基于OMAPL138芯片的无线传感器网络节点设计

翟 巍,刘 成,田永春

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

基于OMAPL138芯片的无线传感器网络节点设计

翟 巍,刘 成,田永春

(中国电子科技集团公司第三十研究所,四川成都610041)

随着传感器技术、无线网络技术的迅速发展,无线传感器网络在军事和商业领域有着广泛的应用前景。无线传感器网络中的节点具有感知和路由的功能,是构成无线传感器网络的基本单元。针对传感器节点的特点,基于双核架构OMAPL138为核心设计了一种低功耗高性能无线传感器节点。在介绍OMAPL138的基础上,详细阐述了传感器节点设计及实现过程,包括硬件体系结构和软件开发流程,提出一种无线传感器网络节点设计方案。该方案可广泛应用于其他区域的无线传感器网络构建。

无线传感器网络 节点 双核架构

0 引 言

随着传感器技术、无线网络技术以及嵌入式处理技术的发展,无线传感器网络正逐渐成为现代信息技术中的一个热门的研究领域,受到广泛关注。与传统网络相比,无线传感器网络随机布设、多跳通信、自组织和协同工作等特点使得它在军事、工业、智能家居、环境监测、医疗保健等诸多领域都有着广阔的应用前景,尤其适合部署在恶劣环境和人不宜到达场所。

无线传感器网络主要由大量具有通信计算能力的微小传感器节点及少量的汇聚节点通过无线通信方式而构成。传感器节点一方面完成目标传感信息的采集和预处理,另一方面对本身采集的数据和收到其它节点送的数据进行综合,转发到汇聚节点并响应汇聚节点发送的数据及指令[1]。传感器节点是无线传感器网络中最基本的元素同时也是最重要的元素,其主要特点:数量大、体积小、功能强、能耗低、成本低。传感器节点设计的优劣直接决定整个系统的功能能否实现、各性能指标能否符合要求。因此对传感器节点的设计是无线传感器网络的首要任务,基于OMAPL138平台设计的传感器节点采用双核架构,功能强、功耗低,具有高可靠性、高集成度、高灵活性、高性价比等特点。

1 网络系统结构

无线传感器系统的物理实体通常包括:传感器节点、汇聚节点、接入节点、管理及应用系统终端(简称管理应用终端),图1为无线传感器网络系统结构图。

图1 无线传感器网络系统结构Fig.1 Structure diagram of WSN

传感器节点和汇聚节点随机布设在监测区域内部或附近,该过程可以通过人工部署、飞行器撒播或弹射等方式完成,传感器节点主要利用各种感知探测手段完成对目标信息的捕获(譬如声音、震动、红外、图像等)和初步处理,并通过无线方式向某个汇聚节点上报,汇聚节点收集并融合处理其周围各个传感器节点转交过来的感知信息,然后通过传感器网络按既定格式将数据送至接入节点[2],接入节点将汇聚来的大量信息通过标准IP网络向管理应用终端传送。整个系统最终通过管理应用终端对这些数据进行融合、计算和处理,向用户提供应用服务,输出监测结果信息。

2 节点硬件设计

传感器节点的基本硬件功能模块组成如图2所示。

图2 无线传感器节点硬件框Fig.2 Hardware diagram of wireless sensor node

主要由传感采集模块、数据处理模块(包括CPU、存储器等)、无线通信模块和电源模块组成[3]。传感采集模块包括各种传感器、调理电路和A/D转换器,用于感知、采集数据和执行各种控制动作;数据处理模块是节点的核心模块,用于完成数据处理、数据存储、执行通信协议和节点调度管理等工作;无线通信模块用于完成无线通信任务;电源模块是所有电子系统的基础,为传感器节点提供能量供应。

2.1 传感采集模块

传感采集模块主要负责完成目标区域内信息的采集和数据转换,主要包括传感器和调理采集电路两部分。传感采集模块中传感器的选择应根据无线传感器网络所在的地区环境特点而定,以适应温度、湿度、声音、震动、红外等不同探测信号的要求。传感器后端的调理电路主要完成将传感器采集到的模拟信号放大、滤波,转换成能与A/D转换器相适配的信号。由于无人传感器网络大多部署在环境恶劣的区域内,传感器采集输出的原始信号非常微弱,很容易被噪声淹没,因此传感采集模块的调理电路既能有效抑制噪声干扰又能放大原始信号,需要设计低功耗、低噪声、高增益的调理放大电路。依据具体传感器网络部署的环境特点,本设计传感器采集模块主要提供了声音、震动、图像、红外四种传感器。

2.2 数据处理模块

数据处理模块是无线传感器节点的计算核心,所有设备的控制、任务调度、能量计算和功能协调、通信协议、数据整合和数据存储程序都在这个模块的支持下完成,因此数据处理模块CPU的选择在传感器节点设计中是至关重要的。由于无线传感器网络自身的特点,CPU选型应该重点满足以下方面要求:

1)低功耗:受工作环境限制,无线传感器网络中的能量供给通常依赖电池,使用过程中难以更换或者充电,这就要求节点的设计必须考虑节能低功耗。

2)高集成度:受外形尺寸的限制模块必须能够提供足够多的接口。

3)较强的处理能力:随着感知信息的多样化,网络对节点的实时性要求很高,要求处理器的实时处理能力要强。

4)灵活性和扩展性:多功能传感器节点是传感器节点发展的趋势,要求在设计的过程中充分考虑节点的灵活性和扩展性。

传统无线传感器网络节点的处理器大多选用的是ATMEL或TI公司的8位单片机,其使用简单、功耗较低,但是运算能力有限、扩展接口少、集成度低,很难满足当前的传感器节点日益复杂的功能需求。基于新型传感器节点的需求以及对CPU芯片性能、功耗的研究,本系统采用TI公司基于ARM+DSP双核架构的超低功耗处理器OMAPL138作为数据处理模块的CPU。OMAPL138处理器的主要特性[4]:

1)低功耗:功耗范围从12 mW(深度休眠)到480 mW(最大总功耗),支持DVS、DFS等节能策略。

2)高性能:ARM926EJ 300MHz和DSP C674X 300 MHz双核架构。

3)丰富外围接口:提供主机DMA端口、UART、McASP/McBSP、SPI、I2C、MMC/SD控制器、USB1.1/2.0接口、SATA、eCAP以及eQEP等丰富的外围接口。

4)高集成度:支持通用并行端口(UPP)可为FPGA、高速A/D、数据转换器以及处理器间通信提供直接接口,VPIF接口可直接连接图像传感器。

5)高扩展性:支持标准EMIF接口,支持Nor-Flash、NandFlash等存储模块;支持DDR2、mDDR外扩存储器扩展。

本系统所涉及的各个硬件模块均是直接从OMAPL138的片上接口引出,硬件设计简单可靠,软件编程方便快捷,不仅缩小了板卡体积、降低了成本,而且也降低了开发难度,缩短研发周期。

2.3 无线通信模块

无线通信模块由无线射频模块和天线组成,主要负责与其它节点进行无线通信,交换控制消息和收发数据。同时无线传输模块也是传感器节点主要的耗能模块之一,是传感器节点设计的重点。无线通信模块采用的调制模式、数据率、发射功率都是影响通信能量消耗的关键因素,因此选择无线收发芯片时应考虑以下几点因素:功耗、发射功率、频段、无线芯片所需要的外围元件数量等。

本系统采用GainSpan公司推出的符合802. 11b/g/n标准的SOC无线射频模块GS1011M,它是基于单芯片的解决方案,模块功能高度集成、接口资源丰富,只需极少的外部电路,性能稳定且功耗极低(μW)。GSM1011M的主要性能特点:

1)高集成单芯片,集成了射频、基带、MAC、CPU、RTC、SRAM和FLASH。

2)支持IEEE标准802.11b/g/n协议,最高速率可达11 Mb/s。

3)3.3 V单电源供电,通过动态电源管理,可获得极低的功耗。

2.4 电源模块

电源模块主要为传感器节点提供运行所需的能量,电源模块直接关系到传感器节点的寿命、成本、体积和设计复杂度。电池供电是目前传感器节点比较常见的供电方式,本系统采用锂电池供电,其能量密度高体积小,支持剩余电能检测上报。电源模块将剩余电能信息上报至节点,传感器节点依据自身剩余电能信息采取休眠算法在不同工作状态之间动态切换,从而最大限度的延长无线传感器网络使用寿命,提高传感器节点的使用周期[5]。

3 节点软件设计

嵌入式操作系统是嵌入式系统的核心,它主要负责分配嵌入式系统的硬件资源和软件资源,同时调度硬件和软件的工作。由于嵌入式系统资源的严格限制,嵌入式操作系统必须具有良好的可剪裁性、可移植性、强实时性、高可靠性以及可扩展性。常见的嵌入式操作系统有:Vxworks、PSOS、Nucleus、WinCE、Linux等。本设计中选用了目前比较流行的Linux作为嵌入式操作系统,并基于这一平台实现应用软件的设计。Linux内核采用Linux2.6.32版本,通过Vmware虚拟机制作RAMDISK文件并烧写至Flash中的。节点上电以后,u-boot会从Flash中读取RAMDISK文件到内存,当嵌入式系统启动以后,便可以把它当作文件系统使用。

由于OMAPL138内含ARM9和C674X DSP两个内核,因此软件开发需在两个不同的环境下进行: ARM内核采用嵌入式Linux开发环境、DSP内核采用CCS集成开发环境[6]。传感器节点的软件组织结构视图如图3所示。软件构成包括ARM模块和DSP模块,ARM端主要包括系统管理控制、数据分发控制、信息控制、通信协议栈以及Linux操作系统;DSP端在TI DSP/BIOS下主要完成传感器采集信号的处理;ARM和DSP双核之间的通信和数据的交互采用专用的底层双核通信模块DSPLINK,通过DSPLINK可共享片内一块RAM内存区域和片外的DDR。

图3 传感器节点软件组织结构视图Fig.3 Structure diagram of sensor node software

3.1 ARM模块

传感器节点提供的大多数外设均是连接在OMAPL138芯片的ARM端的,通过运行在ARM模块的软件来管理节点外设及程序的运行。

Linux系统启动以后,对传感器节点进行初始化设置,包括网络的初始化、节点组网、与汇聚节点握手通信等。信息控制模块主要完成采集控制、DSPLINK传输控制、指令控制三类功能,采集控制通过对FPGA驱动的设置来操作节点配备的声、震动、红外、图像传感器;DSPLINK传输控制主要负责在ARM模块和DSP模块之间搭建通道,实现ARM对DSP上算法的控制和数据传输[7];指令控制模块主要负责接收后端模块或者节点自身的各种指令,完成解析并进行相应的处理。数据分发控制模块将采集到的节点的声音帧、震动帧、红外帧和图像帧根据数据自身时间戳筛选出同一时刻不同传感器采集的数据帧,进行多传感器信息融合算法计算,封装成融合数据帧。系统管理控制模块主要负责处理汇聚节点发送的各种系统控制信息和节点上无线模块的数据传输控制。ARM模块的软件流程图如图4所示。

图4 ARM模块软件流程Fig.4 Flow chart of the ARM module

3.2 DSPLINK模块

DSPLINK模块是ARM端和DSP端之间通信的桥梁,在ARM端和DSP端作用类似。在ARM端作为Linux内核的一部分存在,通过驱动提供API接口直接操作;在DSP端则是连接到TI提供的实时操作系统DSP/BIOS,也作为驱动存在。通过DSPLINK软件模块使得ARM和DSP直接实现无缝通信。DSPLINK的软件架构如图5所示。

3.2.1 GPP端

GPP端主要对运行在ARM上的嵌入式操作系统提供支持,比较常用的是Linux和WinCE。对ARM端的用户提供API直接屏蔽底层,直接操作共享内存实现通信。DSPLINK API的主要组件有:

1)PROC:PROC组件在CPP的应用中表示DSP处理器,该组件主要提供以下服务:初始化DSP,加载DSP代码,读写、运行DSP程序,响应其他平台的控制。

2)CHNL:CHNL是channel的缩写,表示一个逻辑通道,负责GPP与DSP之间的数据传输,CHNL具有无方向性,通道方向可以在运行时进行配置。如果多通道复用在CPP端和DSP端的一条物理连接上,物理连接是基于link和相关link驱动特性。被传输的数据中不包含目的地址和源地址的任何信息,数据发送端和接收端的数据通路需要初始化时建立完毕。CHNL组件采用issue-reclaim模式进行数据传输,基于DSP/BIOS的SIO模块模仿issuereclaim行为模式。

3)MSGQ:MSGQ表述消息队列方式,负责GPP端与DSP端可变长度短消息的交互,基于DSP/BIOS的MSGQ模块实现。消息的收发都要以队列的方式进行,发送者将消息写入到消息队列中,消息接收者从消息队列中接收信息。一个消息队列只可以有一个接收者,但可以有多个发送者,一个任务可以读写多个消息队列。

4)POOL:POOL模块提供了API用于控制存储器池的创建和关闭,POOL创建的存储器池由CHNL和MSGQ调用,用于创建数据传递和消息传递的缓存区。

图5 DSPLINK软件架构Fig.5 Software architecture of DSPLINK

3.2.2 DSP端

DSP端不支持DSPLINK的API,主要功能是数字信号处理,其通信则是基于TI提供的实时操作系统DSP/BIOS中的SIO、GIO、MSGQ等模块实现的。因此传感数据的算法必须运行在DSP/BIOS上。

3.3 DSP模块

OMAPL138芯片中的DSP模块在本设计中只是一个协处理器,仅用于传感器数据处理。由模拟前端A/D采集得到的声、震动、红外、图像传感数据通过FPGA送至DSP端的片上外设UPP接口[8], UPP将接收到的各种传感器数据依据其标签进行分类后交给DSP模块中不同的算法模块进行处理,传感算法模块处理后得到声音的原始数据、识别结果、定位参数,震动的原始数据、识别结果、定位参数,红外和图像的原始数据、识别结果,最终通过DSPLINK传送至ARM模块,完成数据分发控制和系统管理。DSP模块的软件流程图如图6所示。

图6 DSP模块软件流程Fig.6 Flow chart of the DSP module

4 结 语

为满足低功耗高性能传感器节点的需求,设计了一种基于OMAPL138的无线传感器系统节点。该节点接口丰富、性能强大且体积小、功耗低,不仅满足多样的传感器接口,还能够实时处理采集的传感数据使得复杂的算法得以实现,嵌入式开源的Linux系统也使得软件的配置更加灵活。该节点已成功应用于无人值守网络化传感器系统,运行可靠稳定,还可广泛应用于其他领域的无线传感器网络的节点构建。

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ZHAI Wei(1982-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in the research of wireless sensor network.

刘 成(1986—),男,硕士,工程师,主要研究方向为数字信号处理;

LIU Cheng(1986-),male,M.Sci.,engineer,mainly engaged in digital signal processing.

田永春(1974—),男,博士,高级工程师,主要研究方向为战术通信系统。

TIAN Yong-chun(1974-),male,Ph.D.,senior engineer, mainly engaged in the research oftactical communication system.

Design of Wireless Sensor Network Node based on OMAPL138 Chip

ZHAI Wei,LIU Cheng,TIAN Yong-chun
(No.30 Institute of CETC,Chengdu Sichuan 610041,China)

With the rapid development of sensor and wireless network technology,wireless sensor network would have large application prospects in military and commercial areas.The nodes with perception and routing functions in the wireless sensor network are the elementary units of the whole network.Aiming at the features of sensor network node,and based on dual-core architecture OMAPL138,a wireless sensor network node with low power-consumption and high performance is designed.With the introduction of OMAPL138,the design process and implementation of sensor network node are also described,including the hardware architecture and the software development procedure.This solution could be applied in the construction of wireless sensor network in other fields.

wireless sensor network;node;dual-core architecture

TP212.9

A

1002-0802(2014)02-0221-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.02.020

翟 巍(1982—),男,硕士,工程师,主要研究方向为无线传感器网络;