无线传感器网络3G网关的设计与研制

　　摘要：网关负责无线传感器网络数据出口，是其重要组成部分。3G网络的到来将为无线数据传输带来新一轮的发展。设计了一款与WCDMA网络相结合的无线传感器网络网关，采用以LPC2148 ARM7芯片为核心，与无线射频芯片及华为EM770W模块组成硬件系统；以μC／OS-Ⅱ作为实时操作系统，自主编写合适的通信协议及路由算法，尽可能的使网关处于休眠状态，并进行了相关实验。试验结果表明：本网关具有网络传输速率快、低功耗、丢包率低等特点。

　　0 引言

　　无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)的研究与开发是目前信息领域的一个热点，国内外已有大量科技人员研究将无线传感器网络应用于各领域。而无线传感器网关是无线传感器网络的重要组成部分，为满足无线传感器网络数据传感的周期性、同步性等特点，有必要研究适用于不同应用场合的无线传感器网络网关。

　　文献提出了一种可以通过以太网、公共电话网以及GPRS网络等多种方式进行数据转发的无线传感器网络网关。网关基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系统，运用多线程技术控制各通信方式并行执行，但数据的实时传输速率有待提高。文献设计并实现了一种基于CC2420芯片的网关，实现了与传感器网络的通信，并利用无线网卡模块实现了网关设备与无线局域网的连接。该嵌入式网关设备由核心板、底板和通信模块组成，通过USB 2．0接口加载无线网卡设备，选用WLAN作为网关与监控中心的空中接口。由于采用与无线局域网连接，网络传输距离受到一定限制。文献采用S3C2410，CS8900A组合设计了一款监测茶园空气温、湿度和土壤水分含量，由WSN网关通过有线以太网或GPRS对数据进行远程传输，实现对茶园旱情的远程监测。但该网关是在ARM实验箱上实现的，且功耗较大。

　　本文在研究大量无线传感器网络技术文献的基础上，从提高数据的实时传输速率、降低网关功耗、尽可能延长网关的生命周期出发，使用新型3G网络实现数据的远程传输，保证数据传输的高速率与稳定性。通过合理设计稳定的硬件系统与具有实时性的软件系统，达到了WSN网关数据实时转换和远距离稳定传输的设计目的。

　　1 硬件系统

　　根据WSN网关设计的要求，结合WCDMA网络的特点。WSN网关由处理器模块、无线通信模块、3G通信模块、数据备份模块和电源模块组成，如图1所示。网关通过无线通信模块接收节点传输的监测数据，通过格式转换，由3G通信模块发送给上位机控制中心，实现对数据的远程监控。为了方便软、硬件升级与调试，网关扩展了串口与SPI口。

　　WSN网关的核心模块采用了ARM7的LPC2148芯片，CPU时钟频率为12 MHz。由于LPC2148芯片具有32 KB的SRAM与512 KB的SROM，满足软件系统的存储与运行要求，不需要外扩存储模块，使硬件设计简单化。同时为了提高WSN网关在无线方面的接收能力，选取nRF905工作在433 MHz频段。根据WCDMA网络的特点，采用了华为公司的EM770W作为3G通信模块。EM770W支持标准AT指令集和华为扩展AT指令集，内置TCP／IP协议栈，传输速率最大可达7．2 Mb／s。数据备份模块选择用SD卡，使各种特殊数据(报警数据或临界值数据)可以更方便地通过PC机读取。采用无线通信模块、3G通信模块和核心模块分开设计的方式，更有利于提高网关使用的灵活性。网关实物图如图2所示。

　　2 软件系统

　　在上述硬件结构的基础上，结合与3G网络传输的WSN网关传输数据的实时性，稳定性，周期性强，时间间隔长，瞬间传输量大的特点，选择了μC／OS-Ⅱ作为其操作系统和自主编写通信协议。

　　2．1 软件系统组成

　　网关的软件系统由操作系统和应用系统两部分组成。本设计根据μC／OS-Ⅱ具有实时性高，对ROM、RAM需求小、移植简单等特点，同时，结合网关需求，采用了μC／OS-Ⅱ作为操作系统。μC／Os-Ⅱ是基于任务优先级调度，根据这个原理，创建4个应用任务。当某事件发生时，系统必须在非常短的时间内快速作出响应，网关可以尽快的转发相关的环境监控信息。图3为软件系统框架图。

　　由于3G网络信号的强弱可能导致网关与WCD-MA网络连接的失败，采用基于结果处理的状态机结构的设计方法，对各个阶段处理后的结果进行判断，处理其产生的错误，从而保障网关与WCDMA网络的连通。

　　2．2 通信协议的设计

　　通信模块的功耗在网关的功耗中占主要部分，为了降低功耗，必须设计一种合适的通信协议及路由算法，尽可能的使网关处于休眠状态，同时又要保证网络数据信息传输的完整性。

　　节点发送给网关的数据为主动的消息帧结构，其结构如图4所示。