無線傳感囂網(wǎng)絡的嵌入式網(wǎng)關硬件設計

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks，WSN)是一種由傳感器節(jié)點構成的網(wǎng)絡，能夠實時地監(jiān)測、感知采集節(jié)點部署區(qū)內感興趣的感知對象的各種信息(如光強、溫度、濕度、噪聲和有害氣體濃度等物理現(xiàn)象)，并對這些信息進行處理后以無線的方式發(fā)送出去，通過無線網(wǎng)絡最終發(fā)送給終端用戶。隨著通信技術、嵌入式技術、傳感器技術的飛速發(fā)展和日趨成熟，具有感知、計算、通信、路由功能的微傳感器節(jié)點不斷涌現(xiàn)，由這些節(jié)點構成的無線傳感器網(wǎng)絡備受關注。因其在工業(yè)控制、智能家居、醫(yī)療健康等領域的廣泛應用而成為當今的熱點研究方向之一，被認為是對21世紀產(chǎn)生巨大影響的高新技術。
本文針對無線傳感器網(wǎng)絡嵌入式網(wǎng)關系統(tǒng)硬件設計選擇了器件，充分將GPRS(通用無線分組交換業(yè)務)技術、嵌入式技術、短距離無線通信技術融為一體，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)絡體系結構
無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)通常由傳感器節(jié)點(sensornode)、網(wǎng)關節(jié)點(sink node)和終端用戶組成。如圖1所示，大量的傳感器節(jié)點部署在監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構成網(wǎng)絡。傳感器節(jié)點監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過多跳后路由到網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點在對數(shù)據(jù)進行分析、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)控中心對傳感器網(wǎng)絡進行配置和管理，發(fā)布監(jiān)測命令以及收集監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2 網(wǎng)關節(jié)點特點及其功能
作為感知區(qū)域內傳感器節(jié)點與外部網(wǎng)絡或終端用戶的橋梁，網(wǎng)關節(jié)點要處理大量的數(shù)據(jù)，必須具備高速度、大存儲量和較遠的傳輸距離，即低成本、高效能。同時因部署在環(huán)境惡劣地域，頻繁更換能源很不現(xiàn)實，充足的能量供應必須優(yōu)先考慮，低功耗設計也成為整個設計的關鍵環(huán)節(jié)之一。
網(wǎng)關節(jié)點在完成不同網(wǎng)絡間協(xié)議轉換的同時，還要對傳感器網(wǎng)絡進行管理和設置，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)絡內部網(wǎng)絡地址，初始化網(wǎng)絡設置；記錄WSN網(wǎng)絡所采用的MAC算法和路由協(xié)議，協(xié)助節(jié)點完成與鄰居節(jié)點連接的建立和路由的形成；發(fā)送監(jiān)控中心控制指令，為用戶實現(xiàn)特定的操作功能；接收采集節(jié)點的請求和數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)融合、仲裁請求和路由選擇功能。

3 網(wǎng)關節(jié)點硬件設計
依照設計原則，在很好地實現(xiàn)上述網(wǎng)關節(jié)點功能的同時，為克服因傳統(tǒng)網(wǎng)關采用有線方式 (如串口電纜RS232)與終端用戶相連而導致的移動范圍受限、遠程監(jiān)控困難、不能準確提供基準定位信息等一系列缺點，參考當今前沿的短距離無線通信技術、嵌入式技術，給出集中央處理單元、存儲單元、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計方案。其總體結構及相互接口如圖2所示。

3．1 中央處理單元
網(wǎng)關的中央處理單元主要用來收集和處理從采集傳感器節(jié)點送來的數(shù)據(jù)，合理分配不同節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲，并且完成終端用戶對傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的控制命令(包括休眠時間、采集間隔、傳感器開關)；同時支持休眠、任務喚醒模式，滿足整個系統(tǒng)低功耗要求。