系統(tǒng)外接三個通用異步收發(fā)器（UART），此接口可以查看開發(fā)板系統(tǒng)信息以及進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，同時也可以實現(xiàn)外接串行數(shù)據(jù)通信；4個USB host接口，1個USB Slave接口，用于向開發(fā)板燒寫內(nèi)核文件以及其他文件。

根據(jù)系統(tǒng)總體需求，設(shè)備硬件原理框架以及內(nèi)部邏輯功能圖如圖2所示。

2.1.2 Linux操作系統(tǒng)

Linux是一種自有和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，現(xiàn)在已經(jīng)成為使用最多的一種類Unix操作系統(tǒng)，并且使用人數(shù)還在迅猛增長。Linux存在許多不同的Linux發(fā)行版本，它們都是用Linux內(nèi)核。通常，可以將一套基于Linux內(nèi)核的操作系統(tǒng)稱為Linux操作系統(tǒng)[4]。

本文中所設(shè)計的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)使用的TQ-2440開發(fā)平臺內(nèi)核版本為Linux 2.6.32內(nèi)核，根文件系統(tǒng)采用yaffs[5]，由系統(tǒng)啟動后掛載。為了實現(xiàn)3G功能，主要需要實現(xiàn)驅(qū)動模塊、軟件移植等功能，3G無線網(wǎng)卡通過USB Host[6]接口連接，負(fù)責(zé)3G網(wǎng)絡(luò)連接。

2.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體設(shè)計主要包括兩個部分：3G無線網(wǎng)卡接口模塊和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)應(yīng)用層代理及交互通信模塊。3G無線接口模塊負(fù)責(zé)接收從底層模塊傳送來的網(wǎng)絡(luò)流數(shù)據(jù)，并且為上層模塊提供編程接口以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)應(yīng)用層代理和交互通信模塊則是負(fù)責(zé)IP網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信與代理轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，3G無線接口模塊的實現(xiàn)主要包括3G驅(qū)動模塊、配置管理和系統(tǒng)初始化模塊和應(yīng)用層代理與交互通信模塊。其中3G驅(qū)動模塊主要是對上層模塊提供編程接口，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與應(yīng)用層數(shù)據(jù)之間的交互通信；配置管理和系統(tǒng)初始化模塊主要是對3G接口參數(shù)的配置與自動化腳本的初始化；應(yīng)用層代理與交互通信模塊主要是應(yīng)用層實現(xiàn)，負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)校驗、傳感器網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)代理等工作。

3 3G無線連接

3.1 PPP協(xié)議簡介

PPP （Point-to-Point Protocal）即點對點協(xié)議，是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單鏈路設(shè)計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。設(shè)計目的主要是用來通過撥號或?qū)＞€方式建立點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器之間簡單連接的一種共通的解決方案。

3.2 內(nèi)核對PPP協(xié)議的支持

要實現(xiàn)PPP協(xié)議的通信，需要在Linux內(nèi)核中增加對PPP協(xié)議的支持。具體操作步驟如下：

（1）將Linux-2.6.32.2.tar.gz內(nèi)核文件復(fù)制到開發(fā)機(jī)上，并進(jìn)行解壓縮。

（2）切換到內(nèi)核目錄，通過命令make menuconfig進(jìn)入內(nèi)核編譯界面。

（3）在其中將PPP支持選中即可。PPP相關(guān)驅(qū)動可以直接編譯進(jìn)內(nèi)核，也可以以模塊的形式進(jìn)行編譯。

（4）通過命令 make zImage 進(jìn)行內(nèi)核編譯。

（5）將編譯好的zImage內(nèi)核燒寫至開發(fā)板flash中即可。

3.3 PPP的交叉編譯與安裝

在PPP官網(wǎng)下載程序文件，通過arm-linux-gcc工具進(jìn)行交差編譯，此時在ppp文件的子目錄/ppp/pppd、/ppp/pppdump、/ppp/pppstats和/ppp/chat下可以分別得到pppd、pppdump、pppstats以及chat可執(zhí)行程序，將它們復(fù)制到開發(fā)平臺的/bin目錄下。有的時候，則需要修改相應(yīng)程序的執(zhí)行權(quán)限。

3.4 3G無線網(wǎng)卡的撥號與聯(lián)網(wǎng)

在PPP交叉編譯完成以后，需要在開發(fā)板上的/etc/ppp/peers目錄下建立三個文件evdo、evdo-connect-chat和evdo-disconnect-chat。

（1）evdo文件內(nèi)容為：

debug

nodetach

lock

/dev/ttyUSB0

115200

user “card”

password “card”

crescts

show-password

usepeerdns

noauth

noipdefault

novj

noccp

defaultroute

ipcp-accept-local

ipcp-accept-remote

connect ‘/bin/chat –s –v –f /etc/ppp/peers/evdo-connect-chat’

disconnect ‘/bin/chat –s –v –f /etc/ppp/peers/evdo-disconnect-chat’

其中關(guān)鍵參數(shù)為：

/dev/ttyUSB0：表示撥號采用的串口標(biāo)識符；

user和password：表示用戶名和密碼，在電信EC1260 3G網(wǎng)卡中，默認(rèn)均為card；

usepeerdns：表示向?qū)Χ酥辽僬埱髢蓚€DNS服務(wù)器地址；

noauth：表示不要求對端去驗證自己。

（2）evdo-connect-chat文件的內(nèi)容為：

TIMEOUT 5

ABORT “NO CARRIER”

ABORT “ERROR”

ABORT “NO DIALTONE”

ABORT “BUSY”

ABORT “NO ANSWER”

‘’ ＼rATZ

OK-AT-OK ATD #777

CONNECT ＼d＼c

AT即Attention，AT指令集是從終端設(shè)備（TE）或數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）向終端適配器（TA）或數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備（DCE）發(fā)送的。通過TA、TE發(fā)送指令來控制移動臺的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。用戶可以通過AT指令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制。

如evdo-connect-chat文件中的ATD命令即為撥號命令，這個命令用來設(shè)置通話、數(shù)據(jù)或傳真呼叫。

（3）. evdo-disconnect-chat文件內(nèi)容為：

ABORT “BUSY”

ABORT “ERROR”

ABORT “NO DIALTONE”

SAY “＼nSending break to the modem＼n”

‘’ “＼K”

‘’ “+++ATH”

SAY “＼nGoodbye＼n”

在以上三個配置文件完成以后就可以通過pppd撥號，通過命令“pppd call evdo ”，即可以啟動撥號程序。

3.5 應(yīng)用層代理和交互通信模塊的總體結(jié)構(gòu)

在典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)需要通過其協(xié)作節(jié)點將數(shù)據(jù)傳送至外部網(wǎng)絡(luò)中，由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)（如IP網(wǎng)絡(luò)）之間的異構(gòu)性，因此數(shù)據(jù)不可能直接傳送至外部網(wǎng)絡(luò)，需要特定的應(yīng)用層代理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)打包以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等機(jī)制。

在本系統(tǒng)中，應(yīng)用層代理和交互通信模塊主要負(fù)責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)雙向信道的建立、服務(wù)監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)包的代理轉(zhuǎn)發(fā)。該模塊的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 應(yīng)用層代理與交互通信模塊結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)啟動后，會進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作。首先自動讀取配置數(shù)據(jù)，決定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)接口以及串口配置，包括Ethernet和3G轉(zhuǎn)發(fā)接口選擇、串口通信接口選擇等。然后進(jìn)行雙向通信信道的建立，包括端口綁定、與server端建立socket通信信道以及與傳感器網(wǎng)絡(luò)中的寫作節(jié)點建立串行數(shù)據(jù)通信信道等。系統(tǒng)初始化完成以后，采用端口復(fù)用機(jī)制實現(xiàn)數(shù)據(jù)異步監(jiān)聽，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時，系統(tǒng)判斷傳送數(shù)據(jù)類型，針對不同類型的數(shù)據(jù)實現(xiàn)包完整性判斷、fcs校驗以及打包及拆包過程，最后系統(tǒng)針對不同類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至對應(yīng)的通信會話中。

4 結(jié) 語

本文首先從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的總體設(shè)計出發(fā)，闡述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型應(yīng)用場景以及在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)3G接口及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的重要性，然后給出了一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的綜合網(wǎng)關(guān)設(shè)計方案，包括3G接口設(shè)計以及應(yīng)用層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計方案。該方案的實現(xiàn)極大地適應(yīng)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機(jī)布置的特點，同時3G接入也為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸提供了更為簡單便捷的傳輸體驗。同時，實際測試也很好地證明，該方案可以很好地實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與IP網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，并保持較好的穩(wěn)定性。

5 致 謝

本文作者感謝863計劃項目（批準(zhǔn)號：2011AA100706），國家自然科學(xué)基金項目（批準(zhǔn)號：61271257）和北京市自然科學(xué)基金（批準(zhǔn)號：4122034）對本文研究工作的支持。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 劉化君，劉傳清.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 彭海文.基于嵌入式Linux的3G技術(shù)應(yīng)用和研究[J].電腦知識與技術(shù)，2010，6（20）：5655-5657.

[4] STEVENS W R，RAGO S A.Unix高級環(huán)境編程[M].尤晉元，張亞英，譯.北京：人民郵電出版社，2006.

[5] 陳曾海，張琳. 基 于 嵌 入 式 Linux 的 3G-WIFI 接 入 功 能 的 研 究 與 實 現(xiàn)[OL].[2011-04-22].http：//www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201104-551/

[6] 匡興紅，邵惠鶴.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)研究[J].計算機(jī)工程，2007，3（6）：228-230.

[7] 王曉喃，殷旭東. 基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)環(huán)境實時監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010（10）：224-228.

[8] 謝希仁.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[9] STEVENS W A，RAGO S A. Advanced programming in the unix environment [M]. 2nd ed. USA：Addison Wesley Professional，2005.

[10] STEVENS W A，F(xiàn)ENNER B，RUDOFF A M. Unix net-work programming [M]. 2nd ed. London：Prentice Hall，2012.