基于NIOS軟核的無線傳感器網絡實驗平臺硬/軟件實現

　　1 引言

　　傳感器網絡中, 隨機分布的集成有傳感器、數據處理單元和通信模塊的微小節點通過自組織的方式構成網絡, 借助于節點中內置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環境中的熱、紅外、聲納、雷達和地震波信號, 從而探測包括溫度、濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等眾多我們感興趣的物質現象。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, 但一般認為短距離的無線低功率通信技術最適合傳感器網絡使用, 一般稱作無線傳感器網絡(WSNs) 。這種無線傳感器網絡中的每個傳感器節點都可以進行周圍環境數據的采集、簡單計算以及與其它節點及外界進行通信。傳感器網絡的多節點特性使得眾多的傳感器可以通過協同工作進行高質量的傳感, 以及組成一個容錯性好的的采集系統。正是由于這些優點, 近年來出現了許多基于分布式的無線傳感器網絡應用, 如搶險救災、智能家居以及生物化學武器攻擊的探測和救援。

　　然而, 作為一種新興出現的技術, 建立一個運轉良好、魯棒(Robust) 性好的無線傳感器網絡還是面臨著許多挑戰。而且由于它的一些獨特特性, 無線傳感器網絡的設計方法與現有無線網絡的設計方法有很大不同。例如, 由于傳感器網絡中的傳感器節點分布密集, 所以需要大范圍的數據管理和處理技術。其次, 無線傳感器網絡節點一般部署在人類難以到達和接觸的區域, 這就使傳感器網絡節點的維護面臨著很大的挑戰。除此之外,電源消耗也是一個很重要的問題, 無線傳感器節點作為微小器件, 只能配備有限的電源, 在有些應用場合下, 更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節點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系統的壽命是無線傳感器網絡設計需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網絡方面的研究人員都在注重研究新的節約功耗的協議和算法, 這些協議和算法需要傳感器網絡平臺進行實驗和驗證。以下小節我們就將介紹一種無線傳感器網絡實驗平臺, 在這個平臺上可以對協議和算法方便地進行實驗和驗證。

　　在此平臺中我們采用了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計者。它可以與各種各樣的外設、定制指令和硬件加速單元相結合, 構成一個定制的SOPC。該處理器具有可由用戶配置的L1( 第一層) 指令與數據超高速緩存。NIOS 處理器還具有一種基于JTAG 的OCI(片上儀器) 內核, 使軟件開發人員在實時調試方面具有更明顯的優勢。該處理器的軟件支持可擴展到對APR、IP、ICMP、TCP、UDP 和以太網的網絡協議支持。

　　2 無線傳感器網絡平臺架構

　　典型的無線傳感器網絡結構如圖1 所示, 無線傳感器節點經多跳轉發, 通過網關節點接入網絡, 在網絡的任務管理節點對傳感信息進行管理、分類、處理, 再把傳感信息送給應用用戶使用。傳感器節點首先采集諸如聲、光和距離等環境相關的數據, 并對這些數據進行簡單處理后傳送到網關節點。無線傳感器網絡通常具有兩種應用模式: 主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網關節點對各個傳感器節點進行主動的輪詢以獲得消息,而被動模式則要求在某個傳感器節點事件發生時, 網關節點能予以及時的響應。各個傳感器節點得到的數據還能進行組合, 這也很大地提高了傳感器網絡的效率。當然這也要求傳感器節點要具有一定的計算能力。

　　3 系統硬件實現

　　在本文介紹的系統架構中, 主要需要實現的是傳感器節點和網關的硬件平臺, 下面介紹這兩個平臺的硬件實現。

　　3.1 傳感器節點的硬件實現

　　器節點的功能是采集人們感興趣的數據, 并將數據發送給各個傳感器節點組的網關。傳感器節點主要由電源模塊、計算模塊、存儲單元、通信模塊和傳感單元組成, 如圖2 所示。

　　(1)根據以上所述的節點結構, 我們在系統中采用了Altera公司生產的Cyclone系列FPGA, Cyclone是一款低價格、中等密度的FPGA, 采用0.13μm全銅SRAM工藝, 容量從2910 個邏輯單元到20010 個邏輯單元, 1.5V 內核。使其與NIOS 軟核嵌入式處理器完美結合, 能夠將處理器、存儲器、A/D 和D/A 轉換器等系統設計需要的功能模塊集成在一起, 構建成一個可編程的片上系統, 實現傳感器節點模塊的高度集成化。

　　(2)傳感器節點的通信模塊的功能是由TRF6901 射頻收發器來實現。該收發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絡系統中, 該收發器可以工作在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, 發射電流最大為40mA, 接收電流最大為20mA, 待機電流最大為4μA;
b.可以使用OOK 和FSK 兩種調制方式;
c.集成有頻率合成器和壓控振蕩器;
d.內含鎖相環和參考振蕩器;
e.具有9dBm 的典型輸出功率;
f.內含可編程電池檢測電路;
g.帶有接收信號強度檢測器;
h.具有靈活的3 線串行接口, 可方便地與微控制器進行連接;
i.基準振蕩器頻率可編程微調;
j.集成度高, 外圍元件少。

　　(3)每個傳感器節點采用AA 電池供電。

　　3.2 網關的硬件實現

　　網關的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、頻收發模塊和GPRS 通信模塊組成, 如圖3 所示。網關的中央處理單元主要用來處理從傳感器節點采集到的數據以及完成一些控制功能。中央處理單元的功能實現仍是采用Altera公司的FPGA 中的Cyclone系列與NIOS 軟核嵌入式處理器的結合完成的。這樣的設計使得它在低成本、低功耗的條件下能完成一些功能豐富的應用。此外, 它可以集成許多外設接口, 包括USB2.0 接口和以太網接口等。

　　為了將采集到的數據傳輸到互聯網上, 網關設備還配有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, 這樣可以簡化產品設計。它通過中國移動現成的GPRS 網絡將傳感器采集到的數據傳輸的互聯網上, 用戶可以通過普通PC 和GPRS 手機終端來觀測傳感器采集到的數據。網關同時還配有與傳感器節點相同的RF 收發模塊, 用于接受傳感器節點發送的數據。

　　4 系統的軟件結構

　　在我們的無線傳感器網絡系統中, 軟件部分主要是在網關和傳感器節點上, 主要利用匯編和C 語言進行開發。網關端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節點傳輸過來的數據, 它主要由GPRS 通信軟件、RF 通信軟件、命令行軟件以及任務管理軟件組成, 如圖4 所示。傳感器節點端的軟件主要完成的功能是接受傳感單元的數據, 并將數據發送到傳感器節點組的網關上,它除了沒有GPRS 通信軟件之外, 其它與網關端軟件組成相同。

　　5 小結

　　在文章中介紹了一個基于NIOS 軟核的無線傳感器網絡演示系統, 整個系統建立在嵌入式NIOS 軟核心處理器的基礎上, 盡量使用SOPC Builder 中已有的標準配置IP 核, 具有硬件集成度高、設計周期短, 可以通過合理控制各部件實現低功耗要求, 軟件易于開發等優點。無線傳感器網絡是新興的通信應用網絡, 其應用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領域。因此, 無線傳感器網絡將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網絡, 需要各種技術支撐。目前, 該實驗平臺已在實驗室開始運用。今后, 發展迅速的SOPC技術和成熟的通信技術都可能經過適當的改進和進一步發展, 應用到無線傳感器網絡中, 形成新的市場增長點, 創造無線通信的新天地。