無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用課程目錄9.19.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的比較多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)9.39.4多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多網(wǎng)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是在傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的根底上，利用網(wǎng)關(guān)接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)的融合。網(wǎng)關(guān)作用：在多網(wǎng)融合的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器、不同網(wǎng)絡(luò)類型網(wǎng)絡(luò)路由器、全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)處理等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接不可缺少的紐帶。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：在一定的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度與控制策略驅(qū)動(dòng)下，對(duì)其所部署的區(qū)域開展監(jiān)控與傳感；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備將實(shí)現(xiàn)對(duì)其所在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域管理、任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)聚合、狀態(tài)監(jiān)控與維護(hù)等一系列功能。9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)經(jīng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)融合、處理并經(jīng)過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信息數(shù)據(jù)，將由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備聚合，根據(jù)其不同的業(yè)務(wù)需求及所接入的不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，經(jīng)由TD-SCDMA和GSM系統(tǒng)下的地面無線接入網(wǎng)、Internet環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通路及無線局域網(wǎng)絡(luò)下的無線鏈路接入點(diǎn)等，分別接入TD-SCDMA與GSM核心網(wǎng)、Internet主干網(wǎng)及無線局域網(wǎng)絡(luò)等多類型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并通過各網(wǎng)絡(luò)下的基站或主控設(shè)備，將傳感信息分發(fā)至各終端，以實(shí)現(xiàn)針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控與調(diào)度。同時(shí)，處于TD-SCDMA、GSM、Internet等多類型網(wǎng)絡(luò)終端的各應(yīng)用與業(yè)務(wù)實(shí)體，也將通過各自網(wǎng)絡(luò)連接相應(yīng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，并由此對(duì)相應(yīng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開展數(shù)據(jù)查詢、任務(wù)派發(fā)、業(yè)務(wù)擴(kuò)展等多種功能，最終實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)為主的各類型網(wǎng)絡(luò)的無縫的、泛在的交互。9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)融合體系結(jié)構(gòu)：課程目錄9.19.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的比較多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)9.39.4多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的特殊性，其應(yīng)用領(lǐng)域與普通通信網(wǎng)絡(luò)有著顯著的區(qū)別，在實(shí)際應(yīng)用中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不能以一個(gè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)形式存在。近些年來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)方面一些重要研究成果:德國亞琛工業(yè)大學(xué)提出了模塊化的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)方案；美國馬里蘭大學(xué)從兩個(gè)方面對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的平安性展開研究；韓國公立忠北科學(xué)大學(xué)提出了適用于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的部署本錢小、網(wǎng)絡(luò)覆蓋高、節(jié)點(diǎn)功能強(qiáng)、可靠性好及能夠解決兩種通信協(xié)議之間轉(zhuǎn)換的策略等等。9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)關(guān)擔(dān)當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議轉(zhuǎn)換器，不同網(wǎng)絡(luò)類型的網(wǎng)絡(luò)路由器，全網(wǎng)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)處理等重要角色，成為網(wǎng)絡(luò)間連接不可缺少的紐帶。傳統(tǒng)的WSN網(wǎng)關(guān)是利用會(huì)聚節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)的，利用PC機(jī)與外部網(wǎng)絡(luò)連接將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用比較廣泛、技術(shù)比較成熟的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)主要有以下幾大類：1．基于Internet的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)〔WSN〕網(wǎng)關(guān)2．基于無線通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)3．利用公用網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)9.1基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)用中選擇網(wǎng)關(guān)的接入方式要依次考慮一下情況：1.WSN的應(yīng)用環(huán)境所能提供的可能的網(wǎng)絡(luò)接入方式2.WSN是一種以數(shù)據(jù)為中心的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)量大而下行數(shù)據(jù)量小。3.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的本錢和集成難度現(xiàn)有接入技術(shù)概述接入方式上行數(shù)據(jù)率網(wǎng)絡(luò)覆蓋網(wǎng)關(guān)集成難度及成本有線接入最高（56K~100M）室內(nèi)易集成，成本低GPRS接入較低（115.2K）較廣易集成，成本低CDMA接入較高（153.6K）較廣易集成，成本低WLAN接入高（1K~54K）熱點(diǎn)區(qū)域易集成，成本較低衛(wèi)星接入最低，傳輸延遲大最廣不宜集成，成本高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入根底網(wǎng)絡(luò)的方式比較結(jié)論：

WLAN網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、數(shù)據(jù)傳輸速率、網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和設(shè)備性價(jià)比上都有優(yōu)勢。面向以太網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)1以太網(wǎng)接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以太網(wǎng)是總線形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)局域網(wǎng)的典型代表，它是當(dāng)今TCP/IP采用的主要局域網(wǎng)技術(shù)。uClinux提供了通用的LinuxAPI以支持完整的TCP/IP協(xié)議，同時(shí)它還支持許多其他網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)完備的操作系統(tǒng)。其中socket通信機(jī)制是開發(fā)以太網(wǎng)應(yīng)用程序的關(guān)鍵技術(shù)。套接字〔socket〕是一個(gè)支持網(wǎng)絡(luò)輸入/輸出〔I/O〕的結(jié)構(gòu)。常用的socket類型有兩種：流式socket和數(shù)據(jù)報(bào)式socket。面向以太網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)1以太網(wǎng)接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)信息網(wǎng)絡(luò)套接字連接信息本地程序遠(yuǎn)程程序套接字連接面向以太網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)1以太網(wǎng)接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)網(wǎng)關(guān)與遠(yuǎn)程終端之間的通信過程如下：面向以太網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)3面向以太網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)實(shí)例硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)設(shè)備由核心板和底板組成：核心板上集成AtmelAT91RM9200處理器、64MSDRAM及16MFlash；底板上提供以下外設(shè)接口：兩個(gè)4線RS-2232串口和一個(gè)10M/100M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。外圍硬件接口的選擇將決定整個(gè)系統(tǒng)通過何種方式接入網(wǎng)絡(luò)，目前最常見的接入方法是采用最成熟的以太網(wǎng)絡(luò)接口。軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)：網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)主要包括兩大局部：一是Webserver和TCP/IP協(xié)議棧；二是傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)查詢及管理局部，該局部包括遠(yuǎn)程管理模塊、查詢指令分析處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和傳感器信息分析管理模塊。面向無線局域網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)9.2.3網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)卡模塊以無線的方式接入無線局域網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet的互聯(lián)互通。無線網(wǎng)卡就是使某一設(shè)備可以利用無線來上網(wǎng)的一個(gè)裝置,按照接口的不同可以分為多種。根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用要求，本書設(shè)計(jì)的網(wǎng)關(guān)采用USB無線網(wǎng)卡。注意：只有采用USB2.0接口的無線網(wǎng)卡才能滿足IEEE802.11g或IEEE802.11g+的需求。面向無線局域網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)9.2.3加載無線模塊內(nèi)核步驟如下：①修改工具包的Makefile文件②進(jìn)入解壓后的wireless_tools目錄，執(zhí)行make，再執(zhí)行makeinstall③將/root/iwconfig目錄下sbin目錄中的所有文件復(fù)制到開發(fā)板根目錄下的/sbin目錄中，同理，將/root/iwconfig目錄下lib目錄中的所有文件復(fù)制到開發(fā)板根目錄下的/lib目錄中④完成后，輸入iwconfig命令進(jìn)行測試面向無線局域網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)9.2.3移植無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)步驟如下：①在嵌入式Linux系統(tǒng)中，在/etc目錄下新建目錄Wireless/RT73STA。②下載最新版本的無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，刪除原有的Makefile文件，編寫新的Makefile文件。③執(zhí)行makeall指令，將生成的rt73.ko,rt73.bin,rt73sta.dat復(fù)制至Wireless/RT73STA目錄中。

④在嵌入式Linux下執(zhí)行dos2unix/etc/Wireless/RT73STA/rt73sta.dat命令，實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。⑤執(zhí)行insmod命令加載rt73.ko，再用ifconfig、iwconfig等命令設(shè)置網(wǎng)關(guān)IP地址等內(nèi)容。面向無線局域網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)9.2.3測試PC機(jī)ping通網(wǎng)關(guān)的過程如下:當(dāng)測試PC機(jī)運(yùn)行ping命令時(shí)，首先以播送形式發(fā)送ARP報(bào)文，查找目的IP的物理地址。當(dāng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)接收到ARP命令并且判斷目的IP與網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的IP相同時(shí)，發(fā)送ARP應(yīng)答報(bào)文給測試PC機(jī)。測試PC機(jī)收到應(yīng)答報(bào)文后，以網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的物理地址為目的地址，發(fā)送ICMP請(qǐng)求命令，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)收到ICMP請(qǐng)求命令后，以ICMP應(yīng)答命令回復(fù)，共持續(xù)4次。面向移動(dòng)通信網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)9.2.4優(yōu)點(diǎn)：覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)傳輸速度快、通信質(zhì)量高、永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)；本身就是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP協(xié)議，無需經(jīng)過PSTN等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，可直接與Internet互通。GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)〔GeneralPacketRadioService〕的英文簡稱，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。目的：一是通過短消息將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息發(fā)送至終端。二是通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序?qū)⑿畔l(fā)送至遠(yuǎn)程終端〔PC機(jī)〕。面向移動(dòng)通信網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)1短消息收發(fā)方式中發(fā)送和接收短信息的方式：BlockModeTextModePDUMode區(qū)別注意：在進(jìn)行應(yīng)用編程時(shí)，回車與換行對(duì)應(yīng)的字符分別為"\r"和"\n"，Ctrl+z對(duì)應(yīng)的十六進(jìn)制為oxla。面向移動(dòng)通信網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)1短消息收發(fā)方式PDU編碼TPDU串短消息效勞中心地址SMSC地址信息長度SMSC地址類型SMSC地址的值面向移動(dòng)通信網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)2GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)傳輸流程圖:串口初始化Sleep(90)調(diào)用connect函數(shù)建立TCP連接連接成功？向串口寫入發(fā)送數(shù)據(jù)的指令at+cpisend/r寫入存儲(chǔ)會(huì)聚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)組關(guān)閉節(jié)點(diǎn)面向移動(dòng)通信網(wǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)2GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與目前主流的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖：用戶接口應(yīng)用實(shí)體ZigBee效勞集支撐軟件網(wǎng)絡(luò)層ZigBee設(shè)備實(shí)體MAC層物理層2.4GHzZigBee射頻ZigBee標(biāo)準(zhǔn)集高層高層無線資源控制子層分組數(shù)據(jù)會(huì)聚協(xié)議播送/組播控制無線鏈路控制層MAC層物理層TD-SCDMA射頻異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制平面用戶平面數(shù)據(jù)封裝數(shù)據(jù)解析課程目錄9.19.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的比較多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)9.39.4多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.3多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)需求如下：1．硬件需求

網(wǎng)關(guān)硬件平臺(tái)應(yīng)具有低功耗、高性能的嵌入式微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；存儲(chǔ)器系統(tǒng)用以存儲(chǔ)應(yīng)用程序及從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到的數(shù)據(jù)；在調(diào)試程序及上傳數(shù)據(jù)時(shí)需要用到串行通信接口；以太網(wǎng)接口作為網(wǎng)關(guān)與終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)接口；無線網(wǎng)卡通過USB接口接入本網(wǎng)關(guān)；此外，網(wǎng)關(guān)硬件還應(yīng)包括JTAG測試接口、時(shí)鐘系統(tǒng)及復(fù)位電路等。2．軟件需求網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)應(yīng)為便于移植的、可裁減的嵌入式操作系統(tǒng)，方便隨時(shí)根據(jù)需要添加或刪除內(nèi)核模塊。此平臺(tái)應(yīng)支持WSN數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)發(fā)等應(yīng)用程序，并支持多線程編程。9.3多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的總體實(shí)現(xiàn)目標(biāo)如下：1.網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)要具備良好的可擴(kuò)展性。2.實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不同節(jié)點(diǎn)信息的采集和轉(zhuǎn)換。3.

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)具備無線和有線兩種方式，提高可靠性。4.網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)各模塊程序并行執(zhí)行。多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)如下：1.具備無縫接入各種網(wǎng)絡(luò)的能力，信息聚合、處理、選擇與分發(fā)功能，獨(dú)立尋址與編址能力。2.每個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都可以通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的中轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)與各異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)終端的一對(duì)一或一對(duì)多的數(shù)據(jù)通信與信息交互。3.

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理頻率高于16MHz，數(shù)據(jù)吞吐量大于10Mbit/s，無線數(shù)據(jù)傳輸速率高于250kbit/s。4.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同時(shí)支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧與主流移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧、TCP/IP協(xié)議棧、IEEE802.11協(xié)議棧。5.網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)支持網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)規(guī)模大于128個(gè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定、高效的監(jiān)督、管理與控制，可以對(duì)網(wǎng)內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)的工作模式、頻率設(shè)置、采樣時(shí)間等進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理。多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)面向多類型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)策略如下如下：1．功能化、模塊化與集成化設(shè)計(jì)策略本書所研制的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，除了要對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測、管理、任務(wù)調(diào)度與分配、全局與個(gè)體控制等功能以外，還需要同移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)〔如TD-SCDMA、GSM等〕、Internet、無線局域網(wǎng)絡(luò)等進(jìn)行復(fù)雜交互與融合，擁有較為龐大的硬件體系結(jié)構(gòu)。因此，必須全面實(shí)施模塊化的設(shè)計(jì)策略，重點(diǎn)面向總線和模塊間的接口規(guī)程設(shè)計(jì)，并將門級(jí)元件與中小型IC進(jìn)行較大規(guī)模的整合，以簡化網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的開發(fā)、設(shè)計(jì)、測試與驗(yàn)證流程。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)還需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高度集成化的目標(biāo)，以保證在二次開發(fā)和后續(xù)業(yè)務(wù)拓展中，仍可以發(fā)揮較大作用。2．通用部件復(fù)用策略網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)不僅僅面向單一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，因此必須充分考慮其功能部件的利用效率，以增強(qiáng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能性。需要在詳細(xì)研究各類型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備硬件體系架構(gòu)的根底上，分析其設(shè)備共性與相似性，并在此根底上，重點(diǎn)開展對(duì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備中的主要功能部件〔如主控制器、協(xié)議棧存儲(chǔ)器、射頻部件等〕的多功能復(fù)用，以盡可能地簡化網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)組成，提高系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。3．可重用及二次開發(fā)策略

為面向更多類型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，進(jìn)一步拓展無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用規(guī)模，在對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的研制過程中，應(yīng)充分考慮其二次開發(fā)能力，深度挖掘其進(jìn)一步開發(fā)的潛能，使得網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備擁有支持更多的網(wǎng)絡(luò)接入類型的能力，具備多元化和可擴(kuò)展的特點(diǎn)，以滿足更多的新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需要，擁有較強(qiáng)的可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)能力。多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)設(shè)備擬定的系統(tǒng)框架如圖：多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1．多類型網(wǎng)絡(luò)控制與接入模塊

本模塊將多類型網(wǎng)絡(luò)接入裝置，考慮底層硬件系統(tǒng)二次開發(fā)需求，為其他類型網(wǎng)絡(luò)接入裝置提供相應(yīng)硬設(shè)備接口，便于網(wǎng)關(guān)設(shè)備的進(jìn)一步開發(fā)。2．異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊本模塊是網(wǎng)關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)其接入功能的核心，將重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的對(duì)接與融合。3．核心控制與處理模塊本模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的全局處理、數(shù)據(jù)融合與信息提取，還為多類型網(wǎng)絡(luò)提供根底效勞與管理功能，完成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度、網(wǎng)絡(luò)資源管理、網(wǎng)絡(luò)連接管理及自適應(yīng)切換等功能，是整個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的調(diào)度中心裝置。多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4．無線通信模塊

本模塊的主要作用是從協(xié)議底層正確獲取網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的多種類型下的傳感數(shù)據(jù)信息，交由核心控制與處理模塊進(jìn)行處理，并最終傳送至指定的接入網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，由各類型網(wǎng)絡(luò)下行而來的、經(jīng)過協(xié)議與格式轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)流、控制流、業(yè)務(wù)流等，也通過本模塊發(fā)布至無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。5．外部存儲(chǔ)和能量供給模塊網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)應(yīng)該具備必要的存儲(chǔ)能力，它的能量供給模塊也應(yīng)該為節(jié)點(diǎn)的各組成模塊的功能提供能量支撐。6．多類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧存儲(chǔ)模塊在開展網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備研制過程中，必須充分考慮設(shè)備對(duì)各類型網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支持與標(biāo)準(zhǔn)。構(gòu)建擁有較強(qiáng)存儲(chǔ)能力并可進(jìn)行快速訪問的存儲(chǔ)模塊，建立豐富的協(xié)議接入與訪問接口，為其他類型的接入網(wǎng)絡(luò)，保存協(xié)議棧存儲(chǔ)空間及訪問路徑。多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)7．根底效勞與管理模塊本模塊是無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備的中心調(diào)度模塊，通過與協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊和多類型網(wǎng)絡(luò)控制與接入設(shè)備的協(xié)調(diào)，完成各類型接入網(wǎng)絡(luò)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)接入與互聯(lián)。本模塊結(jié)構(gòu)中主要包括如下部件。①異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)調(diào)度部件②網(wǎng)絡(luò)連接管理部件③網(wǎng)絡(luò)資源管理部件④異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)連接部件通信模塊設(shè)計(jì)1．無線通信芯片CC2420本例中網(wǎng)關(guān)與WSN通信使用的是CC2420芯片。CC2420是為低功率、低電壓無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)的單片RF收發(fā)芯片。CC2420頻率為2.4GHz，是在免授權(quán)的ISM〔工業(yè)、科研和醫(yī)療〕頻帶上進(jìn)行無線通信的低本錢、高集中的解決方案。通信模塊設(shè)計(jì)2．芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)3．CC2420典型設(shè)計(jì)通信模塊設(shè)計(jì)對(duì)CC2420以及這些外圍電路的PCB板布圖時(shí)注意：①應(yīng)盡量把所有這些器件布設(shè)在同一個(gè)相對(duì)集中的區(qū)域，并且應(yīng)遠(yuǎn)離電源等噪聲敏感源局部。②相關(guān)電感、電容的擺放應(yīng)盡量靠近CC2420的射頻接入端，布線應(yīng)短而直，同時(shí)也可以適當(dāng)?shù)卦黾硬季€寬度來減小線路上的信號(hào)衰減。必要時(shí)也可設(shè)計(jì)微帶線來精確匹配50ohm的無線輸入阻抗。③將芯片的模擬地和數(shù)字地分開設(shè)計(jì)，最終通過一個(gè)0ohm的電阻或磁珠使其只在一點(diǎn)相連。減小系統(tǒng)的干擾。④布設(shè)完線之后還要大范圍地鋪地敷銅，進(jìn)一步減小高頻干擾。通信模塊設(shè)計(jì)4．2.4GHz天線設(shè)計(jì)倒置F型PCB天線小尺寸PCB天線外接高增益天線三種天線設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)簡單但所占面積大增益大，占用空間大，降低用戶可接收度①占用面積更?、趯?shí)現(xiàn)時(shí)，拐角較多，精度要求很高的高頻通信領(lǐng)域，設(shè)計(jì)上增加一定的難度。③其增益可以到達(dá)很高。特點(diǎn)通信模塊設(shè)計(jì)5．接口電路及CC2420工作方式引腳功能FIFOP數(shù)字輸出FIFO數(shù)字輸入輸出CCA空閑信道估計(jì)SFD幀開始分隔符SISPI數(shù)據(jù)輸入（SCLK的上升沿采樣）SOSPI數(shù)據(jù)輸出（SCLK的下降沿采樣）SCLKSPI接口時(shí)鐘線CSnSPI接口使能SPI接口引腳通信模塊設(shè)計(jì)CC2420GATEWAYFIFOFIFOPCCASFDCSnSISOSCLKGIO0InterruptGIO1TimercaptureGIO2MOSIMISOSCLKCC2420與網(wǎng)關(guān)的接口通信模塊設(shè)計(jì)接收期間引腳狀態(tài)圖：通信模塊設(shè)計(jì)發(fā)送期間引腳狀態(tài)圖：通信模塊設(shè)計(jì)空閑信道評(píng)估信號(hào)〔CCA〕的產(chǎn)生是基于測量的RSSI值及可編程的門限。CCA函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)CSMA-CA功能，它能設(shè)置為3種模式：如果接收信號(hào)的能量低于門限那么信道空閑。如果沒有接收到數(shù)據(jù)那么信道空閑。1和2那么信道空閑。通信模塊設(shè)計(jì)在對(duì)CC2420進(jìn)行操作的過程中應(yīng)注意：存放器操作對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)字節(jié)，而RAM操作只是一個(gè)字節(jié)。RAM訪問的操作不能用于FIFO的寫操作，因?yàn)樗挠?jì)數(shù)器不能自動(dòng)增加，需要用FIFO訪問來操作

。TXFIFO只寫，讀取使用RAM訪問，而RXFIFO可讀寫。FIFO和RAM的訪問必須用CSn置高來結(jié)束，其他的訪問那么可以不用將其置高而進(jìn)行下一步的操作。通信模塊設(shè)計(jì)1.串口電路設(shè)計(jì)：串口0電路原理圖串口1和串口2電路原理圖通信模塊設(shè)計(jì)2.USB接口設(shè)計(jì)：USB接口電路原理圖通信模塊設(shè)計(jì)3.用戶按鍵電路設(shè)計(jì)：按鍵電路原理圖通信模塊設(shè)計(jì)4.以太網(wǎng)接口電路設(shè)計(jì)：DM9000A內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DM9000A電路原理圖課程目錄9.19.2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多網(wǎng)絡(luò)融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的比較多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)9.39.4多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)傳輸方式的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)9.4.1多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸CC2420發(fā)送調(diào)制局部的簡單模塊框架如圖：代傳輸?shù)谋忍亓鳌驳臀辉谇啊澄晦D(zhuǎn)化為符號(hào)符號(hào)轉(zhuǎn)化為碼片碼片的O-QPSK調(diào)制調(diào)制好的信號(hào)9.4.1多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸CC2420接收解調(diào)局部的簡單模塊框架如圖：I/Q模擬射頻信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換符數(shù)字過濾頻率校正調(diào)制好的信號(hào)數(shù)據(jù)過濾信號(hào)同步數(shù)據(jù)輸出符數(shù)字過濾RSSI多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)接入外部根底設(shè)施網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)CC2420整個(gè)射頻控制局部的狀態(tài)機(jī)：多網(wǎng)絡(luò)融合網(wǎng)關(guān)接入外部根底設(shè)施網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與Internet互聯(lián)通常采用如下3種方式進(jìn)行：①