基于Linux2.6.24內(nèi)核的WSN 多頻段網(wǎng)關(guān)設(shè)計※

嚴冬，朱柏寒，張森

（重慶郵電大學 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)絡(luò)化控制教育部重點實驗室，重慶400065）

引 言

目前，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）正呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢。本文介紹一種無線多頻段WSN 網(wǎng)關(guān)，可通過以太網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控多個頻段的無線傳感器子網(wǎng)節(jié)點的運行情況。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的系統(tǒng)在感知層采用4個頻段的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。各頻段子網(wǎng)通過一個多頻段網(wǎng)關(guān)裝置接入到網(wǎng)絡(luò)層。用戶可以通過監(jiān)控終端監(jiān)控現(xiàn)場數(shù)據(jù)，監(jiān)控終端既可以是固定的PC機，也可以是移動的3G 設(shè)備。同時，網(wǎng)關(guān)還具備良好的擴展性，網(wǎng)關(guān)可以同時接入多個頻段的WSN網(wǎng)絡(luò)。多頻段WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的主控制單元采用ARM9芯片S3C2440A，主頻400 MHz，外擴64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash。微處理器的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器（PDC）向串行外設(shè)提供DMA通道，使其與片內(nèi)以及片外存儲器讀寫傳輸數(shù)據(jù)時不經(jīng)過處理器。

圖1 多頻段WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)關(guān)3G 網(wǎng)絡(luò)接入端采用USB接口，實現(xiàn)與3G 網(wǎng)絡(luò)的通信；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)接入端分別是2.4GHz子網(wǎng)接入模塊、780 MHz子網(wǎng)接入模塊、470 MHz子網(wǎng)接入模塊和433 MHz子網(wǎng)接入模塊，各子網(wǎng)模塊都是通過串口實現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)主控制單元的通信。以太網(wǎng)控制部分整個網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 多頻段無線傳感網(wǎng)子網(wǎng)接入部分

由于S3C2440A 芯片自身只有3 通道的串口。而4個頻段的子網(wǎng)接入模塊都是采用串行通信接口，ARM9芯片本身不能滿足本系統(tǒng)需求，所以需要利用外圍擴展芯片，設(shè)計串口擴展電路來滿足系統(tǒng)的需求。本設(shè)計采用TI公司的TL16C554A 芯片，通過并行數(shù)據(jù)線和地址線擴展出來4路全功能串口。

圖2 多頻段WSN網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖

TL16C554A 芯片是8 位數(shù)據(jù)寬度，TL16C554A 的D0～D7引腳與ARM9芯片直接相連，讀寫信號是直接連接的。TL16C554A 的引腳INA、INTB、INTC、INTD分別接在主控制芯片的引腳INT0、INT2、INT3、INT4，這樣擴展的各通道串口就能通過中斷獨立地工作。

將S3C2440A 的地址線A0～A3 與TL16C554A 的A0～A3 直接相連。S3C2440A 的nGCS2 作為譯碼器74LS139的片選信號。74LS139 的輸入端分別接地址線A4～A5。根據(jù)譯碼器譯碼，實現(xiàn)地址分配，再通過ARM芯片地址映射。外擴的4通道串口的物理地址為

通道A——0x10000000～0x10000008

通道B——0x10000010～0x10000018

通道C——0x10000020～0x100000028

通道D——0x10000030～0x10000038。

主控制芯片通過訪問這些地址就能訪問外部寄存器，即TL16C554A 芯片片內(nèi)寄存器地址。多頻段子網(wǎng)接入部分接口電路如圖3所示。

2.2 3G網(wǎng)絡(luò)接入接口部分

3G 網(wǎng)絡(luò)接入部分采用USB接口的華為ET128無線網(wǎng)卡。接入接口使用USB-HUB芯片AU9254A21，它是一款單芯片USB 集線器控制器。AU9254A21 采用12 MHz無源晶振，為芯片工作提供獨立的時鐘。3G 網(wǎng)絡(luò)接入部分接口電路如圖4所示。

2.3 以太網(wǎng)接入部分

網(wǎng)關(guān)通過以太網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)包的原理是：處理器先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)存入到內(nèi)部存儲器，提供發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和數(shù)據(jù)長度，然后執(zhí)行發(fā)送命令，由DM9000A 將數(shù)據(jù)按TCP／IP協(xié)議格式發(fā)送到物理鏈路上。

因以太網(wǎng)信號電平與以太網(wǎng)控制器信號電平不同，所以在硬件電路實現(xiàn)上需要在控制器與RJ-45接口間增加一個網(wǎng)絡(luò)變壓器，網(wǎng)絡(luò)變壓器采用TRC9016。

圖3 多頻段子網(wǎng)接入部分接口電路

電信號通過網(wǎng)絡(luò)變壓器轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)RJ-45接口接入以太網(wǎng)，從而完成數(shù)據(jù)發(fā)送過程。DM9000A 主要完成數(shù)據(jù)包和數(shù)字電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖4 3G網(wǎng)絡(luò)接入部分接口電路

3 網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的軟件環(huán)境采用的是嵌入式Linux系統(tǒng)。移植好的Linux2.6.24 源碼已經(jīng)包含了以太網(wǎng)控制器DM9000A、USB接口芯片等芯片的驅(qū)動。因此，軟件部分只需要設(shè)計串口擴展芯片TL16C554A 的驅(qū)動程序以及Linux環(huán)境下的應(yīng)用程序即可。

3.1 串口擴展芯片TL16C554A驅(qū)動的實現(xiàn)

Linux2.6.24內(nèi)核提供了統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動模型。多串口設(shè)備驅(qū)動的注冊，流程如圖5所示。

3.2 Linux下PPP的管理和配置

根據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件接口的情況修改、移植通用驅(qū)動代碼后，通過相關(guān)的配置，定制和編譯網(wǎng)關(guān)所需的內(nèi)核映像文件。內(nèi)核編譯采用的交叉編譯器版本為armlinux-gcc3.4.1，使用make menuconfig ARCH＝arm 命令進入內(nèi)核配置圖形化界面，選擇和PPP（Point-to-Point，點對點協(xié)議）有關(guān)的選項，添加系統(tǒng)對PPP功能的支持。界面如圖6所示。配置完成以后，保存設(shè)置，退出內(nèi)核配置圖形化界面。使用命令：make uImage ARCH＝arm CROSS＿COMPILE＝arm-linux-.編譯完成以后，會在源碼包的arch／arm／boot路徑下生成內(nèi)核映像文件uImage，如圖7所示。

圖5 多串口設(shè)備驅(qū)動的注冊流程圖

圖6 Linux下PPP的管理和配置界面

圖7 配置完成后生成的映像文件

3.3 嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)編程

本設(shè)計中通過TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)接入Internet。WSN 子網(wǎng)的某一節(jié)點在上電后，網(wǎng)關(guān)分配給其一個16位的短地址，使其在子網(wǎng)中標識自己，然后周期性地發(fā)送其采集到的數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)收到傳感器節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)之后，進行IEEE 802.15.4協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，為了向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供透明的接口和區(qū)分串口數(shù)據(jù)的來源，需要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式，所以協(xié)議轉(zhuǎn)換后加上slip的幀頭，通過串口設(shè)備發(fā)送給ARM。

ARM 在解析了slip 幀頭之后交給上層以及MAC層，解析以太網(wǎng)頭，然后上交給適配層，適配層將對完整的IPv6數(shù)據(jù)進行壓縮或者分片。數(shù)據(jù)在IPv6層根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn)，找到要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)，并且進行路由轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過在MAC層加上相應(yīng)的MAC頭后，經(jīng)TD模塊發(fā)送到TD-SCDMA通信網(wǎng)。這樣，從子網(wǎng)到TD網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。

3.3.1 PPP協(xié)議簡介

PPP是一種提供兩個實體之間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)逆溌愤B接設(shè)計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路具有全雙工操作、實現(xiàn)流量和差錯控制等功能，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包?？梢酝ㄟ^撥號或者專線方式，讓客戶端和服務(wù)端建立起一種點對點的連接，傳遞數(shù)據(jù)。

3.3.2 建立撥號連接

在Linux系統(tǒng)中，通過PPP可以將主機與一個PPP服務(wù)器連接并進入該服務(wù)器所連接的網(wǎng)絡(luò)資源，就好像直接連上那個網(wǎng)絡(luò)一樣。建立一個PPP連接上網(wǎng)主要有以下步驟：第一步是調(diào)用會話程序。然后會話程序通過發(fā)送AT 指令給3G模塊，完成撥號、身份驗證、配置等工作。最后，客戶端的pppd程序與服務(wù)器端的pppd程序進行握手，建立好連接，相互傳遞數(shù)據(jù)。多頻段網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)連接流程圖如圖8所示。

圖8 多頻段網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)連接流程圖

3.4 應(yīng)用程序的設(shè)計

由于數(shù)據(jù)來源于4個頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點的串口，因此網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序采集多頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)部分設(shè)計上采用Linux系統(tǒng)中的多設(shè)備讀取機制select（I／O 多工機制）來實現(xiàn)對多個串口的監(jiān)聽。多串口采集數(shù)據(jù)的流程如圖9所示。

4 實例測試

圖10為PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統(tǒng)信息截圖，撥號目標上位機地址是222.182.101.220，從圖中可以看出，PPP撥號成功，并且獲得了TD 網(wǎng)絡(luò)分配的IPv4地址10.81.185.15，遠程服務(wù)器IP為192.200.1.21。

圖9 多串口采集數(shù)據(jù)的流程圖

圖10 PPP撥號成功的Linux系統(tǒng)信息圖

網(wǎng)數(shù)據(jù)信息圖略——編者注。WSN 子網(wǎng)數(shù)據(jù)信息通過網(wǎng)關(guān)發(fā)送到公網(wǎng)后，TCP／UDP客戶端成功接收顯示的WSN 子網(wǎng)數(shù)據(jù)信息。

結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代，TD-SCDMA 將促進物聯(lián)網(wǎng)有效發(fā)揮無縫通信的巨大威力，該方案充分利用了互聯(lián)網(wǎng)和無線通信公用網(wǎng)絡(luò)資源，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、TD-SCDMA 通信有機地結(jié)合起來，成功設(shè)計了WSN／TD 網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的融合，在實際應(yīng)用當中取得了良好的效果。

本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1］張毅.物聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)與應(yīng)用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011（8）：95-96.

［2］曹建州.3G 技術(shù)及其在通信中的應(yīng)用［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2009（16）：117-118.

［3］L Atzori，A Iera，G Morabito.The Internet of Things：A Survey［J］.Computer Networks，2010，54（15）：2787-2805.

［4］物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃［EB／OL］.［2012-09］.http：／／wenku.baidu.com／view／ed351b5b804d2b160b4ec027.html.

［5］國家工業(yè)與信息部.關(guān)于發(fā)布《微功率（短距離）無線電設(shè)備的技術(shù)要求》的通知［EB／OL］.［2012-09］.http：／／www.miit.gov.cn／n11293472／n11295310／n11297428／11637344.html.

［6］胡振國.基于ARM 的嵌入式軟硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.成都：電子科技大學，2010.

［7］張大波.新編嵌入式系統(tǒng)原理——應(yīng)用與設(shè)計［M］.北京：清華大學出版社，2010：38-39.