CN101222455A

CN101222455A - 一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备

Info

Publication number: CN101222455A
Application number: CNA2008100572217A
Authority: CN
Inventors: 冯仁剑; 万江文; 于宁; 吴银锋; 蔡皓
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University; Beijing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2008-07-16

Abstract

一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，能够与无线传感器网络各节点进行数据交换以及向其它网络转发，主要包括微处理器单元、以太网模块、异步通信单元、标准接口单元、汇聚节点接口单元。该网关设备通过异步通信单元和汇聚节点接口单元同无线传感器网络各节点进行数据收发，通过以太网模块与Internet互连，通过连接在可扩展接口上的GPRS模块、CDMA模块或MODEM模块与无线通信网或公共电话网互连，ARM微处理器按照一定的算法处理数据并控制各部分的工作，从而实现了无线传感器网络与不同网络之间的数据交换。本发明不但具备很强的数据处理能力，而且实现了网关设备网络互连方式的可扩展性设计，使得网关设备部署灵活、应用范围扩大，适用性强。

Description

一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备

(一)技术领域：

本发明涉及一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，用于对无线传感器网络各节点进行数据交换以及向其它网络转发，特别适用于数据量较大、环境较恶劣的无线传感器网络应用场合，属于无线传感器网络网关设备。

(二)背景技术：

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送至汇聚节点，汇聚节点利用网关设备将这些信息转发至其它网络，最终到达远程终端，管理人员可以在远程终端上查看、分析以及处理无线传感器网络的信息。此外，管理人员对于指定节点下达的控制命令也是通过网关发送到汇聚节点，汇聚节点然后再通过多跳方式发送到指定节点的。因此在无线传感器网络与其它网络进行数据转发的过程中，网关设备处于承上启下的地位，是数据传输的中枢环节设备。

现有无线传感器网络网关设备同其它网络之间的数据转发方式可分为有线方式和无线方式两大类。有线方式主要包括以太网和公共电话网两种方式，将无线传感器网络的信息利用网线或电话线传输，具备较高的可靠性、准确性以及实时性，但这种连接方式会受到部署环境的限制，例如在山地、湖泊等地理环境布线比较困难。无线方式主要是利用移动通信网络来实现，例如GPRS和CDMA网络，通过在网关设备上添加GPRS或CDMA模块将无线传感器网络的信息进行无线传输，无线方式对于地理环境具备良好的适应性，但易受到移动通信网络覆盖面问题困扰，在信号较弱的地区可能会出现网络连接不稳定的现象。

目前的无线传感器网络网关设备数据转发方式大多为以太网方式，也有部分网关设备实现了GPRS或CDMA方式，这类方案虽然能够实现无线传感器网络信息的转发，但也存在以下缺点：(1)数据处理能力不够。有的网关设备选取美国Atmel公司的ATmega128微处理器作为核心，该处理器是一款8位的单片机，最高主频为16Mhz，数据处理能力相对较弱，无法适应节点数量较多、数据传输量较大的应用场合。(2)数据转发方式单一。目前的网关设备只具备固定的、单一数据转发方式，即有线方式或无线方式。这样，在应用部署过程中受到环境的限制，当应用环境不具备该连接方式时，网关就无法使用。此外在工作过程中一旦现有连接方式出现故障，就会影响到整个无线传感器网络的数据传输。(3)可扩展性较差。目前的网关设备没有为其它网络的接入预留接口，因此无法实现新的数据转发方式的扩展，只能重新设计网关设备硬件电路来达到目的，增添了开发成本。

(三)发明内容：

本发明的目的在于提供一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，以克服现有以Atmel公司的ATmega128微处理器芯片为核心的网关设备数据处理能力不足以及数据转发方式单一的缺点，并针对目前网关设备可扩展性较差的缺陷。

本发明一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其技术解决方案为：该设备包括：

微处理器单元：与异步通信单元相接，对异步通信单元得到的汇聚节点接口单元数据进行运算处理，得到无线传感器网络信息，对异步通信单元得到的标准接口单元数据进行分析处理，根据结果判断外部网络的连通性，向外部网络发送无线传感器网络信息；与以太网模块相接，对以太网模块得到的数据进行处理，根据结果判断以太网的连通性，向以太网发送无线传感器网络信息；

以太网模块：与微处理器单元相接，用于实现局域网的接入，在网关设备和局域网之间双向传送数据包；

异步通信单元：用于对微处理器单元的原有串口资源进行扩展，增加两个新的串口资源，即增加两个通用异步收发器UART；其中之一连接标准接口单元，另一个连接汇聚节点接口单元；

标准接口单元：用于连接GPRS模块、CDMA模块、MODEM模块中的任意一种模块；

汇聚节点接口单元：用于连接无线传感器网络中的汇聚节点。

其中，该微处理器单元包括ARM微处理器芯片、外扩与非门(NAND)Flash、外扩随机存取存储器(Random Access Memory，或称为RAM)、外扩或非门(NOR)Flash。

其中，以太网模块包括耦合电路、以太网控制芯片；

其中，异步通信单元包括异步通信芯片、译码器芯片；ARM微处理器芯片采用中断方式对异步通信芯片进行数据读写操作，即异步通信芯片在数据发送完毕或接收到数据时产生中断信号，ARM微处理器芯片响应该中断事件在中断服务程序中进行数据收发处理。

其中，标准接口单元包括两排8针接口电路，提供标准的串行通信信号和+5V、+3.3V电源，利用串行通信信号连接GPRS模块、CDMA模块、调制解调器(MODEM)模块中的任意一种模块，进行数据读取和发送操作；

其中，汇聚节点接口单元由51针接口电路组成，提供标准的串行通信信号和+5V电源，利用51针接口电路将无线传感器网络的汇聚节点数据传输至异步通信芯片。

本发明的原理：ARM微处理器芯片根据设定的通信速率读取异步通信芯片获得的汇聚节点数据，数据被读取到外扩RAM中，对数据进行解析可得到无线传感器网络各节点的信息，将这些信息按照一定的格式打包，根据网络连接情况向其它网络转发。网关设备设定好IP地址和端口号，ARM微处理器芯片通过以太网控制芯片监听端口号，当远程终端通过局域网向网关设备发出连接请求后，网关设备与远程终端建立连接，ARM微处理器芯片通过以太网控制芯片将打包好的数组转发至远程终端。ARM微处理器芯片通过异步通信芯片向两排八针接口电路连接的GPRS模块、CDMA模块或MODEM模块写入AT指令，其中GPRS模块和CDMA模块根据写入的AT指令向GPRS网络和CDMA网络发送连接请求，连接建立后ARM微处理器芯片将无线传感器网络信息利用GPRS网络和CDMA网络登陆Internet的方式转发至远程终端，也可以直接利用GPRS网络和CDMA网络以短信息的方式将无线传感器网络信息转发至移动终端，MODEM模块根据写入的AT指令向公共电话网发送连接请求，连接建立后ARM微处理器芯片将无线传感器网络信息利用公共电话网转发至一台连接有MODEM的远程终端。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明利用高性能的32位ARM微处理器芯片S3C44BOX来构建网关设备的处理核心；与现有的无线传感器网络网关设备相比具有以下特点：

(1)较以Atmel公司的ATmega128微处理器为核心的网关设备而言，本发明提供的高性能32位ARM芯片S3C44BOX主频较高，数据运算处理得到显著提高，能够满足数据量较大的无线传感器网络应用场合。

(2)较目前网关设备只具备单一的数据转发方式，本发明提供的网关设备通过添加以太网模块和MODEM模块实现了有线数据转发方式，通过标准接口单元连接的GPRS模块和CDMA模块实现了无线数据转发方式，将两种方式同时集成在网关设备中，使用时不会受到地理环境的限制，应用范围更加广泛。

(3)较目前网关设备可扩展性较差的缺陷，本发明提供的网关设备实现了标准接口单元，可以接入如WLAN等其它网络模块，因此数据转发方式具备可扩展性，无需重新设计网关设备硬件电路，节省了二次开发的成本。

(4)本发明提供的网关设备移植了嵌入式操作系统uClinux，即微控制器领域中的Linux系统，能够有效的控制和管理硬件资源，提高了网关设备的运行效率。

(四)附图说明：

图1为本发明的组成结构框图；

图2为本发明的工作原理及应用布局示意图；

图3为本发明的ARM微处理器芯片与外扩存储芯片信号连接的电路图；

图4为本发明的以太网控制芯片与耦合电路及其它器件信号连接的电路图；

图5为本发明的异步通信单元电路图；

图6为本发明的标准接口单元电路图；

图7为本发明的GPRS模块外围电路图；

图8为本发明的CDMA模块外围电路图；

图9为本发明的MODEM模块外围电路图；

图10为本发明的汇聚节点接口单元电路图。

(五)具体实施方式：

如图1所示，本发明的硬件电路主要由微处理器单元3、以太网模块6、异步通信单元16、标准接口单元13以及汇聚节点接口单元18等部分组成；

其中，微处理器单元3包括ARM微处理器芯片5、外扩NAND Flash 1、外扩RAM 2、外扩NOR Flash 4；以太网模块6包括耦合电路7、以太网控制芯片8；异步通信单元16包括异步通信芯片14、译码器芯片15；标准接口单元13包括两排8针接口电路12，可以连接GPRS模块9、CDMA模块10、MODEM模块11中的任意一种模块；汇聚节点接口单元18利用51针接口电路17将无线传感器网络的汇聚节点数据传输至异步通信芯片14。ARM微处理器芯片5将数据读入外扩RAM 2并进行解析处理，得到无线传感器网络各节点的信息。当以太网控制芯片8收到外部局域网的连接请求后，ARM微处理器芯片5将无线传感器网络信息按照一定格式打包后通过以太网控制芯片8转发至远程终端，从而实现网关设备的有线数据转发方式。ARM微处理器芯片5通过异步通信芯片14向两排八针接口电路12连接的GPRS模块9、CDMA模块10或MODEM模块11写入AT指令，其中GPRS模块9和CDMA模块10根据写入的AT指令向GPRS网络和CDMA网络发送连接请求，连接建立后ARM微处理器芯片5将无线传感器网络信息利用GPRS网络和CDMA网络登陆Internet的方式转发至远程终端，也可以直接利用GPRS网络和CDMA网络以短信息的方式将无线传感器网络信息转发至移动终端，从而实现了网关设备的无线数据转发方式；MODEM模块11根据写入的AT指令向公共电话网发送连接请求，连接建立后ARM微处理器芯片5将无线传感器网络信息利用公共电话网转发至一台连接有MODEM的远程终端。

如图2所示，给出了本发明的总体布局，无线传感器网络的传感器节点获取感知区域内的数据后发送至汇聚节点；网关设备利用串行方式读取汇聚节点发送的数据并进行解析处理，转换成一定格式的数据包；最后将这些信息通过有线和无线方式转发至远程终端；同时，还可以封装成短信息发送至移动终端。

如图3所示，本发明的微处理器单元为韩国三星公司的ARM7系列S3C44BOX芯片，该芯片是一种高性价比和高性能的16/32位精简指令集(RISC)微处理器，最高主频为66MHz，与美国Atmel公司的ATmega128芯片相比，数据运算处理得到显著提高，更适用于大数据量的无线传感器网络应用场合。外扩NORFlash采用一片1M×16bit的SST39VF160，外扩RAM采用一片4×512K×32Bit的HY57V641620HG，外扩NAND Flash采用一片容量为128Mbits的K9F2808A。外扩芯片满足数据运算处理时对存储容量和速度的要求。

如图4所示，本发明的以太网控制芯片为Realtek公司的RTL8019AS，该芯片支持IEEE802.3标准，支持8位或16位数据总线，内置16KB的存储器用于收发缓冲；支持全双工，收发同时达到10Mbps；支持10Base5、10Base2、10BaseT，并能自动检测所连接的介质。

如图5所示，本发明的异步通信芯片采用的是EXAR公司的ST16C554，该芯片具有16字节的发送与接收先进先出(FIFO)存储器、接收控制和发送控制相互独立的四通道以及四个可选的接收FIFO中断触发级，译码器芯片为74LV138。在电路设计中使用74LV138芯片作为地址译码器，控制串行通道的片选信号

和

将S3C44BOX的nGCS4信号线与74LV138的

信号线相连，把ST16C554挂载在bank4地址空间上。

和

与S3C44BOX的

相连；片内寄存器选择通过微处理器的A0～A2来直接控制，ST16C554的数据线D0～D7与S3C44BOX的数据线直接相连。输出端口A的串行通信信号与标准接口单元连接，输出端口C的串行通信信号与汇聚节点接口单元连接。

如图6所示，本发明提供的标准接口单元是利用两排8针接口电路与ST16C554连接来实现的，其中用于串行通信的信号为发送TXA，接收RXA，电源信号和地信号分别为+5V和GND。GPRS模块、CDMA模块或MODEM模块都可以通过这些串行通信信号与ARM微处理器芯片进行数据交换，因此，其它形式的网络，如无线局域网(WLAN)，也可以通过此标准接口单元进行连接，当网关设备需要添加新的数据转发方式时，无需重新设计整体硬件电路，只需要为模块设计外围电路连接在标准接口单元上即可，这体现了网关设备设计的可扩展性。

如图7所示，为本发明的GPRS模块外围电路图，采用的GPRS模块为SIMCOM的SIM100，该模块支持GSM900/DCS1800双频，电路交换数据传输最高144Kbit/s，具有GPRS Class 10多时隙功能，内嵌TCP/IP协议栈，支持GSM07.07、GSM07.05和增强型AT命令集，可以实现语音通话、短消息收发以及无线数据传输功能。通过60针连接器的VSIM，SIMDATA，SIMCLK，SIMRST引脚与SIM卡座连接，通过TXD和RXD引脚分别与标准接口单元的RXA和TXA引脚连接。

如图8所示，为本发明的CDMA模块外围电路图，采用的CDMA模块为海信公司的CM-6模块，该模块支持CDMA800MHz，全面兼容CDMA2000 1X网络，上/下行最高速率153.6kbit/s，支持AT命令集，可实现各种工业数据采集、传送、控制等功能。通过70针连接器的UIM_PWR，UIM_IO，UIM_CLK，UIM_RST引脚与UIM卡座连接，通过TXD和RXD引脚分别与标准接口单元的RXA和TXA引脚连接。

如图9所示，为本发明的MODEM模块外围电路图，采用金一倍公司的M-V100S模块，该模块采用Rockwell专用芯片，支持标准AT命令集，具有拨号及自动应答功能。通过28针连接器的TXD和RXD引脚分别与标准接口单元的RXA和TXA引脚连接。

如图10所示，为本发明的汇聚节点接口单元电路图，汇聚节点通过51针连接器的TXD和RXD引脚分别与ST16C554的RXC和TXC引脚连接。汇聚节点为美国Crossbow公司的Mote系列节点，如通信频率分别为433Mhz的Mica2和2.4Ghz的MicaZ节点等。通过这种方法将汇聚节点内嵌在网关设备中，汇聚节点接口单元与ST16C554的数据交换直接使用TTL/CMOS电平，相比较先将TTL/CMOS电平通过电平转换芯片转换为RS232电平再连接汇聚节点和网关设备的做法更简单。

Claims

1.一种网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：该设备包括：

微处理器单元(3)：与异步通信单元(16)相接，对异步通信单元(16)得到的汇聚节点接口单元(18)数据进行运算处理，得到无线传感器网络信息，对异步通信单元(16)得到的标准接口单元(13)数据进行分析处理，根据结果判断外部网络的连通性，向外部网络发送无线传感器网络信息；与以太网模块(6)相接，对以太网模块(6)得到的数据进行处理，根据结果判断以太网的连通性，向以太网发送无线传感器网络信息；

以太网模块(6)：与微处理器单元(3)相接，实现局域网的接入，在网关设备和局域网之间双向传送数据包；

异步通信单元(16)：对微处理器单元(3)的原有串口资源进行扩展，增加两个新的串口资源，即增加两个通用异步收发器UART；其中之一连接标准接口单元(13)，另一个连接汇聚节点接口单元(18)；

标准接口单元(13)：连接GPRS模块(9)、CDMA模块(10)、MODEM模块(11)中的任意一种模块；

汇聚节点接口单元(18)：连接无线传感器网络中的汇聚节点。

2.根据权利要求1所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：该微处理器单元(3)包括ARM微处理器芯片(5)、外扩与非门Flash(1)、外扩RAM(2)、外扩或非门Flash(4)。

3.根据权利要求1所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：以太网模块(6)包括耦合电路(7)、以太网控制芯片(8)。

4.根据权利要求1所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：异步通信单元(16)包括异步通信芯片(14)、译码器芯片(15)。

5.根据权利要求1或4所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：该ARM微处理器芯片(5)采用中断方式对该异步通信芯片(14)进行数据读写操作，即(14)异步通信芯片在数据发送完毕或接收到数据时产生中断信号，ARM微处理器芯片(5)响应该中断事件在中断服务程序中进行数据收发处理。

6.根据权利要求1所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：标准接口单元(13)包括两排8针接口电路(12)，提供标准的串行通信信号和+5V、+3.3V电源，利用串行通信信号连接GPRS模块(9)、CDMA模块(10)、调制解调器模块(11)中的任意一种模块，进行数据读取和发送操作。

7.根据权利要求1所述的网络互连方式可扩展的无线传感器网络网关设备，其特征在于：汇聚节点接口单元(18)由51针接口电路(17)组成，提供标准的串行通信信号和+5V电源，利用51针接口电路(17)将无线传感器网络的汇聚节点数据传输至异步通信芯片(14)。