（光学工程专业论文）基于arm的无线传感网络网关的设计.pdf

摘要 摘要 无线传感网络w s n ( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 的基本特性是：低功耗、自组织、 异构互联，这些全新的形态传统的理论和模型难以描述，巨大的潜在应用使它成为 理论和应用研究的热点。无线传感器网络是一种自组织网络，让物理环境的信息主 动的以无线的方式发送到人类信息世界。人类根据获取的信息做出判断，利用无线 传感网络反过来将我们一定的意图反馈到客观世界。这将是一种全新的人类和自然 界的沟通方式。 无线传感网络不是孤立的，需要与现有的异构网络互联才有意义，而这方面的 研究也比较少，本课题就是解决无线传感网络和异构网络互联的问题，设计了适用 于无线传感网络的重要联网设备网关。研究目标是设计一个无线传感网络和以 太网互通互联的网关。在深入分析多种网关模型的基础上，提出了一个性能较好的 网关的软硬件架构，硬件上使用基于a r m 的嵌入式系统，软件上使用基于w i n d o w s c e 的嵌入式操作系统。在这个架构的指导下，设计了网关的硬件平台和网关的配 套软件。在网关完成了两种网络协议相互理解，数据双向转发的任务。为了测试网 关的软硬件性能，搭建了一个完整的无线传感网络，测试了网关的各项性能指标并 提出了改进措施。 关键词：无线传感网络，网关，w i n d o w sc e ，z i g b e e 中文文摘 中文文摘 无线传感网络以其低功耗、低成本、异构互联全新形态出现在人们研究视野之 内。传感器网络( w s n ) 通常包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、路由节点( r o u t e r n o d e ) 、 网关节点( s i n kn o d e ) 和监控中心。网关是整个网络的“大脑”，其主要功能包括分配 网络地址、建立网络、维护网络和管理网络等。路由器和终端设备一般都是使用低 成本的控制器，只是软件上有所区别，路由节点具有路由功能，这样网络中的节点 就有了自组织能力，而终端节点没有路由功能。值得注意的是，对于小型网络，无 线传感网络中的三种设备可以使用相同的控制器。对于大规模网络，网关的负担加 重，需要强有力的硬件支撑。网络中核心设备的功能描述如下： 终端节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能 力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。只负责数据采集功能，在路由 节点的协助下工作 路由节点和终端节点相似，具有路由功能，是网络具有自组织构成大型网络 的基础 网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与 i n t e m e t 等外部网络，实现两种协议栈之间的转换，同时发送管理节点的监 测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。 监控中心一般是p c 机，资源丰富。主要实现数据显示、数据分析、数据存 储功能以及数据查询等。 无线传感网络的工作过程大致如下：大量的传感器节点随机部署在监控区域 ( s e n s o rf i e l d ) 内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。终端节点采集的数据沿 着其他的路由节点，逐步的进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理， 经过多跳后路由到网关节点，最后通过互联网将数据送达监控中心。用户通过监控 中心对传感器网络进行配置和管理，发送监测任务以及收集监测数据。 针对目前无线传感网络处于理论的高潮期，无线传感网络的无线协议芯片、网 络拓扑控制、网络控制协议、时间同步、定位研究、安全问题、数据融合技术和监 控中心技术等核心问题都处于全面的研究之中，无线传感网络的应用也将随之而来， 而无线传感网络要成为一个真正的大规模、自组织、以数据为中心的使用网络，它 v 福建师范大学程明传硕士学位论文 和现有常用异构网络( 移动网、互联网、电话网等) 的互通互联需求非常强烈，毕竟 个孤立无线传感网络没有什么意义，只有和其他网络结合，才能发挥最大的效能。 而这方面的研究目前还不是很成熟，本课题就是想解决无线传感网络和其他异构网 络的互联互通问题，研究无线传感网络和以太网的互联互通的网关设备。 网关从本质上是一个协议转换工具，形态上可能是软件的也可能是硬件的。现 在广泛使用的网络有互联网、移动网、固话网、广播和电视网。无线传感网络和互 联网、移动网、固话网的互联的需求比较强烈，无线传感网络可能需要和p c 发生 交互，需要和手机发生交互，需要和固定电话发生交互。由于协议的异构，无线传 感网络并不能和异构网络直接交互，异构协议的理解就是网关的任务了。根据网络 的不同，文中详细对比了串口型、g p r s 型、以太网型和多协议型网关的模型和功 能，并在此基础上提出了详细的以太网网关的软硬件架构。 无线传感网络的标准协议是z i g b e e 协议，为了构成一个完整的网络，设计了一 个符合z i g b e e 协议的节点，文中详细描述了该节点的软硬件设计。硬件采用 a t m e g a l 2 8 处理器和c c 2 4 2 0 无线收发芯片，软件上完整的设计了协议的4 层。 节点的设计也为网关的最后的性能测试提供了基础。 网关的设计和测试是本课题的核心，网关硬件由$ 3 c 2 2 4 0 处理器、6 4 m 字节的 s d r a m 、6 4 m 字节的n a n df l a s h 和1 0 m 以太网卡组成，操作系统为w i n d o w sc e 嵌入式操作系统，为在网关上开发网关软件提供良好的软硬件基础环境。硬件采用 核心板加底板的模式，核心板采用现有模块( 条件限制，没有高频电路设计能力) ， 底板扩展所有需要的外设。 在网关软件的设计上，主要实现了z i g b e e 数据的接收、解析、存储和转发，并 对网关的性能做了完整的测试，得到了一些基本的网关参数。最后找出了影响网关 性能的多种因素，同时提出了一些改进的构想。 v i a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s e s p e c i f i c a t i o n s o fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) a l el o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，s e l f - o r g a n i z a t i o na n dh e t e r o g e n e o u si n t e r c o r m e c t i o n , a n dt h e s en e w e s t m o r p h o l o g yc a n tb ed e s c r i b e db yt r a d i t i o n a lt h e o r i e sa n dm o d e l s al a r g en u m b e ro f p o t e n t i a la p p l i c a t i o n sm a k ei th o tf o rr e s e a r c h e so ft h e o r i e sa n da p p l i c a t i o n w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r ki sas e l f - o r g a n i z i n gn e t w o r k , s ot h a tt h ei n f o r m a t i o no fp h y s i c a l e n v i r o n m e n tw i l lt a k et h ei n i t i a t i v et os e n di n f o r m a t i o nt ot h eh u m a nw o r l db yw i r e l e s s n e t w o r k a c c o r d i n gt oi n f o r m a t i o na v a i l a b l et oj u d g e ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc a l lh e l p u sf e e db a c ko u ri n t e n t i o ni n t ot h eo b j e c t i v ew o r l d t h i sw i l lb ea ne n t i r e l yn e wm e a n so f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nh u m a nb e i n g sa n dn a t u r e w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki sn o ti s o l a t e d ，i n t e r c o r m e c t i o n 研me x i s t i n gh e t e r o g e n e o u s w i l lo n l yb em e a n i n g f u l ，a n dt h i sr e s e a r c hi sa l s or e l a t i v e l ys m a l l t h et a s ko fr e s e a r c hi s t os o l v ei n t e r c o n n e c t i o ni s s u e sb e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sa n dh e t e r o g e n e o u s n e t w o r k ，a n dd e s i g ne s s e n t i a ln e t w o r k i n ge q u i p m e n tf o rw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( g a t e w a y ) r e s e a r c hg o a li st od e s i g nag a t e w a yb e t w e e nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ka n d e t h e r n e t b a s e do ni n - d e p t ha n a l y s i so fm a n yg a t e w a ym o d e l s ，ab e t t e rm o d e lo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h eg a t e w a yi sp r o p o s e d ，a n dh a r d w a r eb a s e do n a r m - b a s e de m b e d d e ds y s t e m s ，s o f t w a r eb a s e do nw i n d o w sc ee m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m u n d e rt h eg u i d a n c eo f t h i sf r a m e w o r k ，g a t e w a yh a r d w a r ep l a t f o r ma n dg a t e w a y s o f t w a r ea r ed e s i g n e d 。t w op r o t o c o l sc a nb eu n d e r s t o o di nt h eg a t e w a y , a n dd a t ac a nb e e x c h a n g e dt w o w a y i no r d e rt o t e s tt h ep e r f o r m a n c eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo f g a t e w a y , ac o m p l e t ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r ki s b u i l tt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo ft h e g a t e w a ya n dg e ts o m em e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n t k e y w o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，g a t e w a y ，w i n d o w sc e ，z i g b e e 1 i i 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 福建师范大学硕士学位论文独创性和使用授权声明 本人( 姓名) 猩明笾学号星q q 鱼q z 圣星专业堂堂王猩所呈交 的学位论文( 论文题目：基于a r m 的无线传感网络网关的设计) 是本 人在导师指导下，独立进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除论文中已特别标明引用和致谢的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究工作做出贡献的 个人或集体，均已在论文中作了明确说明并表示谢意，由此产生的一切 法律结果均由本人承担。 本人完全了解福建师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 福建师范大学有权保留学位论文( 含纸质版和电子版) ，并允许论文被 查阅和借阅；本人授权福建师范大学可以将本学位论文的全部或部分内 容采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，并按国家 有关规定，向有关部门或机构( 如国家图书馆、中国科学技术信息研究 所等) 送交学位论文( 含纸质版和电子版) 。 ( 保密的学位论文在解密后亦遵守本声明) 学位论文作者签名：恻馋 签字日期：伊哆年乡月2 日 殳 青咱 3 钆 年 a， 形 名 如 鹤 币 男 师 期 教 日 导 字 乜日 奎 指 签 绪论 绪论 一个典型的传感器网络系统主要包括：终端节点、路由节点、网关节点和监控 中心等。终端节点具有数据采集和无线收发功能，但是不具有路由功能；路由节点 具有数据采集、无线收发和路由功能，传感器节点一般和邻近的路由节点构成星形 网络；网关节点具有汇聚传感网络采集的物理信息，无线传感器网络与外部网络的 互联；监控中心具有配置管理、性能管理、故障管理和安全管理的功能。无线传感 网络的典型系统框图如图1 1 所示。 无线传感网络 图0 - 1 无线传感网络的典型系统框图 f i g 0 1c l a s s i cf r a m e w o r ko fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k 在图0 1 中，传感器节点和路由节点都具有数据采集功能，但仅传感器节点没 有路由功能，故传感器节点需要以邻近的路由节点为中心构成星形网络。路由节点 和路由节点通过多跳的方式将数据汇聚到网关节点，数据的存储和收发是由路由节 点中的路由协议控制的，路由节点之间一般构成网状网络，以提高网络的容错性。 从上面的系统可以看出无线传感网络在逻辑上将物理世界与信息世界更加紧密地融 合于一体。 无线传感网络呈现出以低功耗、自组网、异构互连、泛在协同为基本特征的全 新形态，成为理论研究和应用研究的一个研究热点。在缺乏通信基础设施或需要低 成本低功耗的应用环境，无线传感网络技术有很强的技术优势。无线传感器网络在 军事侦察、环境监测、医疗护理、智能家居、工业生产控制以及商业等领域有着广 阔的应用前景。 本课题的研究依托于福建省教育厅资助项目基于嵌入式的网络便携式终端 ： 薹 卜豇矗一 扩曩o函 置 福建师范大学程明传硕士学位论文 的研究。网络便携式终端，主要研究嵌入式网络终端的软硬件框架，以及丰富的网 络通信功能。在此基础上，本课题重点研究网络终端的功能扩展，将网络终端用于 无线传感网络网关。重点解决网关的软硬件模型、z i g b e e 协议实现、网关管理软件 的实现。无线传感网络网关是沟通无线传感网络和其他外部网络的桥梁，网关是网 络互联的重要的设备，设计出一个高性能的无线传感网络网关是无线传感网络技术 走向实用的重要一步，这也是本课题的意义所在。 传感器节点、路由节点和网关节点构成无线传感网络的硬件基础。传感节点和 路由节点承载着路由控制、数据存储和数据融合等任务，一个处理能力、存储能力 有限的高端8 位处理器就可以出色完成这些任务。传感节点和路由节点的路由协议 也是研究的热点。网关节点负责连接传感器网络和外部网络( 如以太网) ，实现两种协 议栈之间的转换，把收集到的数据转发到合法的远程网络。网关节点还要具有一定 的无线传感器网络管理配置功能。所以网关节点需要比较高的软硬件配置，以稳定、 高效的完成协议转化和配置任务。 “网关”一词来源于t c p i p 协议，又称网间连接器、协议转换器。网关的作用是： 在通信协议、数据格式或体系结构不同的两种系统之间，将收到数据转发，并按照 目标系统的要求重新打包，达到在异构的系统中交换数据的目的。网关是两个异构 系统之间通信的桥梁，在计算机网络中，网关可分为传输网关和应用网关。无线传 感网络网关要完成协议转换和无线传感网络配置的功能，从本质上和计算机网络中 的网关作用是一致的。 目前传感器网关节点的理论研究不是很多，无线传感网络网关的概念也比较模 糊。文献中无线传感器网关实现的主要方案从通信方式可以分为t 串口型网关、g p r s 型网关和以太网型网关。串口型网关是一个带串口的路由节点，串口型网关不能独 立完成任务，一般串口接p c ，通过p c 机的处理能力实现网络管理的功能。串口型网 关主要用于实验室的理论研究。g p r s 型网关是将无线传感网络的协议和g p r s 协 议互转，将无线传感网络的数据转发到g p r s 网络，将g p r s 网络发来的管理指令 转发到无线传感网络。g p r s 型网关适合有移动通信基础设置的应用。以太网型网 关是将无线传感网络协议和以太网协议互转，将无线传感网络的数据转发到以太网 网络，将以太网网络发来的管理指令转发到无线传感网络。以太网型网关适合基础 通信设施较好的场合。各种网关的性能如表1 1 所示。 绪论 表o 1 网关的性能比较 控制可扩 网关的形式健壮性成本功耗特点 功能展性 串口型网关否弱否低低适合实验，现场监控 g p r s 型网关是最强是最高高要求有无线通信设施 以太网型网关是强是高中要求有以太网通信设施 文献中提到的典型网关有：宁波中科院的g a i n s 汇聚节点，这个节点属于串口 网关；g p r s 网关在无线传感网络应用的比较多：因特尔的应用老龄化的科研项 目”c e n t e rf o ra g i n gs e r v i c e st e c h n o l o g i e s ”采用的网关属于以太网型网关。 g p r s 型网关和以太网型网关需要独立的完成协议转换和网络管理任务，一般采 用嵌入式方案。一个嵌入式方案一般包括一个性能出色的硬件方案和一个合理的软 件方案。嵌入式的硬件有很多类型的处理器可供选择，如a r m ，d s p , f p g a ，m i p s 等。从开发难度、开发工具、开发原型、软件开发难度等方面考虑，a r m 方案有 独特的优势。a r m 是高性能、低功耗的r i s c 处理器，开发工具链完备，适合工业 控制、消费电子和移动式应用等。所有的a r m 产品均采用一个通用的软件体系，不 同公司开发的a r m 芯片使用的开发工具是一致的。典型的a r m 内核包 括：a r m 7 a r m 7 t d m i a r m 9 t d m i a r m l 0 。不同的芯片公司会在a r m 内核的基 础上加入很多扩展功能，比如a d 转换器、液晶控制器、r t c 、串口等，形成了片 上系统，提高了集成度，降低了系统成本。 无线传感网络的研究主要集中在无线传感协议，时间同步，定位技术，数据融合， 数据管理等。网关技术和网络管理技术往往被忽视，鉴于无线传感网络网关在整个 系统中的重要作用，本文重点讨论无线传感网络网关的软硬件模型、网关管理的模 型以及如何软硬件实现。主要的研究工作如下： 建立w s n 网关的模型，比较多种实现方案的优劣； 设计嵌入式无线传感器网关的硬件电路板， 移植相关的驱动程序，剪裁合适的嵌入式操作系统； 编写t c p i p 协议和无线传感网络协议的转换的程序模块； 编写网关的w e b 应用程序，使之远程可以查看和设置网关的参数。 论文的主要内容总结如下： 福建师范大学程明传硕士学位论文 第一章、无线传感网络网关的软硬件架构。主要分析常见的网关类型如：串口 型、g p r s 型、以太网型和多协议型网关的特性，并对比优缺点。在综合比较的基础 上，详细介绍了实现以太网网关的软硬件架构，为后面系统的构建提供理论基础。 第二章：无线传感网络节点的设计。为了搭建一个完整的无线传感网络，设计 了一个符合z i g b e e 协议的节点，详细介绍了节点的软硬件设计，为网关最后的性能 测试提供了基础支撑。 第三章：无线传感网络网关的设计。详细介绍了网关的硬件结构，以及网关的 硬件测试。 第四章：网关管理软件的设计。详细介绍了嵌入式操作系统的移植，z i g b e e 数 据的接收、解析、存储和转发的流程等。 第五章：影响系统性能的因素分析和对策。在测试的基础分析了影响网关性能 的因素，并提出了相应的对策。 第六章：总结和展望。分析了系统的不足，和可以继续再做的工作。 第一章无线传感网络网关的软硬件架构 第一章无线传感网络网关的软硬件架构 第一节无线传感网络简介 无线传感网络【1 1 ( w s n ，w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ) 的研究起源于2 0 世纪7 0 年代的 军事应用，网络一般采用分级处理结构，只能捕捉单一信号。1 9 8 0 年，时任美国国 防部高级研究计划局( d a r p a ) 信息处理办公室主任的r o b e r tk a h n 发起了分布式传 感器网络项目( d i s t r i b u t e ds e n s o rn e t w o r k ) 。其主要设想是：建立一个由空间分布的 低功耗传感器节点构成的网络，这些节点之间相互协调，交互工作，将信息传送到 目标处理节点。该项目后来在多家美国顶级研究机构的努力下，在专用操作系统， 信号处理，目标跟踪，网络仿真等方面有很大突破。9 0 年代以后，无线传感网络的 研究热潮在世界各地掀起。2 0 0 6 年初发布的国家中长期科学与技术发展规划刚要 提出信息技术三个前沿方向，其中两个智能感知技术和自组织网络技术就直接与 w s n 直接相关。 在目标区域随机分布集成有传感器、微处理器和通信单元的微型节点通过一定 的协议构成网络，通过节点内置的传感器探测温度、湿度、气体、震动、光强、压 力和噪声等我们需要的物理参数。通信单元考虑到无损测量、安全性、部署等需求 一般要求无线通信。广泛接受的一个w s n 的定义为：大规模、无线、自组织、多 跳、多分区、无基础设施支持的网络【2 】，其中的节点是同构的、成本较低、体积较 小，大部分节点不能移动，被随意散布在工作区域，要求网络系统尽可能长的工作 时间。现在技术的发展，使传统的信息获取技术从单一化向集成化、微型化、智能 化和网络化发展。给传统的智能家居控制、工业控制、环境监控等应用注入了无限 的活力。 w s n 的关键技术是： 1 、网络拓扑控带u e 3 1 。通过拓扑控制可以生成和优化网络拓扑结构，能够提高路 由协议和m a c 协议的效率。主要难题是：在满足网络覆盖率的前提下，如何生成 一个高效的数据转发的网络拓扑； 2 、网络协议【4 】。网络协议使各个节点形成一个多跳的数据传输网络，目前研究 的重点是网络层协议和数据链路层协议。路由协议不仅关心单个节点的能量消耗， 更关心整个网络能量的均衡消耗，这样才能使整个网络的生存期最大化； 福建师范大学程明传硕士学位论文 3 、网络安全【5 - 7 。传感器网络作为任务型的网络，要完成数据采集、数据传输、 数据融合和协同控制等任务。每一环节都存在安全隐患，w s n 需要实现一些最基本 的安全机制：机密性、点到点的消息认证、完整性鉴别、认证广播和安全管理； 4 、数据融合【8 9 】。节点采集数据时，可利用节点的本地计算和存储能力处理数 据的融合，去除冗余信息，较少数据量，有利于延长网络的生存期。 5 、数据管理。从数据存储的角度来看，传感器网络可以看作一个分布式数据库。 用数据库的思想去管理数据，将数据的逻辑视图与网络的实现分立，可以改善网络 的易用性。 6 、专用操作系统。传感器节点要完成多重任务，模块化程度很多，需要一个专 用的操作系统控制其资源分配、任务协调。目前典型的是美国加州大学伯克利分校 研制的t i n y o s 操作系统。 第二节无线传感网络网关的几种方案论证 无线传感网络网关的实现方案主要可以分为：串口型网关、g p r s 型网关、以太 网型网关和多协议型网关。每种方案都有各自优势和劣势，方案的选取取决于系统 的功能要求和具体的应用场合。本系统在以上几种方案的论证和选择上，综合了系 统的成本高低，性能和稳定性的要求，可利用的现有资源等因素进行考虑。本论文 主要实现以太网型的网关。 串口型网关 串口型网关主要功能是：接收w s n 中收集到的数据，协议解析获得数据，然后 按照特定的总线协议将数据重新组包，发送到目标网络，如图2 - i 所示。总线型网 关比较适合节点规模较小的w s n 应用，w s n 一般采用星形拓扑，总线网络一般采用 r s 4 8 5 或r s 2 3 2 总线。从实现的功能上来看，串口型网关的软硬件要求很低，一个 高档8 位单片机就可以完成相应的任务。这种方案可以采用p i c l 8 系列或a v r l 2 8 系列高档8 位处理器，避免了外扩大容量的存储系统和外接a d 转换器：采用 c c 2 4 1 0 ，c c 2 4 2 0 等z i g b e e 协议芯片作为无线收发单元；采用m a x 2 3 2 作为串口电平 转换芯片。串口型网关的数据汇聚，数据收发，协议分析，数据组包，数据转发等 工作由软件完成。 第一章无线传感网络网关的软硬件架构 j ，。，。一、，_ ，”+ jj 1w s n ) ( 篙萎 j 、，j ? 串口网关、 图i - i 串口型网关 f i g 1 1s e r i a lg a t e w a y 软件结构上采用微内核结构，在核心层实现基本的任务调度、中断处理、功耗 管理、协议控制、射频驱动和串口驱动等模块，应用层a p i 实现数据采集、射频通 信和串口通信等模块。 这种软硬件的特点是：联网能力较弱，物理实现容易，编程模型成熟，可实现 w s n 协议和串口总线协议的互转，软硬件的扩展性差，适合做产品原型或简单工业 监控。 g p r s 型网关 g p r s 网络n 们是在现有的g s m 网络中引入三种新的逻辑网络实体：包控制单元 ( p c u ) 、g p r s 服务支持节点( s g s n ) 和g p r s 网关支持节点( g g s n ) 来实现的，使得用 户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。s g s n 提供g p r s 网络与外部分组数据 网络之间的交互操作，p c u 负责在基站子系统中分组控制、信道控制、编码方案、 质量控制、功率控制等。 g p r s 型网关的主要功能是：汇聚w s n 的数据，数据解包，按照g p r s 协议重新组 包转发到g s m g p r s 网络。w s n 的数据经过g p r s 网络远程传送以后，可以传送到远 程p c 机做数据的深度处理，也可以传送到移动终端，如图2 - 2 所示。g p r s 型的网 关硬件上主要包括：3 2 位微处理器，无线协议芯片，g p r s 模块，实时时钟和电源模 块等。g p r s 型网关要求稳定性、可靠性比较高，硬件上能支持足够复杂的软件设计。 g p r s 一般采用现有模块，处理器通过串口使用相应的通信指令即可收发数据，硬件 上有较多的参考设计方案。 福建师范大学程明传硕士学位论文 ，+ ，一“。、 ? j 、 ? w s n 。) q ( w s nj ， ：，7 g p r s 网关、 。、s g s n 。 、t u 、j u 、 。r - - g s m g p r s 网络 p c 囝 m o b i l e 图卜2g p r s 型网关 f i g 1 2g p r sg a t e w a y g p r s 型网关的软件要求相对复杂，采用一个微型的实时操作系统，可以简化多 任务型程序的开发。在有嵌入式操作系统的情况下，软件的层次比较清晰，可分为： 硬件启动层，操作系统内核层，外设驱动和应用程序层。硬件驱动层和操作系统系 统内层不再介绍，应用程序层主要的几个任务是：无线数据接收；控制命令转发； g p r s 数据转发和协议处理等。 这种方案的特点是：将w s n 的数据转发到g p r s 网络，将w s n 网络和移动通信网 络联系起来。利用g p r s 基础设施，可以远程监控w s n 的数据并能远程管理w s n ，而 且灵活性比较大软件上有很大的开发余地。 以太网型网关 以太网是现今局域网的核心协议之一n u ，在工业、商业或家庭应用中广泛使用。 在以太网中，所有计算机被连接到一条双绞线上，采用c s m a c d 机制获取信道进行 通信。网桥、交换机和路由器是其重要的联网设备。无数的以太网通过防火墙接入 i n t e r n e t ，将全世界的电脑构成一个逻辑上的整体。 以太网型网关的主要功能是：获取w s n 的数据包，按照以太网协议的格式重新 组包，转发到以太网。获取以太网传送的管理指令，解析指令并转发到w s n ，实现 w s n 的管理。为了满足远程管理的需求，以太网需要接入i n t e r n e t ，为了提高以太网 的安全性还需要使用防火墙将内网和外网隔离，如图2 - 3 所示。以太网型网关硬件 上要求3 2 位处理器，充足的存储空间，无线协议芯片，网络模块，电源，时钟等。 以太网型网关软件上要求稳定性、可靠性比较高，要给软件留足够大的开发余地。 第一章无线传感网磐网关的软硬件架构 图卜3 以太阿型厢关 f i g1 3e t h e r n e tg a t e w s y 以太网型网关一般有操作系统的支持。在嵌入式操作系统的支持下，以太网网 关可以提供b s 访问模式。监控中心可以远程通过浏览器访问网关，以管理w s n ，网 关提供的w e bs e r v i c e 也可以将数据传送到监控中心的数据库。w i n c e ，l i n u x 都可 以为嵌入式系统提供轻量级的w e bs e r v i c e 这种方案的特点是：以太同在生产、生活中分布最广，传输数据的费用低廉， 非常适合工业，商业和家庭使用。充分利用以太网和嵌入式操作系统的优势，可以 创建及其精致、实用的以太网型网关。 多协议型网关 多协议型网关“4 顾名思义就是支持两种或两种以上通信协议的网关，可以实现 z i g b e e 协议和两种或两种以上的通信协议相互交互。目前主流的通信协议包括 g s m g p r s 、总线网络和以太网，而这些网络都可能有和无线传感网络交互的需求。 大型的监控中心可能通过以太网和无线传感网络交互用子监控大型公共建筑的安全 状况；手机用户可能通过g s m g p r s 网络可以实时掌握实验室环境参数以及安全状 况；工控用户可能通过总线网络汇聚无线传感网络的信息，用户监控和分析工厂机 器的运行状况等。多协议网关的出现使无线传感万路过网关具有了一定的通用性， 可以灵活地适应不同的应用需求，扩大其应用范围。多协议阿关通过配置可以支持 一种或多种协议，比如通过设置只支持g p r s 网络，或设置为同时支持g p r s 网络和 以太网。 多协议型网关一般内部集成了多种通信协议，可以实现多种协议互转的功能。 以上几种形式的阿关都是将w s n 的数据发送到单一的异构网络，多协议网关则可以 将w s n 的数据发送到多种异构网络，结构如图2 4 所示。 福建师范大学程明传硕士学位论文 ( 、，毓g 器s m g p r s ，蕊愈 、多协议网关、，。、池 第一章无线传感网络网关的软硬件架构 所有操作系统都需要实现多种任务，所以有必要使用嵌入式操作系统，但是 以太网型网关和多协议网关对操作系统的依赖性更强，甚至没有操作系统的 支持，软件设计任务几乎短时间无法完成。 系统的总体成本，包括硬件开发成本和软件开发成本，硬件成本最高的是 g p r s 型网关和多协议型网关。软件开发成本最高的是以太网型和多协议型 网关。 表卜l 网关的综合比较表 t a b l e1 1c o m p o s i t i v ec o m p a r eo fg a t e w a y 协议复杂度功能嵌入式操作系统成本 串口型 r s 2 3 2中 弱必要 低 以太网型t c p i p高中 非常必要 低 g p r s 型 g p r s 中中必要中 g s m g p r s t c p i p 多协议型高高 非常必要 高 总线网络等 第三节无线传感网络网关的硬件模型 网关是一个协议转换的工具【1 3 】【1 4 1 ，主要负责接收一个网络中的数据，分析之后 按照目标网络的协议格式转发出去。所以通信单元是网关设计的一个核心。无线传 感网络网关的硬件主要包括以下几个模块：处理器模块、射频单元、远程通信模块、 存储模块、电源模块和调试模块等。网关硬件的总体方框图如图2 5 所示。 ：翌竺兰苎净号- - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一， j f l a 三s h 净 u 吲 - - - _ _ ， 位 玉r t e c 净 理葛 处 - _ - _ - _ - - _ - - _ - _ _ - _ ， 器 画磊片 电源模块l 爿 图1 5 网关的硬件模型 f i g 1 5h 锄c w 锄em o d e lo fg a t e w a y 无线传感网络网关对各个模块的主要要求如下： 处理器单元：主要选择功能较强的3 2 位嵌入式微处理器，a r m 、m i p s 和 d s p 都可以使用。其中m i p s 比较适合网络设备使用，但是开发难度太高不 福建师范大学程明传硕士学位论文 宜一般开发者使用，a r m 和d s p 是不错的选择； 射频单元：此模块主要负责和无线传感节点通信，汇集无线节点采集的物 理信息，将汇聚的物理信息通过一定的通信接口传给处理器处理，射频芯 片要求支持z i g b e e 协议； 远程通信模块：这个模块具体设计是应用场合决定的，通信模块主要是 g p r s 、以太网、总线网络等。由于现在以太网与科研、生产和生活的关系 日益紧密，本课题主要研究以太网方式的远程通信，值得一提的是以太网 的底层实现是相当复杂，有必要使用带t c p i p 协议栈的嵌入式操作系统的 支持： 存储模块：网关功能上虽然是数据中转站，通常使用在以太网中的交换机 和路由器一般都不存储数据，但是无线传感网络网关的数据存储能力还是 非常必要的，特别是网络出现故障时，暂时存储数据还是相关重要的； 电源模块：电源是任务嵌入式系统中必不可少的模块，稳定的电源模块是 系统稳定运行的基石。对于3 2 位处理器而言一般需要提供5 v 和3 3 v 电压， 其中电源状态指示灯和电源保护也非常重要； 调试模块：这个是开发阶段需要的模块，下载程序、调试程序都需要调试 模块，现在很多处理器上集成了i c d ( i nc i r c u i td e b u g ) 功能，搭建少量的电 路就可以实现在线调试功能，而不需要购买专业的仿真器，以降低了系统 开发成本，但是简易调试器功能不够丰富。 第四节无线传感网络网关的软件模型 一个成熟的无线传感网络网关软件包括以下组件：系统驱动层、操作系统层和 应用程序层。系统驱动层除了一般的驱动外，一定要有和传输介质相关的网络驱动， 使用以太网传输要有以太网驱动，使用g p r s 传输要有g p r s 驱动。操作系统除了 一般的需求外，要确保操作系统的网络功能和数据存储功能，无线传感网络的数据 量是比较大的，所以对数据的临时存储或长期存储的要求比较高，最好操作系统有 嵌入式数据库的支持，以简化数据的存储和相关操作。操作系统的网络通信的可靠 性和稳定性，也是决定一个网关性能的一个重要因素。在应用层最重要的z i g b e e 协 议和t c p i p 协议之间的数据交换以及数据的存储等。协议转换和嵌入式数据库也是 本课题的一个重点。所以一个通用的无线传感网络网关模型如图所示。具体实现上 第一章无线传感两络网关的较硬件架构 主要是由于嵌入式操作系统的不同而有一定差别 图i - 6 厨关的软件模型 f i g1 6f h a m m o d e l o f g a t e w a y 网关管理软件的方案 网关软件的核心是实现z i g b e e 协议和t c p i p 协议相互交换数据。同时需要满 足功能稳定、方面易用的需求。有多种实现方案可以选择，第一种：采用w i n d o w s c e 操作系统叫 1 0 和s o c k e t 通信模式；第二种：l i n u x 操作系统【1 【目和w e bs e r v e r 模式；当然其他的嵌入式操作系统也是可以实现的。这里主要比较一下这两种方案 w i n d o w s c e 是微软在嵌入式领域极重要的一个产品，是微软针对个人计算机以 外的产品所开发的操作系统家族统称。c e 现在主要应用在p d a 、智能手机、住宅 门禁、p o s 设备、机顶盒、v o l p 、收银机和工控终端上等。其中用在p d a 或智能 型手机上的称为w i n d o w sm o b i l e ；至于其他用途，如机顶盒、v o i p 、排队机等则维 持w i n d o w s c e 的名称，其实产品的核心是相同的。目前最新版本的w i n d o w s c e6 0 是一个开源的版本。w i n d o w sc e 操作系统有很多优点： 实时的嵌入式操作系统； 开放的通信平台 轻量级目录访问协议( l i g h t w e i g h t d i r e c t o r y a c c e s sp r o t o c o l ，l d a p ) ； 远程访问服务( r e m o t e a c c e s ss e r v i c e ，r a s ) ； 网络驱动程序接口规范( n e t w o r k d r i v e r i m e r f a c es p e c i f i c a t i o n ，n d i s ) t c p i p ：使设备作为局域网或远程网络上的节点和服务器。 w i n s o c k 2 0 ：发现和使用底层传输协议的通信能力。 福建师范大学程明传硕士学位论文 网络桥接：( n e t w o r kb r i d g i n g ) 将帧从一个以太网段转发到另一个网段 通用即插即用( u n i v e r s a lp l u ga n dp l a y ，u p p ) 实时协作和通信。 远程桌面协议( r e m o t ed e s k t o pp r o t o c o l ，r d p ) 系统的高可靠性和小内存体积占用； 支持x m l 和s o a p 等最新标准； 支持n e tc o m p a c tf r a m e w o r k ； 强大而方便的系统定制软件p l a t f o r mb u i l d e r ； 嵌入式数据库( s q ls e r v e rc e ) 和嵌入式浏览器的支持； 支持多种语言开发应用程序c + + v b c # ，集成开发环境完善； 采用w i n d o w sc e 操作系统和s o c k e t 通信模式完成网关的设计，主要需要实现 一下功能模块：串口接收模块、协议处理模块、数据存储模块( 嵌入式数据库) 、t c p 数据转发模块、t c p 查询处理模块。数据处理过程是：串口接收终端节点的数据， 解析z i g b e e 协议，将实时数据存储到s q ls e r v e rc e 数据库中，实时数据的显示功 能，通过t c p 远程发送实时数据给远程监控服务器，等待监控服务器的查询和设置 指令，并接到时解释执行。 a p s ( 内核 ( g w e s d 1 1 网络 厂= = j 厂1 函i n协议栈 n w k 【苎竺至竺j ( i 薹簋：)飞【置艮l 髓|_ 兰望三望旦- m a c 。b。o。o。t。l。o。a。d。er)。d。e。v。i。e。e。d。l。l) 疋 p h y a p p l i c a t i o n a p s n w k m a c p h y m e g a l 2 8 平台 图1 - 7w m d o w sc e 实现网关管理软件的模型 f i g 1 - 7w i n d o w sc e r e a l i z e dm o d e lo f g a t e w a ym a n a g e m e n t l i n u x 操作系统是在u n i x 操作系统基础上发展起来的，源代码公开，网络功能 强大，开源社区的广泛支持，支持大多数嵌入式处理器。目前l i n u x 主要用在服务 器上，在桌面操作系统和嵌入式操作系统方面，也越来越发挥着重要的作用。l i n u x 操作系统的主要优势是： 第一章无线传感网络网关的软硬件架构 超强的网络功能和极好的稳定性； 良好的可扩展性与可维护性： 具有系统资源的低占用率和在高性能运算的优势； 很低的移植成本和软件