基于OMAPL138芯片的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

翟 巍,劉 成,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

基于OMAPL138芯片的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

翟 巍,劉 成,田永春

(中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

隨著傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事和商業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有感知和路由的功能,是構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元。針對傳感器節(jié)點的特點,基于雙核架構(gòu)OMAPL138為核心設(shè)計了一種低功耗高性能無線傳感器節(jié)點。在介紹OMAPL138的基礎(chǔ)上,詳細闡述了傳感器節(jié)點設(shè)計及實現(xiàn)過程,包括硬件體系結(jié)構(gòu)和軟件開發(fā)流程,提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計方案。該方案可廣泛應(yīng)用于其他區(qū)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點 雙核架構(gòu)

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及嵌入式處理技術(shù)的發(fā)展,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)正逐漸成為現(xiàn)代信息技術(shù)中的一個熱門的研究領(lǐng)域,受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)隨機布設(shè)、多跳通信、自組織和協(xié)同工作等特點使得它在軍事、工業(yè)、智能家居、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療保健等諸多領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景,尤其適合部署在惡劣環(huán)境和人不宜到達場所。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由大量具有通信計算能力的微小傳感器節(jié)點及少量的匯聚節(jié)點通過無線通信方式而構(gòu)成。傳感器節(jié)點一方面完成目標(biāo)傳感信息的采集和預(yù)處理,另一方面對本身采集的數(shù)據(jù)和收到其它節(jié)點送的數(shù)據(jù)進行綜合,轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點并響應(yīng)匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)及指令[1]。傳感器節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中最基本的元素同時也是最重要的元素,其主要特點:數(shù)量大、體積小、功能強、能耗低、成本低。傳感器節(jié)點設(shè)計的優(yōu)劣直接決定整個系統(tǒng)的功能能否實現(xiàn)、各性能指標(biāo)能否符合要求。因此對傳感器節(jié)點的設(shè)計是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的首要任務(wù),基于OMAPL138平臺設(shè)計的傳感器節(jié)點采用雙核架構(gòu),功能強、功耗低,具有高可靠性、高集成度、高靈活性、高性價比等特點。

1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線傳感器系統(tǒng)的物理實體通常包括:傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、接入節(jié)點、管理及應(yīng)用系統(tǒng)終端(簡稱管理應(yīng)用終端),圖1為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of WSN

傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點隨機布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)部或附近,該過程可以通過人工部署、飛行器撒播或彈射等方式完成,傳感器節(jié)點主要利用各種感知探測手段完成對目標(biāo)信息的捕獲(譬如聲音、震動、紅外、圖像等)和初步處理,并通過無線方式向某個匯聚節(jié)點上報,匯聚節(jié)點收集并融合處理其周圍各個傳感器節(jié)點轉(zhuǎn)交過來的感知信息,然后通過傳感器網(wǎng)絡(luò)按既定格式將數(shù)據(jù)送至接入節(jié)點[2],接入節(jié)點將匯聚來的大量信息通過標(biāo)準(zhǔn)IP網(wǎng)絡(luò)向管理應(yīng)用終端傳送。整個系統(tǒng)最終通過管理應(yīng)用終端對這些數(shù)據(jù)進行融合、計算和處理,向用戶提供應(yīng)用服務(wù),輸出監(jiān)測結(jié)果信息。

2 節(jié)點硬件設(shè)計

傳感器節(jié)點的基本硬件功能模塊組成如圖2所示。

圖2 無線傳感器節(jié)點硬件框Fig.2 Hardware diagram of wireless sensor node

主要由傳感采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊(包括CPU、存儲器等)、無線通信模塊和電源模塊組成[3]。傳感采集模塊包括各種傳感器、調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換器,用于感知、采集數(shù)據(jù)和執(zhí)行各種控制動作;數(shù)據(jù)處理模塊是節(jié)點的核心模塊,用于完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、執(zhí)行通信協(xié)議和節(jié)點調(diào)度管理等工作;無線通信模塊用于完成無線通信任務(wù);電源模塊是所有電子系統(tǒng)的基礎(chǔ),為傳感器節(jié)點提供能量供應(yīng)。

2.1 傳感采集模塊

傳感采集模塊主要負(fù)責(zé)完成目標(biāo)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,主要包括傳感器和調(diào)理采集電路兩部分。傳感采集模塊中傳感器的選擇應(yīng)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所在的地區(qū)環(huán)境特點而定,以適應(yīng)溫度、濕度、聲音、震動、紅外等不同探測信號的要求。傳感器后端的調(diào)理電路主要完成將傳感器采集到的模擬信號放大、濾波,轉(zhuǎn)換成能與A/D轉(zhuǎn)換器相適配的信號。由于無人傳感器網(wǎng)絡(luò)大多部署在環(huán)境惡劣的區(qū)域內(nèi),傳感器采集輸出的原始信號非常微弱,很容易被噪聲淹沒,因此傳感采集模塊的調(diào)理電路既能有效抑制噪聲干擾又能放大原始信號,需要設(shè)計低功耗、低噪聲、高增益的調(diào)理放大電路。依據(jù)具體傳感器網(wǎng)絡(luò)部署的環(huán)境特點,本設(shè)計傳感器采集模塊主要提供了聲音、震動、圖像、紅外四種傳感器。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是無線傳感器節(jié)點的計算核心,所有設(shè)備的控制、任務(wù)調(diào)度、能量計算和功能協(xié)調(diào)、通信協(xié)議、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)存儲程序都在這個模塊的支持下完成,因此數(shù)據(jù)處理模塊CPU的選擇在傳感器節(jié)點設(shè)計中是至關(guān)重要的。由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的特點,CPU選型應(yīng)該重點滿足以下方面要求:

1)低功耗:受工作環(huán)境限制,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的能量供給通常依賴電池,使用過程中難以更換或者充電,這就要求節(jié)點的設(shè)計必須考慮節(jié)能低功耗。

2)高集成度:受外形尺寸的限制模塊必須能夠提供足夠多的接口。

3)較強的處理能力:隨著感知信息的多樣化,網(wǎng)絡(luò)對節(jié)點的實時性要求很高,要求處理器的實時處理能力要強。

4)靈活性和擴展性:多功能傳感器節(jié)點是傳感器節(jié)點發(fā)展的趨勢,要求在設(shè)計的過程中充分考慮節(jié)點的靈活性和擴展性。

傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理器大多選用的是ATMEL或TI公司的8位單片機,其使用簡單、功耗較低,但是運算能力有限、擴展接口少、集成度低,很難滿足當(dāng)前的傳感器節(jié)點日益復(fù)雜的功能需求。基于新型傳感器節(jié)點的需求以及對CPU芯片性能、功耗的研究,本系統(tǒng)采用TI公司基于ARM+DSP雙核架構(gòu)的超低功耗處理器OMAPL138作為數(shù)據(jù)處理模塊的CPU。OMAPL138處理器的主要特性[4]:

1)低功耗:功耗范圍從12 mW(深度休眠)到480 mW(最大總功耗),支持DVS、DFS等節(jié)能策略。

2)高性能:ARM926EJ 300MHz和DSP C674X 300 MHz雙核架構(gòu)。

3)豐富外圍接口:提供主機DMA端口、UART、McASP/McBSP、SPI、I2C、MMC/SD控制器、USB1.1/2.0接口、SATA、eCAP以及eQEP等豐富的外圍接口。

4)高集成度:支持通用并行端口(UPP)可為FPGA、高速A/D、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及處理器間通信提供直接接口,VPIF接口可直接連接圖像傳感器。

5)高擴展性:支持標(biāo)準(zhǔn)EMIF接口,支持Nor-Flash、NandFlash等存儲模塊;支持DDR2、mDDR外擴存儲器擴展。

本系統(tǒng)所涉及的各個硬件模塊均是直接從OMAPL138的片上接口引出,硬件設(shè)計簡單可靠,軟件編程方便快捷,不僅縮小了板卡體積、降低了成本,而且也降低了開發(fā)難度,縮短研發(fā)周期。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊由無線射頻模塊和天線組成,主要負(fù)責(zé)與其它節(jié)點進行無線通信,交換控制消息和收發(fā)數(shù)據(jù)。同時無線傳輸模塊也是傳感器節(jié)點主要的耗能模塊之一,是傳感器節(jié)點設(shè)計的重點。無線通信模塊采用的調(diào)制模式、數(shù)據(jù)率、發(fā)射功率都是影響通信能量消耗的關(guān)鍵因素,因此選擇無線收發(fā)芯片時應(yīng)考慮以下幾點因素:功耗、發(fā)射功率、頻段、無線芯片所需要的外圍元件數(shù)量等。

本系統(tǒng)采用GainSpan公司推出的符合802. 11b/g/n標(biāo)準(zhǔn)的SOC無線射頻模塊GS1011M,它是基于單芯片的解決方案,模塊功能高度集成、接口資源豐富,只需極少的外部電路,性能穩(wěn)定且功耗極低(μW)。GSM1011M的主要性能特點:

1)高集成單芯片,集成了射頻、基帶、MAC、CPU、RTC、SRAM和FLASH。

2)支持IEEE標(biāo)準(zhǔn)802.11b/g/n協(xié)議,最高速率可達11 Mb/s。

3)3.3 V單電源供電,通過動態(tài)電源管理,可獲得極低的功耗。

2.4 電源模塊

電源模塊主要為傳感器節(jié)點提供運行所需的能量,電源模塊直接關(guān)系到傳感器節(jié)點的壽命、成本、體積和設(shè)計復(fù)雜度。電池供電是目前傳感器節(jié)點比較常見的供電方式,本系統(tǒng)采用鋰電池供電,其能量密度高體積小,支持剩余電能檢測上報。電源模塊將剩余電能信息上報至節(jié)點,傳感器節(jié)點依據(jù)自身剩余電能信息采取休眠算法在不同工作狀態(tài)之間動態(tài)切換,從而最大限度的延長無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使用壽命,提高傳感器節(jié)點的使用周期[5]。

3 節(jié)點軟件設(shè)計

嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的核心,它主要負(fù)責(zé)分配嵌入式系統(tǒng)的硬件資源和軟件資源,同時調(diào)度硬件和軟件的工作。由于嵌入式系統(tǒng)資源的嚴(yán)格限制,嵌入式操作系統(tǒng)必須具有良好的可剪裁性、可移植性、強實時性、高可靠性以及可擴展性。常見的嵌入式操作系統(tǒng)有:Vxworks、PSOS、Nucleus、WinCE、Linux等。本設(shè)計中選用了目前比較流行的Linux作為嵌入式操作系統(tǒng),并基于這一平臺實現(xiàn)應(yīng)用軟件的設(shè)計。Linux內(nèi)核采用Linux2.6.32版本,通過Vmware虛擬機制作RAMDISK文件并燒寫至Flash中的。節(jié)點上電以后,u-boot會從Flash中讀取RAMDISK文件到內(nèi)存,當(dāng)嵌入式系統(tǒng)啟動以后,便可以把它當(dāng)作文件系統(tǒng)使用。

由于OMAPL138內(nèi)含ARM9和C674X DSP兩個內(nèi)核,因此軟件開發(fā)需在兩個不同的環(huán)境下進行: ARM內(nèi)核采用嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境、DSP內(nèi)核采用CCS集成開發(fā)環(huán)境[6]。傳感器節(jié)點的軟件組織結(jié)構(gòu)視圖如圖3所示。軟件構(gòu)成包括ARM模塊和DSP模塊,ARM端主要包括系統(tǒng)管理控制、數(shù)據(jù)分發(fā)控制、信息控制、通信協(xié)議棧以及Linux操作系統(tǒng);DSP端在TI DSP/BIOS下主要完成傳感器采集信號的處理;ARM和DSP雙核之間的通信和數(shù)據(jù)的交互采用專用的底層雙核通信模塊DSPLINK,通過DSPLINK可共享片內(nèi)一塊RAM內(nèi)存區(qū)域和片外的DDR。

圖3 傳感器節(jié)點軟件組織結(jié)構(gòu)視圖Fig.3 Structure diagram of sensor node software

3.1 ARM模塊

傳感器節(jié)點提供的大多數(shù)外設(shè)均是連接在OMAPL138芯片的ARM端的,通過運行在ARM模塊的軟件來管理節(jié)點外設(shè)及程序的運行。

Linux系統(tǒng)啟動以后,對傳感器節(jié)點進行初始化設(shè)置,包括網(wǎng)絡(luò)的初始化、節(jié)點組網(wǎng)、與匯聚節(jié)點握手通信等。信息控制模塊主要完成采集控制、DSPLINK傳輸控制、指令控制三類功能,采集控制通過對FPGA驅(qū)動的設(shè)置來操作節(jié)點配備的聲、震動、紅外、圖像傳感器;DSPLINK傳輸控制主要負(fù)責(zé)在ARM模塊和DSP模塊之間搭建通道,實現(xiàn)ARM對DSP上算法的控制和數(shù)據(jù)傳輸[7];指令控制模塊主要負(fù)責(zé)接收后端模塊或者節(jié)點自身的各種指令,完成解析并進行相應(yīng)的處理。數(shù)據(jù)分發(fā)控制模塊將采集到的節(jié)點的聲音幀、震動幀、紅外幀和圖像幀根據(jù)數(shù)據(jù)自身時間戳篩選出同一時刻不同傳感器采集的數(shù)據(jù)幀,進行多傳感器信息融合算法計算,封裝成融合數(shù)據(jù)幀。系統(tǒng)管理控制模塊主要負(fù)責(zé)處理匯聚節(jié)點發(fā)送的各種系統(tǒng)控制信息和節(jié)點上無線模塊的數(shù)據(jù)傳輸控制。ARM模塊的軟件流程圖如圖4所示。

圖4 ARM模塊軟件流程Fig.4 Flow chart of the ARM module

3.2 DSPLINK模塊

DSPLINK模塊是ARM端和DSP端之間通信的橋梁,在ARM端和DSP端作用類似。在ARM端作為Linux內(nèi)核的一部分存在,通過驅(qū)動提供API接口直接操作;在DSP端則是連接到TI提供的實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS,也作為驅(qū)動存在。通過DSPLINK軟件模塊使得ARM和DSP直接實現(xiàn)無縫通信。DSPLINK的軟件架構(gòu)如圖5所示。

3.2.1 GPP端

GPP端主要對運行在ARM上的嵌入式操作系統(tǒng)提供支持,比較常用的是Linux和WinCE。對ARM端的用戶提供API直接屏蔽底層,直接操作共享內(nèi)存實現(xiàn)通信。DSPLINK API的主要組件有:

1)PROC:PROC組件在CPP的應(yīng)用中表示DSP處理器,該組件主要提供以下服務(wù):初始化DSP,加載DSP代碼,讀寫、運行DSP程序,響應(yīng)其他平臺的控制。

2)CHNL:CHNL是channel的縮寫,表示一個邏輯通道,負(fù)責(zé)GPP與DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸,CHNL具有無方向性,通道方向可以在運行時進行配置。如果多通道復(fù)用在CPP端和DSP端的一條物理連接上,物理連接是基于link和相關(guān)link驅(qū)動特性。被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)中不包含目的地址和源地址的任何信息,數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的數(shù)據(jù)通路需要初始化時建立完畢。CHNL組件采用issue-reclaim模式進行數(shù)據(jù)傳輸,基于DSP/BIOS的SIO模塊模仿issuereclaim行為模式。

3)MSGQ:MSGQ表述消息隊列方式,負(fù)責(zé)GPP端與DSP端可變長度短消息的交互,基于DSP/BIOS的MSGQ模塊實現(xiàn)。消息的收發(fā)都要以隊列的方式進行,發(fā)送者將消息寫入到消息隊列中,消息接收者從消息隊列中接收信息。一個消息隊列只可以有一個接收者,但可以有多個發(fā)送者,一個任務(wù)可以讀寫多個消息隊列。

4)POOL:POOL模塊提供了API用于控制存儲器池的創(chuàng)建和關(guān)閉,POOL創(chuàng)建的存儲器池由CHNL和MSGQ調(diào)用,用于創(chuàng)建數(shù)據(jù)傳遞和消息傳遞的緩存區(qū)。

圖5 DSPLINK軟件架構(gòu)Fig.5 Software architecture of DSPLINK

3.2.2 DSP端

DSP端不支持DSPLINK的API,主要功能是數(shù)字信號處理,其通信則是基于TI提供的實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS中的SIO、GIO、MSGQ等模塊實現(xiàn)的。因此傳感數(shù)據(jù)的算法必須運行在DSP/BIOS上。

3.3 DSP模塊

OMAPL138芯片中的DSP模塊在本設(shè)計中只是一個協(xié)處理器,僅用于傳感器數(shù)據(jù)處理。由模擬前端A/D采集得到的聲、震動、紅外、圖像傳感數(shù)據(jù)通過FPGA送至DSP端的片上外設(shè)UPP接口[8], UPP將接收到的各種傳感器數(shù)據(jù)依據(jù)其標(biāo)簽進行分類后交給DSP模塊中不同的算法模塊進行處理,傳感算法模塊處理后得到聲音的原始數(shù)據(jù)、識別結(jié)果、定位參數(shù),震動的原始數(shù)據(jù)、識別結(jié)果、定位參數(shù),紅外和圖像的原始數(shù)據(jù)、識別結(jié)果,最終通過DSPLINK傳送至ARM模塊,完成數(shù)據(jù)分發(fā)控制和系統(tǒng)管理。DSP模塊的軟件流程圖如圖6所示。

圖6 DSP模塊軟件流程Fig.6 Flow chart of the DSP module

4 結(jié) 語

為滿足低功耗高性能傳感器節(jié)點的需求,設(shè)計了一種基于OMAPL138的無線傳感器系統(tǒng)節(jié)點。該節(jié)點接口豐富、性能強大且體積小、功耗低,不僅滿足多樣的傳感器接口,還能夠?qū)崟r處理采集的傳感數(shù)據(jù)使得復(fù)雜的算法得以實現(xiàn),嵌入式開源的Linux系統(tǒng)也使得軟件的配置更加靈活。該節(jié)點已成功應(yīng)用于無人值守網(wǎng)絡(luò)化傳感器系統(tǒng),運行可靠穩(wěn)定,還可廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點構(gòu)建。

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

劉 成(1986—),男,碩士,工程師,主要研究方向為數(shù)字信號處理;

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

田永春(1974—),男,博士,高級工程師,主要研究方向為戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

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,碩士,工程師,主要研究方向為無線傳感器網(wǎng)絡(luò);