基于NIOS軟核的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺硬/軟件實現(xiàn)

　　1 引言

　　傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 隨機分布的集成有傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊的微小節(jié)點通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò), 借助于節(jié)點中內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)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(zhì)現(xiàn)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(shù)最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)使用, 一般稱作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs) 。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器節(jié)點都可以進行周圍環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、簡單計算以及與其它節(jié)點及外界進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的多節(jié)點特性使得眾多的傳感器可以通過協(xié)同工作進行高質(zhì)量的傳感, 以及組成一個容錯性好的的采集系統(tǒng)。正是由于這些優(yōu)點, 近年來出現(xiàn)了許多基于分布式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用, 如搶險救災(zāi)、智能家居以及生物化學(xué)武器攻擊的探測和救援。

　　然而, 作為一種新興出現(xiàn)的技術(shù), 建立一個運轉(zhuǎn)良好、魯棒(Robust) 性好的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是面臨著許多挑戰(zhàn)。而且由于它的一些獨特特性, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法與現(xiàn)有無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法有很大不同。例如, 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點分布密集, 所以需要大范圍的數(shù)據(jù)管理和處理技術(shù)。其次, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點一般部署在人類難以到達和接觸的區(qū)域, 這就使傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的維護面臨著很大的挑戰(zhàn)。除此之外,電源消耗也是一個很重要的問題, 無線傳感器節(jié)點作為微小器件, 只能配備有限的電源, 在有些應(yīng)用場合下, 更換電源是近乎不可能的。這使得傳感器節(jié)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(tǒng)的壽命是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要首要考慮的問題。許多無線傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的研究人員都在注重研究新的節(jié)約功耗的協(xié)議和算法, 這些協(xié)議和算法需要傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺進行實驗和驗證。以下小節(jié)我們就將介紹一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實驗平臺, 在這個平臺上可以對協(xié)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(shè)計者。它可以與各種各樣的外設(shè)、定制指令和硬件加速單元相結(jié)合, 構(gòu)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(shù)據(jù)超高速緩存。NIOS 處理器還具有一種基于JTAG 的OCI(片上儀器) 內(nèi)核, 使軟件開發(fā)人員在實時調(diào)試方面具有更明顯的優(yōu)勢。該處理器的軟件支持可擴展到對APR、IP、ICMP、TCP、UDP 和以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持。

　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺架構(gòu)

　　典型的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示, 無線傳感器節(jié)點經(jīng)多跳轉(zhuǎn)發(fā), 通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò), 在網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)管理節(jié)點對傳感信息進行管理、分類、處理, 再把傳感信息送給應(yīng)用用戶使用。傳感器節(jié)點首先采集諸如聲、光和距離等環(huán)境相關(guān)的數(shù)據(jù), 并對這些數(shù)據(jù)進行簡單處理后傳送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常具有兩種應(yīng)用模式: 主動輪詢模式、被動模式。主動模式要求網(wǎng)關(guān)節(jié)點對各個傳感器節(jié)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(jié)點事件發(fā)生時, 網(wǎng)關(guān)節(jié)點能予以及時的響應(yīng)。各個傳感器節(jié)點得到的數(shù)據(jù)還能進行組合, 這也很大地提高了傳感器網(wǎng)絡(luò)的效率。當(dāng)然這也要求傳感器節(jié)點要具有一定的計算能力。

　　3 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

　　在本文介紹的系統(tǒng)架構(gòu)中, 主要需要實現(xiàn)的是傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的硬件平臺, 下面介紹這兩個平臺的硬件實現(xiàn)。

　　3.1 傳感器節(jié)點的硬件實現(xiàn)

　　器節(jié)點的功能是采集人們感興趣的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送給各個傳感器節(jié)點組的網(wǎng)關(guān)。傳感器節(jié)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(jù)以上所述的節(jié)點結(jié)構(gòu), 我們在系統(tǒng)中采用了Altera公司生產(chǎn)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(nèi)核。使其與NIOS 軟核嵌入式處理器完美結(jié)合, 能夠?qū)⑻幚砥?、存儲器、A/D 和D/A 轉(zhuǎn)換器等系統(tǒng)設(shè)計需要的功能模塊集成在一起, 構(gòu)建成一個可編程的片上系統(tǒng), 實現(xiàn)傳感器節(jié)點模塊的高度集成化。

　　(2)傳感器節(jié)點的通信模塊的功能是由TRF6901 射頻收發(fā)器來實現(xiàn)。該收發(fā)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 該收發(fā)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(fā)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(diào)制方式;
c.集成有頻率合成器和壓控振蕩器;
d.內(nèi)含鎖相環(huán)和參考振蕩器;
e.具有9dBm 的典型輸出功率;
f.內(nèi)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(zhǔn)振蕩器頻率可編程微調(diào);
j.集成度高, 外圍元件少。

　　(3)每個傳感器節(jié)點采用AA 電池供電。

　　3.2 網(wǎng)關(guān)的硬件實現(xiàn)

　　網(wǎng)關(guān)的硬件部分主要由中央處理單元、存儲單元、頻收發(fā)模塊和GPRS 通信模塊組成, 如圖3 所示。網(wǎng)關(guān)的中央處理單元主要用來處理從傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)以及完成一些控制功能。中央處理單元的功能實現(xiàn)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(jié)合完成的。這樣的設(shè)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(yīng)用。此外, 它可以集成許多外設(shè)接口, 包括USB2.0 接口和以太網(wǎng)接口等。

　　為了將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上, 網(wǎng)關(guān)設(shè)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(chǎn)品設(shè)計。它通過中國移動現(xiàn)成的GPRS 網(wǎng)絡(luò)將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)同時還配有與傳感器節(jié)點相同的RF 收發(fā)模塊, 用于接受傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。

　　4 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　在我們的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中, 軟件部分主要是在網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點上, 主要利用匯編和C 語言進行開發(fā)。網(wǎng)關(guān)端的軟件主要完成的功能是處理和管理傳感器節(jié)點傳輸過來的數(shù)據(jù), 它主要由GPRS 通信軟件、RF 通信軟件、命令行軟件以及任務(wù)管理軟件組成, 如圖4 所示。傳感器節(jié)點端的軟件主要完成的功能是接受傳感單元的數(shù)據(jù), 并將數(shù)據(jù)發(fā)送到傳感器節(jié)點組的網(wǎng)關(guān)上,它除了沒有GPRS 通信軟件之外, 其它與網(wǎng)關(guān)端軟件組成相同。

　　5 小結(jié)

　　在文章中介紹了一個基于NIOS 軟核的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)演示系統(tǒng), 整個系統(tǒng)建立在嵌入式NIOS 軟核心處理器的基礎(chǔ)上, 盡量使用SOPC Builder 中已有的標(biāo)準(zhǔn)配置IP 核, 具有硬件集成度高、設(shè)計周期短, 可以通過合理控制各部件實現(xiàn)低功耗要求, 軟件易于開發(fā)等優(yōu)點。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興的通信應(yīng)用網(wǎng)絡(luò), 其應(yīng)用可以涉及到人類生活和社會活動的所有領(lǐng)域。因此, 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是未來的一個無孔不入的十分龐大的網(wǎng)絡(luò), 需要各種技術(shù)支撐。目前, 該實驗平臺已在實驗室開始運用。今后, 發(fā)展迅速的SOPC技術(shù)和成熟的通信技術(shù)都可能經(jīng)過適當(dāng)?shù)母倪M和進一步發(fā)展, 應(yīng)用到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中, 形成新的市場增長點, 創(chuàng)造無線通信的新天地。