無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)3G網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)與研制

摘要：網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)出口，是其重要組成部分。3G網(wǎng)絡(luò)的到來(lái)將為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)新一輪的發(fā)展。設(shè)計(jì)了一款與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，采用以LPC2148 ARM7芯片為核心，與無(wú)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(shí)時(shí)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(guān)處于休眠狀態(tài)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：本網(wǎng)關(guān)具有網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、低功耗、丟包率低等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)；寬帶碼分多址；嵌入式

0 引言
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)的研究與開(kāi)發(fā)是目前信息領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有大量科技人員研究將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于各領(lǐng)域。而無(wú)線傳感器網(wǎng)關(guān)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，為滿足無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳感的周期性、同步性等特點(diǎn)，有必要研究適用于不同應(yīng)用場(chǎng)合的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。
文獻(xiàn)提出了一種可以通過(guò)以太網(wǎng)、公共電話網(wǎng)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，運(yùn)用多線程技術(shù)控制各通信方式并行執(zhí)行，但數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率有待提高。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2420芯片的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，并利用無(wú)線網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備與無(wú)線局域網(wǎng)的連接。該嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備由核心板、底板和通信模塊組成，通過(guò)USB 2．0接口加載無(wú)線網(wǎng)卡設(shè)備，選用WLAN作為網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心的空中接口。由于采用與無(wú)線局域網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離受到一定限制。文獻(xiàn)采用S3C2410，CS8900A組合設(shè)計(jì)了一款監(jiān)測(cè)茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量，由WSN網(wǎng)關(guān)通過(guò)有線以太網(wǎng)或GPRS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園旱情的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。但該網(wǎng)關(guān)是在ARM實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)的，且功耗較大。
本文在研究大量無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率、降低網(wǎng)關(guān)功耗、盡可能延長(zhǎng)網(wǎng)關(guān)的生命周期出發(fā)，使用新型3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾逝c穩(wěn)定性。通過(guò)合理設(shè)計(jì)穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)與具有實(shí)時(shí)性的軟件系統(tǒng)，達(dá)到了WSN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目的。

1 硬件系統(tǒng)
根據(jù)WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合WCDMA網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。WSN網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、無(wú)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(guān)通過(guò)無(wú)線通信模塊接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換，由3G通信模塊發(fā)送給上位機(jī)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了方便軟、硬件升級(jí)與調(diào)試，網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展了串口與SPI口。