摘  要： 實現了一種多功能的網關系統，可完成無線傳感器網絡WSN與Internet網絡的互聯，同時具有模糊定位、IP語音通信以及智能人機接口等功能，并對其硬件組成、軟件設計和對外接口等方面進行了深入闡述。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；網關

    近年來，無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)被廣泛應用于井下監測系統[1-2]。本文對無線傳感器網絡中的關鍵技術部分——網關進行了深入分析與研究。該網關不但具有傳統網關所具有的異構網絡協議轉換功能[3]，而且可以實現井下人員的模糊定位，與礦上管理人員進行IP語音通信等功能，同時提供了智能的人機接口。
1 基于WSN的礦井安全監控系統組成及工作原理
    基于WSN的礦井安全監控系統是利用無線傳感器網絡實時監測，采集礦井下溫度、濕度、氣壓、瓦斯濃度等環境參數，并將數據周期性上傳至Internet遠程服務器，服務器對底層數據進行處理、分類并保存到本地數據庫，井上管理人員通過訪問服務器能夠隨時查閱歷史記錄，實時了解井下情況，并能夠針對緊急事件做出快速有效的調整。基于WSN的礦井安全監控系統的設計框架分為三個部分：傳感器網絡數據采集部分、網關協議轉換部分以及遠程監控服務器部分。系統框架如圖1所示。

    無線傳感器網絡位于整個系統的最底層，由一組傳感器終端節點以自組織方式構成，分布于井下巷道的感知區域，能夠協作地感知、采集和處理網絡覆蓋的地理區域中感知對象的信息。
    網關是監控系統正常運行的核心環節，是實現異構網絡協議轉換的關鍵部分，主要實現兩個功能：(1)對無線傳感器網絡數據的匯聚、處理和存儲；(2)與Internet遠程服務器的數據交互。此外，網關還引入了一些附加功能，增強了網關的人性化與實用性，比如采用RFID射頻模塊實現井下人員的模糊定位、網關與監控中心的實時語音通信、本地人機交互等等。網關在整個系統中具有承上啟下的作用，設計出高效、穩定的網關對整個系統的服務質量至關重要。
    遠程監控服務器位于整個系統的最上層，提供了強大的數據處理能力和存儲能力。通過該系統可以實時查詢礦井下的環境參數、人員信息，調取系統存儲的歷史記錄，發送指令信息，控制WSN網絡節點行為，進行網絡管理。基于WSN的礦井安全監控系統的網絡結構如圖2所示。

2 網關設計
    網關作為系統中連接WSN與Internet的核心部分，要求穩定、可靠、功能強大而結構精簡，其整體框架如圖3所示。其中包括中央處理單元、WSN射頻收發單元、以太網接口單元、RFID射頻識別單元、語音通信單元以及人機接口單元等。

    網關的中央處理單元采用Samsung公司處理器S3C2440，主頻達400 MHz，運算能力強大，通過移植嵌入式Linux操作系統可以可靠地完成傳感數據接收處理、實時語音通信、智能人機交互等多任務并行操作。WSN射頻收發單元是網關與WSN的接口單元，采用與無線傳感器網絡相同的CC1110射頻芯片，用于提供網關與無線傳感器網絡的空中接口。以太網接口單元是網關與Internet的接口單元，采用以太網控制器CS8900A，用于提供網關與Internet的PHY層與MAC層接口。RFID射頻識別單元采用基于NRF2401的工業級模塊，可以在網關周圍0~30 m范圍內實現人員的模糊定位。人機接口單元采用4線電阻式觸摸屏，通過人機交互操作可方便地完成網關的本地屬性配置以及應用程序的啟動，避免了PC機等大型設備配置網關所帶來的不便。語音通信單元則采用UDA1341芯片構建嵌入式音頻系統，實現網關與遠程服務器之間的高質量IP語音通信。
2.1 與WSN接口設計
    無線傳感器網絡常用的2.4 GHz頻段數據傳輸速率大，但由于信號衰減嚴重，無法適應礦井下的惡劣環境。CC1110是TI公司的一種系統芯片CMOS解決方案，沿用了以往TI公司ZigBee無線(定位)芯片CC2430/CC2431架構，可工作于915 MHz，滿足無線傳感器網絡低功耗、低速率、短距離的要求，很好地解決了礦井下射頻信號的衰減問題。
    WSN接口以CC1110為核心，提供了網關與WSN通信的空中接口，直接與WSN的傳輸匯聚節點進行通信。傳輸匯聚節點作為連接無線傳感器網絡與網關的橋梁，負責對各個終端節點采集數據的接收、整理，并按照協議所規定的格式打包數據，最后通過無線方式向網關的WSN射頻收發單元轉發數據。
    中央處理單元與WSN射頻收發單元之間采用串行接口方式連接，實時讀取傳感數據并按照約定協議對數據進行解析，轉換成用戶可知的信息，如傳感器節點部署區域內的溫度、濕度、氣壓、瓦斯濃度等。其中，在設計串行通信接口電路時，中央處理器UART0通道通過MAX2332芯片轉換為RS232接口，為網關設備開發調試提供PC機控制臺接口；UART1通道則與CC1110全雙工通信，完成數據的串并轉換，由于S3C2440和CC1110電平均為3.3 V，兩者之間無需進行電平轉換，可直接采用3線式連接方式，即數據接收引腳RX與數據發送引腳TX交叉連接，地線直接相連。
2.2 與Internet網絡接口設計
    Internet網絡接口物理層芯片采用以太網控制器CS8900A，其內部集成了4 KB的片上存儲器，10 Base-T的收發濾波器，并且提供8位和16位兩種數據接口。本系統網關設計，以太網控制器與中央處理器通過20位的地址總線和16位的數據總線相連，與Internet通過一個集成了RJ45接口的網絡隔離變壓器HR911103A相連。
    Internet網絡接口具有檢測網絡狀況、接收發送以太幀、檢測校驗等功能，可以將經過中央處理單元融合的底層傳感數據以標準IP數據包格式直接發送到Internet遠程服務器，同時也可以將接收到的Internet服務器指令經過解包后通過數據總線送達中央處理單元執行，除此以外，Internet網絡接口也給網關的其他功能如IP語音通信等提供了接口單元。
    綜上所述，網關與WSN和Internet的接口電路簡圖如圖4所示。

2.3 網關的軟件系統設計
    網關以嵌入式Linux操作系統作為平臺，可以實現多任務的并發執行。用戶應用程序構建于操作系統之上，通過系統調用操作底層硬件，如串口、網絡控制器等設備。系統調用接口則由操作系統的設備驅動程序提供，驅動程序直接操作硬件，按照硬件設備的具體工作方式讀寫設備寄存器，完成對設備的輪詢、中斷處理、DMA通信、物理內存向虛擬內存的映射等。網關設備軟件架構如圖5所示。

    網關設備操作系統應包含串口驅動程序、網絡控制器驅動程序以及音頻編解碼器驅動程序等。其中，串口以及音頻編解碼器必須以串行數據流形式直接訪問，不經過系統的快速緩存，主要提供open()、close()、read()、write()、ioctl()等系統調用接口，屬于字符設備驅動程序。而網絡控制器是面向數據報的接收和發送而設計的，并沒有與文件系統的節點，與操作系統通信方式與上述設備不同，屬于網絡的設備驅動程序。各設備驅動以內核模塊的形式提供，通過內核模塊的加載與卸載，可以在網關運行過程中動態地添加或刪除相應硬件設備。
    網關設備的用戶應用程序包括主程序、語音通信程序以及圖形界面程序。主程序負責初始化各硬件模塊并協調各個模塊工作，保證無線傳感器網絡與Internet服務器之間正常的信息交互，同時即時響應各種軟、硬件中斷，進行相應處理。語音通信程序采用雙線程工作，調用read()、write()等系統接口操作音頻編解碼器，通過高速率A/D采樣以及量化，錄入音頻數據至本地緩存，并發送給遠程服務器；同時接收Internet的遠程音頻數據包并進行音頻解碼，恢復原始音頻信息，從而實現本地與遠程的實時語音通信。圖形界面程序采用一種跨平臺的C++圖形用戶界面庫Qt編程，為主程序、語音通信程序提供服務。在觸摸屏上提供智能的人機接口，方便主程序對設備啟動、端口配置、網絡初始化、服務器IP地址設置的操作，以及語音通信程序撥號、接聽、掛斷的處理。
    主程序啟動后，將完成設備的初始化、加載協議棧、配置端口等工作，同時通過Socket機制建立起與遠程服務器的連接，接著采用輪詢與中斷處理相結合的方式對串口和網口數據進行監視。Internet網絡接口方面，利用Socket機制設計以太網通信模塊，考慮到對數據傳輸的可靠性要求較高，采用面向連接的TCP客戶機-服務器模型。網關作為客戶機，調用Socket()函數，建立一個Socket套接字，指定TCP/IP相關協議之后，調用connect()函數將本地端口號和地址信息傳送至遠程服務器，請求建立連接。連接成功后，通過send()函數進行服務請求的發送，通過receive()函數進行響應的接收。WSN接口方面，網關與匯聚節點間的通信主要是讀取匯聚節點數據的過程，對接收到的數據采取串行通信方式，通過打開、讀寫對應的設備文件來完成對串口的操作。串口0~2在Linux文件系統中對應的設備文件是/dev/tts/0、/dev/tts/1、/dev/tts/2，本系統中網關可以通過open()、read()、write()等系統調用操作/dev/tts/1設備文件，完成網關與WSN的數據交互。網關的主程序軟件流程(不包含附加功能)如圖6所示。

    本文針對無線傳感器網絡的特點，設計了一種基于WSN的礦井安全監控系統網關。在實際工程測試中，成功實現了無線傳感器網絡與外部Internet網絡的互聯，數據傳輸穩定可靠。同時，網關還增加了一些附加服務，如RFID模糊定位、IP語音通信等，體現了網關功能的多元化發展方向。
參考文獻
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[3] 歐杰峰，劉興華.基于CDMA模塊的無線傳感器網絡網關的實現[J].計算機工程，2007，33(1):115-116.