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基于Linux內核的無線多頻段WSN網關設計
來源:互聯網
摘要: 本文介紹一種無線多頻段WSN網關,可通過以太網或者移動通信網絡,監控多個頻段的無線傳感器子網節點的運行情況。隨著物聯網時代,TD—SCDMA將促進物聯網有效發揮無縫通信的巨大威力,該方案充分利用了互聯網和無線通信公用網絡資源,將無線傳感網技術、嵌入式技術、TD—SCDMA通信有機地結合起來,成功設計了WSN/TD網關,實現了無線傳感網與TD—SCDMA網絡的融合,在實際應用當中取得了良好的效果。
Abstract:
Key words :

 

  目前,物聯網(Internet of Things,IOT)正呈現飛速發展的態勢。本文介紹一種無線多頻段WSN網關,可通過以太網或者移動通信網絡,監控多個頻段的無線傳感器子網節點的運行情況。

  1 系統總體結構

  本文設計的系統在感知層采用4個頻段的無線傳感器網絡節點。各頻段子網通過一個多頻段網關裝置接入到網絡層。用戶可以通過監控終端監控現場數據,監控終端既可以是固定的PC機,也可以是移動的3G設備。同時,網關還具備良好的擴展性,網關可以同時接入多個頻段的WSN網絡。多頻段WSN網關系統結構框圖如圖1所示。

 圖1 多頻段WSN網關系統結構框圖 
圖1 多頻段WSN網關系統結構框圖

  2 網關硬件系統設計

  網關的主控制單元采用ARM9芯片S3C2440A,主頻400 MHz,外擴64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash。微處理器的外設數據控制器(PDC)向串行外設提供DMA通道,使其與片內以及片外存儲器讀寫傳輸數據時不經過處理器。

  網關3G網絡接入端采用USB接口,實現與3G網絡的通信;無線傳感器網絡子網接入端分別是2.4 GHz子網接入模塊、780 MHz子網接入模塊、470 MHz子網接入模塊和433 MHz子網接入模塊,各子網模塊都是通過串口實現與網關主控制單元的通信。以太網控制部分整個網關的結構框圖如圖2所示。

  圖2 以太網控制部分整個網關的結構框圖
圖2 以太網控制部分整個網關的結構框圖

  2.1 多頻段無線傳感網子網接入部分

  由于S3C2440A芯片自身只有3通道的串口。而4個頻段的子網接入模塊都是采用串行通信接口,ARM9芯片本身不能滿足本系統需求,所以需要利用外圍擴展芯片,設計串口擴展電路來滿足系統的需求。本設計采用TI公司的TL16C554A芯片,通過并行數據線和地址線擴展出來4路全功能串口。

  TL16C554A芯片是8位數據寬度,TL16C554A的D0~D7引腳與ARM9芯片直接相連,讀寫信號是直接連接的。TL16C554A的引腳INA、INTB、INTC、INTD分別接在主控制芯片的引腳INT0、INT2、INT3、INT4,這樣擴展的各通道串口就能通過中斷獨立地工作。

  將S3C2440A的地址線A0~A3與TL16C554A的A0~A3直接相連,S3C2440A的nGCS2作為譯碼器74LS139的片選信號。74LS139的輸入端分別接地址線A4~A5。根據譯碼器譯碼,實現地址分配,再通過ARM芯片地址映射。外擴的4通道串口的物理地址為

  通道A——0x10000000~0x10000008

  通道B——0x10000010~0x10000018

  通道C——0x10000020~0x100000028

  通道D——0x10000030~0x10000038。

  主控制芯片通過訪問這些地址就能訪問外部寄存器,即TL16C554A芯片片內寄存器地址。多頻段子網接入部分接口電路如圖3所示。

  
圖3 多頻段子網接入部分接口電路


  2.2 3G網絡接入接口部分

  3G網絡接入部分采用USB接口的華為ET128無線網卡。接入接口使用USB—HUB芯片AU9254A21,它是一款單芯片USB集線器控制器。AU92 54A21采用12MHz無源晶振,為芯片工作提供獨立的時鐘。3G網絡接入部分接口電路如圖4所示。

圖4 3G網絡接入部分接口電路  
圖4 3G網絡接入部分接口電路

  2.3 以太網接入部分

  網關通過以太網口發送數據包的原理是:處理器先將待發送的數據存入到內部存儲器,提供發送緩沖區的首地址和數據長度,然后執行發送命令,由DM9000A將數據按TCP/IP協議格式發送到物理鏈路上。

  因以太網信號電平與以太網控制器信號電平不同,所以在硬件電路實現上需要在控制器與RJ-45接口間增加一個網絡變壓器,網絡變壓器采用TRC9016。電信號通過網絡變壓器轉換,然后經RJ-45接口接入以太網,從而完成數據發送過程。DM9000A主要完成數據包和數字電信號之間的相互轉換。

  3 網關軟件系統設計

  網關的軟件環境采用的是嵌入式Linux系統。移植好的Linux2.6.24源碼已經包含了以太網控制器DM9000A、USB接口芯片等芯片的驅動。因此,軟件部分只需要設計串口擴展芯片TL1 6C554A的驅動程序以及Linux環境下的應用程序即可。

  3.1 串口擴展芯片TL16C554A驅動的實現

  Linux2.6.24內核提供了統一的設備驅動模型。多串口設備驅動的注冊,流程如圖5所示。

  多串口設備驅動的注冊,流程如圖

  3.2 Linux下PPP的管理和配置

  根據網關硬件接口的情況修改、移植通用驅動代碼后,通過相關的配置,定制和編譯網關所需的內核映像文件。內核編譯采用的交叉編譯器版本為arm- linux-gcc3.4.1,使用makemenuconfig ARCH=arm命令進入內核配置圖形化界面,選擇和PPP(Point-to-Point,點對點協議)有關的選項,添加系統對PPP功能的支持。界面如圖6所示。配置完成以后,保存設置,退出內核配置圖形化界面。使用命令:makeuImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-.編譯完成以后,會在源碼包的arch/arm/boot路徑下生成內核映像文件uImage,如圖7 所示。

   Linux下PPP的管理和配置


  3.3 嵌入式Linux網絡編程

  本設計中通過TD—SCDMA網絡接入Internet。WSN子網的某一節點在上電后,網關分配給其一個1 6位的短地址,使其在子網中標識自己,然后周期性地發送其采集到的數據。網關收到傳感器節點傳送過來的數據之后,進行IEEE 802.15.4協議與以太網協議的轉換,為了向網絡設備提供透明的接口和區分串口數據的來源,需要制定統一的數據幀格式,所以協議轉換后加上slip的幀頭,通過串口設備發送給ARM。

  ARM在解析了slip幀頭之后交給上層以及MAC層,解析以太網頭,然后上交給適配層,適配層將對完整的IPv6數據進行壓縮或者分片。數據在 IPv6層根據鄰居發現,找到要發送的網絡,并且進行路由轉發,經過在MAC層加上相應的MAC頭后,經TD模塊發送到TD—SCDMA通信網。這樣,從子網到TD網絡的數據轉發結束。

  3.3.1 PPP協議簡介

  PPP是一種提供兩個實體之間數據包傳輸的鏈路連接設計的鏈路層協議。這種鏈路具有全雙工操作、實現流量和差錯控制等功能,并按照順序傳遞數據包。可以通過撥號或者專線方式,讓客戶端和服務端建立起一種點對點的連接,傳遞數據。

  3.3.2 建立撥號連接

  在Linux系統中,通過PPP可以將主機與一個PPP服務器連接并進入該服務器所連接的網絡資源,就好像直接連上那個網絡一樣。建立一個PPP連接上網主要有以下步驟:第一步是調用會話程序。然后會話程序通過發送AT指令給3G模塊,完成撥號、身份驗證、配置等工作。最后,客戶端的pppd程序與服務器端的pppd程序進行握手,建立好連接,相互傳遞數據。多頻段網關建立網絡連接流程圖如圖8所示。

  多頻段網關建立網絡連接流程圖如圖8所示

  3.4 應用程序的設計

  由于數據來源于4個頻段子網匯聚節點的串口,因此網關的應用程序采集多頻段子網匯聚節點數據部分設計上采用Linux系統中的多設備讀取機制select(I/O多工機制)來實現對多個串口的監聽。多串口采集數據的流程如圖9所示。

圖9 多串口采集數據的流程圖  
圖9 多串口采集數據的流程圖

  4 實例測試

  圖10為PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統信息截圖,撥號目標上位機地址是222.182.101.220,從圖中可以看出,PPP撥號成功,并且獲得了TD網絡分配的IPv4地址10.81.185.15,遠程服務器IP為192.200.1.21。

  圖10 PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統信息截圖
圖10 PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統信息截圖

  結語

  隨著物聯網時代,TD—SCDMA將促進物聯網有效發揮無縫通信的巨大威力,該方案充分利用了互聯網和無線通信公用網絡資源,將無線傳感網技術、嵌入式技術、TD—SCDMA通信有機地結合起來,成功設計了WSN/TD網關,實現了無線傳感網與TD—SCDMA網絡的融合,在實際應用當中取得了良好的效果。



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