《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Linux內(nèi)核的無(wú)線(xiàn)多頻段WSN網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)
摘要: 本文介紹一種無(wú)線(xiàn)多頻段WSN網(wǎng)關(guān),可通過(guò)以太網(wǎng)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),,監(jiān)控多個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)傳感器子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況,。隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,TD—SCDMA將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有效發(fā)揮無(wú)縫通信的巨大威力,,該方案充分利用了互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信公用網(wǎng)絡(luò)資源,,將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù),、TD—SCDMA通信有機(jī)地結(jié)合起來(lái),,成功設(shè)計(jì)了WSN/TD網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò)的融合,,在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中取得了良好的效果,。
Abstract:
Key words :

 

  目前,物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,,IOT)正呈現(xiàn)飛速發(fā)展的態(tài)勢(shì),。本文介紹一種無(wú)線(xiàn)多頻段WSN網(wǎng)關(guān),可通過(guò)以太網(wǎng)或者移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò),,監(jiān)控多個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)傳感器子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行情況,。

  1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

  本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在感知層采用4個(gè)頻段的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。各頻段子網(wǎng)通過(guò)一個(gè)多頻段網(wǎng)關(guān)裝置接入到網(wǎng)絡(luò)層,。用戶(hù)可以通過(guò)監(jiān)控終端監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),,監(jiān)控終端既可以是固定的PC機(jī),也可以是移動(dòng)的3G設(shè)備,。同時(shí),,網(wǎng)關(guān)還具備良好的擴(kuò)展性,網(wǎng)關(guān)可以同時(shí)接入多個(gè)頻段的WSN網(wǎng)絡(luò),。多頻段WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

 圖1 多頻段WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 
圖1 多頻段WSN網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

  2 網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  網(wǎng)關(guān)的主控制單元采用ARM9芯片S3C2440A,主頻400 MHz,,外擴(kuò)64 MB SDRAM,、64 MB NAND Flash。微處理器的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(PDC)向串行外設(shè)提供DMA通道,使其與片內(nèi)以及片外存儲(chǔ)器讀寫(xiě)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不經(jīng)過(guò)處理器,。

  網(wǎng)關(guān)3G網(wǎng)絡(luò)接入端采用USB接口,,實(shí)現(xiàn)與3G網(wǎng)絡(luò)的通信;無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)接入端分別是2.4 GHz子網(wǎng)接入模塊,、780 MHz子網(wǎng)接入模塊,、470 MHz子網(wǎng)接入模塊和433 MHz子網(wǎng)接入模塊,各子網(wǎng)模塊都是通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)關(guān)主控制單元的通信,。以太網(wǎng)控制部分整個(gè)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,。

  圖2 以太網(wǎng)控制部分整個(gè)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖
圖2 以太網(wǎng)控制部分整個(gè)網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)框圖

  2.1 多頻段無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)子網(wǎng)接入部分

  由于S3C2440A芯片自身只有3通道的串口。而4個(gè)頻段的子網(wǎng)接入模塊都是采用串行通信接口,,ARM9芯片本身不能滿(mǎn)足本系統(tǒng)需求,,所以需要利用外圍擴(kuò)展芯片,設(shè)計(jì)串口擴(kuò)展電路來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的需求,。本設(shè)計(jì)采用TI公司的TL16C554A芯片,,通過(guò)并行數(shù)據(jù)線(xiàn)和地址線(xiàn)擴(kuò)展出來(lái)4路全功能串口。

  TL16C554A芯片是8位數(shù)據(jù)寬度,,TL16C554A的D0~D7引腳與ARM9芯片直接相連,,讀寫(xiě)信號(hào)是直接連接的。TL16C554A的引腳INA,、INTB,、INTC、INTD分別接在主控制芯片的引腳INT0,、INT2,、INT3、INT4,,這樣擴(kuò)展的各通道串口就能通過(guò)中斷獨(dú)立地工作,。

  將S3C2440A的地址線(xiàn)A0~A3與TL16C554A的A0~A3直接相連,S3C2440A的nGCS2作為譯碼器74LS139的片選信號(hào),。74LS139的輸入端分別接地址線(xiàn)A4~A5,。根據(jù)譯碼器譯碼,實(shí)現(xiàn)地址分配,,再通過(guò)ARM芯片地址映射,。外擴(kuò)的4通道串口的物理地址為

  通道A——0x10000000~0x10000008

  通道B——0x10000010~0x10000018

  通道C——0x10000020~0x100000028

  通道D——0x10000030~0x10000038。

  主控制芯片通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)這些地址就能訪(fǎng)問(wèn)外部寄存器,,即TL16C554A芯片片內(nèi)寄存器地址,。多頻段子網(wǎng)接入部分接口電路如圖3所示。

  
圖3 多頻段子網(wǎng)接入部分接口電路


  2.2 3G網(wǎng)絡(luò)接入接口部分

  3G網(wǎng)絡(luò)接入部分采用USB接口的華為ET128無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡,。接入接口使用USB—HUB芯片AU9254A21,,它是一款單芯片USB集線(xiàn)器控制器,。AU92 54A21采用12MHz無(wú)源晶振,為芯片工作提供獨(dú)立的時(shí)鐘,。3G網(wǎng)絡(luò)接入部分接口電路如圖4所示,。

圖4 3G網(wǎng)絡(luò)接入部分接口電路  
圖4 3G網(wǎng)絡(luò)接入部分接口電路

  2.3 以太網(wǎng)接入部分

  網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)送數(shù)據(jù)包的原理是:處理器先將待發(fā)送的數(shù)據(jù)存入到內(nèi)部存儲(chǔ)器,提供發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度,,然后執(zhí)行發(fā)送命令,由DM9000A將數(shù)據(jù)按TCP/IP協(xié)議格式發(fā)送到物理鏈路上,。

  因以太網(wǎng)信號(hào)電平與以太網(wǎng)控制器信號(hào)電平不同,,所以在硬件電路實(shí)現(xiàn)上需要在控制器與RJ-45接口間增加一個(gè)網(wǎng)絡(luò)變壓器,網(wǎng)絡(luò)變壓器采用TRC9016,。電信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器轉(zhuǎn)換,,然后經(jīng)RJ-45接口接入以太網(wǎng),從而完成數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)程,。DM9000A主要完成數(shù)據(jù)包和數(shù)字電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換,。

  3 網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  網(wǎng)關(guān)的軟件環(huán)境采用的是嵌入式Linux系統(tǒng)。移植好的Linux2.6.24源碼已經(jīng)包含了以太網(wǎng)控制器DM9000A,、USB接口芯片等芯片的驅(qū)動(dòng),。因此,軟件部分只需要設(shè)計(jì)串口擴(kuò)展芯片TL1 6C554A的驅(qū)動(dòng)程序以及Linux環(huán)境下的應(yīng)用程序即可,。

  3.1 串口擴(kuò)展芯片TL16C554A驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)

  Linux2.6.24內(nèi)核提供了統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模型,。多串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè),流程如圖5所示,。

  多串口設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè),,流程如圖

  3.2 Linux下PPP的管理和配置

  根據(jù)網(wǎng)關(guān)硬件接口的情況修改、移植通用驅(qū)動(dòng)代碼后,,通過(guò)相關(guān)的配置,,定制和編譯網(wǎng)關(guān)所需的內(nèi)核映像文件。內(nèi)核編譯采用的交叉編譯器版本為arm- linux-gcc3.4.1,,使用makemenuconfig ARCH=arm命令進(jìn)入內(nèi)核配置圖形化界面,,選擇和PPP(Point-to-Point,點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議)有關(guān)的選項(xiàng),,添加系統(tǒng)對(duì)PPP功能的支持,。界面如圖6所示。配置完成以后,,保存設(shè)置,,退出內(nèi)核配置圖形化界面。使用命令:makeuImage ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux-.編譯完成以后,,會(huì)在源碼包的arch/arm/boot路徑下生成內(nèi)核映像文件uImage,,如圖7 所示。

   Linux下PPP的管理和配置


  3.3 嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)編程

  本設(shè)計(jì)中通過(guò)TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò)接入Internet。WSN子網(wǎng)的某一節(jié)點(diǎn)在上電后,,網(wǎng)關(guān)分配給其一個(gè)1 6位的短地址,,使其在子網(wǎng)中標(biāo)識(shí)自己,然后周期性地發(fā)送其采集到的數(shù)據(jù),。網(wǎng)關(guān)收到傳感器節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)之后,,進(jìn)行IEEE 802.15.4協(xié)議與以太網(wǎng)協(xié)議的轉(zhuǎn)換,為了向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供透明的接口和區(qū)分串口數(shù)據(jù)的來(lái)源,,需要制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)幀格式,,所以協(xié)議轉(zhuǎn)換后加上slip的幀頭,通過(guò)串口設(shè)備發(fā)送給ARM,。

  ARM在解析了slip幀頭之后交給上層以及MAC層,,解析以太網(wǎng)頭,然后上交給適配層,,適配層將對(duì)完整的IPv6數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮或者分片,。數(shù)據(jù)在 IPv6層根據(jù)鄰居發(fā)現(xiàn),找到要發(fā)送的網(wǎng)絡(luò),,并且進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā),,經(jīng)過(guò)在MAC層加上相應(yīng)的MAC頭后,經(jīng)TD模塊發(fā)送到TD—SCDMA通信網(wǎng),。這樣,,從子網(wǎng)到TD網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)結(jié)束。

  3.3.1 PPP協(xié)議簡(jiǎn)介

  PPP是一種提供兩個(gè)實(shí)體之間數(shù)據(jù)包傳輸?shù)逆溌愤B接設(shè)計(jì)的鏈路層協(xié)議,。這種鏈路具有全雙工操作,、實(shí)現(xiàn)流量和差錯(cuò)控制等功能,并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包,??梢酝ㄟ^(guò)撥號(hào)或者專(zhuān)線(xiàn)方式,讓客戶(hù)端和服務(wù)端建立起一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接,,傳遞數(shù)據(jù),。

  3.3.2 建立撥號(hào)連接

  在Linux系統(tǒng)中,通過(guò)PPP可以將主機(jī)與一個(gè)PPP服務(wù)器連接并進(jìn)入該服務(wù)器所連接的網(wǎng)絡(luò)資源,,就好像直接連上那個(gè)網(wǎng)絡(luò)一樣,。建立一個(gè)PPP連接上網(wǎng)主要有以下步驟:第一步是調(diào)用會(huì)話(huà)程序。然后會(huì)話(huà)程序通過(guò)發(fā)送AT指令給3G模塊,,完成撥號(hào),、身份驗(yàn)證、配置等工作,。最后,,客戶(hù)端的pppd程序與服務(wù)器端的pppd程序進(jìn)行握手,,建立好連接,相互傳遞數(shù)據(jù),。多頻段網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)連接流程圖如圖8所示,。

  多頻段網(wǎng)關(guān)建立網(wǎng)絡(luò)連接流程圖如圖8所示

  3.4 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

  由于數(shù)據(jù)來(lái)源于4個(gè)頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)的串口,因此網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序采集多頻段子網(wǎng)匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)部分設(shè)計(jì)上采用Linux系統(tǒng)中的多設(shè)備讀取機(jī)制select(I/O多工機(jī)制)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)串口的監(jiān)聽(tīng),。多串口采集數(shù)據(jù)的流程如圖9所示,。

圖9 多串口采集數(shù)據(jù)的流程圖  
圖9 多串口采集數(shù)據(jù)的流程圖

  4 實(shí)例測(cè)試

  圖10為PPP撥號(hào)成功后超級(jí)終端顯示的Linux系統(tǒng)信息截圖,撥號(hào)目標(biāo)上位機(jī)地址是222.182.101.220,,從圖中可以看出,,PPP撥號(hào)成功,并且獲得了TD網(wǎng)絡(luò)分配的IPv4地址10.81.185.15,,遠(yuǎn)程服務(wù)器IP為192.200.1.21。

  圖10 PPP撥號(hào)成功后超級(jí)終端顯示的Linux系統(tǒng)信息截圖
圖10 PPP撥號(hào)成功后超級(jí)終端顯示的Linux系統(tǒng)信息截圖

  結(jié)語(yǔ)

  隨著物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,,TD—SCDMA將促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)有效發(fā)揮無(wú)縫通信的巨大威力,,該方案充分利用了互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)通信公用網(wǎng)絡(luò)資源,將無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)技術(shù),、嵌入式技術(shù),、TD—SCDMA通信有機(jī)地結(jié)合起來(lái),成功設(shè)計(jì)了WSN/TD網(wǎng)關(guān),,實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)與TD—SCDMA網(wǎng)絡(luò)的融合,,在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中取得了良好的效果。



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