基于NIOS軟核的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬/軟件實(shí)現(xiàn)

　　1 引言

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 隨機(jī)分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點(diǎn)通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò), 借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測(cè)量所在周邊環(huán)境中的熱、紅外、聲納、雷達(dá)和地震波信號(hào), 從而探測(cè)包括溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質(zhì)現(xiàn)象。在通信方式上, 雖然可以采用有線、無線、紅外和光等多種形式, 但一般認(rèn)為短距離的無線低功率通信技術(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用, 一般稱作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs) 。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡(jiǎn)單計(jì)算以及與其它節(jié)點(diǎn)及外界進(jìn)行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點(diǎn)特性使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進(jìn)行高質(zhì)量的傳感, 以及組成一個(gè)容錯(cuò)性好的的采集系統(tǒng)。正是由于這些優(yōu)點(diǎn), 近年來出現(xiàn)了許多基于分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 如搶險(xiǎn)救災(zāi)、智能家居以及生物化學(xué)武器攻擊的探測(cè)和救援。

　　然而, 作為一種新興出現(xiàn)的技術(shù), 建立一個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)良好、魯棒(Robust) 性好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是面臨著許多挑戰(zhàn)。而且由于它的一些獨(dú)特特性, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)方法有很大不同。例如, 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)分布密集, 所以需要大范圍的數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)。其次, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般部署在人類難以到達(dá)和接觸的區(qū)域, 這就使傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的維護(hù)面臨著很大的挑戰(zhàn)。除此之外,電源消耗也是一個(gè)很重要的問題, 無線傳感器節(jié)點(diǎn)作為微小器件, 只能配備有限的電源, 在有些應(yīng)用場(chǎng)合下, 更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命在很大程度上依賴于電池的壽命, 所以降低功耗以延長(zhǎng)系統(tǒng)的壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究人員都在注重研究新的節(jié)約功耗的協(xié)議和算法, 這些協(xié)議和算法需要傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。以下小節(jié)我們就將介紹一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 在這個(gè)平臺(tái)上可以對(duì)協(xié)議和算法方便地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)證。

　　在此平臺(tái)中我們采用了Altera公司的NIOS 軟核嵌入式處理器, 它是一種可特許的通用RISC CPU, 也就說, 是以IP 核的方式將它提供給設(shè)計(jì)者。它可以與各種各樣的外設(shè)、定制指令和硬件加速單元相結(jié)合, 構(gòu)成一個(gè)定制的SOPC。該處理器具有可由用戶配置的L1( 第一層) 指令與數(shù)據(jù)超高速緩存。NIOS 處理器還具有一種基于JTAG 的OCI(片上儀器) 內(nèi)核, 使軟件開發(fā)人員在實(shí)時(shí)調(diào)試方面具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。該處理器的軟件支持可擴(kuò)展到對(duì)APR、IP、ICMP、TCP、UDP 和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)架構(gòu)

　　典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 無線傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā), 通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò), 在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)傳感信息進(jìn)行管理、分類、處理, 再把傳感信息送給應(yīng)用用戶使用。傳感器節(jié)點(diǎn)首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù), 并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種應(yīng)用模式: 主動(dòng)輪詢模式、被動(dòng)模式。主動(dòng)模式要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行主動(dòng)的輪詢以獲得消息,而被動(dòng)模式則要求在某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)事件發(fā)生時(shí), 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能予以及時(shí)的響應(yīng)。各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)得到的數(shù)據(jù)還能進(jìn)行組合, 這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)然這也要求傳感器節(jié)點(diǎn)要具有一定的計(jì)算能力。

　　3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

　　在本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)中, 主要需要實(shí)現(xiàn)的是傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái), 下面介紹這兩個(gè)平臺(tái)的硬件實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　器節(jié)點(diǎn)的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電源模塊、計(jì)算模塊、存儲(chǔ)單元、通信模塊和傳感單元組成, 如圖2 所示。

　　(1)根據(jù)以上所述的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu), 我們?cè)谙到y(tǒng)中采用了Altera公司生產(chǎn)的Cyclone系列FPGA, Cyclone是一款低價(jià)格、中等密度的FPGA, 采用0.13μm全銅SRAM工藝, 容量從2910 個(gè)邏輯單元到20010 個(gè)邏輯單元, 1.5V 內(nèi)核。使其與NIOS 軟核嵌入式處理器完美結(jié)合, 能夠?qū)⑻幚砥?、存?chǔ)器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要的功能模塊集成在一起, 構(gòu)建成一個(gè)可編程的片上系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)模塊的高度集成化。

　　(2)傳感器節(jié)點(diǎn)的通信模塊的功能是由TRF6901 射頻收發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。該收發(fā)器所具有的低功耗和小尺寸使之非常適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 該收發(fā)器可以工作在860MHz～930MHz 公共頻段中。射頻模塊通過串口與NIOS 軟核心處理器通信。以下是TRF6901 可供參考的一些特性:
a.低功耗, 發(fā)射電流最大為40mA, 接收電流最大為20mA, 待機(jī)電流最大為4μA;
b.可以使用OOK 和FSK 兩種調(diào)制方式;
c.集成有頻率合成器和壓控振蕩器;
d.內(nèi)含鎖相環(huán)和參考振蕩器;
e.具有9dBm 的典型輸出功率;
f.內(nèi)含可編程電池檢測(cè)電路;
g.帶有接收信號(hào)強(qiáng)度檢測(cè)器;
h.具有靈活的3 線串行接口, 可方便地與微控制器進(jìn)行連接;
i.基準(zhǔn)振蕩器頻率可編程微調(diào);
j.集成度高, 外圍元件少。

　　(3)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)采用AA 電池供電。

　　3.2 網(wǎng)關(guān)的硬件實(shí)現(xiàn)

　　網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理單元、存儲(chǔ)單元、頻收發(fā)模塊和GPRS 通信模塊組成, 如圖3 所示。網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能。中央處理單元的功能實(shí)現(xiàn)仍是采用Altera公司的FPGA 中的Cyclone系列與NIOS 軟核嵌入式處理器的結(jié)合完成的。這樣的設(shè)計(jì)使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應(yīng)用。此外, 它可以集成許多外設(shè)接口, 包括USB2.0 接口和以太網(wǎng)接口等。

　　為了將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上, 網(wǎng)關(guān)設(shè)備還配有GPRS 通信單元, GPRS 通信單元主要是由Telit公司的GM862 模塊組成, 該模塊和NIOS 處理器之間的通信采用AT 命令, 這樣可以簡(jiǎn)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。它通過中國(guó)移動(dòng)現(xiàn)成的GPRS 網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)上, 用戶可以通過普通PC 和GPRS 手機(jī)終端來觀測(cè)傳感器采集到的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)同時(shí)還配有與傳感器節(jié)點(diǎn)相同的RF 收發(fā)模塊, 用于接受傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　在我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 軟件部分主要是在網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)上, 主要利用匯編和C 語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。網(wǎng)關(guān)端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù), 它主要由GPRS 通信軟件、RF 通信軟件、命令行軟件以及任務(wù)管理軟件組成, 如圖4 所示。傳感器節(jié)點(diǎn)端的軟件主要完成的功能是接受傳感單元的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)組的網(wǎng)關(guān)上,它除了沒有GPRS 通信軟件之外, 其它與網(wǎng)關(guān)端軟件組成相同。

　　5 小結(jié)

　　在文章中介紹了一個(gè)基于NIOS 軟核的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng), 整個(gè)系統(tǒng)建立在嵌入式NIOS 軟核心處理器的基礎(chǔ)上, 盡量使用SOPC Builder 中已有的標(biāo)準(zhǔn)配置IP 核, 具有硬件集成度高、設(shè)計(jì)周期短, 可以通過合理控制各部件實(shí)現(xiàn)低功耗要求, 軟件易于開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò), 其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會(huì)活動(dòng)的所有領(lǐng)域。因此, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個(gè)無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò), 需要各種技術(shù)支撐。目前, 該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)已在實(shí)驗(yàn)室開始運(yùn)用。今后, 發(fā)展迅速的SOPC技術(shù)和成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)和進(jìn)一步發(fā)展, 應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 形成新的市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn), 創(chuàng)造無線通信的新天地。