具有多种通信方式的无线传感器网络网关.doc

具有多种通信方式的无线传感器网络网关 第21卷?第1期xx年1月传感技术学报CHINESE JOURNALOF SENSORSAND ACTUATORSVol.21?No.1JAN.xxWirelessSensorNetworksGatewaywithMulti?Communication Methods*CAI Hao1,FENGRen?jian2,WAN Jiang?wen2*1.School ofAutomation,Beijing UniversityofPostsandTelemunications,Beijing100876,China;2.School ofInstrument Science&Op to?ElectronicsEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,ChinaAbstract:For theWireless SensorNetworks(WSNs),gateway equipmentconnecting withother worksisneeded torealize thelong distancetransmission ofthe informationfrom thesink nodes.T hegatewaywith onlysingle municationmethod isdifficult toaommodate thepractical applications.T herefore,aWSNs gatewayby whichdata canbe transmittedwith Ether,PSTN andGPRS municationmethodsis designedand implemented.T heS3C44B0X MCUof ARM7series and?Clinux embeddedoperating sys?tem areused toconstruct thegateway.Meanwhile,multithreading technologyis utilizedto managetheparallel munication.Keywords:wireless sensorworks;gateway;multithreading;munication methodEEACC: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.?京邮电大学自动化学院,?京100876;2.?京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,?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(xxAA01Z222):xx?07?28?修改日期:xx?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?连接以实现远距离传输,单一通信方式的网关常常?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GPRS网络等多种方式进?数据转发的无线传感器网络网关。 网关基于ARM7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?执?。 关键词:无线传感器网络;网关;多线程;通信方式:TP39?:A?:1004?1699 (xx)01?0169?05?无线传感器网络(Wireless SensorNetworks,WSNs)由部署在监测区域内大?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?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?1。 及时获取感知区域内的信息并进?处?、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(?口或USB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?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?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?所获取的信息并进?转发工作。 目前,国内外已有关于WSNs信息进?远距离170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MODEM将数据转发到9公?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GPRS5、CD?MA6等WSNs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?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?仅能够实现外部网络的接入,完成WSNs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?的基础上,设计完成一种具有汇聚节点功能的WSNs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?数据通信的桥?。 运用嵌入式操作系统?Clinux的多线程机制控制各通信软件并?执?,提高了系统运?效率。 网关设计灵活可靠并具有可扩展性,为实现?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?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?转换,二是利用外部网络进?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?简单的处?后发送至汇聚节点;网关利用?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?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ARM7系列的S3C44B0X芯片为中央处?器,外围电?主要包括存储器系统、?通信接口、以太网接口、时钟系统和其他电?系统。 其中,在设计?通信接口电?时,除了使用CPU自带2通道UART(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?口,分别连接汇聚节点和GPRS模块。 在有线通信方式中,?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?口为其他?设备的接入提供了?利条件。 网关在软件上采用?Clinux操作系统控制和管?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?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?大的优势。 根据网关的硬件电?设计进?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?板,下方为汇聚节点(左)和GPRS模块电?(右),分别利用51针连接器和两排8针连接器与主电?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?通信信号(RXD和TXD)。 这种设计思?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?板,任何支持?通信的设备都可以使用引出的标准信号,例如CDMA、3G等传?感?技?术?学?报xx年第无线通信模块。 只需设计模块的外围电?板,正确连接这些标准信号即可。 2?网关多通信方式设计与实现无线传感器网络与外部网络进?数据通信的过程中,网关处于承上启下的地位,是数据传输的中枢节点。 因此,网关通信软件的设计至关重要,也是本论文的一大技术难点。 将通信软件列为两个分别开发的模块,即:*网关与汇聚节点通信模块*网关与外部网络通信模块2.1?网关与汇聚节点间的通信网关与汇聚节点间的通信主要是读取汇聚节点数据的过程,一般采取?通信方式。 由于?Clinux实现了?口驱动程序,因此可以通过打开、读写对应的设备文件来完成对?口的操作。 ?口等设备在Linux系统中通常对应于/dev/ttyS 0、ttyS 1、ttyS2?编程时调用相应的open()、read()、write()等函数。 关于?口的属性参数设置可参考POSIX操作系统的?编程指南。 在前文中提到利用异步通信芯片ST16C554获得两个新的?口设备对应/dev/ttyS2和ttyS3,其中网关与汇聚节点连接使用/dev/ttyS3。 在设计网关与汇聚节点之间的?口通信程序时,首先需要了解数据包的格式,长度,以及每个字节所代表的意义。 其次,打开?口/dev/ttyS3并设置属性:波特率为57600,8个数据位,1个停止位,无校验。 最后,调用read()函数进?数据的读取与存储。 数据包读取完成后,调用相应的转换函数将这些原始数据解析为用户可知的信息,例如温度、光强、电池电压值等存储在发送缓冲区内。 2.2?网关与外部网络通信网关与外部网络的通信主要是指将WSNs的数据完成转换后进?转发的过程,可以灵活选择以太网、MODEM以及GPRS通信方式。 本文针对每种方式开发了独立的通信软件。 2.2.1?以太网通信方式设计利用socket机制设计以太网通信软件,考虑到对数据传输的可靠性要求较高,采用面向连接的TCP客户机-服务器模型。 在服务器端:网关调用socket()函数,建立一个socket(套接字),指定T CP及相关协议;之后将本地创建的socket地址(包括主机地址和端口号)与所创建的套接字绑定;在该端口号上进?监听,调用aept()函数接受远程PC发来的连接请求;通过read()函数读取该请求并调用write()函数转发封装好的信息。 在客户机端:远程PC调用一个socket()函数,建立一个socket(套接字),指定T CP及相关协议;调用connect()函数将本地端口号和地址信息传送至网关,请求建立连接;之后通过write()函数进?服务请求的发送,通过read()函数进?响应的接收,读取网关发送的信息。 2.2.2?MODEM通信方式设计MODEM通信方式主要是利用公共电话网(PSTN)作为数据传输载体,与socket通信逻辑过程大体相似,只是MODEM通信方式的请求过程有所差别。 WSNs网关与远程终端通过PSTN进?通信的流程设计如图4所示(以网关作为被叫方为例,主叫方程序流程与此类似,只是监听改为拨号):图4?MODEM监听流程考虑到WSNs网关是?间断运转的,每次通信结束(或线?中断)后,要求MODEM具有自主复位功能,因此在软件设计过程中,MODEM挂机操作(AT H0)之后,由程序发送ATZ命令,人为控制MODEM复位,恢复到初始加电状态待命。 打开用于MODEM通信的?口(/dev/ttyS1),进?波特率、数据位、校验方式等属性设置,接着在网关上监听?口是否有MODEM的CONNECT响应,如果没有,则继续监听;如果监听到CONNECT响应,说明远程PC有MODEM连接请求,并且已经建立连接,可以发送数据。 每发送一次数据,则检查是否有MODEM响应返回,?有响应返回,判断是否为NO CARRIER!信号,如果是,说明MO?DEM通信断线或者是远程PC挂机,则停止发送数据,继续监听。 2.2.3?GPRS通信方式设计在网关的GPRS通信方式设计中,利用SIM?1711期蔡?皓,冯仁剑等:具有多种通信方式的无线传感器网络网关172公司生产的SIM100模块实现移动通信网络的接入。 SIM100是一款GSM/GPRS双频模块,主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口,它集成了完整的射频电?和GSM的基带处?器,适合于开发一些GSM/GPRS的无线应用产品,应用范围十分广泛。 SIM100模块提供标准的RS232?接口,可以通过?口使用AT指令完成对模块的操作。 由于在实际应用中,网关并?需要语音、传真等功能,故在设计电?时将其略去,节省成本与硬件空间。 网关使用?口dev/ttyS2与SIM100模块通信,同样利用如前所述的?Clinux?口编程来设计短消息发送和数据传输程序。 程序设计流程如图 5、6所示:图5?短消息功能流程?图6?数据传输功能流程3?应用软件设计在进?网关应用软件总体设计时,为了提高系统的运?效率,利用?Clinux对多线程机制的支持,将网关的应用软件划分为5个并?的线程实现。 分别为:网关-汇聚节点通信线程、以太网通信线程、MODEM通信线程、GPRS通信线程、短消息发送线程。 应用软件在Linux下使用C语言开发,总体设计框架如图7所示:图7?应用软件设计框架?网关与汇聚节点通信线程是应用软件设计的基础和关键,也是整个系统的数据源,故将其设计为主线程,在初始化之后第一个调用,其他线程的开发都有赖于本线程的实现。 以太网通信线程、MODEM通信线程、GPRS通信线程以及短消息发送线程的设计主要是添加对应的通信软件。 在Linux下进?多线程编程时充分利用了互斥机制,为了避免?同的线程同时对数据进?操作,提供了互斥锁来保证一段时间内只有一个线程在执?某段代码,避免程序运?出现异常。 在应用软件的开发过程中,考虑到汇聚节点数据的读取、存储以及利用多通信方式转发的过程中必然涉及到多任务的互斥和同步,利用多线程机制来处?此类情况简单?,?仅改善了程序的结构,还提高了系统运?的效率。 4?结语本文在现有WSNs网关的通信方式上进?扩充,将有线与无线方式相结合,设计了一种具有汇聚节点功能的多通信方式WSNs网关。 在实际应用中,成功实现了无线传感器网络与外部网络的互联,数据传输稳定可靠。 网关具有体积小、成本低、运?效率高等优点,同时,还为其他通信方式的扩展预留了接口,体现了设计的灵活性。 例如,网关还可以接入CDMA模块利用CDMA网络进?无线数据传输。 随着3G时代的到来以及工业级3G模块产品的推出,实现WSNs与3G网络的互联也指日可待。 参考文献:1?李建中,李金宝,石胜飞.传感器网络及其数据管?的概念、问题与进展J.软件学报,xx,14 (10):1717?1727.2?霍宏伟,牛延超,郜帅等.一种IPv6无