具有多种通信方式的无线传感器网络网关

第21卷 第1期2008年1月

传感技术学报

CHINESE JO URN AL O F SENS ORS AND ACTUATO RS

Vol.21 No.1JAN.2008

Wireless Sensor Networks Gateway with Multi C ommunication Methods *

CAI H ao 1,FE NG R en j ian 2,WA N J iang w en 2*

1.S chool of A utomation ,B eij in g Univ e rsity of P osts and T elec ommunications,B eij ing 100876,China;

2.S chool of I nstr ument S cience &Op to E lec tr onics Eng inee ring ,Beihang Univ ersity ,B eij in g 100083,China

Abstract:For the Wireless Sensor Netw o rks (WSN s),gatew ay equipment connecting w ith other netw or ks is needed to r ealize the long distance transm ission of the inform ation from the sink nodes.T he g atew ay w ith only sing le com munication method is difficult to accomm odate the practical applications.T herefore,a WSNs g atew ay by w hich data can be transmitted w ith Ethernet,PSTN and GPRS co mmunication methods is designed and implemented.T he S3C44B0X M CU of ARM 7series and Clinux embedded oper ating sys tem are used to construct the g atew ay.M eanw hile,multithreading technolog y is utilized to manag e the parallel comm unication.

Key words:wireless sensor netw o rks;gatew ay;multithreading;co mmunication m ethod EEACC :6150P

具有多种通信方式的无线传感器网络网关

*

蔡 皓1,冯仁剑2,万江文2*

1.北京邮电大学自动化学院,北京100876;

2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京100083

基金项目:国家高技术研究发展计划(863计划)专项经费资助(2006AA 01Z222)收稿日期:2007 07 28 修改日期:2007 09 10

摘 要:无线传感器网络中汇聚节点获取的信息需要利用网关设备与外部网络进行连接以实现远距离传输,单一通信方式

的网关常常不能适应实际应用。为此,设计并实现了一种可以通过以太网、公共电话网以及G PRS 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A RM 7系列的S3C44B0X 微控制器和 Clinux 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。

关键词:无线传感器网络;网关;多线程;通信方式中图分类号:TP39

文献标识码:A 文章编号:1004 1699(2008)01 0169 05

无线传感器网络(Wireless Sensor Netw o rks,WSNs)由部署在监测区域内大量的低成本微型传感器节点组成,节点间通过无线、多跳通信方式形成一个自组织网络系统。在WSNs 中,传感器节点协作地采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息并通过汇聚节点(sink nodes)发送给观察者。通过传感器网络可以直接感知客观世界,从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力[1]。

及时获取感知区域内的信息并进行处理、转发等操作是无线传感器网络应用中的关键问题之一。一般情况下,汇聚节点接收传感器节点发送的数据,

通过有线方式(串口或U SB 电缆)与PC 相连,后者完成数据的读取、转换、显示、转发等工作。其中,转发功能是PC 利用网卡接入外部网络来实现的。这

种工作方式成本高,开销大,实际应用时易受到工作环境的限制[2]。例如在恶劣或战场环境中,感知区域难以接近时,将汇聚节点与PC 相结合作为外部网络接入设备具有较大难度[3]。一个行之有效的解决方法是配置体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的WSNs 网关,由网关处理所获取的信息并进行转发工作。

目前,国内外已有关于WSNs 信息进行远距离

传输的研究报道。美国的Crossbow 公司曾推出具有以太网通信功能的汇聚节点产品并得到应用。哈佛大学的科研人员在位于厄瓜多尔境内的唐古拉瓦火山(Volcan Tungurahua)附近部署了小范围的无线传感器网络,采集次声波信号并传送至汇聚节点,通过接入无线M ODEM 将数据转发到9公里外火山监测站的一台PC 上[4]。国内一些大学和科研机构也提出了有关解决方案,比较典型的是基于有线通信方式的以太网和无线通信方式的GPRS [5]、CD M A [6]

等WSN s 网关。在这些单一通信方式的网关中,以太网通信稳定可靠,但需要具备相应的接入条件,这在许多应用情况下难以实现;无线通信移动性能良好,但易受到网络覆盖面及资费问题困扰。为了解决上述问题,可在网关上实现包括有线和无线的多种通信方式,在实际应用时,根据WSNs 部署区域的境况自主选择所需要的通信方式,或者在条件允许的情况下同时使用。具有多种通信方式的网关不仅能够实现外部网络的接入,完成WSN s 数据的转发,同时还可以适应WSNs 部署的灵活性。

本文在上述思路的基础上,设计完成一种具有汇聚节点功能的WSN s 网关,并通过集成以太网、MODEM 以及GPRS 多种通信方式,搭建起WSNs 与外部网络进行数据通信的桥梁。运用嵌入式操作系统 Clinux 的多线程机制控制各通信软件并行执行,提高了系统运行效率。网关设计灵活可靠并具有可扩展性,为实现更多途径的网络接入方案提供了有价值的方法参考。

1 系统组成及工作原理

网关的功能包括两个方面:一是通过汇聚节点获取WSNs 的信息并进行转换,二是利用外部网络

进行数据转发,系统总体结构如图1

所示。

图1 系统结构示意图

传感器节点采集感知区域内的数据,进行简单

的处理后发送至汇聚节点;网关利用串行方式读取数据并转换成用户可知的信息,如传感器节点部署区域内的温度、湿度、加速度、坐标等;接着进行远距

离传输,传输方式包括以太网、移动通信网(GPRS)和公共电话网(PST N),同时,还可以封装成短消息发送至移动终端用户。

网关设计在硬件上选取ARM 7系列的S3C44B0X 芯片为中央处理器,外围电路主要包括存储器系统、串行通信接口、以太网接口、时钟系统和其他电路系统。其中,在设计串行通信接口电路时,除了使用CPU 自带2通道U ART (通用异步收发器)外,还利用EXAR 公司生产的异步通信芯片ST16C554扩展出两个串口,分别连接汇聚节点和GPRS 模块。在有线通信方式中,串行接口具有连接线少,简单可靠且成本低廉等优点,所以在网关上扩展串口为其他串行设备的接入提供了便利条件。网关在软件上采用 Clinux 操作系统控制和管理各种资源,在开源的嵌入式操作系统中, Clinux 性能稳定,移植性好,具有优秀的网络能力且支持多种文件系统[7]

,对于网关多通信方式的开发, Clinux 具有更大的优势。根据网关的硬件电路设计进行制板、焊接、调试等工作,网关内部结构如图2所示,实物图如图3

所示。

图2

网关内部结构示意图

图3 网关实物图

实物图的上方为网关主电路板,下方为汇聚节

点(左)和GPRS 模块电路(右),分别利用51针连接器和两排8针连接器与主电路板连接。两排8针连接器提供标准的电源信号(5V 和3.3V )、地信号(GND)以及串行通信信号(RXD 和TXD)。这种设计思路主要是考虑到在网关上实现其他通信方式时,无需重新设计主电路板,任何支持串行通信的设备都可以使用引出的标准信号,例如CDM A 、3G 等

170传 感 技 术 学 报2008年