無線傳感器網(wǎng)絡3G網(wǎng)關的設計與研制

摘要：網(wǎng)關負責無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)出口，是其重要組成部分。3G網(wǎng)絡的到來將為無線數(shù)據(jù)傳輸帶來新一輪的發(fā)展。設計了一款與WCDMA網(wǎng)絡相結合的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，采用以LPC2148 ARM7芯片為核心，與無線射頻芯片及華為EM770W模塊組成硬件系統(tǒng)；以μC／OS-Ⅱ作為實時操作系統(tǒng)，自主編寫合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網(wǎng)關處于休眠狀態(tài)，并進行了相關實驗。試驗結果表明：本網(wǎng)關具有網(wǎng)絡傳輸速率快、低功耗、丟包率低等特點。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；網(wǎng)關；寬帶碼分多址；嵌入式

0 引言
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)的研究與開發(fā)是目前信息領域的一個熱點，國內(nèi)外已有大量科技人員研究將無線傳感器網(wǎng)絡應用于各領域。而無線傳感器網(wǎng)關是無線傳感器網(wǎng)絡的重要組成部分，為滿足無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳感的周期性、同步性等特點，有必要研究適用于不同應用場合的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關。
文獻提出了一種可以通過以太網(wǎng)、公共電話網(wǎng)以及GPRS網(wǎng)絡等多種方式進行數(shù)據(jù)轉發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關。網(wǎng)關基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，運用多線程技術控制各通信方式并行執(zhí)行，但數(shù)據(jù)的實時傳輸速率有待提高。文獻設計并實現(xiàn)了一種基于CC2420芯片的網(wǎng)關，實現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡的通信，并利用無線網(wǎng)卡模塊實現(xiàn)了網(wǎng)關設備與無線局域網(wǎng)的連接。該嵌入式網(wǎng)關設備由核心板、底板和通信模塊組成，通過USB 2．0接口加載無線網(wǎng)卡設備，選用WLAN作為網(wǎng)關與監(jiān)控中心的空中接口。由于采用與無線局域網(wǎng)連接，網(wǎng)絡傳輸距離受到一定限制。文獻采用S3C2410，CS8900A組合設計了一款監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量，由WSN網(wǎng)關通過有線以太網(wǎng)或GPRS對數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，實現(xiàn)對茶園旱情的遠程監(jiān)測。但該網(wǎng)關是在ARM實驗箱上實現(xiàn)的，且功耗較大。
本文在研究大量無線傳感器網(wǎng)絡技術文獻的基礎上，從提高數(shù)據(jù)的實時傳輸速率、降低網(wǎng)關功耗、盡可能延長網(wǎng)關的生命周期出發(fā)，使用新型3G網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾逝c穩(wěn)定性。通過合理設計穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)與具有實時性的軟件系統(tǒng)，達到了WSN網(wǎng)關數(shù)據(jù)實時轉換和遠距離穩(wěn)定傳輸?shù)脑O計目的。

1 硬件系統(tǒng)
根據(jù)WSN網(wǎng)關設計的要求，結合WCDMA網(wǎng)絡的特點。WSN網(wǎng)關由處理器模塊、無線通信模塊、3G通信模塊、數(shù)據(jù)備份模塊和電源模塊組成，如圖1所示。網(wǎng)關通過無線通信模塊接收節(jié)點傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)，通過格式轉換，由3G通信模塊發(fā)送給上位機控制中心，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)控。為了方便軟、硬件升級與調(diào)試，網(wǎng)關擴展了串口與SPI口。