摘  要： 實(shí)現(xiàn)了一種多功能的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，可完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN與Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，同時(shí)具有模糊定位、IP語音通信以及智能人機(jī)接口等功能，并對其硬件組成、軟件設(shè)計(jì)和對外接口等方面進(jìn)行了深入闡述。
關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)關(guān)

    近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)被廣泛應(yīng)用于井下監(jiān)測系統(tǒng)[1-2]。本文對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)部分——網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了深入分析與研究。該網(wǎng)關(guān)不但具有傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)所具有的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換功能[3]，而且可以實(shí)現(xiàn)井下人員的模糊定位，與礦上管理人員進(jìn)行IP語音通信等功能，同時(shí)提供了智能的人機(jī)接口。
1 基于WSN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)組成及工作原理
    基于WSN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)是利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測，采集礦井下溫度、濕度、氣壓、瓦斯?jié)舛鹊拳h(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)周期性上傳至Internet遠(yuǎn)程服務(wù)器，服務(wù)器對底層數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類并保存到本地?cái)?shù)據(jù)庫，井上管理人員通過訪問服務(wù)器能夠隨時(shí)查閱歷史記錄，實(shí)時(shí)了解井下情況，并能夠針對緊急事件做出快速有效的調(diào)整。基于WSN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架分為三個(gè)部分：傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集部分、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換部分以及遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器部分。系統(tǒng)框架如圖1所示。

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)位于整個(gè)系統(tǒng)的最底層，由一組傳感器終端節(jié)點(diǎn)以自組織方式構(gòu)成，分布于井下巷道的感知區(qū)域，能夠協(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。
    網(wǎng)關(guān)是監(jiān)控系統(tǒng)正常運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部分，主要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：(1)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯聚、處理和存儲；(2)與Internet遠(yuǎn)程服務(wù)器的數(shù)據(jù)交互。此外，網(wǎng)關(guān)還引入了一些附加功能，增強(qiáng)了網(wǎng)關(guān)的人性化與實(shí)用性，比如采用RFID射頻模塊實(shí)現(xiàn)井下人員的模糊定位、網(wǎng)關(guān)與監(jiān)控中心的實(shí)時(shí)語音通信、本地人機(jī)交互等等。網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中具有承上啟下的作用，設(shè)計(jì)出高效、穩(wěn)定的網(wǎng)關(guān)對整個(gè)系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量至關(guān)重要。
    遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)器位于整個(gè)系統(tǒng)的最上層，提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和存儲能力。通過該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)查詢礦井下的環(huán)境參數(shù)、人員信息，調(diào)取系統(tǒng)存儲的歷史記錄，發(fā)送指令信息，控制WSN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)行為，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理?；赪SN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)作為系統(tǒng)中連接WSN與Internet的核心部分，要求穩(wěn)定、可靠、功能強(qiáng)大而結(jié)構(gòu)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(fā)單元、以太網(wǎng)接口單元、RFID射頻識別單元、語音通信單元以及人機(jī)接口單元等。

    網(wǎng)關(guān)的中央處理單元采用Samsung公司處理器S3C2440，主頻達(dá)400 MHz，運(yùn)算能力強(qiáng)大，通過移植嵌入式Linux操作系統(tǒng)可以可靠地完成傳感數(shù)據(jù)接收處理、實(shí)時(shí)語音通信、智能人機(jī)交互等多任務(wù)并行操作。WSN射頻收發(fā)單元是網(wǎng)關(guān)與WSN的接口單元，采用與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相同的CC1110射頻芯片，用于提供網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的空中接口。以太網(wǎng)接口單元是網(wǎng)關(guān)與Internet的接口單元，采用以太網(wǎng)控制器CS8900A，用于提供網(wǎng)關(guān)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(yè)級模塊，可以在網(wǎng)關(guān)周圍0~30 m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)人員的模糊定位。人機(jī)接口單元采用4線電阻式觸摸屏，通過人機(jī)交互操作可方便地完成網(wǎng)關(guān)的本地屬性配置以及應(yīng)用程序的啟動，避免了PC機(jī)等大型設(shè)備配置網(wǎng)關(guān)所帶來的不便。語音通信單元則采用UDA1341芯片構(gòu)建嵌入式音頻系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的高質(zhì)量IP語音通信。
2.1 與WSN接口設(shè)計(jì)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的2.4 GHz頻段數(shù)據(jù)傳輸速率大，但由于信號衰減嚴(yán)重，無法適應(yīng)礦井下的惡劣環(huán)境。CC1110是TI公司的一種系統(tǒng)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(gòu)，可工作于915 MHz，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)關(guān)與WSN通信的空中接口，直接與WSN的傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)作為連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)的橋梁，負(fù)責(zé)對各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的接收、整理，并按照協(xié)議所規(guī)定的格式打包數(shù)據(jù)，最后通過無線方式向網(wǎng)關(guān)的WSN射頻收發(fā)單元轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
    中央處理單元與WSN射頻收發(fā)單元之間采用串行接口方式連接，實(shí)時(shí)讀取傳感數(shù)據(jù)并按照約定協(xié)議對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，轉(zhuǎn)換成用戶可知的信息，如傳感器節(jié)點(diǎn)部署區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、氣壓、瓦斯?jié)舛鹊?。其中，在設(shè)計(jì)串行通信接口電路時(shí)，中央處理器UART0通道通過MAX2332芯片轉(zhuǎn)換為RS232接口，為網(wǎng)關(guān)設(shè)備開發(fā)調(diào)試提供PC機(jī)控制臺接口；UART1通道則與CC1110全雙工通信，完成數(shù)據(jù)的串并轉(zhuǎn)換，由于S3C2440和CC1110電平均為3.3 V，兩者之間無需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，可直接采用3線式連接方式，即數(shù)據(jù)接收引腳RX與數(shù)據(jù)發(fā)送引腳TX交叉連接，地線直接相連。
2.2 與Internet網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)
    Internet網(wǎng)絡(luò)接口物理層芯片采用以太網(wǎng)控制器CS8900A，其內(nèi)部集成了4 KB的片上存儲器，10 Base-T的收發(fā)濾波器，并且提供8位和16位兩種數(shù)據(jù)接口。本系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)，以太網(wǎng)控制器與中央處理器通過20位的地址總線和16位的數(shù)據(jù)總線相連，與Internet通過一個(gè)集成了RJ45接口的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器HR911103A相連。
    Internet網(wǎng)絡(luò)接口具有檢測網(wǎng)絡(luò)狀況、接收發(fā)送以太幀、檢測校驗(yàn)等功能，可以將經(jīng)過中央處理單元融合的底層傳感數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)IP數(shù)據(jù)包格式直接發(fā)送到Internet遠(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)也可以將接收到的Internet服務(wù)器指令經(jīng)過解包后通過數(shù)據(jù)總線送達(dá)中央處理單元執(zhí)行，除此以外，Internet網(wǎng)絡(luò)接口也給網(wǎng)關(guān)的其他功能如IP語音通信等提供了接口單元。
    綜上所述，網(wǎng)關(guān)與WSN和Internet的接口電路簡圖如圖4所示。

2.3 網(wǎng)關(guān)的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    網(wǎng)關(guān)以嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為平臺，可以實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的并發(fā)執(zhí)行。用戶應(yīng)用程序構(gòu)建于操作系統(tǒng)之上，通過系統(tǒng)調(diào)用操作底層硬件，如串口、網(wǎng)絡(luò)控制器等設(shè)備。系統(tǒng)調(diào)用接口則由操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序提供，驅(qū)動程序直接操作硬件，按照硬件設(shè)備的具體工作方式讀寫設(shè)備寄存器，完成對設(shè)備的輪詢、中斷處理、DMA通信、物理內(nèi)存向虛擬內(nèi)存的映射等。網(wǎng)關(guān)設(shè)備軟件架構(gòu)如圖5所示。

    網(wǎng)關(guān)設(shè)備操作系統(tǒng)應(yīng)包含串口驅(qū)動程序、網(wǎng)絡(luò)控制器驅(qū)動程序以及音頻編解碼器驅(qū)動程序等。其中，串口以及音頻編解碼器必須以串行數(shù)據(jù)流形式直接訪問，不經(jīng)過系統(tǒng)的快速緩存，主要提供open()、close()、read()、write()、ioctl()等系統(tǒng)調(diào)用接口，屬于字符設(shè)備驅(qū)動程序。而網(wǎng)絡(luò)控制器是面向數(shù)據(jù)報(bào)的接收和發(fā)送而設(shè)計(jì)的，并沒有與文件系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)，與操作系統(tǒng)通信方式與上述設(shè)備不同，屬于網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備驅(qū)動程序。各設(shè)備驅(qū)動以內(nèi)核模塊的形式提供，通過內(nèi)核模塊的加載與卸載，可以在網(wǎng)關(guān)運(yùn)行過程中動態(tài)地添加或刪除相應(yīng)硬件設(shè)備。
    網(wǎng)關(guān)設(shè)備的用戶應(yīng)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(fù)責(zé)初始化各硬件模塊并協(xié)調(diào)各個(gè)模塊工作，保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet服務(wù)器之間正常的信息交互，同時(shí)即時(shí)響應(yīng)各種軟、硬件中斷，進(jìn)行相應(yīng)處理。語音通信程序采用雙線程工作，調(diào)用read()、write()等系統(tǒng)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(shù)據(jù)至本地緩存，并發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器；同時(shí)接收Internet的遠(yuǎn)程音頻數(shù)據(jù)包并進(jìn)行音頻解碼，恢復(fù)原始音頻信息，從而實(shí)現(xiàn)本地與遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)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(wù)。在觸摸屏上提供智能的人機(jī)接口，方便主程序?qū)υO(shè)備啟動、端口配置、網(wǎng)絡(luò)初始化、服務(wù)器IP地址設(shè)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(shè)備的初始化、加載協(xié)議棧、配置端口等工作，同時(shí)通過Socket機(jī)制建立起與遠(yuǎn)程服務(wù)器的連接，接著采用輪詢與中斷處理相結(jié)合的方式對串口和網(wǎng)口數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視。Internet網(wǎng)絡(luò)接口方面，利用Socket機(jī)制設(shè)計(jì)以太網(wǎng)通信模塊，考慮到對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，采用面向連接的TCP客戶機(jī)-服務(wù)器模型。網(wǎng)關(guān)作為客戶機(jī)，調(diào)用Socket()函數(shù)，建立一個(gè)Socket套接字，指定TCP/IP相關(guān)協(xié)議之后，調(diào)用connect()函數(shù)將本地端口號和地址信息傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器，請求建立連接。連接成功后，通過send()函數(shù)進(jìn)行服務(wù)請求的發(fā)送，通過receive()函數(shù)進(jìn)行響應(yīng)的接收。WSN接口方面，網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點(diǎn)間的通信主要是讀取匯聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的過程，對接收到的數(shù)據(jù)采取串行通信方式，通過打開、讀寫對應(yīng)的設(shè)備文件來完成對串口的操作。串口0~2在Linux文件系統(tǒng)中對應(yīng)的設(shè)備文件是/dev/tts/0、/dev/tts/1、/dev/tts/2，本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)可以通過open()、read()、write()等系統(tǒng)調(diào)用操作/dev/tts/1設(shè)備文件，完成網(wǎng)關(guān)與WSN的數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于WSN的礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)。在實(shí)際工程測試中，成功實(shí)現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部Internet網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)還增加了一些附加服務(wù)，如RFID模糊定位、IP語音通信等，體現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)功能的多元化發(fā)展方向。
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