節點可喚醒WS N低成本網關的設計

唐曉城 陳鵬杰 劉登躍 何 斌

（同濟大學電子與信息工程學院，中國 上海 201804）

0 引言

通過網絡的方式，在監控中心對現場的設備進行監控，遠程獲取現場的數據，并對現場設備做出控制指令，這已經不是什么新鮮的事。但在大多數的網絡監控系統中，所有的設備均處于開啟狀態，隨時傳遞傳感數據以及接受監控中心的控制指令。雖然一定程度上造成了能源的浪費，這樣的模式在有線的傳感器網絡中是可行的，但對于能量有限的無線傳感器網絡來說，這無疑加重了整個系統的能耗負擔，縮短整個網絡的壽命[1-3]。因此，對于一些實時性要求不高，監控緩變信號的系統來說，可以采取休眠-喚醒的機制來節省每一個節點的能耗，繼而延長整個網絡的工作周期。以下是超長線狀傳感網絡的節點分布以及數據傳輸示意圖[4-6]。

1 應用背景及設計構思

該設計的網關用于配合地下隧道內所組的傳感器網絡的工作。地下隧道傳感器的布置通常被歸類為超長線狀的拓撲問題，如圖1，通常將節點組成幾個簇，每個簇中有簇頭節點，負責搜集簇中節點的數據后，簇頭節點通過單跳或者多跳的方式匯聚到網關，跳數取決于與網關的距離[7]。

整個網絡監控的數據為傾角信號，屬于緩變信號，不要求數據的實時性，這也為低功耗休眠機制創造了條件。遠程喚醒的功能也將變得更有意義。

在整個監控網絡中，一臺裝有網卡的電腦就能實現遠程的監控，但成本也是需要考慮的問題，所以在本設計中，采用如圖2的精簡設計。

我們期望該設計的最終功能是：手機或電腦訪問設定的域名，即可打開由以太網模塊搭建的網頁，在網頁中顯示了現場傳感器采集的數據值，同時還有幾個可以對現場進行控制的鏈接按鈕，點選鏈接按鈕即可對相應的節點簇進行喚醒休眠動作。

按照該功能，我們進行如下的設計，當用戶點擊監控網頁上的鏈接按鈕時，控制命令數據將被傳送至網絡，到達現場的路由器，路由器轉發給連接在其上的以太網模塊ENC28J60，實現了外網到內網的數據傳送。控制命令數據通過MCU對以太網模塊ENC28J60的讀取，被送入控制器STM32的緩存中，重新封裝成幀以后，以無線傳感網設定的幀格式發送給2.4G模塊NRF24L01，到這里完成了從外網到內網再到傳感器網絡的數據傳送。接下來，2.4G模塊將數據傳送給簇頭節點，簇頭節點發送數據給各自簇中節點，收到數據的節點根據命令決定自身是否從休眠模式切換至工作模式。

圖2中，虛線框內為設計的硬件部分，除了上述的功能，該硬件電路還包含了FPGA，用于輔助功能，FGPA連接了VGA和PS2接口，可以連接鍵盤和顯示器，在現場可以輔助整個網絡的調試和現場的數據監控。在設計上同時預留了GSM模塊的位置，在網絡發生故障或者線路信號不佳的情況下，亦可通過手機發送短信的方式進行控制。

2 網關硬件設計

電源是任何一個電路的基礎，其穩定性在設計中通常是容易忽視的環節。一個穩定的電源保證了系統工作的可靠性。

為了使得計應用于更多的同類系統，在設計第一級開關電源中采用了寬范圍電壓輸入，支持9-50V的電壓輸入范圍，囊括了工業上常用的直流電壓，輸出5V負載電流設置在2.2A，該開關電源采用德州儀器的降壓電流控制型芯片TPS54260做控制，芯片采用小體積10引腳MSOP封裝，支持高至60V的輸入。片內的MOSFET導通電阻僅0.2歐姆。100k～2.5M的可配置高開關頻率使設計的體積減小[8]。圖3為設計完成的電路。

在該芯片的手冊上有詳細的指導設計過程，包括功率設計以及環路穩定性設計，除此之外TI還提供了WEBENCH平臺進行快速設計，我們利用該平臺計算補償極點所需的電容電阻。

完成設計后的系統波特圖如圖4所示，細線為增益(dB)，粗線為相位，該設計留有45°的相位裕度。

在第一級開關電源后端接有LC濾波，但該開關電源并不直接系統各模塊工作，其后還接有，4V，3.3V，1.2V的線性電源，分別給GSM模塊，控制器，FPGA工作使用。

用于組建小型網絡的以太網模塊選用Microchip的SPI通信的ENC28J60，圖5，它符合IEEE802.3規范，內部集成了 MAC層以及10M物理層，可按業界標準以太網協議可靠地收發數據。可編程過濾功能，減輕主控芯片的處理負荷。具有可編程8kB雙端口SRAM緩沖器，以高效的方式對信息進行存儲、檢索和修改。并有專用引腳連接LED指示網絡工作狀態[9]。

該以太網控制芯片和含有網絡變壓器的RJ45接口HR911105A配合使用，減小了電路的體積。

最終制作焊接調試完成的電路板如圖6所示。

3 網關軟件設計

控制器STM32的開發調試環境是MDK ARM4.6，FGPA開發環境為Quartus II 11.1SP2。喚醒子程序工作流程如圖7所示。

網關上電后，控制器先對系統內部各模塊以及外圍的模塊進行初始化，設定好工作模式和參數。例如，對ENC28J60的配置有初始化MAC地址，IP地址以及域名，

配置結束，即進入以太網模塊ENC28J60的WEB服務程序。該服務程序采用定時中斷來獲取來網絡的數據包。

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,buf);

每個數據包接收后，首先判斷是否為ARP請求幀，如果是，并且IP地址為模塊的IP，那么回復ARP。否則回到定時中斷接受后續的數據幀。

然后讀取數據幀中傳輸的域名和用戶名，和初始化中域名和用戶名進行比對，if(buf[IP_PROTO_P]==IP_PROTO_TCP_V&&buf[TCP_DST_PORT_H_P]==0&&buf[TCP_DST_PORT_L_P]==mywwwport)如果一致，則將開始對網頁讀寫工作，更新數據顯示，如果網頁上有新的控制命令產生，則執行該命令，例如對傳感器節點的喚醒工作。

4 總結

無線傳感器網絡的能耗問題始終是制約其發展的一個重要因素，如何權衡傳感網絡的性能以及功耗是一個需視應用環境而定的問題。本文設計的網關適用于對于監控緩變信號網絡中休眠節點的喚醒，在超長線狀的環境中做了實驗測試，達到了設計的功能和要求，為系統實現真正意義上的低功耗又邁進了一步。在實現既定功能的前提下，和新興的商業用網關相比，做到了設計的低成本。

[1]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:10.

[2]Akyildiz IF，Su W，Cayirei E.Wireless Sensor Networks:A Survey[J].Computer Networks.2002,38(3):393-422.

[3]王龍軍.無線傳感器網絡平臺研究與實現[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[4]何斌,紀云,沈潤杰.地下隧道變形監測的無線傾角傳感器設計[J].光學精密工程.

[5]何斌,紀云,沈潤杰.High-accuracy Wireless MEMS Inclinometer for Monitoring the Underground Tunnel[C]//The 3rdInternational Conference(14thAnnual Conference)of the Chineses Society of Micro-Nano Technology.Hangzhou,China,2012.

[6]紀云.地下隧道變形的無線傾角監測系統研究[D].上海:同濟大學,2013.

[7]汪立林.無線傳感器網絡節點超低功耗的系統級實現方法研究[D].長沙:中南大學,2008.

[8]Texas Instruments.TPS54260[EB/OL].[2010-03]http://www.ti.com/product/tps54260?keyMatch=TPS54260&tisearch=Search-EN.

[9]Microchip.ENC28J60[EB/OL].[2006]www.microchip.com/.