无线传感器网络3G网关的设计与研制

摘要：网关负责无线传感器网络数据出口，是其重要组成部分。3G网络的到来将为无线数据传输带来新一轮的发展。设计了一款与WCDMA网络相结合的无线传感器网络网关，采用以LPC2148 ARM7芯片为核心，与无线射频芯片及华为EM770W模块组成硬件系统；以μC／OS-Ⅱ作为实时操作系统，自主编写合适的通信协议及路由算法，尽可能的使网关处于休眠状态，并进行了相关实验。试验结果表明：本网关具有网络传输速率快、低功耗、丢包率低等特点。
关键词：无线传感器网络；网关；宽带码分多址；嵌入式

0 引言
    无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的研究与开发是目前信息领域的一个热点，国内外已有大量科技人员研究将无线传感器网络应用于各领域。而无线传感器网关是无线传感器网络的重要组成部分，为满足无线传感器网络数据传感的周期性、同步性等特点，有必要研究适用于不同应用场合的无线传感器网络网关。
    文献提出了一种可以通过以太网、公共电话网以及GPRS网络等多种方式进行数据转发的无线传感器网络网关。网关基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系统，运用多线程技术控制各通信方式并行执行，但数据的实时传输速率有待提高。文献设计并实现了一种基于CC2420芯片的网关，实现了与传感器网络的通信，并利用无线网卡模块实现了网关设备与无线局域网的连接。该嵌入式网关设备由核心板、底板和通信模块组成，通过USB 2．0接口加载无线网卡设备，选用WLAN作为网关与监控中心的空中接口。由于采用与无线局域网连接，网络传输距离受到一定限制。文献采用S3C2410，CS8900A组合设计了一款监测茶园空气温、湿度和土壤水分含量，由WSN网关通过有线以太网或GPRS对数据进行远程传输，实现对茶园旱情的远程监测。但该网关是在ARM实验箱上实现的，且功耗较大。
    本文在研究大量无线传感器网络技术文献的基础上，从提高数据的实时传输速率、降低网关功耗、尽可能延长网关的生命周期出发，使用新型3G网络实现数据的远程传输，保证数据传输的高速率与稳定性。通过合理设计稳定的硬件系统与具有实时性的软件系统，达到了WSN网关数据实时转换和远距离稳定传输的设计目的。

1 硬件系统
    根据WSN网关设计的要求，结合WCDMA网络的特点。WSN网关由处理器模块、无线通信模块、3G通信模块、数据备份模块和电源模块组成，如图1所示。网关通过无线通信模块接收节点传输的监测数据，通过格式转换，由3G通信模块发送给上位机控制中心，实现对数据的远程监控。为了方便软、硬件升级与调试，网关扩展了串口与SPI口。

    WSN网关的核心模块采用了ARM7的LPC2148芯片，CPU时钟频率为12 MHz。由于LPC2148芯片具有32 KB的SRAM与512 KB的SROM，满足软件系统的存储与运行要求，不需要外扩存储模块，使硬件设计简单化。同时为了提高WSN网关在无线方面的接收能力，选取nRF905工作在433 MHz频段。根据WCDMA网络的特点，采用了华为公司的EM770W作为3G通信模块。EM770W支持标准AT指令集和华为扩展AT指令集，内置TCP／IP协议栈，传输速率最大可达7．2 Mb／s。数据备份模块选择用SD卡，使各种特殊数据(报警数据或临界值数据)可以更方便地通过PC机读取。采用无线通信模块、3G通信模块和核心模块分开设计的方式，更有利于提高网关使用的灵活性。网关实物图如图2所示。

2 软件系统
   在上述硬件结构的基础上，结合与3G网络传输的WSN网关传输数据的实时性，稳定性，周期性强，时间间隔长，瞬间传输量大的特点，选择了μC／OS-Ⅱ作为其操作系统和自主编写通信协议。
2．1 软件系统组成
    网关的软件系统由操作系统和应用系统两部分组成。本设计根据μC／OS-Ⅱ具有实时性高，对ROM、RAM需求小、移植简单等特点，同时，结合网关需求，采用了μC／OS-Ⅱ作为操作系统。μC／Os-Ⅱ是基于任务优先级调度，根据这个原理，创建4个应用任务。当某事件发生时，系统必须在非常短的时间内快速作出响应，网关可以尽快的转发相关的环境监控信息。图3为软件系统框架图。

    由于3G网络信号的强弱可能导致网关与WCD-MA网络连接的失败，采用基于结果处理的状态机结构的设计方法，对各个阶段处理后的结果进行判断，处理其产生的错误，从而保障网关与WCDMA网络的连通。
2．2 通信协议的设计
    通信模块的功耗在网关的功耗中占主要部分，为了降低功耗，必须设计一种合适的通信协议及路由算法，尽可能的使网关处于休眠状态，同时又要保证网络数据信息传输的完整性。
    节点发送给网关的数据为主动的消息帧结构，其结构如图4所示。

    结合无线传感器网络周期性休眠唤醒的特点，采用简化的发送和应答机制，即简化的T-MAC协议。网关先侦听载波，当信道空闲时，向所有的网络节点发送同步帧，各节点接收到同步帧后根据同步帧的信息修改自身时钟，并向网关发送应答信息，达到整个网络同步的目的。然后网关进入接收数据状态，接收所有节点发送的数据，进行数据转换，通过WCDMA网络传输给上位机，之后网关进入睡眠模式，如此循环反复。
    随着时间的推移，时间同步误差的增加，网关和节点可能出现失步，所以需要周期性地发送时间同步信息，保证网关与节点时间同步误差不累加。

3 实验结果与分析
3．1 无线通信距离测试
    无线通信距离是网关性能的一个重要方面，其大小取决于射频模块的发送功率，两者成正比。nRF905具有发射功率可选功能，分别为-20dBm，-2dBm，6 dBm和10 dBm。本测试分别在室内，空旷平地和有遮挡物和坡度的草坪上以不同的发射功率测试网关无线通信距离，射频设定在433 MHz频段，工作电压为3．2 V。由节点周期性的向网关发送数据，当网关接收到数据时，再由网关向节点发送数据。当双方实现正常通信时，用精度为0．01 m激光测距仪测量网关与节点之间的直线距离，分别测量20次，最后取其平均值。测量的结果如表1所示。

3．2 WCDMA网络丢包率测试
    数据包在WCDMA网络转发的过程中，可能由于信号中断、载波冲突等原因而丢失。为了测试WCD-MA网络的丢包率，分别在室内，空旷平地和有遮挡物和坡度的草坪上进行数据包转发，节点软件设定周期性发送2个字节的数据，当网关接收到数据时，进行格式转换，然后转发数据包到WCDMA网络。数据包中包括流水号信息，能直观得知丢包序号。使用2节AA电池为节点供电，工作电压为3．2 V，3G模块采用TCP／IP模式传输，每个地点分别进行5天实验。实验结果如表2所示。

    由表2可得，网关所处环境的障碍物越少，网络信号越好，丢包的可能性越小。总体而言，WCDMA网络的丢包率较小，网络性能稳定，网关性能达到设计要求。
3．3 功耗测试
    WSN网关的功耗主要来自无线通信模块与3G通信模块，设定网关每10 min收集一次数据，每次唤醒30 s，每天实验12 h，为期30天。网关核心模块由2节AA南孚电池供电，每天实验开始和结束都用示波器测量一次网关主模块电压，网关主模块电压变化曲线如图5所示。

    由图5可知，随着发送时间越长，转发数据包越多，网关功耗随之增加，两者可近似认为线性关系。网关转发数据包越少，通信模块活动时间越短，网关能耗越低，网关生命周期越长。

4 结语
    通过分析当前无线传感器网络技术中网关在应用方面存在的问题与不足，结合国内最新3G网络技术，本文设计了一款与WCDMA网络相结合的无线传感器网络网关。试验结果表明：本网关具有实时数据传输、低功耗、网络传输速率快、性能稳定、丢包率低于1％等特点。本文设计的WSN网关具有良好的适用性，满足无线传感器网络数据传输特点，为无线传感器网络与3G网络两者的结合提供一种方法。