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無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節點構成的網絡，能夠實時地監測、感知采集節點部署區內感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發送出去，通過無線網絡最終發送給終端用戶。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的飛速發展和日趨成熟，具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節點不斷涌現，由這些節點構成的無線傳感器網絡備受關注。因其在工業控制、智能家居、醫療健康等領域的廣泛應用而成為當今的熱點研究方向之一，被認為是對21世紀產生巨大影響的高新技術。 本文針對無線傳感器網絡嵌入式網關系統硬件設計選擇了器件，充分將GPRS(通用無線分組交換業務)技術、嵌入式技術、短距離無線通信技術融為一體，成功完成了本次嵌入式產品的開發。 1 無線傳感器網絡體系結構 無線傳感器網絡系統通常由傳感器節點(sensornode)、網關節點(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示，大量的傳感器節點部署在監測區域，通過自組織方式構成網絡。傳感器節點監測到的數據經過多跳后路由到網關節點，網關節點在對數據進行分析、融合等處理后，通過有線或者無線的方式將數據送入終端用戶。用戶通過監控中心對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測命令以及收集監測數據。 
2 網關節點特點及其功能 作為感知區域內傳感器節點與外部網絡或終端用戶的橋梁，網關節點要處理大量的數據，必須具備高速度、大存儲量和較遠的傳輸距離，即低成本、高效能。同時因部署在環境惡劣地域，頻繁更換能源很不現實，充足的能量供應必須優先考慮，低功耗設計也成為整個設計的關鍵環節之一。 網關節點在完成不同網絡間協議轉換的同時，還要對傳感器網絡進行管理和設置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無線傳感器網絡內部網絡地址，初始化網絡設置；記錄WSN網絡所采用的MAC算法和路由協議，協助節點完成與鄰居節點連接的建立和路由的形成；發送監控中心控制指令，為用戶實現特定的操作功能；接收采集節點的請求和數據，具有數據融合、仲裁請求和路由選擇功能。 3 網關節點硬件設計 依照設計原則，在很好地實現上述網關節點功能的同時，為克服因傳統網關采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導致的移動范圍受限、遠程監控困難、不能準確提供基準定位信息等一系列缺點，參考當今前沿的短距離無線通信技術、嵌入式技術，給出集中央處理單元、存儲單元、射頻收發模塊、GPRS無線通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設計方案。其總體結構及相互接口如圖2所示。
3．1 中央處理單元 網關的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節點送來的數據，合理分配不同節點的數據存儲，并且完成終端用戶對傳感器網絡節點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關)；同時支持休眠、任務喚醒模式，滿足整個系統低功耗要求。 為了實現上述功能，采用Philips公司的LPC2000系列32位ARM處理器LPC2106。LPC2106支持實時仿真和跟蹤的ARM7TDMI -SCPU，標準JTAG調試接口，并帶有128 KB嵌入的高速Flash存儲器；小型的LQFP封裝(7 mm×7 mm)、2種低功耗模式(空閑模式和掉電模式)以及外設功能的單獨使能和禁止，非常適合于小型化、低功耗作為主要要求的應用；雙UART，其中一個具備完全的調制解調器接口，完全滿足本設計要求；帶有寬范圍的串行通信接口(片內多達64 KB的SRAM)，由于具有大規模的緩沖區和強大的處理器能力，非常適合于通信網關和協議轉換器、聲音識別以及低端的圖像處理。 3．2 GPRS無線通信模塊 首先，WSN是一種以數據為中心的網絡，網關節點的上行數據量大而下行數據量小，因而在考慮網關節點與外部網絡的連接方式時，上行數據率是一個關鍵指標；其次，應用環境制約數據上行方式；另外，網關節點的成本及集成難度也是一個關鍵因素。綜合以上三點，選用Simcom公司生產的CPRS無線通信模塊 SIM300C。該模塊具有如下特點： ①支持兩種操作模式(一種是電路交換數據模式CSD，支持語音、數據、SMS和FAX業務；另一種是分組交換模式GPRS，采用多時隙，支CSI-CS4編碼)； ②標準的AT命令，為GSM語音、短消息以及GPRS數據業務提供無線接口； ③內置TCP／IP協議，用戶不必自己編寫或者利用操作系統加入協議，降低了系統開發難度，縮短了開發周期； ④數據下行、上行傳輸速率分別高達85．6 kbps和42．8 kbps，標準RS232串行口，通過串行口使用AI、命令完成對模塊的操作； ⑤支持最少功能和休眠兩種省電模式。 需要將數據傳輸到網關節點時，節點按照WSN的協議規范對數據進行打包，然后通過無線方式經過一跳或多跳將數據傳送到網關節點。傳感數據在通過無線傳輸進入網關節點后，微處理器利用WSN的協議棧拆包，得到原始數據之后，網關節點可應用其操作系統上的應用軟件根據具體需求對原始數據進行處理(如進行數據的融合，去除冗余，減輕網關節點對外傳送的負擔)。處理后的數據經由TCP／IP模塊打包后通過串口與SIM300C相連，如圖3所示。最后，網關節點中的 GPRS模塊將數據通過GSM網絡或者SMS方式傳送到上位機。當需要向傳感器節點傳達控制命令時，上位機以短信的方式經GSM傳送到網關節點的GPRS 模塊，完成相應任務。
如圖4所示，將手機卡插入SIM卡座，通過相應的AT指令便可以很方便地實現上位機和網關之間的自由通信，按流量計費，降低系統成本。
常用如下一些AT指令。 ①連網指令：AT返回狀態：OK(連網成功) ②全功能開啟指令：AT+CFUN=1 ③關閉模塊指令：AT+CPOWD=1 ④讀取第n條短信：AT+CMGR=n 同時，DTR外接一個上拉電阻，配合“AT+CSCLK=1”指令，可以輕易地實現SIM300C的休眠，通過短信即可喚醒。休眠時GPRS電流消耗僅2．5 mA，滿足整個系統低功耗要求。 3．3 射頻收發模塊 一個基于IEEE 802．15．4的CC2430無線收發模塊，主要用來完成網絡節點之間、節點與網關節點之間的無線通信。核心部分是一個CC2420射頻收發器，它完全支持ZigBee組網協議，具備傳輸速率高、傳輸距離遠和低功耗等優點。主要特征如下： ①工作頻帶范圍是2．4～2．483 5 GHz； ②采用IEEE 802．15．4規范要求的DSSS(直接序列擴頻方式)； ③數據速率達250 kbps，碎片速率達2 Mchip／s，接收靈敏度高(-94 dBm)，鄰道抗干擾能力強(39 dB)，超低電流消耗(RX<27 mA，TX<25 mA)； ④低電壓供電(2．1～3．6 V)，內部集成VCO、LNA、PA及電源穩壓器。 CC2420通過簡單的四線(SI、SO、SCLK、CS)與SPI接口相連�？梢酝ㄟ^調制解調控制寄存器的控制位配置成不同的發射和接收模式，通常工作在緩沖模式。如圖5所示，它的外圍電路器件簡單，主要包括晶振電路、天線及阻抗匹配電路、接口電路和引腳的去耦濾波電路等。射頻輸入／輸出匹配電路主要用來匹配芯片的輸入／輸出阻抗，使其輸入／輸出阻抗為50 Ω，同時為芯片內部的PA和LAN提供支流偏置。
為了提高無線收發系統的效率，保證傳輸距離，射頻電路天線的選取也至關重要，其中包括射頻天線形狀、輸出方向、天線長度、天線材料等一系列因素。射頻電路常用差動天線、不平衡天線。典型的差動天線(如雙極天線)，不需要巴倫(balun)匹配可直接接人。其他短距離通信的天線有單極天線、螺旋天線和環狀天線。螺旋天線可以看作是單極天線和環狀天線的混合，但是優化起來比單極天線困難。環狀天線易于集成到印刷電路板(PCB)中，但是由于發射阻抗非常低，難于匹配，且匹配效果不好，因此設計中選用單極天線。 單端單極天線要求在差分輸出和天線之間有巴倫匹配。巴倫匹配可以采用傳輸線形式，也可以采用離散元器件形式，兩種形式都等效于在天線連接處匹配了50 Ω的負載。傳輸線形式較離散元器件形式，不僅改善了誤差向量幅度性能，而且靈敏度和諧波抑制也得到改善，所以設計中采用了傳輸線形式。CC2430無線收發PCB布線圖如圖6所示。
在PCB布線方面，λ／2巴倫匹配的傳輸線確保射頻信號在正確的頻段，同時要遠離有耗材料(比如電池)，靠近射頻芯片以減少兩者之間的射頻損耗。另外，還要避免數字信號對其的干擾。因此，傳輸線各方向上要留有一定的避讓空間，該距離與工作頻率成反比。避讓空間沒有固定公式，根據物理形狀、材料的射頻損耗等確定。對于芯片，避讓空間的最小半徑在λ／100左右；對于較大的有源損耗體(如AA電池)，最小半徑在λ／10左右(λ為無線通信頻率的波長)。采用的巴倫匹配傳輸線的避讓空間如圖6所示。經匹配后的網關與節點能在150～200 m的范圍內自由通信，傳輸效果令人滿意。 3．4 存儲單元 微處理器自帶128 KB Flash不能滿足操作系統的移植存儲的代碼量，以及傳感器節點每天采集的數據量(64個節點一天大約4．3K)，故必須進行存儲器的擴展。結合考慮微處理器外設接口和數據存儲讀寫速度，選擇2 Mb的非易失性鐵電隨機存儲器FM25H20。其硬件原理圖如圖7所示。
FM25H20具有無限的讀寫次數，掉電數據多達10年保持時間，寫數據無延時，快速SPI串行協議，高達40 Mbps的總線速度，完善的軟、硬件寫保護，極低的靜態工作電流(5μA)，非常適合本嵌入式網關設計的需要。 3．5 電源模塊 無線傳感器網絡節點一般工作在無人值守的環境下，所以選擇能源非常重要；另外，自然界的能源補充也至關重要。設計中采用太陽能電池板實現整個系統的能源供給。比較當今常用電池性能，分析計算設計節點各模塊的功耗，選擇額定電壓為3．7 V、容量為1 Ah的高能量密度電池鋰離子電池(Lithium Ion battery)。與同樣大小的鎳鎘電池、鎳氫電池相比，電量儲備最大、重量最輕、壽命最長、充電時間最短、無記憶效應，是目前性能最好的電池。雙組電源輪流供電(一用一備)，利用無線收發模塊A／D采樣、自動監測控制電池電壓，根據設計的電池上下限值自動開啟太陽能電池板對其自動充電，始終做到整個節點電源供給穩定。 結語 本文針對無線傳感器網絡特點，對WSN網關進行了研究，并給出了詳細的硬件實現方案。關鍵模塊是：基于SIM1300C模塊的GPRS接口實現無線網絡到有線網絡的數據傳輸；基于CC2430芯片的RF收發電路。通過研究，較好地解決了WSN數據從采集地到監控中心的雙向傳輸問題，從邏輯上將物理世界與信息世界更加緊密地融合于一體；在低功耗、高速度、低噪聲、低成本方面取得了較為滿意的結果，為開發和構造無線傳感器網絡開拓了新的應用領域。 參考文獻 1. 孫利民,李建中,陳渝,等.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2005:34. 2. 歐杰峰,劉興華.基于CDMA模塊的無線傳感器網絡網關的實現[J].計算機工程,2007,33(1):116. 3. 李文仲,段朝玉.ZigBee無線網絡技術入門與實戰[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:2-43,56-57. 4. Kraus John D,Marhefka Ronald J.天線(下冊)[M].章文勛,譯.3版.北京:電子工業出版社,2005:307-308. 作者：電子科技大學 夏顯秋 童玲 田雨 來源：《單片機與嵌入式系統應用》2009（8） |
