2018年02月05日 | 基于嵌入式Linux无线多频段WSN网关设计

    本文针对目前物联网感知层无线通信协议种类众多、组网方式多样的问题，本文采用32位ARM920T芯片S3C2440A，移植Linux2．6．24内核，结合3G网络和以太网设计了一种多频段网关。通过以太网或者移动通信网络，各频段网关监控了多个频段的无线传感器子网节点的运行情况。

    目前，物联网(Internet of Things，IOT)正呈现飞速发展的态势。本文介绍一种无线多频段WSN网关，可通过以太网或者移动通信网络，监控多个频段的无线传感器子网节点的运行情况。

1 系统总体结构
    本文设计的系统在感知层采用4个频段的无线传感器网络节点。各频段子网通过一个多频段网关装置接入到网络层。用户可以通过监控终端监控现场数据，监控终端既可以是固定的PC机，也可以是移动的3G设备。同时，网关还具备良好的扩展性，网关可以同时接入多个频段的WSN网络。多频段WSN网关系统结构框图如图1所示。

    

2 网关硬件系统设计
    网关的主控制单元采用ARM9芯片S3C2440A，主频400 MHz，外扩64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash。微处理器的外设数据控制器(PDC)向串行外设提供DMA通道，使其与片内以及片外存储器读写传输数据时不经过处理器。
    网关3G网络接入端采用USB接口，实现与3G网络的通信；无线传感器网络子网接入端分别是2．4 GHz子网接入模块、780 MHz子网接入模块、470 MHz子网接入模块和433 MHz子网接入模块，各子网模块都是通过串口实现与网关主控制单元的通信。以太网控制部分整个网关的结构框图如图2所示。

    图2 多频道WSN网关硬件结构框图

    2．1 多频段无线传感网子网接入部分

    由于S3C2440A芯片自身只有3通道的串口。而4个频段的子网接入模块都是采用串行通信接口，ARM9芯片本身不能满足本系统需求，所以需要利用外围扩展芯片，设计串口扩展电路来满足系统的需求。本设计采用TI公司的TL16C554A芯片，通过并行数据线和地址线扩展出来4路全功能串口。

    TL16C554A芯片是8位数据宽度，TL16C554A的D0～D7引脚与ARM9芯片直接相连，读写信号是直接连接的。TL16C554A的引脚INA、INTB、INTC、INTD分别接在主控制芯片的引脚INT0、INT2、INT3、INT4，这样扩展的各通道串口就能通过中断独立地工作。

    将S3C2440A的地址线A0～A3与TL16C554A的A0～A3直接相连，S3C2440A的nGCS2作为译码器74LS139的片选信号。74LS139的输入端分别接地址线A4～A5。根据译码器译码，实现地址分配，再通过ARM芯片地址映射。外扩的4通道串口的物理地址为通道A——0x10000000～0x10000008

    通道B——0x10000010～0x10000018

    通道C——0x10000020～0x100000028

    通道D——0x10000030～0x10000038。

    主控制芯片通过访问这些地址就能访问外部寄存器，即TL16C554A芯片片内寄存器地址。多频段子网接入部分接口电路如图3所示。

2．2 3G网络接入接口部分
    3G网络接入部分采用USB接口的华为ET128无线网卡。接入接口使用USB—HUB芯片AU9254A21，它是一款单芯片USB集线器控制器。AU92 54A21采用12MHz无源晶振，为芯片工作提供独立的时钟。3G网络接入部分接口电路如图4所示。

    
2．3 以太网接入部分
    网关通过以太网口发送数据包的原理是：处理器先将待发送的数据存入到内部存储器，提供发送缓冲区的首地址和数据长度，然后执行发送命令，由DM9000A将数据按TCP／IP协议格式发送到物理链路上。
    因以太网信号电平与以太网控制器信号电平不同，所以在硬件电路实现上需要在控制器与RJ-45接口间增加一个网络变压器，网络变压器
采用TRC9016。
    电信号通过网络变压器转换，然后经RJ-45接口接入以太网，从而完成数据发送过程。DM9000A主要完成数据包和数字电信号之间的相互转换。

3 网关软件系统设计
    网关的软件环境采用的是嵌入式Linux系统。移植好的Linux2．6．24源码已经包含了以太网控制器DM9000A、USB接口芯片等芯片的驱动。因此，软件部分只需要设计串口扩展芯片TL1 6C554A的驱动程序以及Linux环境下的应用程序即可。
3．1 串口扩展芯片TL16C554A驱动的实现
    Linux2．6．24内核提供了统一的设备驱动模型。多串口设备驱动的注册，流程如图5所示。

    
3．2 Linux下PPP的管理和配置
    根据网关硬件接口的情况修改、移植通用驱动代码后，通过相关的配置，定制和编译网关所需的内核映像文件。内核编译采用的交叉编译器版本为arm-linux-gCC3．4．1，使用makemenuconfig ARCH=arm命令进入内核配置图形化界面，选择和PPP(Point-to-Point，点对点协议)有关的选项，添加系统对PPP功能的支持。界面如图6所示。配置完成以后，保存设置，退出内核配置图形化界面。使用命令：makeuImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-．编译完成以后，会在源码包的arch／arm／boot路径下生成内核映像文件uImage，如图7所示。

3．3 嵌入式Linux网络编程
    本设计中通过TD—SCDMA网络接入Internet。WSN子网的某一节点在上电后，网关分配给其一个1 6位的短地址，使其在子网中标识自己，然后周期性地发送其采集到的数据。网关收到传感器节点传送过来的数据之后，进行IEEE 802．15．4协议与以太网协议的转换，为了向网络设备提供透明的接口和区分串口数据的来源，需要制定统一的数据帧格式，所以协议转换后加上slip的帧头，通过串口设备发送给ARM。
    ARM在解析了slip帧头之后交给上层以及MAC层，解析以太网头，然后上交给适配层，适配层将对完整的IPv6数据进行压缩或者分片。数据在IPv6层根据邻居发现，找到要发送的网络，并且进行路由转发，经过在MAC层加上相应的MAC头后，经TD模块发送到TD—SCDMA通信网。这样，从子网到TD网络的数据转发结束。
3．3．1 PPP协议简介
    PPP是一种提供两个实体之间数据包传输的链路连接设计的链路层协议。这种链路具有全双工操作、实现流量和差错控制等功能，并按照顺序传递数据包。可以通过拨号或者专线方式，让客户端和服务端建立起一种点对点的连接，传递数据。
3．3．2 建立拨号连接
    在Linux系统中，通过PPP可以将主机与一个PPP服务器连接并进入该服务器所连接的网络资源，就好像直接连上那个网络一样。建立一个PPP连接上网主要有以下步骤：第一步是调用会话程序。然后会话程序通过发送AT指令给3G模块，完成拨号、身份验证、配置等工作。最后，客户端的pppd程序与服务器端的pppd程序进行握手，建立好连接，相互传递数据。多频段网关建立网络连接流程图如图8所示。

    
3．4 应用程序的设计
    由于数据来源于4个频段子网汇聚节点的串口，因此网关的应用程序采集多频段子网汇聚节点数据部分设计上采用Linux系统中的多设备读取机制select(I／O多工机制)来实现对多个串口的监听。多串口采集数据的流程如图9所示。

 图9 多串口采集数据的流程图

  4 实例测试

    图10为PPP拨号成功后超级终端显示的Linux系统信息截图，拨号目标上位机地址是222．182．101．220，从图中可以看出，PPP拨号成功，并且获得了TD网络分配的IPv4地址10．81．185．15，远程服务器IP为192．200．1．21。

图10 PPP拨号成功后超级终端显示的Linux系统信息截图

      网数据信息图略——编者注。WSN子网数据信息通过网关发送到公网后，TCP／UDP客户端成功接收显示的WSN子网数据信息。

    结语

    随着物联网时代，TD—SCDMA将促进物联网有效发挥无缝通信的巨大威力，该方案充分利用了互联网和无线通信公用网络资源，将无线传感网技术、嵌入式技术、TD—SCDMA通信有机地结合起来，成功设计了WSN／TD网关，实现了无线传感网与TD—SCDMA网络的融合，在实际应用当中取得了良好的效果。