前言：本站為你精心整理了WSN網(wǎng)關(guān)研究設(shè)制范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢。

本文作者：楊旭1,2周國(guó)祥1作者單位：1.合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院2.安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wsn，WirelessSensorNetworks)，是一種新興的環(huán)境信息感知技術(shù)，作為溝通客觀物理世界和主觀世界的載體與橋梁，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將是一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，物理節(jié)點(diǎn)主要可以分為兩種：普通傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。普通傳感器節(jié)點(diǎn)，一般情況是一個(gè)微型嵌入式系統(tǒng)，通過(guò)攜帶能量有限的電池進(jìn)行供電，因此其處理能力、通信能力、存儲(chǔ)能力和生存能力相對(duì)較弱。與普通節(jié)點(diǎn)相比，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算處理能力、通信能力、存儲(chǔ)能力及生存能力較強(qiáng)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)連接無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是一種特殊的節(jié)點(diǎn)，它負(fù)責(zé)連接無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并使傳感器網(wǎng)絡(luò)可以與其之外的骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。一般來(lái)說(shuō)，網(wǎng)關(guān)是傳感器網(wǎng)絡(luò)中最大的匯聚點(diǎn)，需要處理大量的數(shù)據(jù)，并按照相應(yīng)的要求把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到不同的通信模塊上去。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)計(jì)算處理能力和信息的存儲(chǔ)能力的要求比普通傳感器節(jié)點(diǎn)更高。該文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，使傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)信息可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端，用戶還可以遠(yuǎn)程登錄位于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的嵌入式WEB服務(wù)器查詢相關(guān)信息。因此，本網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)能夠改善無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸及匯聚問(wèn)題，使管理人員能夠及時(shí)準(zhǔn)確地在遠(yuǎn)程終端上獲取無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，并通過(guò)遠(yuǎn)程終端即可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理等操作。

1嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

1.1網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)原理

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[1]是一個(gè)特殊并且及其重要的節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)它與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。同樣，外部網(wǎng)絡(luò)中的用戶也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行查詢和操作。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)最重要的任務(wù)就是負(fù)責(zé)兩個(gè)不同網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互。在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)傳輸一般采用短距離的無(wú)線通信技術(shù)，因此傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，使用的是基于共享信道的無(wú)線通訊方式。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線通信技術(shù)。它既有IEEE802.15.4省電、簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，又增加了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用層，應(yīng)用前景廣闊。

1.2硬件設(shè)計(jì)思想

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要有以下兩種[2]：1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是沒(méi)有環(huán)境信息采集功能，僅帶有無(wú)線通信接口、以太網(wǎng)通信接口的嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備。該網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以接收無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中其他傳感器節(jié)點(diǎn)采集和處理后的數(shù)據(jù)，再通過(guò)以太網(wǎng)接口將數(shù)據(jù)最終傳送到用戶終端。2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還可以是在普通傳感器節(jié)點(diǎn)上加裝串口通信模塊、USB通信模塊等裝置與PC進(jìn)行連接，使用PC來(lái)作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，來(lái)收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其他傳感器節(jié)點(diǎn)采集和處理后的數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：1）嵌入式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)控制能力。這是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最重要的體現(xiàn)[3]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)就是完成Internet和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)兩種異構(gòu)網(wǎng)之間的信息交互，沒(méi)有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)控制能力，就無(wú)法妥善的完成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。2）較強(qiáng)的信息處理及任務(wù)調(diào)度能力。作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)隨時(shí)收到來(lái)自不同網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳遞任務(wù)，如果沒(méi)有強(qiáng)大的信息處理及任務(wù)調(diào)度能力，那么勢(shì)必會(huì)造成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在不同的任務(wù)需求中來(lái)回切換，以至不能完成異構(gòu)網(wǎng)之間的信息交互任務(wù)。3）更好地支持網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。由于傳統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)數(shù)據(jù)處理能力較弱，所以其很難實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)特性。4）更大的存儲(chǔ)空間。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)為了便于將數(shù)據(jù)融合、處理，便于遠(yuǎn)端用戶查詢及定期打包發(fā)送，一般都需要較高容量的存儲(chǔ)空間。

1.3軟件設(shè)計(jì)思想

操作系統(tǒng)是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件的靈魂，由于嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的特殊性，導(dǎo)致其對(duì)操作系統(tǒng)的需求相對(duì)于傳統(tǒng)操作系統(tǒng)有較大的差異。無(wú)線傳感器嵌入式操作系統(tǒng)一般需要滿足以下幾個(gè)特性：1）實(shí)時(shí)性[4]：只有操作系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)才能夠及時(shí)響應(yīng)不同網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求并及時(shí)反饋，按照相應(yīng)的任務(wù)調(diào)度策略完成不同任務(wù)之間的調(diào)度，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)。2）健壯性和容錯(cuò)性[5]：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上的操作系統(tǒng)必須擁有較好的健壯性和容錯(cuò)性，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)因?yàn)槟芰慷У那闆r，并通過(guò)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)出調(diào)節(jié)請(qǐng)求來(lái)保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常工作。3）剪裁性[6]：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)需要有較強(qiáng)的針對(duì)性，其內(nèi)核應(yīng)能夠自由配置，對(duì)于一些不需要的模塊可以剪裁，從而適應(yīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)對(duì)于不同硬件資源的要求。4）網(wǎng)絡(luò)支持：用于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要擔(dān)負(fù)不同異構(gòu)網(wǎng)之間的信息交互，因此需要在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的嵌入式操作系統(tǒng)中提供必要的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧支持。5）代碼量：由于嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間相對(duì)有限，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的操作系統(tǒng)的核心代碼量必須較小。6）功能可擴(kuò)展[7]：未來(lái)，根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境的不同，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能也會(huì)多樣化。

嵌入式Linux操作系統(tǒng)[8]是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的改進(jìn)，并對(duì)內(nèi)核裁剪修改使其能在嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)上運(yùn)行的操作系統(tǒng)。嵌入式Linux操作系統(tǒng)既繼承了傳統(tǒng)Linux開(kāi)放的源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性，因此Linux做嵌入式系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)。①開(kāi)放性較好；②代碼量較?。虎鄢杀镜?；④兼容性較好；⑤豐富的網(wǎng)絡(luò)功能。綜上所述，由于嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核較小、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能、廣泛的硬件支持、開(kāi)放源代碼、優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)發(fā)成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，再加上其移植到嵌入式系統(tǒng)之后對(duì)內(nèi)核中任務(wù)調(diào)度實(shí)時(shí)性做了相應(yīng)改進(jìn)，因此適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)的需求。該文也因此采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為嵌入式網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件平臺(tái)。

2系統(tǒng)測(cè)試分析

2.1WEB應(yīng)用配置

BOAWebserver[9]是一個(gè)運(yùn)行于unix或linux下的小巧高效的單任務(wù)web服務(wù)器，其源代碼開(kāi)放、性能可靠、支持CGI的、運(yùn)行只需要140KB的空間，因此BOAWebserver非常適合于嵌入式系統(tǒng)。MiniSQL（也叫mSQL的）是一種輕量級(jí)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，它提供了一個(gè)快速查詢數(shù)據(jù)的借口，并且開(kāi)銷很小。由于MiniSQL的短小精悍，使得其在嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)中受到了用戶的青睞。

2.2系統(tǒng)測(cè)試分析

由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)帶有串口，因此我們可以通過(guò)串口查看系統(tǒng)啟動(dòng)過(guò)程的各種信息，從而對(duì)系統(tǒng)的整體運(yùn)行進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試使用一個(gè)模擬終端程序—串口助手，來(lái)通過(guò)PC上的串口連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。如圖2所示，串口助手需要對(duì)串口后、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位及停止位做一些設(shè)置以便和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信。設(shè)置完畢后打開(kāi)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)電源，就會(huì)在串口助手上顯示網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)相關(guān)信息。出于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的考慮，實(shí)驗(yàn)選用了實(shí)驗(yàn)室自主開(kāi)發(fā)的射頻芯片為CC2420芯片的CC2431傳感器節(jié)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境選擇在較為空曠，周圍沒(méi)有明顯遮擋物的室外進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)使用該文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)作為接收節(jié)點(diǎn)，CC2431傳感器節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，完成了無(wú)線通信距離及接收信號(hào)強(qiáng)度兩種實(shí)驗(yàn)。1）最大通信距離離網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)0到100米內(nèi)，每間隔10米，發(fā)送100個(gè)長(zhǎng)度為100byte字節(jié)的數(shù)據(jù)包。測(cè)試人員通過(guò)PC機(jī)的串口連接網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，并在PC運(yùn)行上位機(jī)程序觀察接收到的數(shù)據(jù)包，并對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。從圖5中可以看出來(lái)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的接收30米以內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包的丟包率較小，其無(wú)線通信性能較好，隨著通信距離的加大丟包率逐漸增加，到70米左右，其丟包率超過(guò)50%已經(jīng)無(wú)法滿足正常的無(wú)線通信對(duì)丟包率的要求。2）信號(hào)強(qiáng)度衰減使用CC2431傳感器節(jié)點(diǎn)作為發(fā)射節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)。分別在距離發(fā)射節(jié)點(diǎn)10米、20米、30米、40米、50米、60米處測(cè)量網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的接收信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，繪制的信號(hào)強(qiáng)度示意圖如下：從圖6中可以看出和丟包率一樣，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在30米內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度衰減較小，隨著通信距離的增大信號(hào)強(qiáng)度衰減加大。

以上兩個(gè)實(shí)驗(yàn)表明，該文設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在短距離無(wú)線通信中的性能較好。隨著通信距離的加大，其無(wú)線通信的信號(hào)強(qiáng)度衰減逐步增加，丟包率也隨之增加。以太網(wǎng)測(cè)試及WEB測(cè)試在室內(nèi)進(jìn)行，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與測(cè)試所用PC通過(guò)一臺(tái)三層交換機(jī)連接，其中網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的IP地址配置為192.168.166.187，WEB端口為；測(cè)試PC的IP為192.168.166.184；交換機(jī)IP地址為192.168.166.129。分別在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和PC上通過(guò)ping命令來(lái)測(cè)試最大數(shù)據(jù)包時(shí)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。兩個(gè)圖的對(duì)比表明，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)性能比較優(yōu)秀，在單個(gè)數(shù)據(jù)包為65500字節(jié)的較重負(fù)載下，沒(méi)有丟包，時(shí)延平均且較小，沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)大的抖動(dòng)。圖9為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)WEB服務(wù)器的登陸頁(yè)面。我們?cè)诎咽孪仍O(shè)置的用戶名和密碼輸入進(jìn)去就可以看到傳感器網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息了。圖10為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)WEB平臺(tái)查詢頁(yè)面。在這個(gè)頁(yè)面，遠(yuǎn)端用戶可以看到傳感器網(wǎng)絡(luò)里面每個(gè)節(jié)點(diǎn)的信息采集數(shù)據(jù)和網(wǎng)關(guān)節(jié)的相關(guān)信息。我們通過(guò)對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的WEB登陸頁(yè)面重復(fù)刷新來(lái)驗(yàn)證WEB平臺(tái)的穩(wěn)定性。測(cè)試結(jié)果表明，重復(fù)刷新40次，WEB平臺(tái)正常登陸，未出現(xiàn)死機(jī)，查詢數(shù)據(jù)較快。這些都說(shuō)明網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的WEB平臺(tái)完全達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

3總結(jié)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)必然將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的普及做出巨大的貢獻(xiàn)。該文針對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行了分析，研究并實(shí)現(xiàn)了基于嵌入式系統(tǒng)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)雖然達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，但是由于水平有限，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟硬件平臺(tái)的性能還有待進(jìn)一步改善。