文獻(xiàn)提出了一種可以通過以太網(wǎng)、公共電話網(wǎng)以及GPRS網(wǎng)絡(luò)等多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)基于ARM7系列S3C44B-OX微控制器和μClinux嵌入式操作系統(tǒng)，運(yùn)用多線程技術(shù)控制各通信方式并行執(zhí)行，但數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率有待提高。文獻(xiàn)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2420芯片的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了與傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信，并利用無線網(wǎng)卡模塊實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)設(shè)備與無線局域網(wǎng)的連接。該嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)備由核心板、底板和通信模塊組成，通過USB 2．0接口加載無線網(wǎng)卡設(shè)備，選用WLAN作為網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心的空中接口。由于采用與無線局域網(wǎng)連接，網(wǎng)絡(luò)傳輸距離受到一定限制。文獻(xiàn)采用S3C2410，CS8900A組合設(shè)計(jì)了一款監(jiān)測(cè)茶園空氣溫、濕度和土壤水分含量，由WSN網(wǎng)關(guān)通過有線以太網(wǎng)或GPRS對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園旱情的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。但該網(wǎng)關(guān)是在ARM實(shí)驗(yàn)箱上實(shí)現(xiàn)的，且功耗較大。
本文在研究大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，從提高數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸速率、降低網(wǎng)關(guān)功耗、盡可能延長網(wǎng)關(guān)的生命周期出發(fā)，使用新型3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾逝c穩(wěn)定性。通過合理設(shè)計(jì)穩(wěn)定的硬件系統(tǒng)與具有實(shí)時(shí)性的軟件系統(tǒng)，達(dá)到了WSN網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換和遠(yuǎn)距離穩(wěn)定傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)目的。
1 硬件系統(tǒng)
根據(jù)WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合WCDMA網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。WSN網(wǎng)關(guān)由處理器模塊、無線通信模塊、3G通信模塊、數(shù)據(jù)備份模塊和電源模塊組成，如圖1所示。網(wǎng)關(guān)通過無線通信模塊接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過格式轉(zhuǎn)換，由3G通信模塊發(fā)送給上位機(jī)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。為了方便軟、硬件升級(jí)與調(diào)試，網(wǎng)關(guān)擴(kuò)展了串口與SPI口。
2．2 通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
通信模塊的功耗在網(wǎng)關(guān)的功耗中占主要部分，為了降低功耗，必須設(shè)計(jì)一種合適的通信協(xié)議及路由算法，盡可能的使網(wǎng)關(guān)處于休眠狀態(tài)，同時(shí)又要保證網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)耐暾浴?/p>
節(jié)點(diǎn)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)為主動(dòng)的消息幀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)周期性休眠喚醒的特點(diǎn)，采用簡(jiǎn)化的發(fā)送和應(yīng)答機(jī)制，即簡(jiǎn)化的T-MAC協(xié)議。網(wǎng)關(guān)先偵聽載波，當(dāng)信道空閑時(shí)，向所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步幀，各節(jié)點(diǎn)接收到同步幀后根據(jù)同步幀的信息修改自身時(shí)鐘，并向網(wǎng)關(guān)發(fā)送應(yīng)答信息，達(dá)到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)同步的目的。然后網(wǎng)關(guān)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，接收所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，通過WCDMA網(wǎng)絡(luò)傳輸給上位機(jī)，之后網(wǎng)關(guān)進(jìn)入睡眠模式，如此循環(huán)反復(fù)。
隨著時(shí)間的推移，時(shí)間同步誤差的增加，網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)失步，所以需要周期性地發(fā)送時(shí)間同步信息，保證網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步誤差不累加。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3．1 無線通信距離測(cè)試
無線通信距離是網(wǎng)關(guān)性能的一個(gè)重要方面，其大小取決于射頻模塊的發(fā)送功率，兩者成正比。nRF905具有發(fā)射功率可選功能，分別為-20dBm，-2dBm，6 dBm和10 dBm。本測(cè)試分別在室內(nèi)，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上以不同的發(fā)射功率測(cè)試網(wǎng)關(guān)無線通信距離，射頻設(shè)定在433 MHz頻段，工作電壓為3．2 V。由節(jié)點(diǎn)周期性的向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，再由網(wǎng)關(guān)向節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)雙方實(shí)現(xiàn)正常通信時(shí)，用精度為0．01 m激光測(cè)距儀測(cè)量網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)之間的直線距離，分別測(cè)量20次，最后取其平均值。測(cè)量的結(jié)果如表1所示。
3．2 WCDMA網(wǎng)絡(luò)丟包率測(cè)試
數(shù)據(jù)包在WCDMA網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的過程中，可能由于信號(hào)中斷、載波沖突等原因而丟失。為了測(cè)試WCD-MA網(wǎng)絡(luò)的丟包率，分別在室內(nèi)，空曠平地和有遮擋物和坡度的草坪上進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)定周期性發(fā)送2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到數(shù)據(jù)時(shí)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，然后轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到WCDMA網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)包中包括流水號(hào)信息，能直觀得知丟包序號(hào)。使用2節(jié)AA電池為節(jié)點(diǎn)供電，工作電壓為3．2 V，3G模塊采用TCP／IP模式傳輸，每個(gè)地點(diǎn)分別進(jìn)行5天實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可得，網(wǎng)關(guān)所處環(huán)境的障礙物越少，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)越好，丟包的可能性越小?？傮w而言，WCDMA網(wǎng)絡(luò)的丟包率較小，網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定，網(wǎng)關(guān)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
3．3 功耗測(cè)試
WSN網(wǎng)關(guān)的功耗主要來自無線通信模塊與3G通信模塊，設(shè)定網(wǎng)關(guān)每10 min收集一次數(shù)據(jù)，每次喚醒30 s，每天實(shí)驗(yàn)12 h，為期30天。網(wǎng)關(guān)核心模塊由2節(jié)AA南孚電池供電，每天實(shí)驗(yàn)開始和結(jié)束都用示波器測(cè)量一次網(wǎng)關(guān)主模塊電壓，網(wǎng)關(guān)主模塊電壓變化曲線如圖5所示。
由圖5可知，隨著發(fā)送時(shí)間越長，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包越多，網(wǎng)關(guān)功耗隨之增加，兩者可近似認(rèn)為線性關(guān)系。網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包越少，通信模塊活動(dòng)時(shí)間越短，網(wǎng)關(guān)能耗越低，網(wǎng)關(guān)生命周期越長。
4 結(jié)語
通過分析當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中網(wǎng)關(guān)在應(yīng)用方面存在的問題與不足，結(jié)合國內(nèi)最新3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一款與WCDMA網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)。試驗(yàn)結(jié)果表明：本網(wǎng)關(guān)具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、低功耗、網(wǎng)絡(luò)傳輸速率快、性能穩(wěn)定、丟包率低于1％等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的WSN網(wǎng)關(guān)具有良好的適用性，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)兩者的結(jié)合提供一種方法。