一种无线传感网网关的设计*

万书芹，魏 斌，陈子逢，黄召军，虞致国

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡 214035）

1 引言

物联网是以信息的交互、处理为目的，通过各种感知设备，网络传输手段将信息采集并传输至目标信息处理平台，并在此基础上构建出特定应用的系统体系。物联网是实现全方位信息交互和决策优化的综合性系统架构和应用实践。无线传感器网络作为一种新兴的研究领域，是物联网技术的重要组成部分。随着各种技术的发展，无线传感器网络的研究日益深入，除了在军事、工业、农业、环境等多个领域有着广泛的应用，在民用领域的应用研究也越来越多。

无线传感网的快速发展所带来的问题是，如何才能在实现这些海量数据通信的高速化、低成本化、低功耗化的同时，实现数字化、宽带化和智能化？随着移动通讯技术的飞速发展，不断涌现新的宽带接入技术，目前通讯行业中存在多种网络结构，如电信网、互联网、电视网以及物联网等。因此设计一种具备多网接入能力的无线接入设备是解决上述问题的关键。该无线接入设备应当分为两部分：终端设备和网关设备。终端设备是具备网络接入功能的各种终端，网关设备主要包含处理核心和各个连接模块。网关设备无疑是该系统的核心。本文据此思想提出了一种无线传感网网关的设计。文中首先提出该无线传感网网关设备的系统设计，其次对网关的硬件设计进行了详细介绍，最后对软件的开发作了简要介绍。

2 系统设计

网关是传感网络中最大的汇聚点，可以实现不同网络之间的无缝融合[1]。网关一般采用高端嵌入式微处理器和存储空间相对较大的扩展芯片，以提高系统的处理速度和存储网络节点的信息量。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，网关利用串行方式读取数据并转换成用户可知的信息，如传感器节点部署区域内的温度、湿度、加速度、坐标等，接着进行远距离传输，传输方式有以太网、移动通信网(CDMA)、WiFi、ZigBee。本网关系统主要由以下几个部分组成：中央处理器、人机交互模块、存储器、以太网模块、CDMA模块、WiFi模块和ZigBee射频模块，如图1所示。其中中央处理器负责分析处理来自各个不同网络的数据，根据标识发送到对应的网络中，从而实现信息在不同网络中的传送。

图1 网关系统结构

3 硬件设计

根据总体方案，本无线传感网网关采用嵌入式结构。首先需要设计网关所采用的硬件平台，平台上包括各种外设接口，此外还要设计各种通讯模块。硬件平台分核心板和底板两部分分别设计。核心板主要由处理器、存储器构成，通过接口与底板连接。底板将核心板接口上的不同信号根据需要作相应处理，形成所需要的各种接口以备与不同的通讯模块及数据设备相连。网关的总体硬件结构如图2所示。其中微处理器为网关的核心，它负责运行操作系统及各个通讯模块所需的驱动程序和协议栈。

图2 网关硬件结构示意图

3.1 核心处理器与存储器

硬件设计中的关键问题是处理速度。传感器网络主要使用嵌入式微处理器和嵌入式微控制器。网关作为网络中的重要节点一般采用高性能嵌入式微处理器，并且这些微处理器一般具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、功能全等特点。因此，核心处理器我们选用三星公司的S3C6410为中央处理器。S3C6410 RISC 处理器采用的CPU是ARM1176JZF-S[2]，具有JAVA加速引擎和16kB/16kB I/D缓存和16kB/16kB I/D TCM技术。在1.1V和1.2V的工作电压下工作频率最高为533MHz 和667MHz。该处理器集成了多种外设接口，如图3。连接总线接口有I2C、I2S、UART、GPIO、SPI、HIS、USB OTG 2.0、USB Host 1.1、HS-MMC/SD卡等；系统外围设备有RTL、 PLL、 Watch-Dog、 DMA和8×8的键盘矩阵；多媒体加速器主要有相机I/F、多格式编解码、支持2D/3D图形等，以及串行通信接口、以太网接口、相机接口。外围电路主要包括存储器系统、时钟系统、电源系统和其他电路系统。

一般系统中主要使用Flash和SDRAM这两种存储器，SDRAM作为内部存储器，但随着嵌入式系统处理器主频的提高，SDRAM的速度只能工作在133MHz的主频上，已不能满足日益增速的处理器工作要求。当前DDR技术占据了内存技术的主流，在内部存储器的选择上我们选用三星公司的K4X1G163PC系列中的64×16bit的DDR内存产品，两块芯片构成256MB的内存空间，用于高速存储系统运行时产生的各种数据。需要注意的是，在PCB设计中要严格控制时钟线和控制线等长，同一组数据、DQS、DQM等长以及线间距的控制。在带有DDR的嵌入式系统主板中，DDR的走线设计是PCB设计中最难的部分，必须按照严格的约束走线，同时充分考虑信号完整性和时序匹配问题以确保设计出的系统的稳定性和可靠性。

外部存储选用NAND Flash K9GAG08U0E-SCB0芯片，MLC（Multi-Layer Cell）存储格式，存储容量为2GB。该芯片封装为TSOP，共有48个脚，其中8位I/O端口用于输入命令、地址和数据，在读操作下输出数据。Flash主要存放软件的目标代码，如Bootloader引导程序、操作系统内核、各种驱动程序及应用程序。在PCB设计中同样要确保时钟线和控制线等长，同一组信号的等长。

3.2 常用外设接口

（1）UART

S3C6410处理器内置了4个通用异步收发串行接口UART0～UART3，其中UART1为5线串口，其他皆为3线串口。由于该串口采用的是TTL电平，一般的计算机及通讯模块的串口设备采用的是RS-232电平，因此为了便于与其他设备的通讯，这里我们需要采用MAX3232CSE电平匹配模块来实现电平的转换。

（2）USB

由于常见的摄像头、键盘、鼠标、高速存储器及通讯设备采用USB接口，为了方便扩展外设，芯片内置了USB OTG，可以支持设备和主机两种功能，支持高速（480Mbps）、全速（12Mbps，只用于设备）以及低速（1.5Mbps，只用于主机）转换。设计中引出该接口为mini USB 2.0。此外芯片还内置了USB主机接口，支持低速和全速USB设备，在设计中采用了USB Hub进行扩展，扩展至3个USB Host 1.1接口。

（3）SD卡

S3C6410微处理器中带有两路SDIO0和SDIO1接口，本系统中接出SDIO0，作为普通SD卡使用。该接口也可以支持高速大容量SDHC卡。S3C6410微处理器另一个特点是支持SD卡启动功能。6410从SD卡启动时，首先要把bootloader程序烧写到SD卡高位地址起始处，插上SD卡，并将控制SD卡启动的开关打开，此时打开电源开关，系统就会运行。

（4）LCD

S3C6410微处理器提供了触摸屏接口，且本身自带触摸屏控制器，XP、XM、YP、YM为其四线触摸屏接口，将此4个信号直接从CPU引出，连接四线电阻触摸屏使用。LCD接口座中包含了常见LCD所用的大部分控制信号（行场扫描、时钟和使能等）和6:6: 6模式的RGB数据信号。

3.3 通信模块接口

本项目所设计的网关可实现ZigBee网络、WiFi网络、CDMA网络和以太网四种网络的接入功能，同时可实现其中任意两种网络之间的数据通信。因此，该网关涉及四种不同网络通讯模块，其中ZigBee射频模块作为独立模块单独设计，以太网模块直接在底板上实现，其他两种模块从市场购买成熟产品。下面分别介绍这四种通信模块接口。

（1）ZigBee射频模块

本模块的处理芯片采用飞思卡尔公司基于ARM内核的ZigBee无线单片机MC13224[3]，该芯片集成了标准的ARM7内核、2.4GHz射频收发器、IEEE 802.15.4 MAC硬件加速器和AES硬件加速器，内部集成了FLASH、SRAM和ROM、AD转换等模块，并在开发环境中提供了最新ZigBee 2007/PRO协议栈。该芯片只需要很少的外围配合电路即可实现无线通信。在模块的设计中采用了低功耗设计，最低功耗可达0.015mA。模块对外提供UART、SPI、I2C、SSI接口进行数据传输，可外接多种传感器。模块与中央处理器通过SPI总线以四线方式相连，传送从其他支持ZigBee协议的无线节点发送过来的数字类信息至处理器。同时中央处理器通过SPI总线控制ZigBee射频模块并接受数据、发送控制信息。

（2）以太网

本网关以以太网作为网关设备有线接入互联网，采用DM9000A网卡芯片[4]，它可以自适应10/100Mbps网络，且功耗低，输入输出端口工作电压为3.3V～5V之间。提供8位和16位的内存访问数据接口以便与不同的处理器相连接。在应用中一般在DM9000A和RJ45之间需加一转换器，设计中需特别注意尽可能将RJ45靠近转换器。在器件的选购中我们选用的RJ45连接头内部已经包含了耦合线圈，因此不必另接网络变压器，使用普通的网线即可连接本网关至路由器或者交换机。

（3）CDMA

目前，国内有三种3G无线网络模式：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。本方案选用其中最成熟的WCDMA 3G网，运营商是中国联通。对应此3G无线网络，市面上有不同的产品可用，为了简化设计并提高稳定性，这里选用了HUAWEI E1750，带USB接口，通过USB接口与主机通讯。

（4）WiFi

WiFi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。可以帮助用户访问电子邮件、Web和流式媒体，它为用户提供了无线的宽带互联网访问。只要有无线路由的存在，就可以轻松将信息传送到互联网上。本网关在设计中为WiFi模块留下了接口，通过I2C总线与主机通讯。

4 软件设计

在硬件平台的基础上，软件的设计主要有建立开发环境、移植Linux操作系统、设计网关处理程序，此处略去前一、二步，主要详述网关处理程序的设计。本网关的处理过程主要分为：CDMA/ZigBee通信、CDMA/WiFi通信、CDMA/以太网通信、ZigBee/WiFi通信、ZigBee/以太网通信、WiFi/以太网通信。下面给出以太网/ZigBee通信的程序流程图（如图4），其他网络间通信的处理流程是相类似的。

CDMA网络中某一个节点请求与ZigBee中某一节点通信，CDMA网络中该节点首先发送一个请求信息给CDMA模块，该请求信息里包含ZigBee网络中节点的地址信息，CDMA模块接收到该信号后，发送给处理器，处理器获得该信号，首先查询地址对应表，将请求信息中的地址转化成ZigBee网络节点的地址，然后发送一个连接请求信号（已经转化成ZigBee网络中节点的地址）给ZigBee模块，ZigBee模块将请求信号转发到ZigBee网络中对应的节点。若ZigBee节点可以进行数据通信，则回送一个同意通信的信号给处理器，处理器接收到该信号后，就在CDMA网络和ZigBee网络间建立一条通信通道。然后处理器发送连接成功信号给CDMA模块及CDMA网络节点，两个网络中的网络节点开始数据通信。

图4 以太网/ZigBee通信的程序流程图

5 结束语

本文设计了基于处理器ARM11的高速芯片S3C6410的传感网络网关，该网关可以实现以太网、CDMA、WiFi和ZigBee四种网络之间的通信。目前世界各国都在大力发展物联网，物联网与其他网络的融合是不可避免的，本网关的应用前景十分广阔。

[1]蔡皓.基于嵌入式系统的无线传感器网络网关设计与实现[D].北京邮电大学，2008.

[2]S3C6410X RISC Microprocessor User’s Manual,Revision 1.10[EB/OL].http://www.samsungsemi.com,2008.

[3]MC1322x RM,Rev.0.0[EB/OL].http://www.freescale.com,2010.

[4]DM9000A-17-DS-P04[EB/OL].Jan.10,2006.