CN2922306Y

CN2922306Y - 一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备

Info

Publication number: CN2922306Y
Application number: CNU2006200079419U
Authority: CN
Inventors: 张宏科; 霍宏伟; 郜帅; 牛延超; 张思东; 徐晓羽; 张洪远; 黄琼
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2016-03-15

Abstract

一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备，供电模块由电压校正模块LM1086、9V电源接口和9V电池扣组成；射频模块包含天线设备、CC2420芯片；天线通过CC2420与Atmega128处理器相连；以太网通信接口包括RTL8019以太网控制器、FB2022网卡变压器、RJ45接口，RJ45接口经过FB2022网卡变压器再经过RTL8019以太网控制器同Atmega128相连；IDT71V256D扩展随机访问存储器连接到Atmega128；终端配置模块包括串行通信口与MAX3243，串行通信口通过MAX3243连接到Atmega128。该设备适用于大规模无线传感网络的微型路由设备。

Description

一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备

技术领域

本实用新型涉及一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备，属于计算机网络领域。

背景技术

无线传感器网络被认为是影响影响人类未来生活的重要技术之一，它具有“无处不在”和节点数量庞大等特点。人们可以通过现有网络基础设施完成对传感器网络进行控制、管理和数据获取。无线传感器网络节点受自身硬件资源、部署环境中网络基础设施等条件的限制，使其直接接入传统网络(如以太网)是不切实际的。为了实现传统网络语传感器网络的互通，可以通过一种中继的方法，即选择一种硬件资源较为丰富的设备作为网关(Sink)。传感器节点的数据首先发送给网关，网关再对数据进行解析与转发。

网关是传感器网络中最大的汇聚点，一方面，它与传统网络相连，逻辑上成为其中一个路由节点，有能力访问远程的服务器或者终端主机，也有能力接收传统网络的数据包，并对数据包进行处理；另一方面，它与内网相连，通过无线接口与内网节点设备(内节点)通信。如果内节点有信息要传送给外网，它只要把数据信息传送给网关，网关获得这些数据信息和附加信息后，能对数据报文的目的地作出判断，对其进行正确的解析、处理或转发。接入网通常定义了自己的数据帧类型，如以太网标准；而无线传感器网络也定义了自己底层协议标准，如IEEE802.15.4。网关的另外一项功能就是负责内外网数据格式转换，实现不同网络介质的无缝融合。本专利设计实现一种能够完成网络间介质转换和数据转发的网关设备，从而实现基于IEEE802.15.4的无线传感器网络与以太网进行的互通。

发明内容

为了克服现有技术结构的不足，本实用新型提供一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：本专利设计了一种嵌入式设备，作为上述接入模型的网关。该网关配置一个有线接口和一个无线接口。通过有线接口使用以太网线与路由器相连。无线接口支持IEEE802.15.4标准，可以与传感器网络内的任何节点通信。网关完成数据的解析、封包和转发。网关上提供了串行接口，能提供终端直接与传感器网络内节点通信。

网关设备的硬件组成包括供电模块、射频模块、以太网通信接口、数据转发与处理模块、随机访问存储器和终端配置模块。供电模块由LM1086、9V电源接口和9V电池扣组成。射频模块包含天线设备、CC2420芯片。天线通过CC2420与Atmega128相连。以太网通信接口包括RTL8019以太网控制器、FB2022网卡变压器、RJ45接口，RJ45接口经过FB2022网卡变压器再经过RTL8019同Atmega128相连。IDT71V256D作为扩展随机访问存储器连接到Atmega128。终端配置模块主要包括串行通信口(9针)与MAX3243，串行通信口通过MAX3243连接到Atmega128。

本实用新型的有益效果本专利提出了一种服务于无线传感器网络节点设备的体系结构。该设备适用于大规模无线传感网络的微型路由设备，该设备全面支持IEEE802.15.4标准规范，支持远程、串口等多种人性化配置方式，具有体积小、能耗低、自适应性强、成本低、简单灵活等优点，在工农业生产、军事国防、医疗护理、环境监测、智能家居等领域有着广泛的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对实用新型进一步说明。

图1系统硬件组成。

图2数据转发模块器件间联接电路。

图3检测系统的网络拓扑。

图4系统性能测试曲线。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，一种嵌入式设备，作为上述接入模型的网关。该网关配置一个有线接口和一个无线接口。通过有线接口使用以太网线与路由器相连。无线接口支持IEEE802.15.4标准，可以与传感器网络内的任何节点通信。网关完成数据的解析、封包和转发。网关上提供了串行接口，能提供终端直接与传感器网络内节点通信。

网关设备的硬件组成包括供电模块、射频模块、以太网通信接口、数据转发与处理模块、随机访问存储器和终端配置模块。供电模块由LM1086、9V电源接口和9V电池扣组成。射频模块包含天线设备、CC2420芯片。天线通过CC2420与Atmega128相连。以太网通信接口包括RTL8019以太网控制器、FB2022网卡变压器、RJ45接口，RJ45接口经过FB2022网卡变压器再经过RTL8019同Atmega128相连。IDT71V256D作为扩展随机访问存储器连接到Atmega128。终端配置模块主要包括串行通信口(9针)与MAX3243，串行通信口通过MAX3243连接到Atmega128。如图1所示。

网关系统核心处理器采用ATMEL公司的ATmega128处理器。ATmega128是高性能AVR单片机，内置4KB SRAM和128K Flash存储器，支持外部中断，有强大的同步/异步串行通信接口，支持SPI通信。通过该设备可以有效协调各部分完成系统功能：

(1)射频模块射频模块采用Chipcon公司的CC2420实现，该芯片支持IEEE802.15.4物理层和数据链路层标准，工作与2.4GHz频段，最大数据率达到250Kbit/s[6]。

(2)SRAM随机访问存储器采用IDT71V256D实现，共32K，同ATmega128片内4K SRAM共同构成系统36K随机访问存储空间。

(3)以太网接口以太网接口采用RJ45接口。采用RTL8019作为以太网控制器。它能够自行完成介质访问控制、CRC效验以及以太网数据帧的发送和接收[7]。

(4)供电模块电压校正模块采用LM1086实现，通过它得到稳定的+5V电源，向RTL8019AS和其它器件供电。

(5)终端配置模块可以利用串口与用户终端(PC机)完成通信。

如图2所示。图中CC2420射频模块可以通过4线SPI总线(SI、SO、SCLK、CSn)同ATmega128相连，通过该总线可以设置芯片的工作模式，并实现读/写缓存数据，读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在数据传输过程中CSn作为数据传输使能。通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计，通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。

处理器与RTL8019AS之间的数据线与地址线均采用总线方式：共设置8位数据线和16位地址线。ATmega128的PA端口通过联接一个地址锁存器复用为AD端口。读数据时，D[0:7]数据直接送到ATmega128；写数据时，D[0:7]数据送到RTL8019AS。ATmega128与RTL8019AS同时复位，RESET端口经反相后接RTL8019AS的RSTDRV引脚。RTL8019AS采用8位数据总线宽度(高电平时为16位)，在程序中，以I/O方式访问RTL8019AS。由于RTL8019AS地址线的高15位是固定不变的，故利用地址线的最高位A15来进行片选：当A15置低电平时，选中扩展SRAM；反之，选中RTL8019AS。

本实用新型的数据转发工作过程如下：

0、设备上电复位，启动软件；

1、CC2420通过天线获得来自无线传感器网络的数据并解析；

2、经过解析的数据，通过CC2420与Atmega128之间的连接传递给Atmega128进行处理；

3、经Atmega128处理的数据，通过Atmega128与RTL8019之间的通信总线传递给RTL8019；

4、RTL8019按以太网格式转发数据；

5、需要时，Atmega128利用IDT71V256D缓存数据.

6、RTL8019通过RJ45接口获得来自以太网络的数据并解析；

7、经过解析的数据，通过RTL8019与Atmega128之间的通信总线传递给Atmega128进行处理；

8、经Atmega128处理的数据，通过Atmega128与CC2420之间的连接传递给CC2420；

9、CC2420按以IEEE802.15.4格式转发数据；

10、需要时，Atmega128利用IDT71V256D缓存数据.

11、需要时，可以通过串行接口同各人电脑相连接，同过个人电脑对网关设备进行配置和管理。

实施例2：为验证网关的功能，构建了一套应用验证系统，通过该系统实现了对该网关设设备的功能和性能测试。

功能设计如下：在室内，撒布20个传感器节点，对此区域的温度、光强等环境数据的采集，并把结果经由本文设计实现的网关节点传给服务器，由远端用户终端实现对该区域的监测。为测试系统性能，在内网设置一个测试节点，负责向网关发送各种测试数据，在外网设置基于Linux系统的测试机和控制终端，接受、发送并记录面向网关的测试数据。通过引入Chipcon Sniffer等抓包工具，监测测试过程中无线数据测试情况，对网关的吞吐量、时延、丢包率等数据进行了测试评估。

图3给出了该系统的网络拓扑。图4给出了该网关设备的性能测试曲线。

经验证，该网关能够完成预期的各种功能。通过该网关，用户终端可以远程管理传感器网络并适时了解网络状态。利用该系统对网关进行的性能测试获得的各项指标中，对于RFC2544规定的吞吐率指标，随着测试数据包长度的增加，吞吐率逐渐增加，包收发数量逐渐减小，见图4a、b；随着测试数据包长度的增加，时延逐渐增大，见图4c。对于不同的测试数据包长度，在120s范围内丢包率为0，随着测试时间的增加丢包率有所上升，但仍不影响正常通信，见图4d。综上，该设备可以在实际网络环境下运行。

Claims

1.一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备，其特征是：有供电模块、射频模块、以太网通信接口、数据转发与处理模块、随机访问存储器和终端配置模块；供电模块由电压校正模块LM1086、9V电源接口和9V电池扣组成；射频模块包含天线设备、CC2420芯片；天线通过CC2420芯片与Atmega128处理器相连；以太网通信接口包括RTL8019以太网控制器、FB2022网卡变压器、RJ45接口，RJ45接口经过FB2022网卡变压器再经过RTL8019以太网控制器同Atmega128处理器相连；IDT71V256D扩展随机访问存储器连接到Atmega128处理器；终端配置模块包括串行通信口与MAX3243，串行通信口通过MAX3243连接到Atmega128处理器。

2.根据权利要求1所述的一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备，其特征是：有一个有线接口和一个无线接口，通过有线接口使用以太网线与路由器相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种实现以太网与无线传感器网络互通的嵌入式网关设备，其特征是：CC2420射频模块可通过4线SPI总线同ATmega128处理器相连，

ATmega128处理器与RTL8019AS之间的数据线与地址线均采用总线方式：共设置8位数据线和16位地址线，ATmega128处理器的PA端口通过联接一个地址锁存器复用为AD端口。