一種基于WiFi的無線傳感器網絡節點設計

郭曉光 馮思奇

摘 ?要：設計了一種基于WiFi技術的無線傳感器網絡節點。該系統的控制單元采用以FPGA為載體的SOPC系統，存儲模塊使用NAND FLASH存儲芯片，并且數據存儲采用DMA技術對NAND FLASH進行流水線操作，以提高存儲速度。無線傳輸模塊使用高速的WiFi技術。測試結果表明，無線傳感器網絡節點可以準確的將采集到的數據通過WiFi傳輸出去。該系統可以應用于科研和智能家居等領域。

關鍵詞：WiFi;NAND FLASH;無線傳感器網絡

引言

無線傳感器網絡[1]是由大量傳感器節點放置在被監測區域，通過自組織方式構成的。節點可以完成數據采集、傳輸、接收以及數據處理等功能，因此，為了增強節點的功能，提高節點的應用范圍，設計出采集速率高、存儲容量大、傳輸速率快的節點，成為了設計的關鍵。無線網絡根據應用環境和需求的不同有著不同的應用，在醫療、軍事和智能家居等領域有廣泛的應用。

在當今技術領域，WiFi技術[2]越來越成熟。他具有數據傳輸率高、可靠性好和組網方便等優點，適用于許多有線網絡布設不便的場景。并且隨著PC和智能手機等電子產品的廣泛應用，使得WiFi技術的應用范圍越來越廣。

文章設計了一種無線傳感器網絡節點，以NAND FLASH作為存儲器的存儲系統，使用WiFi傳輸模塊作為系統的無線傳輸系統。該系統體積較小，應用范圍廣，使用方便，能滿足大多數領域的應用需求。

1 系統總體方案

整個系統由模數轉換模塊、存儲模塊、無線通信模塊以及電源管理模塊等組成，整個系統如圖1所示。其中選用了Xilinx公司的第六代Spartan系列的XC6SLX9作為主控芯片，三星公司的NAND FLASH芯片作為存儲芯片。無線通信模塊使用支持串口透傳的WiFi模塊，提高節點的應用領域，節省節點的開發時間。

傳感器采集到的模擬信號量通過模數轉化模塊轉變為數字信號量，然后將數字信號量存儲在NAND FLASH陣列中，最后再通過WiFi模塊，將數據傳輸至PC，智能手機或傳感器網絡節點等帶有WiFi無線技術的設備。

2 WiFi技術基礎

WiFi是Wireless Fidelity（無線保真）的英文縮寫，它遵循IEEE802.11系列協議，是最主流的的無線局域網技術。最高傳輸速率可達54Mbps，是一種高性能的無線數據傳輸方式。具有可靠性好、數據傳輸速率高以及便于組網、拓展性好等優點，適用于大型辦公室等有線網絡布設不便的場景。

WiFi無線網絡有基礎網（Infra）和自組網（Ad-hoc）兩種網絡拓撲形式。自組網（Ad-hoc）僅由兩個及以上STA（即無線站點，是一個無線網絡的終端）組成的無線網絡結構，網絡中的STA都可以直接通信。基礎網（Infra）是由AP（即無線接入點，是一個無線網絡的創建端）創建，眾多STA加入所組成的無線網絡結構。這種類型的網絡特點是AP作為整個網絡的中心，網絡中所有的數據通信都通過AP來轉發完成。

3 硬件設計

3.1 存儲模塊

存儲模塊選用三星公司的K9K8G08U0A型號存儲芯片，組成由4片NAND FLASH構建得一維存儲陣列，并且采用流水線存儲技術[3]、DMA[4]存儲方式和全相關的無效快管理方式等方法來提高存儲模塊的存儲速度。

3.1.1 流水線存儲技術

三星公司的FLASH芯片寫操作時，分為數據加載階段和數據編程階段，當進入編程階段后，我們不能對FLASH芯片進行其他任何操作。如果只使用一片FLSH芯片的話，那么存儲的有效時間就只有數據加載的時間，而在數據編程時間內系統將處于空閑狀態，這樣不利于系統進行高速存儲[5]。

采用流水線存儲技術可以有效地解決這個問題，將數據以不同的時間加載到多片FLASH中，同時要保證數據的連續加載。先對第一片FLAH加載一頁數據，當第一片FLASH加載完一頁數據后，就會進入數據編程階段，此時第二片FLASH立馬加載數據并在完成后進入編程階段，完成后再對第三片加載，以此類推直到第四片FLASH芯片。當第四片FLASH結束數據加載后，第一片已經完成編程操作。這樣，系統在存儲數據時，可以忽略數據編程的時間，以此來提高數據的存儲速率。

3.1.2 DMA數據存儲

為了實現數據的高速存儲，釋放PLB總線資源，我們采用DMA完成對FLASH的讀寫操作。我們通過MicroBlaze軟核給DMA一個啟動信號，使程序就進入到狀態機里面。程序自動讀取有效塊列表，找到有效塊的地址，對該存儲地址進行寫入編程命令，地址以及數據寫入，等待數據編程完成，進而繼續讀取有效塊列表，進行下一次數據存儲。這樣就在脫離CPU控制的情況下完成了數據的高速存儲，提高了CPU處理的效率。

3.2 無線傳輸模塊

測試節點的主控芯片采用的是FPGA芯片，所以對無線網卡進行驅動比較困難，而且費時費力[6]。因此系統中選用紅心物聯科技公司推出的支持串口透傳的WiFi模塊。該模塊是基于UART與SPI接口的符合WiFi無線網絡標準的嵌入式模塊，內置無線網絡協議IEEE802.11協議棧以及TCP/IP協議棧，能夠實現嵌入式設備數據到無線網絡之間的轉換。無線通信模塊FPGA的接口如圖2所示。

在串口命令模式下，用戶可以通過指令對模塊進行完全的控制，包括修改配置參數、控制聯網、控制TCP/IP連接、數據傳輸等。另外我們還可以使用該模塊的SPI模式進行數據的傳輸，這樣可以提高無線模塊的傳輸速率。

4 軟件設計

軟件由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成。下位機主要是接收來自上位機的命令，處理器識別接收到的命令，然后使下位機執行對應的操作。下位機首先進行初始化操作，主要包括各個端口的設置以及加載FLASH存儲器的無效塊列表等，然后等待接收上位機發送控制命令，得到控制命令后，主要完成以下幾種功能：參數設置、采集數據、文件保存、文件切分、格式化等。另外下位機要選擇WiFi無線模塊的工作模式和傳輸數率設置等，下位機對接收到的命令進行對比，根據不同的命令，系統執行不同的操作。

5 測試結果與討論

圖3和圖4所示為WiFi模塊在AP模式下以client方法收發數據的截圖，圖3為模塊AT指令操作方式在PC串口軟件上的直觀顯示。圖4為PC終端作為STA接收到數據的截圖。經過對WiFi模塊的工作模式，傳輸速率等設置成功后，可以準確的將數據傳輸至PC終端。經過后期開發，可以應用于智能手機等其他應用領域。

6 結束語

文章設計了一種以FPGA為主控制器，以WiFi技術為無線通信方式的無線傳感器網絡節點，該系統工作穩定，采集存儲發送的數據可靠，可用于多種傳感器的數據采集存儲，也可以應用于智能家居等領域。本系統在測試實驗中得到準確數據，總體性能優良。

參考文獻

[1]李明明，席李偉.低功耗無線傳感器網絡節點的設計技術[J].測控技術，2010，29（6）：8-11.

[2]張亞光.WiFi技術及其應用研究[D].南京：南京郵電大學，2010.

[3]王曉升.基于閃存陣列的數據匯集系統的設計與實現[D].太原：中北大學，2014.

[4]宇飛，張丕狀，杜建海.基于單總線微處理器的高速存儲方法[J].計算機測量與控制，2010，18（12）：2888-2890.

[5]陶林偉，王英民，王成，等.一種吊放聲納大容量數據存儲系統設計方法[J].聲學技術，2008，27（3）：450-453.

[6]軒志偉.基于WLAN的無線分布式測試系統[D].太原：中北大學，2014.

作者簡介：郭曉光（1990-），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向為超聲無損檢測及信號與信息處理。