[信息与通信]第九章 物联网环境下的无线传感器网络接入技术

1、无线传感器网络技术及其应用课程目录基于无线传感器网络的多网络融合系统结构多种无线传感器网络接入技术的比较多网络融合网关硬件设计多网络融合网关数据传输方式的设计与实现基于无线传感器网络的多网络融合系统结构多网融合的无线传感器网络是在传统无线传感器网络的基础上，利用网关接入技术，实现无线传感器网络与以太网、无线局域网、移动通信网等多种网络的融合。网关作用：在多网融合的无线传感器网络中担当网络间的协议转换器、不同网络类型网络路由器、全网数据聚集、存储处理等重要角色，成为网络间连接不可缺少的纽带。无线传感器网络节点：在一定的网络调度与控制策略驱动下，对其所部署的区域开展监控与传感；网关节点设备将实现对

2、其所在的无线传感器网络的区域管理、任务调度、数据聚合、状态监控与维护等一系列功能。基于无线传感器网络的多网络融合系统结构经网关节点融合、处理并经过相应的标准化协议处理和数据转换之后的无线传感器网络信息数据，将由网关节点设备聚合，根据其不同的业务需求及所接入的不同网络环境，经由TD-SCDMA和GSM系统下的地面无线接入网、Internet环境下的网络通路及无线局域网络下的无线链路接入点等，分别接入TD-SCDMA与GSM核心网、Internet主干网及无线局域网络等多类型异构网络，并通过各网络下的基站或主控设备，将传感信息分发至各终端，以实现针对无线传感器网络的多网远程监控与调度。 同时，处于

3、TD-SCDMA、GSM、Internet等多类型网络终端的各应用与业务实体，也将通过各自网络连接相应的无线传感器网络网关，并由此对相应无线传感器网络节点开展数据查询、任务派发、业务扩展等多种功能，最终实现无线传感器网络与以移动通信网络、Internet网络为主的各类型网络的无缝的、泛在的交互。9.1基于无线传感器网络的多网络融合系统结构基于无线传感器网络的多网融合体系结构：课程目录基于无线传感器网络的多网络融合系统结构多种无线传感器网络接入技术的比较多网络融合网关硬件设计多网络融合网关数据传输方式的设计与实现基于无线传感器网络的多网络融合系统结构由于无线传感器网络系统的特殊性，其应用领域与普

4、通通信网络有着显著的区别，在实际应用中的无线传感器网络并不能以一个独立的通信网络形式存在。近些年来无线传感器网络网关节点方面一些重要研究成果:德国亚琛工业大学提出了模块化的无线传感器网络网关设计方案；美国马里兰大学从两个方面对无线传感器网络网关设备节点的安全性展开研究；韩国公立忠北科学大学提出了适用于网关节点的部署成本小、网络覆盖高、节点功能强、可靠性好及能够解决两种通信协议之间转换的策略等等。基于无线传感器网络的多网络融合系统结构在无线传感器网络中，网关担当网络间的协议转换器，不同网络类型的网络路由器，全网数据聚集、存储处理等重要角色，成为网络间连接不可缺少的纽带。传统的WSN网关是利用汇聚

5、节点与PC机相结合来实现的，利用PC机与外部网络连接将无线传感器网络的数据进行远距离传输。基于无线传感器网络的多网络融合系统结构目前应用比较广泛、技术比较成熟的无线传感器网络网关主要有以下几大类：1基于Internet的无线传感器网络（WSN）网关 2基于无线通信的无线传感器网络网关3利用公用 网的无线传感器网络网关基于无线传感器网络的多网络融合系统结构实际应用中选择网关的接入方式要依次考虑一下情况：1.WSN的应用环境所能提供的可能的网络接入方式2.WSN是一种以数据为中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小。3.网关节点的成本和集成难度现有接入技术概述接入方式上行数据率网络覆盖网关

6、集成难度及成本有线接入最高（56K100M）室内易集成，成本低GPRS接入较低（115.2K）较广易集成，成本低CDMA接入较高（153.6K）较广易集成，成本低WLAN接入高（1K54K）热点区域易集成，成本较低卫星接入最低，传输延迟大最广不宜集成，成本高无线传感器网络接入基础网络的方式比较结论： WLAN网络在网络覆盖、数据传输速率、网络的稳定性和设备性价比上都有优势。面向以太网的无线传感器网络接入技术1以太网接入无线传感器网络技术以太网是总线形拓扑结构局域网的典型代表，它是当今TCP/IP采用的主要局域网技术。 uClinux提供了通用的Linux API以支持完整的TCP/IP协议，同

7、时它还支持许多其他网络协议，是一个网络完备的操作系统。其中socket通信机制是开发以太网应用程序的关键技术。套接字（socket）是一个支持网络输入/输出（I/O）的结构。常用的socket类型有两种：流式socket和数据报式socket。面向以太网的无线传感器网络接入技术1以太网接入无线传感器网络技术信息网络套接字连接信息本地程序远程程序套接字连接面向以太网的无线传感器网络接入技术1以太网接入无线传感器网络技术网关与远程终端之间的通信过程如下：面向以太网的无线传感器网络接入技术3面向以太网的无线传感器网络网关实例硬件平台设计：网关设备由核心板和底板组成：核心板上集成Atmel AT91R

8、M9200处理器、64M SDRAM及16M Flash；底板上提供以下外设接口：两个4线RS-2232串口和一个10M/100M自适应以太网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式接入网络，目前最常见的接入方法是采用最成熟的以太网络接口。软件平台设计：网关软件平台主要包括两大部分：一是Webserver和TCP/IP协议栈；二是传感器网络数据查询及管理部分，该部分包括远程管理模块、查询指令分析处理模块、数据存储模块和传感器信息分析管理模块。面向无线局域网的无线传感器网络接入技术9.2.3网关节点通过无线网卡模块以无线的方式接入无线局域网，从而实现无线传感器网络与Internet的互

9、联互通。无线网卡就是使某一设备可以利用无线来上网的一个装置,按照接口的不同可以分为多种。根据无线传感器网络的实际应用要求，本书设计的网关采用USB无线网卡。注意：只有采用接口的无线网卡才能满足或IEEE 802.11g+的需求。面向无线局域网的无线传感器网络接入技术9.2.3加载无线模块内核步骤如下： 修改工具包的Makefile文件 进入解压后的wireless_tools目录，执行make，再执行make install 将/root/iwconfig目录下sbin目录中的所有文件复制到开发板根目录下的/sbin目录中，同理，将/root/iwconfig目录下lib目录中的所有文件复制到

10、开发板根目录下的/lib目录中 完成后，输入iwconfig命令进行测试面向无线局域网的无线传感器网络接入技术9.2.3移植无线网卡驱动步骤如下： 在嵌入式Linux系统中，在/etc目录下新建目录Wireless/RT73STA。 下载最新版本的无线网卡驱动，删除原有的Makefile文件，编写新的Makefile文件。 执行make all指令，将生成的复制至Wireless/RT73STA目录中。 在嵌入式Linux下执行命令，实现格式转换。 执行insmod命令加载，再用ifconfig、iwconfig等命令设置网关IP地址等内容。面向无线局域网的无线传感器网络接入技术9.2.3测试

11、PC机ping通网关的过程如下:当测试PC机运行ping命令时，首先以广播形式发送ARP报文，查找目的IP的物理地址。 当网关系统接收到ARP命令并且判断目的IP与网关系统的IP相同时，发送ARP应答报文给测试PC机。测试PC机收到应答报文后，以网关系统的物理地址为目的地址，发送ICMP请求命令，网关系统收到ICMP请求命令后，以ICMP应答命令回复，共持续4次。面向移动通信网的无线传感器网络接入技术9.2.4优点：覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费；本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，无需经过PSTN等网络的转接，可直接与Internet互通。GPRS是

12、通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。目的： 一是通过短消息将无线传感器网络的信息发送至 终端。 二是通过GPRS数据传输程序将信息发送至远程终端（PC机）。面向移动通信网的无线传感器网络接入技术1短消息收发方式 中发送和接收短信息的方式：Block Mode Text ModePDU Mode区别注意：在进行应用编程时，回车与换行对应的字符分别为r和n，Ctrl+z对应的十六进制为oxla。面向移动通信网的无线传感器网络接入技术1短消息收发方式PDU编码TPDU串短消息

13、服务中心地址SMSC地址信息长度SMSC地址类型SMSC地址的值面向移动通信网的无线传感器网络接入技术2GPRS数据传输程序设计数据传输流程图:串口初始化Sleep(90)调用connect函数建立TCP连接连接成功？向串口写入发送数据的指令at+cpisend/r写入存储汇聚节点数据的数组关闭节点面向移动通信网的无线传感器网络接入技术2GPRS数据传输程序设计无线传感器网络与目前主流的TD-SCDMA网络协议栈结构如图：用户接口应用实体ZigBee服务集支撑软件网络层ZigBee设备实体MAC层物理层射频ZigBee规范集高层高层无线资源控制子层分组数据汇聚协议广播/组播控制无线链路控制层M

14、AC层物理层TD-SCDMA射频异构网络控制平面用户平面数据封装数据解析课程目录基于无线传感器网络的多网络融合系统结构多种无线传感器网络接入技术的比较多网络融合网关硬件设计多网络融合网关数据传输方式的设计与实现多网络融合网关硬件设计网关的设计需求如下：1硬件需求 网关硬件平台应具有低功耗、高性能的嵌入式微处理器对数据进行处理；存储器系统用以存储应用程序及从无线传感器网络接收到的数据；在调试程序及上传数据时需要用到串行通信接口；以太网接口作为网关与终端进行数据传输的一个接口；无线网卡通过USB接口接入本网关；此外，网关硬件还应包括JTAG测试接口、时钟系统及复位电路等。2软件需求网关软件平台应为

15、便于移植的、可裁减的嵌入式操作系统，方便随时根据需要添加或删除内核模块。此平台应支持WSN数据的采集、转换、转发等应用程序，并支持多线程编程。多网络融合网关硬件设计无线传感器网络网关的总体实现目标如下：1.网关设计要具备良好的可扩展性。2.实现对无线传感器网络不同节点信息的采集和转换。3. 远程数据传输应具备无线和有线两种方式，提高可靠性。4.网关可以实现各模块程序并行执行。多网络融合网关硬件总体结构设计网关节点设备的技术指标如下：1. 具备无缝接入各种网络的能力，信息聚合、处理、选择与分发功能，独立寻址与编址能力。2.每个无线传感器网络节点都可以通过网关节点的中转，实现与各异构网络终端的一对

16、一或一对多的数据通信与信息交互。3. 网关节点的处理频率高于16MHz，数据吞吐量大于10Mbit/s，无线数据传输速率高于250kbit/s。4.网关节点同时支持无线传感器网络协议栈与主流移动通信网络协议栈、TCP/IP协议栈、协议栈。5.网关节点支持网内节点组网规模大于128个，可以实现对网内节点的稳定、高效的监督、管理与控制，可以对网内的无线传感器节点的工作模式、频率设置、采样时间等进行控制，实现远程管理。多网络融合网关硬件总体结构设计面向多类型异构网络的无线传感器网络网关节点设备的实现策略如下如下： 1功能化、模块化与集成化设计策略 本书所研制的网关节点设备，除了要对传感器网络中各节点

17、进行监测、管理、任务调度与分配、全局与个体控制等功能以外，还需要同移动通信网络（如TD-SCDMA、GSM等）、Internet、无线局域网络等进行复杂交互与融合，拥有较为庞大的硬件体系结构。因此，必须全面实施模块化的设计策略，重点面向总线和模块间的接口规程设计，并将门级元件与中小型IC进行较大规模的整合，以简化网关节点设备的开发、设计、测试与验证流程。网关节点还需要同时实现高度集成化的目标，以保证在二次开发和后续业务拓展中，仍可以发挥较大作用。2通用部件复用策略 网关节点不仅仅面向单一的无线传感器网络，因此必须充分考虑其功能部件的利用效率，以增强网关设备的功能性。需要在详细研究各类型异构网络

18、接入设备硬件体系架构的基础上，分析其设备共性与相似性，并在此基础上，重点开展对网关设备中的主要功能部件（如主控制器、协议栈存储器、射频部件等）的多功能复用，以尽可能地简化网关节点的硬件设备结构组成，提高系统的运转效率。 3可重用及二次开发策略 为面向更多类型的网络应用，进一步拓展无线传感器网络的应用规模，在对网关节点设备的研制过程中，应充分考虑其二次开发能力，深度挖掘其进一步开发的潜能，使得网关节点设备拥有支持更多的网络接入类型的能力，具备多元化和可扩展的特点，以满足更多的新型网络业务需要，拥有较强的可持续运转能力。多网络融合网关硬件总体结构设计网关设备拟定的系统框架如图：多网络融合网关硬件总

19、体结构设计 1多类型网络控制与接入模块 本模块将多类型网络接入装置，考虑底层硬件系统二次开发需求，为其他类型网络接入装置提供相应硬设备接口，便于网关设备的进一步开发。2异构网络协议转换模块本模块是网关设备实现其接入功能的核心，将重点实现无线传感器网络与各种网络协议栈的对接与融合。 3核心控制与处理模块 本模块主要实现对无线传感器网络任务的全局处理、数据融合与信息提取，还为多类型网络提供基础服务与管理功能，完成异构网络调度、网络资源管理、网络连接管理及自适应切换等功能，是整个网关节点的调度中心装置。多网络融合网关硬件总体结构设计 4无线通信模块 本模块的主要作用是从协议底层正确获取网络内各节点的

20、多种类型下的传感数据信息，交由核心控制与处理模块进行处理，并最终传送至指定的接入网络。同时，由各类型网络下行而来的、经过协议与格式转换后的数据流、控制流、业务流等，也通过本模块发布至无线传感器网络的各个独立节点。5外部存储和能量供应模块 网关节点应该具备必要的存储能力，它的能量供应模块也应该为节点的各组成模块的功能提供能量支撑。 6多类型网络协议栈存储模块 在开展网关节点设备研制过程中，必须充分考虑设备对各类型网络协议的支持与规范。构建拥有较强存储能力并可进行快速访问的存储模块，建立丰富的协议接入与访问接口，为其他类型的接入网络，保留协议栈存储空间及访问路径。多网络融合网关硬件总体结构设计7基

21、础服务与管理模块 本模块是无线传感器网关设备的中心调度模块，通过与协议转换模块和多类型网络控制与接入设备的协调，完成各类型接入网络与无线传感器网络的数据与业务接入与互联。本模块结构中主要包括如下部件。 异构网络调度部件 网络连接管理部件 网络资源管理部件 异构网络自适应连接部件通信模块设计1无线通信芯片CC2420 本例中网关与WSN通信使用的是CC2420芯片。 CC2420是为低功率、低电压无线应用而设计的单片RF收发芯片。CC2420频率为，是在免授权的ISM（工业、科研和医疗）频带上进行无线通信的低成本、高集中的解决方案。通信模块设计2芯片内部结构3CC2420典型设计通信模块设计对C

22、C2420以及这些外围电路的PCB板布图时注意： 应尽量把所有这些器件布设在同一个相对集中的区域，并且应远离电源等噪声敏感源部分。 相关电感、电容的摆放应尽量靠近CC2420的射频接入端，布线应短而直，同时也可以适当地增加布线宽度来减小线路上的信号衰减。必要时也可设计微带线来精确匹配50ohm的无线输入阻抗。 将芯片的模拟地和数字地分开设计，最终通过一个0ohm的电阻或磁珠使其只在一点相连。减小系统的干扰。 布设完线之后还要大范围地铺地敷铜，进一步减小高频干扰。通信模块设计4天线设计倒置F型PCB天线小尺寸PCB天线外接高增益天线三种天线设计方案设计简单但所占面积大增益大，占用空间大，降低用户

23、可接收度 占用面积更小实现时，拐角较多，精度要求很高的高频通信领域，设计上增加一定的难度。 其增益可以达到很高。特点通信模块设计5接口电路及CC2420工作方式引 脚功 能FIFOP数字输出FIFO数字输入输出CCA空闲信道估计SFD帧开始分隔符SISPI数据输入（SCLK的上升沿采样）SOSPI数据输出（SCLK的下降沿采样）SCLKSPI接口时钟线CSnSPI接口使能SPI接口引脚通信模块设计CC2420GATEWAYFIFOFIFOPCCASFDCSnSISOSCLKGIO0InterruptGIO1Timer captureGIO2MOSIMISOSCLKCC2420与网关的接口通信模

24、块设计接收期间引脚状态图：通信模块设计发送期间引脚状态图：通信模块设计空闲信道评估信号（CCA）的产生是基于测量的RSSI值及可编程的门限。CCA函数用于实现CSMA-CA功能，它能设置为3种模式 ：如果接收信号的能量低于门限则信道空闲。如果没有接收到数据则信道空闲。1和2则信道空闲。通信模块设计在对CC2420进行操作的过程中应注意：寄存器操作对应的是两个字节，而RAM操作只是一个字节。RAM访问的操作不能用于FIFO的写操作，因为它的计数器不能自动增加，需要用FIFO访问来操作 。TXFIFO只写，读取使用RAM访问，而RXFIFO可读写。 FIFO和RAM的访问必须用CSn置高来结束，其

25、他的访问则可以不用将其置高而进行下一步的操作。通信模块设计1.串口电路设计：串口0电路原理图串口1和串口2电路原理图通信模块设计接口设计：USB接口电路原理图通信模块设计3.用户按键电路设计：按键电路原理图通信模块设计4.以太网接口电路设计：DM9000A内部结构框图DM9000A电路原理图课程目录基于无线传感器网络的多网络融合系统结构多种无线传感器网络接入技术的比较多网络融合网关硬件设计多网络融合网关数据传输方式的设计与实现9.4.1多网络融合网关与无线传感器网络节点的数据传输CC2420发送调制部分的简单模块框架如图：代传输的比特流（低位在前）位转化为符号符号转化为码片码片的O-QPSK调制调制好的信号9.4.1多网络融合网关与无线传感器网络节点的数据传输CC2420接收解调部分的简单模块框架如图：I/Q模拟射频信号模数转换符数字过滤频率校正调制好的信号数据过滤信号同步数据输出符数字过滤RSSI多网络融合网关接入外部基础设施网络实现C