摘 要：实现了一种多功能的网关系统，可完成无线传感器网络WSN与Internet网络的互联，同时具有模糊定位、IP语音通信以及智能人机接口等功能，并对其硬件组成、软件设计和对外接口等方面进行了深入阐述。
关键词：无线传感器网络；网关

近年来，无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)被广泛应用于井下监测系统[1-2]。本文对无线传感器网络中的关键技术部分——网关进行了深入分析与研究。该网关不但具有传统网关所具有的异构网络协议转换功能[3]，而且可以实现井下人员的模糊定位，与矿上管理人员进行IP语音通信等功能，同时提供了智能的人机接口。
1 基于WSN的矿井安全监控系统组成及工作原理
基于WSN的矿井安全监控系统是利用无线传感器网络实时监测，采集矿井下温度、湿度、气压、瓦斯浓度等环境参数，并将数据周期性上传至Internet远程服务器，服务器对底层数据进行处理、分类并保存到本地数据库，井上管理人员通过访问服务器能够随时查阅历史记录，实时了解井下情况，并能够针对紧急事件做出快速有效的调整。基于WSN的矿井安全监控系统的设计框架分为三个部分：传感器网络数据采集部分、网关协议转换部分以及远程监控服务器部分。系统框架如图1所示。

无线传感器网络位于整个系统的最底层，由一组传感器终端节点以自组织方式构成，分布于井下巷道的感知区域，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息。
网关是监控系统正常运行的核心环节，是实现异构网络协议转换的关键部分，主要实现两个功能：(1)对无线传感器网络数据的汇聚、处理和存储；(2)与Internet远程服务器的数据交互。此外，网关还引入了一些附加功能，增强了网关的人性化与实用性，比如采用RFID射频模块实现井下人员的模糊定位、网关与监控中心的实时语音通信、本地人机交互等等。网关在整个系统中具有承上启下的作用，设计出高效、稳定的网关对整个系统的服务质量至关重要。
远程监控服务器位于整个系统的最上层，提供了强大的数据处理能力和存储能力。通过该系统可以实时查询矿井下的环境参数、人员信息，调取系统存储的历史记录，发送指令信息，控制WSN网络节点行为，进行网络管理。基于WSN的矿井安全监控系统的网络结构如图2所示。

2 网关设计
网关作为系统中连接WSN与Internet的核心部分，要求稳定、可靠、功能强大而结构精简，其整体框架如图3所示。其中包括中央处理单元、WSN射频收发单元、以太网接口单元、RFID射频识别单元、语音通信单元以及人机接口单元等。

网关的中央处理单元采用Samsung公司处理器S3C2440，主频达400 MHz，运算能力强大，通过移植嵌入式Linux操作系统可以可靠地完成传感数据接收处理、实时语音通信、智能人机交互等多任务并行操作。WSN射频收发单元是网关与WSN的接口单元，采用与无线传感器网络相同的CC1110射频芯片，用于提供网关与无线传感器网络的空中接口。以太网接口单元是网关与Internet的接口单元，采用以太网控制器CS8900A，用于提供网关与Internet的PHY层与MAC层接口。RFID射频识别单元采用基于NRF2401的工业级模块，可以在网关周围0~30 m范围内实现人员的模糊定位。人机接口单元采用4线电阻式触摸屏，通过人机交互操作可方便地完成网关的本地属性配置以及应用程序的启动，避免了PC机等大型设备配置网关所带来的不便。语音通信单元则采用UDA1341芯片构建嵌入式音频系统，实现网关与远程服务器之间的高质量IP语音通信。
2.1 与WSN接口设计
无线传感器网络常用的2.4 GHz频段数据传输速率大，但由于信号衰减严重，无法适应矿井下的恶劣环境。CC1110是TI公司的一种系统芯片CMOS解决方案，沿用了以往TI公司ZigBee无线(定位)芯片CC2430/CC2431架构，可工作于915 MHz，满足无线传感器网络低功耗、低速率、短距离的要求，很好地解决了矿井下射频信号的衰减问题。
WSN接口以CC1110为核心，提供了网关与WSN通信的空中接口，直接与WSN的传输汇聚节点进行通信。传输汇聚节点作为连接无线传感器网络与网关的桥梁，负责对各个终端节点采集数据的接收、整理，并按照协议所规定的格式打包数据，最后通过无线方式向网关的WSN射频收发单元转发数据。
中央处理单元与WSN射频收发单元之间采用串行接口方式连接，实时读取传感数据并按照约定协议对数据进行解析，转换成用户可知的信息，如传感器节点部署区域内的温度、湿度、气压、瓦斯浓度等。其中，在设计串行通信接口电路时，中央处理器UART0通道通过MAX2332芯片转换为RS232接口，为网关设备开发调试提供PC机控制台接口；UART1通道则与CC1110全双工通信，完成数据的串并转换，由于S3C2440和CC1110电平均为3.3 V，两者之间无需进行电平转换，可直接采用3线式连接方式，即数据接收引脚RX与数据发送引脚TX交叉连接，地线直接相连。
2.2 与Internet网络接口设计
Internet网络接口物理层芯片采用以太网控制器CS8900A，其内部集成了4 KB的片上存储器，10 Base-T的收发滤波器，并且提供8位和16位两种数据接口。本系统网关设计，以太网控制器与中央处理器通过20位的地址总线和16位的数据总线相连，与Internet通过一个集成了RJ45接口的网络隔离变压器HR911103A相连。
Internet网络接口具有检测网络状况、接收发送以太帧、检测校验等功能，可以将经过中央处理单元融合的底层传感数据以标准IP数据包格式直接发送到Internet远程服务器，同时也可以将接收到的Internet服务器指令经过解包后通过数据总线送达中央处理单元执行，除此以外，Internet网络接口也给网关的其他功能如IP语音通信等提供了接口单元。
综上所述，网关与WSN和Internet的接口电路简图如图4所示。

2.3 网关的软件系统设计
网关以嵌入式Linux操作系统作为平台，可以实现多任务的并发执行。用户应用程序构建于操作系统之上，通过系统调用操作底层硬件，如串口、网络控制器等设备。系统调用接口则由操作系统的设备驱动程序提供，驱动程序直接操作硬件，按照硬件设备的具体工作方式读写设备寄存器，完成对设备的轮询、中断处理、DMA通信、物理内存向虚拟内存的映射等。网关设备软件架构如图5所示。

网关设备操作系统应包含串口驱动程序、网络控制器驱动程序以及音频编解码器驱动程序等。其中，串口以及音频编解码器必须以串行数据流形式直接访问，不经过系统的快速缓存，主要提供open()、close()、read()、write()、ioctl()等系统调用接口，属于字符设备驱动程序。而网络控制器是面向数据报的接收和发送而设计的，并没有与文件系统的节点，与操作系统通信方式与上述设备不同，属于网络的设备驱动程序。各设备驱动以内核模块的形式提供，通过内核模块的加载与卸载，可以在网关运行过程中动态地添加或删除相应硬件设备。
网关设备的用户应用程序包括主程序、语音通信程序以及图形界面程序。主程序负责初始化各硬件模块并协调各个模块工作，保证无线传感器网络与Internet服务器之间正常的信息交互，同时即时响应各种软、硬件中断，进行相应处理。语音通信程序采用双线程工作，调用read()、write()等系统接口操作音频编解码器，通过高速率A/D采样以及量化，录入音频数据至本地缓存，并发送给远程服务器；同时接收Internet的远程音频数据包并进行音频解码，恢复原始音频信息，从而实现本地与远程的实时语音通信。图形界面程序采用一种跨平台的C++图形用户界面库Qt编程，为主程序、语音通信程序提供服务。在触摸屏上提供智能的人机接口，方便主程序对设备启动、端口配置、网络初始化、服务器IP地址设置的操作，以及语音通信程序拨号、接听、挂断的处理。
主程序启动后，将完成设备的初始化、加载协议栈、配置端口等工作，同时通过Socket机制建立起与远程服务器的连接，接着采用轮询与中断处理相结合的方式对串口和网口数据进行监视。Internet网络接口方面，利用Socket机制设计以太网通信模块，考虑到对数据传输的可靠性要求较高，采用面向连接的TCP客户机-服务器模型。网关作为客户机，调用Socket()函数，建立一个Socket套接字，指定TCP/IP相关协议之后，调用connect()函数将本地端口号和地址信息传送至远程服务器，请求建立连接。连接成功后，通过send()函数进行服务请求的发送，通过receive()函数进行响应的接收。WSN接口方面，网关与汇聚节点间的通信主要是读取汇聚节点数据的过程，对接收到的数据采取串行通信方式，通过打开、读写对应的设备文件来完成对串口的操作。串口0~2在Linux文件系统中对应的设备文件是/dev/tts/0、/dev/tts/1、/dev/tts/2，本系统中网关可以通过open()、read()、write()等系统调用操作/dev/tts/1设备文件，完成网关与WSN的数据交互。网关的主程序软件流程(不包含附加功能)如图6所示。

本文针对无线传感器网络的特点，设计了一种基于WSN的矿井安全监控系统网关。在实际工程测试中，成功实现了无线传感器网络与外部Internet网络的互联，数据传输稳定可靠。同时，网关还增加了一些附加服务，如RFID模糊定位、IP语音通信等，体现了网关功能的多元化发展方向。
参考文献
[1] 崔莉，鞠海玲.无线传感器网络研究进展[J].计算机研究与发展，2005，42(1):163-174.
[2] 谷有臣.传感器技术的发展和趋势综述[J].物理实验，2002，22(12):40-42.
[3] 欧杰峰，刘兴华.基于CDMA模块的无线传感器网络网关的实现[J].计算机工程，2007，33(1):115-116.