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本文作者：楊旭1,2周國祥1作者單位：1.合肥工業大學計算機與信息學院2.安徽電子信息職業技術學院

無線傳感器網絡(wsn，WirelessSensorNetworks)，是一種新興的環境信息感知技術，作為溝通客觀物理世界和主觀世界的載體與橋梁，無線傳感器網絡將是一種全新的信息獲取和處理技術。在無線傳感器網絡中，物理節點主要可以分為兩種：普通傳感器節點和網關節點。普通傳感器節點，一般情況是一個微型嵌入式系統，通過攜帶能量有限的電池進行供電，因此其處理能力、通信能力、存儲能力和生存能力相對較弱。與普通節點相比，網關節點的計算處理能力、通信能力、存儲能力及生存能力較強。網關節點主要負責連接無線傳感器網絡與Internet等外部網絡，從而實現異構網絡之間的通信。傳感器網絡的網關節點是一種特殊的節點，它負責連接無線傳感器網絡與其他異構網絡，并使傳感器網絡可以與其之外的骨干網絡進行通信。一般來說，網關是傳感器網絡中最大的匯聚點，需要處理大量的數據，并按照相應的要求把數據轉發到不同的通信模塊上去。因此，網關節點對數據計算處理能力和信息的存儲能力的要求比普通傳感器節點更高。該文設計了一種基于嵌入式系統的無線傳感器網絡網關節點，使傳感器網絡中的各種數據信息可以通過Internet網絡傳輸到遠程終端，用戶還可以遠程登錄位于網關節點上的嵌入式WEB服務器查詢相關信息。因此，本網關節點能夠改善無線傳感器網絡的遠程數據傳輸及匯聚問題，使管理人員能夠及時準確地在遠程終端上獲取無線傳感器網絡的數據信息，并通過遠程終端即可以對數據進行分析、處理等操作。

1嵌入式網關節點的設計相關技術

1.1網關節點的設計原理

網關節點[1]是一個特殊并且及其重要的節點，傳感器節點可以通過它與外部網絡進行通信。同樣，外部網絡中的用戶也可以通過網關節點來對傳感器網絡內部的各個傳感器節點進行查詢和操作。因此，網關節點最重要的任務就是負責兩個不同網絡之間的數據轉換，實現傳感器網絡與外部網絡之間的信息交互。在無線傳感器網絡中，節點之間的數據傳輸一般采用短距離的無線通信技術，因此傳感器節點與網關通信時，使用的是基于共享信道的無線通訊方式。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低速率、低成本的無線通信技術。它既有IEEE802.15.4省電、簡單、成本低的優點，又增加了網絡層、安全層和應用層，應用前景廣闊。

1.2硬件設計思想

網關節點根據硬件結構來分，主要有以下兩種[2]：1）網關節點是沒有環境信息采集功能，僅帶有無線通信接口、以太網通信接口的嵌入式網關設備。該網關節點可以接收無線傳感器網絡中其他傳感器節點采集和處理后的數據，再通過以太網接口將數據最終傳送到用戶終端。2）網關節點還可以是在普通傳感器節點上加裝串口通信模塊、USB通信模塊等裝置與PC進行連接，使用PC來作為傳感器網絡的網關節點，來收集無線傳感器網絡中的其他傳感器節點采集和處理后的數據。無線傳感器網絡嵌入式網關節點的硬件平臺應該具有以下特點：1）嵌入式無線傳感器網絡網關節點具有較強的網絡控制能力。這是網關節點系統結構最重要的體現[3]。網關節點的任務就是完成Internet和無線傳感器網絡兩種異構網之間的信息交互，沒有強大的網絡控制能力，就無法妥善的完成網關節點的設計目標。2）較強的信息處理及任務調度能力。作為網關節點會隨時收到來自不同網絡的數據傳遞任務，如果沒有強大的信息處理及任務調度能力，那么勢必會造成網關節點在不同的任務需求中來回切換，以至不能完成異構網之間的信息交互任務。3）更好地支持網絡通信協議。由于傳統傳感器節點硬件平臺數據處理能力較弱，所以其很難實現高性能的網絡特性。4）更大的存儲空間。網關節點為了便于將數據融合、處理，便于遠端用戶查詢及定期打包發送，一般都需要較高容量的存儲空間。

1.3軟件設計思想

操作系統是無線傳感器網絡網關節點軟件的靈魂，由于嵌入式網關節點的特殊性，導致其對操作系統的需求相對于傳統操作系統有較大的差異。無線傳感器嵌入式操作系統一般需要滿足以下幾個特性：1）實時性[4]：只有操作系統具有較好的實時性，網關節點才能夠及時響應不同網絡的請求并及時反饋，按照相應的任務調度策略完成不同任務之間的調度，完成無線傳感器網絡和以太網之間的數據收發任務。2）健壯性和容錯性[5]：網關節點上的操作系統必須擁有較好的健壯性和容錯性，能夠及時發現節點因為能量而失效的情況，并通過向網絡發出調節請求來保證整個網絡的正常工作。3）剪裁性[6]：網關節點操作系統需要有較強的針對性，其內核應能夠自由配置，對于一些不需要的模塊可以剪裁，從而適應網關節點對于不同硬件資源的要求。4）網絡支持：用于網關節點主要擔負不同異構網之間的信息交互，因此需要在網關節點的嵌入式操作系統中提供必要的網絡協議棧支持。5）代碼量：由于嵌入式網關節點的存儲空間相對有限，因此網關節點的操作系統的核心代碼量必須較小。6）功能可擴展[7]：未來，根據具體應用環境的不同，無線傳感器網絡嵌入式網關節點的功能也會多樣化。

嵌入式Linux操作系統[8]是將日益流行的Linux操作系統進行實時性的改進，并對內核裁剪修改使其能在嵌入式系統硬件平臺上運行的操作系統。嵌入式Linux操作系統既繼承了傳統Linux開放的源代碼資源，又具有嵌入式操作系統的特性，因此Linux做嵌入式系統具有很大優勢。①開放性較好；②代碼量較小；③成本低；④兼容性較好；⑤豐富的網絡功能。綜上所述，由于嵌入式Linux操作系統內核較小、強大的網絡支持功能、廣泛的硬件支持、開放源代碼、優秀的開發工具、開發成本低等諸多優點，再加上其移植到嵌入式系統之后對內核中任務調度實時性做了相應改進，因此適合無線傳感器網絡嵌入式網關節點的硬件平臺的需求。該文也因此采用嵌入式Linux操作系統作為嵌入式網關節點的軟件平臺。

2系統測試分析

2.1WEB應用配置

BOAWebserver[9]是一個運行于unix或linux下的小巧高效的單任務web服務器，其源代碼開放、性能可靠、支持CGI的、運行只需要140KB的空間，因此BOAWebserver非常適合于嵌入式系統。MiniSQL（也叫mSQL的）是一種輕量級的關系數據庫管理系統，它提供了一個快速查詢數據的借口，并且開銷很小。由于MiniSQL的短小精悍，使得其在嵌入式系統的數據庫開發中受到了用戶的青睞。

2.2系統測試分析

由于網關節點帶有串口，因此我們可以通過串口查看系統啟動過程的各種信息，從而對系統的整體運行進行測試。測試使用一個模擬終端程序—串口助手，來通過PC上的串口連接網關節點。如圖2所示，串口助手需要對串口后、波特率、校驗位、數據位及停止位做一些設置以便和網關節點通信。設置完畢后打開網關節點電源，就會在串口助手上顯示網關節點相關信息。出于實驗數據準確性的考慮，實驗選用了實驗室自主開發的射頻芯片為CC2420芯片的CC2431傳感器節點。實驗環境選擇在較為空曠，周圍沒有明顯遮擋物的室外進行。實驗使用該文設計的網關作為接收節點，CC2431傳感器節點作為發射節點，完成了無線通信距離及接收信號強度兩種實驗。1）最大通信距離離網關節點0到100米內，每間隔10米，發送100個長度為100byte字節的數據包。測試人員通過PC機的串口連接網關節點，并在PC運行上位機程序觀察接收到的數據包，并對其進行統計。從圖5中可以看出來網關節點的接收30米以內的傳感器節點數據包的丟包率較小，其無線通信性能較好，隨著通信距離的加大丟包率逐漸增加，到70米左右，其丟包率超過50%已經無法滿足正常的無線通信對丟包率的要求。2）信號強度衰減使用CC2431傳感器節點作為發射節點，網關節點作為接收節點。分別在距離發射節點10米、20米、30米、40米、50米、60米處測量網關節點的接收信號強度。對實驗數據進行統計，繪制的信號強度示意圖如下：從圖6中可以看出和丟包率一樣，網關節點在30米內的信號強度衰減較小，隨著通信距離的增大信號強度衰減加大。

以上兩個實驗表明，該文設計的網關節點在短距離無線通信中的性能較好。隨著通信距離的加大，其無線通信的信號強度衰減逐步增加，丟包率也隨之增加。以太網測試及WEB測試在室內進行，網關節點與測試所用PC通過一臺三層交換機連接，其中網關節點的IP地址配置為192.168.166.187，WEB端口為；測試PC的IP為192.168.166.184；交換機IP地址為192.168.166.129。分別在網關節點和PC上通過ping命令來測試最大數據包時以太網網絡的擁塞情況。兩個圖的對比表明，網關節點的以太網性能比較優秀，在單個數據包為65500字節的較重負載下，沒有丟包，時延平均且較小，沒有產生過大的抖動。圖9為網關節點WEB服務器的登陸頁面。我們在把事先設置的用戶名和密碼輸入進去就可以看到傳感器網絡中各個節點的相關信息了。圖10為網關節點WEB平臺查詢頁面。在這個頁面，遠端用戶可以看到傳感器網絡里面每個節點的信息采集數據和網關節的相關信息。我們通過對網關節點的WEB登陸頁面重復刷新來驗證WEB平臺的穩定性。測試結果表明，重復刷新40次，WEB平臺正常登陸，未出現死機，查詢數據較快。這些都說明網關節點的WEB平臺完全達到了預期目標。

3總結

無線傳感器網絡網關節點設計作為無線傳感器網絡的關鍵技術必然將對物聯網的普及做出巨大的貢獻。該文針對無線傳感器網絡的特點，對網關節點的設計需求進行了分析，研究并實現了基于嵌入式系統的無線傳感器網絡網關節點。網關節點的設計雖然達到了預期目標，但是由于水平有限，網關節點的軟硬件平臺的性能還有待進一步改善。