研究面向ＷＬＡＮ的无线传感器网络网关设备及其接入机制.doc

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1、研究面向ＷＬＡＮ的无线传感器网络网关设备及其接入机制　　【关键词】及其,设备,接入,机制,无线,研究,面向,传感器,网络,网关　无线传感器网络(WSN)在农业、军事、用以及工商业方面都具有广阔的应用前景[1-2]。然而,在实际应用中的WSN并不能以一个独立的通信网络形式存在。网络中监测的数据需要发送到上层服务器进行分析、处理,同时上层服务器端Internet对网络的WWW服务、文件传输协议(FTP)服务等需要将相关命令下发到WSN中的节点,且不同类型的WSN节点间也需要通信共享信息。这都需要WSN实现与不同类型网络间的互联[3]。　　ZigB

2、ee在IEEE802.15.4的基础上对网络层协议和应用编程接口(API)进行了标准化,成为应用于无线监测与控制的全球性无线通信标准,无疑是无线传感器网络组网的首选技术之一[4]。随着基于ZigBee的无线传感器网络技术的广泛应用,如何通过现有网络基础设施(如无线局域网、Internet、GPRS等)对其进行远程管理,控制感测环境中的各种传感装置,逐渐成为该领域的重要研究课题[5-6]。图1给出了基于ZigBee的无线传感器网络体系结构。　　图1中,传感器节点采集感知区域内的数据,进行简单的处理后发送至汇聚节点;网关读取数据并转换成用户可知的

3、信息,如传感器节点部署区域内的温度、湿度、加速度、坐标等;接着通过无线局域网(WLAN)进行远距离传输。　　在无线传感器网络中网关担当网络间的协议转换器、不同网络类型的网络路由器、全网数据聚集、存储处理等重要角色,成为网络间连接的不可缺少的纽带。因此设计出高效、稳定的网关节点是整个无线传感器网络设计中的重要一环[7]。　　　　1网关接入方式的比较分析　　　　理论上说,网关设备可以采用任意网络技术接入外部网络与监控中心建立连接。美国的Crossbow公司曾推出具有以太网通信功能的汇聚节点产品并得到应用。哈佛大学的科研人员在位于厄瓜多尔境内的唐古

4、拉瓦火山附近部署了小范围的无线传感器网络,采集次声波信号并传送至汇聚节点,通过接入无线调制解调器将数据转发到9km外火山监测站的一台PC上[8]。中国一些大学和科研机构也提出了有关解决方案,比较典型的是基于有线通信方式的以太网[9]和无线通信方式的GPRS[10]、CDMA等WSN网关。但在实际应用中,选择网关的接入方式时,首先应该考虑的是WSN的应用环境所能提供的可能的网络接入方式。其次,与现有网络相比,WSN是一种以数据为中心的网络,网关节点的上行数据量大而下行数据量小。因而,在考虑网关与外部网络的连接方式时,上行数据率是一个关键指标。网

5、关节点的成本及集成度也是一个关键因素。通过有线方式接入到其他网络,给硬件设备的布置带来了许多不便,大大局限了网关设备的应用。GPRS接入方式上行数据率较低。综合考虑以上因素,WLAN网络在网络覆盖、数据传输速率、网络的稳定性和设备性价比上都有优势,因此,本文设计的无线传感器网关设备通过USB2.0接口加载无线网卡设备,选用WL2AN作为网关与监控中心的空中接口,克服了硬件设备布置的局限性,大大扩展了网关设备的应用范围。表1为几种接入方式在网络覆盖、数据率和集成难度的比较。　　2网关的实现方案　　　　2.1系统概述　　网关的功能包括两个方面:一

6、是通过汇聚节点获取的信息并进行转换,二是与外部网络进行通信。本文设计的WSN网关采用嵌入式系统,由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统、应用程序等组成,网关的硬件总体结构图如图2所示。　　2.2硬件平台的设计　　嵌入式网关设备由核心板、底板和通信模块组成,核心板上集成AtmelAT91RM9200处理器,64MSDRAM存储器以及16M的Flash存储器。AT91ARM9200微处理器芯片具有工业级200MIPSARM920T内核、16字节的指令和16kbyte的数据高速缓存的处理器,内部有128kbyte的只读存储器,外部总线包括S

7、DRAM接口、BurstFlash接口和SRAM控制器、USB设备和主控制器接口、10/100M以太网接口、电源管理器、实时时钟、系统时钟、同步串行控制器、6通道的定时/计数器、4通道的USART、两线制接口(I2C)、SPI接口、多媒体卡接口和GPIO等。AT91ARM9200微处理器芯片是一个多用途的通用芯片,内部集成了微处理器和常用外围组件,具有很高的性价比,特别适用于工业控制领域。　　　　网关设备底板上提供以下外设接口:一个USB2.0接口、一个6×2双排插针和一个10M/100M自适应以太网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过

8、何种方式接入网络。　　通信模块采用的是CC2420芯片,挪威半导体公司Chipcon推出的CC2420是全球首颗符合Zigbee联盟标准的2.4GHz射频芯片,支持