支持多種接入方式的無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與應(yīng)用

羅立++賀政++趙小龍

摘 要：在研究多種通信模式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上，提出一種支持多種接入方式的無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計方案，實現(xiàn)多種通信模式的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，詳細(xì)論述了網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，并將其應(yīng)用于工業(yè)無線監(jiān)控系統(tǒng)中，結(jié)果表明，網(wǎng)關(guān)能夠在實際網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)；多接入；無線網(wǎng)關(guān)；監(jiān)控系統(tǒng)

中圖分類號：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-03

0 引 言

無線網(wǎng)關(guān)能夠?qū)o線傳感網(wǎng)中的現(xiàn)場設(shè)備實時監(jiān)控，設(shè)備的運(yùn)行狀況以及設(shè)備對周圍環(huán)境采集到的信息能夠匯聚于無線網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)能通過多種傳輸方式將無線傳感網(wǎng)里面節(jié)點采集到的環(huán)境信息上傳至監(jiān)控室內(nèi)的上位機(jī)，使整個工作環(huán)境能得到及時有效的監(jiān)控。

傳統(tǒng)的無線網(wǎng)關(guān)多數(shù)只支持單一頻段的無線傳感網(wǎng)，隨著物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和發(fā)展，僅支持一種無線頻段的模式已不再能滿足開發(fā)和使用需求，因此需要一種支持多種通信模式的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。本文提出了一種支持多種接入方式的無線網(wǎng)關(guān)，它不僅支持符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的433 MHz、470 MHz、780 MHz和2.4 GHz無線傳感網(wǎng)，還支持以太網(wǎng)、WiFi及TD-SCDMA、CDMA2000、WCDMA、LTE制式的3G/4G移動通信網(wǎng)等，同時還基于此網(wǎng)關(guān)構(gòu)建了一個用于工業(yè)無線監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 無線網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計與架構(gòu)

1.1 無線網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計

本文設(shè)計的無線網(wǎng)關(guān)硬件模型如圖1所示：

無線網(wǎng)關(guān)的硬件系統(tǒng)包括：主控制單元，多頻段WSN子網(wǎng)接入單元，外網(wǎng)接入單元，調(diào)試和交互接口模塊和電源模塊。

（1）主控制單元：主要負(fù)責(zé)調(diào)度和處理來自四個頻段子網(wǎng)模塊的數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將這些數(shù)據(jù)包解析、處理成符合標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)包，通過外網(wǎng)接入模塊傳送給遠(yuǎn)程終端。主控制單元必須具有功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及高速的外設(shè)通信資源，才能將數(shù)據(jù)實時、高速的上傳給3G網(wǎng)絡(luò)、WiFi網(wǎng)和以太網(wǎng)，因此這里選用三星公司型號為S3C2440的ARM9芯片作為網(wǎng)關(guān)的主控制單元。

（2）多頻段WSN子網(wǎng)接入單元：主要負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場多頻段WSN的組網(wǎng)、對終端采集設(shè)備管理和數(shù)據(jù)交互。設(shè)計的多頻段WSN子網(wǎng)模塊主要有四種：2.4 GHz無線子網(wǎng)模塊，780 MHz無線子網(wǎng)模塊，470 MHz無線子網(wǎng)模塊和433 MHz無線子網(wǎng)模塊。其中，2.4 GHz射頻模塊采用臺灣達(dá)盛公司生產(chǎn)的US2400單射頻芯片，它由S3C2440控制單元直接對其收發(fā)進(jìn)行控制。其余三個頻段的射頻模塊均采用主控制器直接控制射頻芯片的形式，433 MHz和470 MHz的射頻芯片分別為TI公司CC1101，CC1100E，780 MHz射頻芯片為Atmel公司的AT86RF212，其主控單元均為STM32F103，都以統(tǒng)一的串口形式接入網(wǎng)關(guān)。

（3）外網(wǎng)接入單元：包括以太網(wǎng)接入模塊、3G/4G網(wǎng)絡(luò)接入模塊和WiFi無線通信模塊。其中以太網(wǎng)接入模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)管理模塊與以太網(wǎng)的信息交互，提供有線接入以太網(wǎng)的方式；3G網(wǎng)絡(luò)接入模塊以Mini PCI-E接入網(wǎng)關(guān)，支持Linux操作系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)管理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送給遠(yuǎn)程，以便對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和處理。采用通用接口的網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠在硬件層面上對三種制式采用相同接口標(biāo)準(zhǔn)的3G模塊和4G模塊在實際開發(fā)應(yīng)用中提供可調(diào)換的空間；WiFi無線通信模塊主要負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)管理模塊處理后的數(shù)據(jù)通過基于IEEE 802.11.n的無線局域網(wǎng)實現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互，以便對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更進(jìn)一步的分析和處理，模塊以USB接口接入網(wǎng)關(guān)。

（4）交互借口模塊：主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)的信息上傳至PC機(jī)進(jìn)行調(diào)試。本設(shè)計將RS 232通用串行接口作為網(wǎng)關(guān)調(diào)試與交互接口模塊的一部分，用于網(wǎng)關(guān)和PC機(jī)之間的連接和調(diào)試。

（5）電源管理單元：主要負(fù)責(zé)給網(wǎng)關(guān)中的全部功能模塊供電。該部分的設(shè)計至關(guān)重要，關(guān)系到整個系統(tǒng)運(yùn)行的持續(xù)性、穩(wěn)定性等方面的問題。更加合理的電源管理配置也使得網(wǎng)關(guān)對各個通信模塊所接的設(shè)備提供了一個更寬廣的用電需求。在具體設(shè)計中采用了兩個AS2830電源管理芯片分別將5 V直流源輸入轉(zhuǎn)成3.3 V直流輸出，并在輸入端和輸出端加上了旁路和去耦電容，以有效抑制輸出電壓的紋波，保證了電源供電的穩(wěn)定性，以此滿足系統(tǒng)內(nèi)部各個功能模塊對供電電源的要求。

1.2 無線網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

根據(jù)無線網(wǎng)關(guān)對各個通信協(xié)議的需求，網(wǎng)關(guān)需要安裝合適的嵌入式操作系統(tǒng)。本設(shè)計通過安裝嵌入式Linux操作系統(tǒng)來管理整個網(wǎng)關(guān)的通信資源設(shè)備。嵌入式Linux操作系統(tǒng)包括底層硬件驅(qū)動程序、各種通信協(xié)議棧、內(nèi)存進(jìn)程控制管理軟件、應(yīng)用服務(wù)等，其內(nèi)核提可供硬件驅(qū)動，包括串口擴(kuò)展模塊驅(qū)動、3G/4G模塊驅(qū)動、以太網(wǎng)接口驅(qū)動、WiFi模塊驅(qū)動以及內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)管理、中斷和中斷處理、系統(tǒng)初始化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、各種系統(tǒng)調(diào)用等。網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用服務(wù)是通過系統(tǒng)調(diào)用實現(xiàn)的，可實現(xiàn)無線接入或有線接入選擇、遠(yuǎn)程登錄程序、數(shù)據(jù)查詢等，網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 無線網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)

網(wǎng)關(guān)的協(xié)議棧包含了物理層、MAC層、適配層、IP層、傳輸層和應(yīng)用層；其中物理層和MAC層在433 MHz、470MHz、780 MHz和2.4 GHz無線模塊上實現(xiàn)，適配層、IP層、傳輸層和應(yīng)用層在ARM平臺上（軟件環(huán)境為utuLinux 2.6.24）實現(xiàn)。適配層實現(xiàn)分片重組，包頭壓縮等功能；IP層實現(xiàn)鄰居發(fā)現(xiàn)等功能；MAC層實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)IEEE 802.15.4與其他異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換，mesh路由，串行鏈路的Internet 協(xié)議等。這些軟件功能需要在嵌入式Linux操作系統(tǒng)上實現(xiàn)，有關(guān)操作系統(tǒng)的移植方法以及3G/4G和WiFi功能在嵌入式Linux下的實現(xiàn)方法在網(wǎng)絡(luò)上有很多資料，這里由于篇幅限制不再贅述。

由于本網(wǎng)關(guān)是按照4個無線傳感網(wǎng)頻段進(jìn)行設(shè)計，且有3個頻段是以串口形式接入網(wǎng)關(guān)，而ARM9本身支持3個串口，除了一個串口需要連接上位機(jī)進(jìn)行調(diào)試之外，因此還需外接一個串口擴(kuò)展芯片來滿足設(shè)計要求。本設(shè)計采用GM8142串口擴(kuò)展芯片，這是一款用SPI擴(kuò)展串口的芯片，需要設(shè)計GM8142芯片的在嵌入式Linux下的底層驅(qū)動。

GM8142的底層驅(qū)動必須遵循嵌入式Linux驅(qū)動設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，嵌入式Linux驅(qū)動分為字符設(shè)備驅(qū)動、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動和塊備驅(qū)動等。設(shè)計驅(qū)動時，首先需要系統(tǒng)無法根據(jù)硬件地址對設(shè)備進(jìn)行管理，必須映射成能夠讓操作系統(tǒng)管理的虛擬地址，接著對SPI寄存器進(jìn)行設(shè)置用來得到串口擴(kuò)展芯片所需要的工作模式。接下來可以用底層的驅(qū)動函數(shù)對串口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，最后創(chuàng)建驅(qū)動的write、read、open和close等操作函數(shù)，以此可在用戶程序里面對設(shè)備進(jìn)行讀與寫、打開與關(guān)閉等操作。驅(qū)動設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 串口擴(kuò)展驅(qū)動設(shè)計流程

2.4 GHz頻段采用US2400射頻芯片，由于該芯片并沒有集成主控制器，需要S3C2440控制單元對其芯片進(jìn)行初始化和收發(fā)控制，也需設(shè)計相應(yīng)的芯片底層驅(qū)動，具體驅(qū)動的設(shè)計流程同上面驅(qū)動的設(shè)計流程大體上相同，都必須遵循嵌入式Linux下驅(qū)動程序的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，這里不再詳細(xì)闡述。

軟件模塊功能設(shè)計或移植好后，需要完成多接入無線網(wǎng)關(guān)主程的序設(shè)計。這里需要打開4個驅(qū)動設(shè)備，其中兩個是433 MHz、470 MHz頻段所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)串口驅(qū)動設(shè)備，另外兩個是780 MHz頻段對應(yīng)的擴(kuò)展串口設(shè)備和2.4 GHz頻段對應(yīng)的射頻驅(qū)動設(shè)備。為了提高網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)的處理能力和網(wǎng)關(guān)的響應(yīng)速度，應(yīng)用程序采用了多線程技術(shù)，即每個線程接收處理相應(yīng)頻段的數(shù)據(jù)。在這里需要創(chuàng)建3個子線程，其中433MHz和470 MHz頻段的子線程用來監(jiān)聽標(biāo)準(zhǔn)串口過來的數(shù)據(jù)，采用了select監(jiān)聽機(jī)制，用來檢測433 MHz和470MHz對應(yīng)的驅(qū)動文件描述符是否發(fā)生了變化，一旦發(fā)生變化說明有數(shù)據(jù)包上來，這時將收到的數(shù)據(jù)包解析后通過UDP套接字傳遞給3G/4G、WiFi和以太網(wǎng)傳遞給上位機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。780 MHz和2.4 GHz頻段子線程都采用了異步通知的方式來分別接收無線傳感網(wǎng)數(shù)據(jù)。所謂的異步通知就類似于軟中斷，指的是應(yīng)用程序無需特定去監(jiān)聽某個數(shù)據(jù)通道，當(dāng)有數(shù)據(jù)流進(jìn)時，應(yīng)用程序里面的信號處理函數(shù)會自動從驅(qū)動設(shè)備讀取數(shù)據(jù)，在進(jìn)行解析后傳遞給UDP套接字，這樣使整個程序的執(zhí)行效率得到有效提高。網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用主程序流程圖如圖4所示。

圖4 應(yīng)用主程序流程圖

2 無線網(wǎng)關(guān)在工業(yè)監(jiān)控上的應(yīng)用

Modbus協(xié)議是工業(yè)控制中的一種標(biāo)準(zhǔn)、開放的通用語言，使用此協(xié)議的用戶無需繳納許可費(fèi)用，也不會涉及到侵犯知識產(chǎn)權(quán)，且?guī)袷胶唵?、緊湊，格式規(guī)范、通俗易懂，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備控制中。

本網(wǎng)關(guān)上行部分結(jié)合6LowPAN協(xié)議棧，在協(xié)議棧的應(yīng)用層使用Modbus協(xié)議，下行利用Modbus/TCP協(xié)議以3G/4G和WiFi傳輸方式將無線傳感網(wǎng)節(jié)點設(shè)備采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)，同時上位機(jī)也能以輪訓(xùn)方式發(fā)指令對節(jié)點設(shè)備進(jìn)行周期性控制。在此監(jiān)控系統(tǒng)中，上位機(jī)作為TCP客戶端，網(wǎng)關(guān)作為TCP服務(wù)器，再加上網(wǎng)關(guān)下面的現(xiàn)場節(jié)點設(shè)備以此構(gòu)成了整個監(jiān)控系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)的系統(tǒng)服務(wù)進(jìn)程主要由兩個子線程構(gòu)成，子線程1以3G/4G或WiFi通信方式接收遠(yuǎn)端監(jiān)控上位機(jī)發(fā)送的Modbus/TCP幀，在解析后封裝成Modbus/RTU幀，通過網(wǎng)關(guān)上的協(xié)調(diào)器發(fā)送給下面節(jié)點設(shè)備；子線程2負(fù)責(zé)接收下面節(jié)點設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，再解析以Modbus/RTU封裝成的數(shù)據(jù)幀后，又封裝成Modbus/TCP幀后以3G/4G或WiFi通信方式傳送至遠(yuǎn)程上位機(jī)監(jiān)控終端。整個監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程如圖5所示。

3 工業(yè)監(jiān)控結(jié)果展示

本文設(shè)計的支持多種接入方式的無線網(wǎng)關(guān)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)無線監(jiān)控系統(tǒng)中，并取得了良好的實際應(yīng)用效果，實現(xiàn)了本無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計目標(biāo)。圖6展示了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中基于組態(tài)軟件設(shè)計的對于工廠設(shè)備實時監(jiān)控的上位機(jī)界面。

圖5 監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 變速器工廠監(jiān)控結(jié)果展示

4 結(jié) 語

隨著無線通信技術(shù)逐漸進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，無線通信系統(tǒng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用逐漸增加，由3G、4G和WiFi在國內(nèi)的蓬勃發(fā)展所帶來了巨大的機(jī)會，尤其是物聯(lián)網(wǎng)時代，3G、4G和WiFi技術(shù)將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有效發(fā)揮無縫通信的巨大威力。本文以充分利用互聯(lián)網(wǎng)和無線通信公用網(wǎng)絡(luò)資源為目的，將無線傳感網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、3G/4G通信及以WiFi通信有機(jī)的結(jié)合起來，完成了一種支持多種接入方式的無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，實現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。該網(wǎng)關(guān)具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)傳輸速率快，實時性好等諸多優(yōu)點，特別已經(jīng)在工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中得到了有效應(yīng)用，因此在工程技術(shù)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用價值。

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