基于Linux2.6.24內核的WSN 多頻段網關設計※

嚴冬，朱柏寒，張森

（重慶郵電大學 工業物聯網與網絡化控制教育部重點實驗室，重慶400065）

引 言

目前，物聯網（Internet of Things，IOT）正呈現飛速發展的態勢。本文介紹一種無線多頻段WSN 網關，可通過以太網或者移動通信網絡，監控多個頻段的無線傳感器子網節點的運行情況。

1 系統總體結構

本文設計的系統在感知層采用4個頻段的無線傳感器網絡節點。各頻段子網通過一個多頻段網關裝置接入到網絡層。用戶可以通過監控終端監控現場數據，監控終端既可以是固定的PC機，也可以是移動的3G 設備。同時，網關還具備良好的擴展性，網關可以同時接入多個頻段的WSN網絡。多頻段WSN網關系統結構框圖如圖1所示。

2 網關硬件系統設計

網關的主控制單元采用ARM9芯片S3C2440A，主頻400 MHz，外擴64 MB SDRAM、64 MB NAND Flash。微處理器的外設數據控制器（PDC）向串行外設提供DMA通道，使其與片內以及片外存儲器讀寫傳輸數據時不經過處理器。

圖1 多頻段WSN網關系統結構框圖

網關3G 網絡接入端采用USB接口，實現與3G 網絡的通信；無線傳感器網絡子網接入端分別是2.4GHz子網接入模塊、780 MHz子網接入模塊、470 MHz子網接入模塊和433 MHz子網接入模塊，各子網模塊都是通過串口實現與網關主控制單元的通信。以太網控制部分整個網關的結構框圖如圖2所示。

2.1 多頻段無線傳感網子網接入部分

由于S3C2440A 芯片自身只有3 通道的串口。而4個頻段的子網接入模塊都是采用串行通信接口，ARM9芯片本身不能滿足本系統需求，所以需要利用外圍擴展芯片，設計串口擴展電路來滿足系統的需求。本設計采用TI公司的TL16C554A 芯片，通過并行數據線和地址線擴展出來4路全功能串口。

圖2 多頻段WSN網關硬件結構框圖

TL16C554A 芯片是8 位數據寬度，TL16C554A 的D0～D7引腳與ARM9芯片直接相連，讀寫信號是直接連接的。TL16C554A 的引腳INA、INTB、INTC、INTD分別接在主控制芯片的引腳INT0、INT2、INT3、INT4，這樣擴展的各通道串口就能通過中斷獨立地工作。

將S3C2440A 的地址線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。74LS139 的輸入端分別接地址線A4～A5。根據譯碼器譯碼，實現地址分配，再通過ARM芯片地址映射。外擴的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。

主控制芯片通過訪問這些地址就能訪問外部寄存器，即TL16C554A 芯片片內寄存器地址。多頻段子網接入部分接口電路如圖3所示。

2.2 3G網絡接入接口部分

3G 網絡接入部分采用USB接口的華為ET128無線網卡。接入接口使用USB-HUB芯片AU9254A21，它是一款單芯片USB 集線器控制器。AU9254A21 采用12 MHz無源晶振，為芯片工作提供獨立的時鐘。3G 網絡接入部分接口電路如圖4所示。

2.3 以太網接入部分

網關通過以太網口發送數據包的原理是：處理器先將待發送的數據存入到內部存儲器，提供發送緩沖區的首地址和數據長度，然后執行發送命令，由DM9000A 將數據按TCP／IP協議格式發送到物理鏈路上。

因以太網信號電平與以太網控制器信號電平不同，所以在硬件電路實現上需要在控制器與RJ-45接口間增加一個網絡變壓器，網絡變壓器采用TRC9016。

圖3 多頻段子網接入部分接口電路

電信號通過網絡變壓器轉換，然后經RJ-45接口接入以太網，從而完成數據發送過程。DM9000A 主要完成數據包和數字電信號之間的相互轉換。

圖4 3G網絡接入部分接口電路

3 網關軟件系統設計

網關的軟件環境采用的是嵌入式Linux系統。移植好的Linux2.6.24 源碼已經包含了以太網控制器DM9000A、USB接口芯片等芯片的驅動。因此，軟件部分只需要設計串口擴展芯片TL16C554A 的驅動程序以及Linux環境下的應用程序即可。

3.1 串口擴展芯片TL16C554A驅動的實現

Linux2.6.24內核提供了統一的設備驅動模型。多串口設備驅動的注冊，流程如圖5所示。

3.2 Linux下PPP的管理和配置

根據網關硬件接口的情況修改、移植通用驅動代碼后，通過相關的配置，定制和編譯網關所需的內核映像文件。內核編譯采用的交叉編譯器版本為armlinux-gcc3.4.1，使用make menuconfig ARCH＝arm 命令進入內核配置圖形化界面，選擇和PPP（Point-to-Point，點對點協議）有關的選項，添加系統對PPP功能的支持。界面如圖6所示。配置完成以后，保存設置，退出內核配置圖形化界面。使用命令：make uImage ARCH＝arm CROSS＿COMPILE＝arm-linux-.編譯完成以后，會在源碼包的arch／arm／boot路徑下生成內核映像文件uImage，如圖7所示。

圖5 多串口設備驅動的注冊流程圖

圖6 Linux下PPP的管理和配置界面

圖7 配置完成后生成的映像文件

3.3 嵌入式Linux網絡編程

本設計中通過TD-SCDMA 網絡接入Internet。WSN 子網的某一節點在上電后，網關分配給其一個16位的短地址，使其在子網中標識自己，然后周期性地發送其采集到的數據。網關收到傳感器節點傳送過來的數據之后，進行IEEE 802.15.4協議與以太網協議的轉換，為了向網絡設備提供透明的接口和區分串口數據的來源，需要制定統一的數據幀格式，所以協議轉換后加上slip的幀頭，通過串口設備發送給ARM。

ARM 在解析了slip 幀頭之后交給上層以及MAC層，解析以太網頭，然后上交給適配層，適配層將對完整的IPv6數據進行壓縮或者分片。數據在IPv6層根據鄰居發現，找到要發送的網絡，并且進行路由轉發，經過在MAC層加上相應的MAC頭后，經TD模塊發送到TD-SCDMA通信網。這樣，從子網到TD網絡的數據轉發結束。

3.3.1 PPP協議簡介

PPP是一種提供兩個實體之間數據包傳輸的鏈路連接設計的鏈路層協議。這種鏈路具有全雙工操作、實現流量和差錯控制等功能，并按照順序傳遞數據包。可以通過撥號或者專線方式，讓客戶端和服務端建立起一種點對點的連接，傳遞數據。

3.3.2 建立撥號連接

在Linux系統中，通過PPP可以將主機與一個PPP服務器連接并進入該服務器所連接的網絡資源，就好像直接連上那個網絡一樣。建立一個PPP連接上網主要有以下步驟：第一步是調用會話程序。然后會話程序通過發送AT 指令給3G模塊，完成撥號、身份驗證、配置等工作。最后，客戶端的pppd程序與服務器端的pppd程序進行握手，建立好連接，相互傳遞數據。多頻段網關建立網絡連接流程圖如圖8所示。

圖8 多頻段網關建立網絡連接流程圖

3.4 應用程序的設計

由于數據來源于4個頻段子網匯聚節點的串口，因此網關的應用程序采集多頻段子網匯聚節點數據部分設計上采用Linux系統中的多設備讀取機制select（I／O 多工機制）來實現對多個串口的監聽。多串口采集數據的流程如圖9所示。

4 實例測試

圖10為PPP撥號成功后超級終端顯示的Linux系統信息截圖，撥號目標上位機地址是222.182.101.220，從圖中可以看出，PPP撥號成功，并且獲得了TD 網絡分配的IPv4地址10.81.185.15，遠程服務器IP為192.200.1.21。

圖9 多串口采集數據的流程圖

圖10 PPP撥號成功的Linux系統信息圖

網數據信息圖略——編者注。WSN 子網數據信息通過網關發送到公網后，TCP／UDP客戶端成功接收顯示的WSN 子網數據信息。

結 語

隨著物聯網時代，TD-SCDMA 將促進物聯網有效發揮無縫通信的巨大威力，該方案充分利用了互聯網和無線通信公用網絡資源，將無線傳感網技術、嵌入式技術、TD-SCDMA 通信有機地結合起來，成功設計了WSN／TD 網關，實現了無線傳感網與TD-SCDMA 網絡的融合，在實際應用當中取得了良好的效果。

本文為期刊縮略版，全文見本刊網站www.mesnet.com.cn。

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