摘要：網關負責無線傳感器網絡數據出口，是其重要組成部分。3G網絡的到來將為無線數據傳輸帶來新一輪的發(fā)展。設計了一款與WCDMA網絡相結合的無線傳感器網絡網關，采用以LPC2148 ARM7芯片為核心，與無線射頻芯片及華為EM770W模塊組成硬件系統(tǒng)；以μC／OS-Ⅱ作為實時操作系統(tǒng)，自主編寫合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網關處于休眠狀態(tài)，并進行了相關實驗。試驗結果表明：本網關具有網絡傳輸速率快、低功耗、丟包率低等特點。
關鍵詞：無線傳感器網絡；網關；寬帶碼分多址；嵌入式

0 引言
    無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)的研究與開發(fā)是目前信息領域的一個熱點，國內外已有大量科技人員研究將無線傳感器網絡應用于各領域。而無線傳感器網關是無線傳感器網絡的重要組成部分，為滿足無線傳感器網絡數據傳感的周期性、同步性等特點，有必要研究適用于不同應用場合的無線傳感器網絡網關。
    文獻提出了一種可以通過以太網、公共電話網以及GPRS網絡等多種方式進行數據轉發(fā)的無線傳感器網絡網關。網關基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，運用多線程技術控制各通信方式并行執(zhí)行，但數據的實時傳輸速率有待提高。文獻設計并實現了一種基于CC2420芯片的網關，實現了與傳感器網絡的通信，并利用無線網卡模塊實現了網關設備與無線局域網的連接。該嵌入式網關設備由核心板、底板和通信模塊組成，通過USB 2．0接口加載無線網卡設備，選用WLAN作為網關與監(jiān)控中心的空中接口。由于采用與無線局域網連接，網絡傳輸距離受到一定限制。文獻采用S3C2410，CS8900A組合設計了一款監(jiān)測茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量，由WSN網關通過有線以太網或GPRS對數據進行遠程傳輸，實現對茶園旱情的遠程監(jiān)測。但該網關是在ARM實驗箱上實現的，且功耗較大。
    本文在研究大量無線傳感器網絡技術文獻的基礎上，從提高數據的實時傳輸速率、降低網關功耗、盡可能延長網關的生命周期出發(fā)，使用新型3G網絡實現數據的遠程傳輸，保證數據傳輸的高速率與穩(wěn)定性。通過合理設計穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)與具有實時性的軟件系統(tǒng)，達到了WSN網關數據實時轉換和遠距離穩(wěn)定傳輸的設計目的。

1 硬件系統(tǒng)
    根據WSN網關設計的要求，結合WCDMA網絡的特點。WSN網關由處理器模塊、無線通信模塊、3G通信模塊、數據備份模塊和電源模塊組成，如圖1所示。網關通過無線通信模塊接收節(jié)點傳輸的監(jiān)測數據，通過格式轉換，由3G通信模塊發(fā)送給上位機控制中心，實現對數據的遠程監(jiān)控。為了方便軟、硬件升級與調試，網關擴展了串口與SPI口。

    WSN網關的核心模塊采用了ARM7的LPC2148芯片，CPU時鐘頻率為12 MHz。由于LPC2148芯片具有32 KB的SRAM與512 KB的SROM，滿足軟件系統(tǒng)的存儲與運行要求，不需要外擴存儲模塊，使硬件設計簡單化。同時為了提高WSN網關在無線方面的接收能力，選取nRF905工作在433 MHz頻段。根據WCDMA網絡的特點，采用了華為公司的EM770W作為3G通信模塊。EM770W支持標準AT指令集和華為擴展AT指令集，內置TCP／IP協(xié)議棧，傳輸速率最大可達7．2 Mb／s。數據備份模塊選擇用SD卡，使各種特殊數據(報警數據或臨界值數據)可以更方便地通過PC機讀取。采用無線通信模塊、3G通信模塊和核心模塊分開設計的方式，更有利于提高網關使用的靈活性。網關實物圖如圖2所示。

2 軟件系統(tǒng)
   在上述硬件結構的基礎上，結合與3G網絡傳輸的WSN網關傳輸數據的實時性，穩(wěn)定性，周期性強，時間間隔長，瞬間傳輸量大的特點，選擇了μC／OS-Ⅱ作為其操作系統(tǒng)和自主編寫通信協(xié)議。
2．1 軟件系統(tǒng)組成
    網關的軟件系統(tǒng)由操作系統(tǒng)和應用系統(tǒng)兩部分組成。本設計根據μC／OS-Ⅱ具有實時性高，對ROM、RAM需求小、移植簡單等特點，同時，結合網關需求，采用了μC／OS-Ⅱ作為操作系統(tǒng)。μC／Os-Ⅱ是基于任務優(yōu)先級調度，根據這個原理，創(chuàng)建4個應用任務。當某事件發(fā)生時，系統(tǒng)必須在非常短的時間內快速作出響應，網關可以盡快的轉發(fā)相關的環(huán)境監(jiān)控信息。圖3為軟件系統(tǒng)框架圖。

    由于3G網絡信號的強弱可能導致網關與WCD-MA網絡連接的失敗，采用基于結果處理的狀態(tài)機結構的設計方法，對各個階段處理后的結果進行判斷，處理其產生的錯誤，從而保障網關與WCDMA網絡的連通。
2．2 通信協(xié)議的設計
    通信模塊的功耗在網關的功耗中占主要部分，為了降低功耗，必須設計一種合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網關處于休眠狀態(tài)，同時又要保證網絡數據信息傳輸的完整性。
    節(jié)點發(fā)送給網關的數據為主動的消息幀結構，其結構如圖4所示。

    結合無線傳感器網絡周期性休眠喚醒的特點，采用簡化的發(fā)送和應答機制，即簡化的T-MAC協(xié)議。網關先偵聽載波，當信道空閑時，向所有的網絡節(jié)點發(fā)送同步幀，各節(jié)點接收到同步幀后根據同步幀的信息修改自身時鐘，并向網關發(fā)送應答信息，達到整個網絡同步的目的。然后網關進入接收數據狀態(tài)，接收所有節(jié)點發(fā)送的數據，進行數據轉換，通過WCDMA網絡傳輸給上位機，之后網關進入睡眠模式，如此循環(huán)反復。
    隨著時間的推移，時間同步誤差的增加，網關和節(jié)點可能出現失步，所以需要周期性地發(fā)送時間同步信息，保證網關與節(jié)點時間同步誤差不累加。

3 實驗結果與分析
3．1 無線通信距離測試
    無線通信距離是網關性能的一個重要方面，其大小取決于射頻模塊的發(fā)送功率，兩者成正比。nRF905具有發(fā)射功率可選功能，分別為-20dBm，-2dBm，6 dBm和10 dBm。本測試分別在室內，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上以不同的發(fā)射功率測試網關無線通信距離，射頻設定在433 MHz頻段，工作電壓為3．2 V。由節(jié)點周期性的向網關發(fā)送數據，當網關接收到數據時，再由網關向節(jié)點發(fā)送數據。當雙方實現正常通信時，用精度為0．01 m激光測距儀測量網關與節(jié)點之間的直線距離，分別測量20次，最后取其平均值。測量的結果如表1所示。

3．2 WCDMA網絡丟包率測試
    數據包在WCDMA網絡轉發(fā)的過程中，可能由于信號中斷、載波沖突等原因而丟失。為了測試WCD-MA網絡的丟包率，分別在室內，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上進行數據包轉發(fā)，節(jié)點軟件設定周期性發(fā)送2個字節(jié)的數據，當網關接收到數據時，進行格式轉換，然后轉發(fā)數據包到WCDMA網絡。數據包中包括流水號信息，能直觀得知丟包序號。使用2節(jié)AA電池為節(jié)點供電，工作電壓為3．2 V，3G模塊采用TCP／IP模式傳輸，每個地點分別進行5天實驗。實驗結果如表2所示。

    由表2可得，網關所處環(huán)境的障礙物越少，網絡信號越好，丟包的可能性越小。總體而言，WCDMA網絡的丟包率較小，網絡性能穩(wěn)定，網關性能達到設計要求。
3．3 功耗測試
    WSN網關的功耗主要來自無線通信模塊與3G通信模塊，設定網關每10 min收集一次數據，每次喚醒30 s，每天實驗12 h，為期30天。網關核心模塊由2節(jié)AA南孚電池供電，每天實驗開始和結束都用示波器測量一次網關主模塊電壓，網關主模塊電壓變化曲線如圖5所示。

    由圖5可知，隨著發(fā)送時間越長，轉發(fā)數據包越多，網關功耗隨之增加，兩者可近似認為線性關系。網關轉發(fā)數據包越少，通信模塊活動時間越短，網關能耗越低，網關生命周期越長。

4 結語
    通過分析當前無線傳感器網絡技術中網關在應用方面存在的問題與不足，結合國內最新3G網絡技術，本文設計了一款與WCDMA網絡相結合的無線傳感器網絡網關。試驗結果表明：本網關具有實時數據傳輸、低功耗、網絡傳輸速率快、性能穩(wěn)定、丟包率低于1％等特點。本文設計的WSN網關具有良好的適用性，滿足無線傳感器網絡數據傳輸特點，為無線傳感器網絡與3G網絡兩者的結合提供一種方法。