無線傳感囂網(wǎng)絡(luò)的嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)、感知采集節(jié)點(diǎn)部署區(qū)內(nèi)感興趣的感知對(duì)象的各種信息(如光強(qiáng)、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對(duì)這些信息進(jìn)行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡(luò)最終發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展和日趨成熟，具有感知、計(jì)算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點(diǎn)不斷涌現(xiàn)，由這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)備受關(guān)注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用而成為當(dāng)今的熱點(diǎn)研究方向之一，被認(rèn)為是對(duì)21世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響的高新技術(shù)。
本文針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)選擇了器件，充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務(wù))技術(shù)、嵌入式技術(shù)、短距離無線通信技術(shù)融為一體，成功完成了本次嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(diǎn)(sensornode)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、融合等處理后，通過有線或者無線的方式將數(shù)據(jù)送入終端用戶。用戶通過監(jiān)控中心對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測(cè)命令以及收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)特點(diǎn)及其功能
作為感知區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)與外部網(wǎng)絡(luò)或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要處理大量的數(shù)據(jù)，必須具備高速度、大存儲(chǔ)量和較遠(yuǎn)的傳輸距離，即低成本、高效能。同時(shí)因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實(shí)，充足的能量供應(yīng)必須優(yōu)先考慮，低功耗設(shè)計(jì)也成為整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在完成不同網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時(shí)，還要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和設(shè)置，需具備以下功能：掃描并選定物理信道，分配無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)地址，初始化網(wǎng)絡(luò)設(shè)置；記錄WSN網(wǎng)絡(luò)所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點(diǎn)完成與鄰居節(jié)點(diǎn)連接的建立和路由的形成；發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實(shí)現(xiàn)特定的操作功能；接收采集節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請(qǐng)求和路由選擇功能。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
依照設(shè)計(jì)原則，在很好地實(shí)現(xiàn)上述網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能的同時(shí)，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導(dǎo)致的移動(dòng)范圍受限、遠(yuǎn)程監(jiān)控困難、不能準(zhǔn)確提供基準(zhǔn)定位信息等一系列缺點(diǎn)，參考當(dāng)今前沿的短距離無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)，給出集中央處理單元、存儲(chǔ)單元、射頻收發(fā)模塊、GPRS無線通信模塊、電源模塊五位于一體的硬件設(shè)計(jì)方案。其總體結(jié)構(gòu)及相互接口如圖2所示。

3．1 中央處理單元
網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節(jié)點(diǎn)送來的數(shù)據(jù)，合理分配不同節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且完成終端用戶對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的控制命令(包括休眠時(shí)間、采集間隔、傳感器開關(guān))；同時(shí)支持休眠、任務(wù)喚醒模式，滿足整個(gè)系統(tǒng)低功耗要求。