分析面向ＷＬＡＮ的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關設備及其接入機制

分析面向wLAN的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關設備及其接入機制論文類別：工學論文>通信學論文論文作者：黃俊杰王汝傳沙上傳時間：2011/11/1611:16:00【關鍵詞】及其，設備，接入，機制，無線，研究，面向，傳感器，網(wǎng)絡，網(wǎng)關無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)在農(nóng)業(yè)、軍事、用以及工商業(yè)方面都具有廣闊的應用前景然而,在實際應用中的WSN并不能以一個獨立的通信網(wǎng)絡形式存在。網(wǎng)絡中監(jiān)測的數(shù)據(jù)需要發(fā)送到上層服務器進行分析、處理，同時上層服務器端Internet對網(wǎng)絡的WWW服務、文件傳輸協(xié)議(FTP)服務等需要將相關命令下發(fā)到WSN中的節(jié)點,且不同類型的WSN節(jié)點間也需要通信共享信息。這都需要WSN實現(xiàn)與不同類型網(wǎng)絡間的互聯(lián)［3］。ZigBee在的基礎上對網(wǎng)絡層協(xié)議和應用編程接口(API)進行了標準化，成為應用于無線監(jiān)測與控制的全球性無線通信標準，無疑是無線傳感器網(wǎng)絡組網(wǎng)的首選技術之一⑷。隨著基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡技術的廣泛應用，如何通過現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎設施(如無線局域網(wǎng)、Internet、GPRS等)對其進行遠程管理，控制感測環(huán)境中的各種傳感裝置，逐漸成為該領域的重要研究課題［5-6］。圖1給出了基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡體系結構。圖1中，傳感器節(jié)點采集感知區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù),進行簡單的處理后發(fā)送至匯聚節(jié)點;網(wǎng)關讀取數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息，如傳感器節(jié)點部署區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、加速度、坐標等才妾著通過無線局域網(wǎng)(WLAN)進行遠距離傳輸。在無線傳感器網(wǎng)絡中網(wǎng)關擔當網(wǎng)絡間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器、不同網(wǎng)絡類型的網(wǎng)絡路由器、全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲處理等重要角色，成為網(wǎng)絡間連接的不可缺少的紐帶。因此設計出高效、穩(wěn)定的網(wǎng)關節(jié)點是整個無線傳感器網(wǎng)絡設計中的重要一環(huán)［刀。1網(wǎng)關接入方式的比較分析理論上說，網(wǎng)關設備可以采用任意網(wǎng)絡技術接入外部網(wǎng)絡與監(jiān)控中心建立連接。美國的Crossbow公司曾推出具有以太網(wǎng)通信功能的匯聚節(jié)點產(chǎn)品并得到應用。哈佛大學的科研人員在位于厄瓜多爾境內(nèi)的唐古拉瓦火山附近部署了小范圍的無線傳感器網(wǎng)絡，采集次聲波信號并傳送至匯聚節(jié)點，通過接入無線調(diào)制解調(diào)器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到9km外火山監(jiān)測站的一臺PC±［8］e中國一些大學和科研機構也提出了有關解決方案，比較典型的是基于有線通信方式的以太網(wǎng)［9］和無線通信方式的GPRS［10］、CDMA等WSN網(wǎng)關。但在實際應用中，選擇網(wǎng)關的接入方式時，首先應該考慮的是WSN的應用環(huán)境所能提供的可能的網(wǎng)絡接入方式。其次，與現(xiàn)有網(wǎng)絡相比，WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡，網(wǎng)關節(jié)點的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小。因而，在考慮網(wǎng)關與外部網(wǎng)絡的連接方式時，上行數(shù)據(jù)率是一個關健指標。網(wǎng)關節(jié)點的成本及集成度也是一個關鍵因素。通過有線方式接入到其他網(wǎng)絡，給硬件設備的布置帶來了許多不便，大大局限了網(wǎng)關設備的應用。GPRS接入方式上行數(shù)據(jù)率較低。綜合考慮以上因素，WLAN網(wǎng)絡在網(wǎng)絡覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和設備性價比上都有優(yōu)勢，因此，本文設計的無線傳感器網(wǎng)關設備通過USB2.0接口加載無線網(wǎng)卡設備，選用WLAN作為網(wǎng)關與監(jiān)控中心的空中接口，克服了硬件設備布置的局限性，大大擴展了網(wǎng)關設備的應用范圍。表1為幾種接入方式在網(wǎng)絡覆蓋、數(shù)據(jù)率和集成難度的比較。2網(wǎng)關的實現(xiàn)方案系統(tǒng)概述網(wǎng)關的功能包括兩個方面:一是通過匯聚節(jié)點獲取的信息并進行轉(zhuǎn)換，二是與外部網(wǎng)絡進行通信。本文設計的WSN網(wǎng)關采用嵌入式系統(tǒng)，由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)、應用程序等組成，網(wǎng)關的硬件總體結構圖如圖2所示。硬件平臺的設計嵌入式網(wǎng)關設備由核心板、底板和通信模塊組成，核心板上集成AtmelAT91RM9200處理器，64MSDRAM存儲器以及16M的Flash存儲器。AT91ARM9200微處理器芯片具有工業(yè)級200MIPSARM920T內(nèi)核、16字節(jié)的指令和16kbyte的數(shù)據(jù)高速緩存的處理器，內(nèi)部有128kbyte的只讀存儲器，外部總線包括SDRAM接口、BurstFlash接口和SRAM控制器、USB設備和主控制器接口、10/100M以太網(wǎng)接口、電源管理器、實時時鐘、系統(tǒng)時鐘、同步串行控制器、6通道的定時/計數(shù)器、4通道的USART、兩線制接口（I2Q、SPI接口、多媒體卡接口和GPIO等。AT91ARM9200微處理器芯片是一個多用途的通用芯片，內(nèi)部集成了微處理器和常用外圍組件，具有很高的性價比，特別適用于工業(yè)控制領域。免費論文下載中心網(wǎng)關設備底板上提供以下外設接口:一個USB2.0接口、一個6x2雙排插針和一個10M/100M自適應以太網(wǎng)接口。外圍硬件接口的選擇將決定整個系統(tǒng)通過何種方式接入網(wǎng)絡。通信模塊采用的是CC2420芯片，挪威半導體公司Chipcon推出的CC2420是全球首顆符合Zigbee聯(lián)盟標準的2.4GHz射頻芯片，支持250kbit/s數(shù)據(jù)傳輸率。該公司還提供開發(fā)工具套件，通過該套件用戶可很快地進行Zigbee網(wǎng)絡的評估和設計，該套件包括一個基于CC2420的內(nèi)嵌Z-StacktmZigbee協(xié)議棧的硬件模塊。軟件包括用于首次定制的Z-StacktmZigbee網(wǎng)絡配置器、用于建立用戶自己應用程序框架的Z-StacktmZigbeePorfile