基于Linux系統(tǒng)的4G—WSN無線網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

賀政　趙小龍

【摘 要】本文介紹了一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)和4G通信技術(shù)的無線網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信、串口通信、4G移動通信以及自身與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的無線通信，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)到4G網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。硬件上可根據(jù)實(shí)際需要搭配多種不同頻率的無線通信模塊、4G模塊；軟件上采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)。測試表明，該網(wǎng)關(guān)具有實(shí)時(shí)傳輸能力強(qiáng)、丟包率低、硬件模塊可變、二次開發(fā)方便、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】4G；無線傳感網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)；Linux

0 引言

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷融合與發(fā)展，高速率和低功耗已經(jīng)成為必然趨勢，而網(wǎng)關(guān)作為連結(jié)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的中樞，更高更快的傳輸速度和無線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的低功耗方案無疑具有極大的研究價(jià)值。

作為“高速率、高帶寬”的代表，第四代移動通信技術(shù)已經(jīng)越來越多的融入我們的生活。相較于早在2000年便已誕生的3G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，4G有著不可比擬的優(yōu)越性，更快的通信速率、更寬的網(wǎng)絡(luò)頻譜、更豐富的通信內(nèi)容，這都使得4G具有更高的使用體驗(yàn)和實(shí)際意義[1]。

WSN是由一組傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織的方式構(gòu)成的有線或無線網(wǎng)絡(luò)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。WSN節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、無線數(shù)據(jù)收發(fā)單元以及小型電池單元組成，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特點(diǎn)，借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置傳感器有效探測所處區(qū)域的溫度、濕度、光強(qiáng)度、壓力等環(huán)境參數(shù)以及待測對象的電壓、電流等物理參數(shù)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將探測信息傳送到數(shù)據(jù)匯聚中心進(jìn)行處理、分析和轉(zhuǎn)發(fā)[2]。

基于以上考慮，本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)的4G無線網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的4G傳輸，對于推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和4G網(wǎng)絡(luò)的普及使用具有較大的實(shí)際意義。

1 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合機(jī)理

本文針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合當(dāng)前主流推廣的4G移動通信技術(shù)提出了一種自行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的能適應(yīng)不同場合的通用型無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)可收集并處理附近節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，且同時(shí)支持4種常用頻段的無線射頻節(jié)點(diǎn)，頻率包括433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz，具體可根據(jù)不同實(shí)際情況選擇所需要的射頻模塊。網(wǎng)關(guān)采用上行傳輸方式為4G通信網(wǎng)絡(luò)，采用中興公司生產(chǎn)的ME3760V2C模塊，支持TD-LTE和TD-SCDMA等多種制式。

圖1 4G網(wǎng)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

網(wǎng)關(guān)基本工作流程：

本文采用4G接入方式，對4G-WSN網(wǎng)關(guān)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)其數(shù)據(jù)通信和協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。4G無線網(wǎng)關(guān)通過實(shí)時(shí)感知來自傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息，無線接入模塊作為連結(jié)網(wǎng)關(guān)控制單元和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的樞紐，處理之后傳輸?shù)角度胧轿⑻幚砥鞯拇鎯ζ髦?，再通過4G無線通信模塊將數(shù)據(jù)打包成IP報(bào)，經(jīng)移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)系統(tǒng)，上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，就可以在上位機(jī)界面中進(jìn)行顯示和處理。同時(shí)，服務(wù)器可以檢測到客戶端發(fā)送的控制流，將控制信息通過無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)傳達(dá)至傳感器網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制。

2 硬件平臺設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)總體硬件設(shè)計(jì)如圖2所示：

圖2 網(wǎng)關(guān)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

2.1 ARM9控制模塊

網(wǎng)關(guān)的主控單元采用三星公司的一款基于ARM9內(nèi)核16/32位精簡指令集（RISC）32位微處理器S3C2440A芯片，負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等功能，是網(wǎng)關(guān)體系結(jié)構(gòu)的核心。具體采用楊創(chuàng)科技utu2440-F-V4.5核心板，該核心板基于linux2.6內(nèi)核，采用6層板工藝，具有極佳的電氣性能和抗干擾性能。實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA總線和哈弗高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，其主頻高達(dá)400MHz。外擴(kuò)了64 MB的NAND FLASH、64 MB 的SDRAM 以及4 MB 的DataFLASH。內(nèi)部集成豐富的外設(shè)資源，3通道基于DMA或基于中斷運(yùn)行的UART、SPI接口、2個(gè)USB接口、強(qiáng)大的中斷控制器（1個(gè)看門狗、5個(gè)定時(shí)器、24個(gè)外部中斷等60個(gè)中斷源）等。

綜上，該控制器模塊具備較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設(shè)資源，支持Linux操作系統(tǒng)，可以滿足方案的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.2 無線接入模塊

無線接入模塊在WSN網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)協(xié)調(diào)器角色，實(shí)現(xiàn)與WSN子網(wǎng)通信。本文中采用433MHz頻段的通信模塊。

本文中433MHz和其他頻段射頻模塊設(shè)計(jì)采用的是主控制器加射頻芯片模式，主控制器與射頻電路同時(shí)設(shè)計(jì)在射頻模塊電路板上，便于調(diào)試、攜帶。該模塊自帶微控制器MSP430，采用CC1101射頻芯片，該芯片是Chipcon公司最新的高性能無線通信芯片，主控與射頻芯片通過SPI連接。整個(gè)模塊可直接插在網(wǎng)關(guān)硬件電路板上。所以，硬件上，可根據(jù)需要更換所需頻率的模塊，比如常見的433 MHz，470 MHz，780 MHz以及2.4 GHz；軟件上，獨(dú)立于網(wǎng)關(guān)的其他部分，僅需考慮與網(wǎng)關(guān)周圍數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的通信，所以一次開發(fā)時(shí)可分工、二次開發(fā)也很方便。

2.3 4G通信模塊

本設(shè)計(jì)采用中興公司生產(chǎn)的ME3760_V2C公網(wǎng)模塊。ME3760_V2C公網(wǎng)模塊是一款基于Mini PCI Express接口的多模無線上網(wǎng)模塊，可以應(yīng)用于但不限于筆記本內(nèi)置上網(wǎng)卡、車載設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)等。ME3760_V2C公網(wǎng)模塊支持TD-LTE /TD-SCDMA，TD-LTE支持Band38，Band39，Band40， TD-SCDMA支持A，F(xiàn)頻段模式，GSM Band2，Band3，Band8。可以提供移動環(huán)境下的（TD-LTE網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)、GSM網(wǎng)絡(luò)）高速數(shù)據(jù)接入服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)下行最高150Mbps和上行最高50Mbps的傳輸速率。本設(shè)計(jì)通過ARM9核心板提供的一組USB線實(shí)現(xiàn)4G模塊與核心板的連接。具體規(guī)格參數(shù)如下表所示：

表1 ME3760V2C硬件規(guī)格

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是實(shí)現(xiàn)整體功能的關(guān)鍵部分。由于linux操作系統(tǒng)具有開放性和可移植性，本設(shè)計(jì)選用的揚(yáng)創(chuàng)S3C2440A采用linux-2.6.24內(nèi)核。軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括TD-LTE模塊驅(qū)動的調(diào)試和移植、ME3760撥號腳本配置以及UDHCPC移植。

3.1 TD-LTE模塊驅(qū)動

3.1.1 內(nèi)核修改

解壓內(nèi)核源碼，本例中用楊創(chuàng)ARM9開發(fā)板提供內(nèi)核源碼-2.6.24進(jìn)行修改[3]。

文件：/linux-2.6.24/drivers/usb/serial/usb-serial.c 找到usb_serial_ probe函數(shù)，在函數(shù)中找到如下行： lock_kernel（）； /* guard against unloading a serial driver module */ 在其下添加如下內(nèi)容： if （（le16_to_cpu（dev->descriptor.idVendor） == 0x19d2） &&（le16_to_cpu（dev->descriptor.idProduct） == 0x0199））

{if（1==interface->cur_altsetting->desc.bInterfaceNumber）

{ unlock_kernel（）；return -ENODEV； } }

本函數(shù)用來完成linux內(nèi)核對ME3760模塊的支持以及對該模塊生成虛擬擴(kuò)展ttyUSB口。

對文件：/linux-2.6.24/drivers/net/usb/Makefile 進(jìn)行修改，obj-$（CONFIG_USB_USBNET） += usbnet.o 在其下添加內(nèi)容：obj-m += cdc_encap.o，生成cdc_encap.ko驅(qū)動文件。

3.1.2 編譯內(nèi)核

進(jìn)入內(nèi)核目錄，執(zhí)行make menuconfig

依次進(jìn)入device drivers--->usb support--->usb serial converter support 將如下組件作為模塊進(jìn)行編譯：

USB driver for GSM and CDMA modems

依次進(jìn)入 device drivers--->Network device support--->usb Network Adapters 將如下組件作為模塊進(jìn)行編譯：

Mutil-purpose USB Networking Framework

重新編譯并安裝內(nèi)核

3.2 ME3760撥號腳本配置以及UDHCPC移植

本節(jié)采用配置linux內(nèi)核，使能DHCP相關(guān)選項(xiàng)，通過配置busybox，在嵌入式操作系統(tǒng)下利用udhcpc指令使得模塊被識別之后擴(kuò)展出來的虛擬網(wǎng)絡(luò)接口與TD-LTE模塊網(wǎng)絡(luò)連接建立橋接，獲取IP地址，以實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)的目的[4]。

3.2.1 ME3760撥號腳本書寫

#！/bin/sh

cat /dev/ttyUSB0 & 打開虛擬串口ttyUSB0

echo at>ttyUSB0； 輸入AT指令到虛擬串口ttyUSB0，該指令為常規(guī)指令，返回值為OK。

echo at+cfun=1>/dev/ttyUSB0； 該指令為模塊使能指令，使模塊全功能運(yùn)行。

echo at+cgact=1，1>/dev/ttyUSB0； 獲取網(wǎng)絡(luò)連接usb0的IP地址。

echo at+zgact=1，1>/dev/ttyUSB0； 建立數(shù)據(jù)鏈路。

3.2.2 UDHCPC移植

編譯安裝busybox，將安裝文件拷至根文件系統(tǒng)目錄，運(yùn)行udhcpc即可動態(tài)獲取IP。關(guān)于busybox的源文件以及具體用法，可從互聯(lián)網(wǎng)上自行了解。

至此，給核心板燒入重新編譯的內(nèi)核之后，待網(wǎng)關(guān)啟動完畢，模塊順利聯(lián)網(wǎng)之后，輸入指令：udhcpc –i usb0 即可通過DHCP獲取動態(tài)IP，實(shí)現(xiàn)橋接。

3.3 軟件設(shè)計(jì)方案

操作系統(tǒng)和接口驅(qū)動移植完畢，設(shè)計(jì)軟件方案來實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)關(guān)的具體功能。4G模塊上電之后首先通過腳本建立網(wǎng)絡(luò)連接，然后應(yīng)用程序通過指令建立與4G網(wǎng)絡(luò)的連接，通過串口監(jiān)聽子網(wǎng)接入點(diǎn)的數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器接收子網(wǎng)中各個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報(bào)文，經(jīng)過解析處理，系統(tǒng)將得到的數(shù)據(jù)通過橋接的4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控[5]。應(yīng)用程序流程圖如下所示：

圖3 4G網(wǎng)關(guān)軟件工作流程圖

4 轉(zhuǎn)發(fā)丟包率測試

轉(zhuǎn)發(fā)丟包率是衡量網(wǎng)關(guān)性能的一個(gè)重要指標(biāo)，測試采用433MHz頻段射頻節(jié)點(diǎn)對4G網(wǎng)關(guān)進(jìn)行丟包率測試，并通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手匯總4G模塊轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)，在LTE制式下測試三組，統(tǒng)計(jì)丟包率結(jié)果[6]，具體見下表所示：

表2 LTE制式下轉(zhuǎn)發(fā)測試結(jié)果

由表2可知，丟包率在0.07%左右，低于CCSA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最大丟包率1‰，符合標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語

本文將目前最先進(jìn)的4G移動通信技術(shù)與無線傳感器技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一種面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的精簡型無線網(wǎng)關(guān)。硬件上支持所有mini PCI-E接口的無線模塊，包括TD-LTE制式和FDD-LTE制式，并同時(shí)支持4種常用頻段的無線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz，實(shí)現(xiàn)了多頻段數(shù)據(jù)接收，同時(shí)可以根據(jù)需要重新配置內(nèi)核以及無線模塊，提高了網(wǎng)關(guān)的通用性。測試表明，本網(wǎng)關(guān)具有傳輸速度快、實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、丟包率低等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]劉巧平，董軍堂.淺析4G移動通信技術(shù)[J].電子測試，2014，05：88-90.

[2]孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[3]張毅，馬子超，葉天翔.面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式3G網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].（下轉(zhuǎn)第92頁）（上接第6頁）電視技術(shù)，2012，36（6）：40-43.

[4]韋東山.嵌入式Linux開發(fā)完全手冊[M].北京：人民郵電出版社，2008.

[5]李振偉，張星，汪磊，等.一種基于ARM9 的無線傳感網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（9）：1-4.

[6]王志超，劉波，花於鋒.基于移動4G與ZigBee無線傳感網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2014，22（3）：863-865.

[7]陳琦，等.基于ZigBee/GPRS物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011（S2）：367-372.

[8]徐鳳亮，王鳳林，王宜懷，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的3G的監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2013，32（8）.

[責(zé)任編輯：湯靜]