基于arm的茶园wsns旱情监测网关设计(终稿)(编辑修改稿)

基于arm的茶园wsns旱情监测网关设计(终稿)(编辑修改稿)内容摘要：

IM100E 的 GPRS 接口实现了与互联网之间的 TCP/IP 连接的无线传感 器网关，实现了与外部网络的可靠连接。 张要伟等（ 20xx）分析了网关在温室智能测控系统中的重要性 ,研究了网关的设计原则和器件选型 ,基于 PXA270 低功耗嵌入式处理器设计并实现了具有以太网、USB 主、 CF 等多扩展接口的网关硬件平台。 此外 ,分析了引导加载程序的引导过程 ,并在自主设计的网关上实现了 Blob 的移植。 刘向文（ 20xx）通过以太网控制芯片 RTL8019 与外部以太网络进行数据通信的无线传感器网络的网关底层驱动的实现方案，分析了接收模块和发送模块，阐述了驱动实现机制和方法。 对网关进行了测试，验证 了网关的信息处理和通信功能。 江海峰等（ 20xx)针对无线传感器网络在煤矿井下的推广和应用要求，用有线的方式实现无线传感器网络和井下主干网络以太网进行互联，网关解决方案基于嵌入式微处理器 S3C4510B 和嵌入式操作系统 VxWorks 实现。 吴伟强等（ 20xx）提出了基于 ARM 平台的 Zigbee 网关设计。 本系统在 ARM9 STR912FW44X 处理器上移植μ COSⅡ操作系统和无线射频收发模块 cc2430 搭建网关开发平台。 它很好地克服了传统网关架构下 Zigbee 传输速率的瓶颈，降低了资源和处理时 间消耗，提高实时处理能力。 甘勇等（ 20xx）针对如何将 Zigbee 网络与以太网紧密融合的问题，提出了一种基于 ARM 平台的 Zigbee 网关的设计方案。 网关硬件选取集成以太网接口的 ARM9芯片 STR912 与 CC2430 无线模块为核心进行扩展设计；应用地址适配层及应用协议层的提出 ，使得网间地址、协议在应用层统一起来并很容易扩展到其他网络。 该网关 5 设计方案的提出在满足网间数据交换高效性、透明性的同时也实现了易扩展性。 综上所述，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：  基于 Inter 的无线传感器网络网关 使用 Intemet 的 WSNs 网关，人们从任何地点、任何时刻获取到数据的愿望成为现实。 实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性等。 基于 Intemet 的 WSNs 网关适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛。  基于无线通信的无线传感器网络网关 对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线通信网络来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程数据传输方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆 ，降低了环境成本。 基于无线通信的 WSNs 网关应用领域十分广泛，比如说森林火灾监测 （ 陆志平 ， 20xx） 、军队指挥自动化建设 （张来潮， 20xx） 等均可以采用这种技术来实现。  利用公用电话网的无线传感器网络网关 在通信不是很频繁、通信数量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可以租用共用电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现 WSNs 网关的远程数据传输。 这种网关价格低廉、运行可靠、可以实时传输数据 （李晶， 20xx）。 问题的提出 通过 WSNs 在茶园建立旱情监测系统，将大大提高茶园集约化、自动化管理水平。 WSNs 要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。 一般情况下 ， 传统 sink 网关通过 汇聚节点与 PC 的 这种工作方式成本高，开销大，实际应用时易受到工作环境的限制 （段渭军， 20xx）。 茶园往往处于较偏僻地带， 将汇聚节点与 PC 相结合作为外部网络接入设备具有较大难度。 一个行之有效的解决方法是配置体积小、功耗和成本较低且可以灵活部署的 嵌入式 WSNs 网关，由网关处理所获取的信息并进行转发工作。 通过嵌入式操作系统进行管理操作，利用现有的公众网络 (如以太网、 GPRS 或 CDMA 等 )实现远程数据传输，与远程监控中心服务器通信。 6 研究目的和内容 在上述单一通信方式的网关中， 有线 以太网通信稳定可靠，但需要具备相应的接入条件，这在许多应用情况下难以实现；无线通信移动性能良好，同时 GPRS、 CDMA等无线通信网络在国内已经相当普及，如果在无线传感器网络网关中引入无线数据传输方式，将大大降低开发成本和周期。 无线通信存在的问题是易受到网络覆盖面及资费问题困扰。 本 论文 为了解决上述问题，在网关上实现包括有线和无线两种通信方式，在茶园 实际应用时，可根据 WSNs 部署区域 的境况 自主选择所需要的通信方式，或者在条件允许的情况下同时使用 具有多种通信方式的网关。 不仅能够实现外部网络的接入，完成 WSNs 数据的转发，同时还可以适应 WSNs 部署的灵活性。 采用经济实用的方式实现 WSN 网关与 Inter 网络的接入 ， 不但可利用远程控制中心实现对茶园生态环境连续与实时的在线测控，还可进一步降低茶园作业管理的工作量，提高茶园管理的网络化、智能化和信息化程度。 本研究得到了华南农业大学校长基金项目“无线传感网络分簇算法与作物旱情监测系统研究”（项目编号： 20xxX009）课题的资助和支持。 该课题的 具 体内容是在茶园部署无线传感器节点，组建 WSNs，在线监测茶树的旱情程度。 茶园 WSNs 旱情监测系统主要包括三部分内容： 设计 节点 采集茶园旱情 数据，建立 茶园旱情监测 WSNs网络 ， 对所组建成功的网络进行性能分析， 设计 ZigBee 网络 Inter 远程接入 网关。 其中 设计 节点 及 数据的采集、 旱情监测 WSNs 网络的建立 ， 网络性能分析 由同组其他同学完成，本论文的目标是实现 茶园 WSNs 旱情监测系统 远程接入 的网关。 7 2 WSNs 茶园旱情监测 网关总体设计 概述 网关的定义 在计算机网络中， 网关 (Gateway)称为网间连接器、协议转换器，在使用不同的通信协议、数据格式或语言，甚至体系结构完全不同的两种系统之间充当“翻译器”的角色，是一种充当转换重任的计算机系统或设备 (谢希仁， 20xx)。 通常网关可分为两类：一是传输网关，用于在两个网络之间建立传输连接；二是应用网关，在应用层上进行协议转换。 本课题所研究的旱情 WSN 网关系统是一个传输网关。 主要用于实现 WSNs 与外部网络的互联，并对 WSNs 的数据进行转换以及转发 —— 设计本网关的过程实质是嵌入式系统的设计。 嵌入式系统 设计 根据 IEEE(国际电气和电子工程师协会 )的定义 ： 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置” (孙天泽， 20xx)。 目前国内的一个普遍被认同的定义是 ： 以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。 类似于通用计算机系统，嵌入式 系统也是由硬件和软件两大部分组成。 硬件部分是整个系统的物理基础， 由高性能的微处理器和外围接口电路组成，它提供软件运行的平台和通信接口 ； 软件部分 由嵌入式操作系统和其上运行的应用程序构成，控制系统的运行 ； 软件和 硬件之间由中间层连接。 整个嵌入式系统的体系结构如图 所示 ： 嵌入式应用软件 嵌入式操作系统 嵌入式处理器 嵌入式外围设备 嵌入式硬件平台 图 嵌入式系统体系结构 8 嵌入式系统与通用计算机系统相比具有以下特点 （郑灵翔 ， 20xx） : 1） 嵌入式系统是面向特定系统应用的。 嵌入式处理器大多数是专门为特定应用设计的，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，一般包含各种外围设备接口的片上系统。 2)嵌入式系统涉及计算机技术、微电子技术、电子技术、通信和软件等各行各业。 它是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3)嵌入式系统的硬件和软件都 必须具备高度可定制性。 只有这样才一能适用嵌入式系统应用的需要，在产品价格性能等方面具备竞争力。 4)高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求。 而且软件要求固化存储，以提高速度。 软件代码要求高质量和高可靠性。 5)嵌入式系统的生命周期相当长。 当嵌入式系统应用到产品以后，还可以进行软件升级，它的生命周期与产品的生命周期几乎一样长。 6)嵌入式系统不具备本地系统开发能力，通常需要有一套专门的开发工具和环境。 在计算机后 PC技术时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。 计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每个角落。 各种各 样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过了通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种嵌入式技术的电子产品。 网关功能 分析 从 WSNs 体系结构图 中可以看出， 传感器节点采集感知区域内的数据，进行简单的处理后发送至汇聚节点 ； 网关利用串行方式读取数据并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、光强等 ； 接着进行远距离传输，传输方式包括以太网、无线通信网，最终到达远程终端。 同时，还可以封装成短消息发送至移动终端用户 （于海斌， 20xx）。 用户 可以 通过 网关 实现对无线传感器网络 的管理 ，而无线传感器网络也 能把数据远程传送到用户手中。 因此， WSNs 网关 具有和簇内及簇外通信的功能，是一个功能强大的嵌入式系统，有足够的能量供给、大容量的内存与较强的计算能力。 WSNs 网关 的硬件部分主要由中央处理器、存储模块、簇内连接(射频收发 )模块、簇外连接 (通信 )模块和电源模块五部分组成。 其结构框图如 图 所示 ： 9 中央处理单元是系统的核心，主要用来处理从传感器节点采集到的数据以及完成一些控制功能。 在无线传感器网络中，数据收发要比数据处理消 耗大得多的能量，一般先将数据进行处理后，再进行传送，因此对处理器计算能力要求很高。 WSNs 网关还需要配备大容量的 FLASH 存储器来安装应用程序和保存数据，以及 SDRAM 存储器来运行程序。 为了将采集到的数据传输到互连网或 WWW 上，网关 还配备有 远程通信单元 ，用户可以通过普通 PC 或 GPRS 手机终端来观测传感器收集到的数据，即图 簇外连接部分。 WSNs 同时可以叠加与传感器节点相同的射频收发模块，用于接收传感器节点发送的数据和向传感器节点发送数据， 即图 簇内连接部分。 WSNs网关 对电源要求很高，除了 CPU 需要 的不同电压外， GPRS 模块启动时需要大的瞬时电流，所以应从硬件和软件上同时来实现和控制各路电源的供应，以达到有效的节能。 基于茶园旱情监测的 WSNs 网关特征 茶园 一般 地处丘陵山区 ，多 由连绵不断的低矮山丘组成的。 相对高度一般不超过 200m，高低起伏，坡度较缓。 茶树高度一般在 75cm100cm 之间。 茶园种植密度主要的有两种 ： 一是单行条栽茶园，种植行距 150cm，丛距 33cm，每亩种植约 1350丛。 二是双行条栽茶园，种植大行距为 150cm，小行距为 30cm，丛距 20cm， 每亩种植约 4450 丛。 不 论是单条栽，还是双条栽，每丛通常种植 3 株茶树。 茶园的这些地形 、 地貌 ， 茶树特征 ，决定 网关的系统性能、通信方式等设计时要满足以下几方面的要求： 中央处理器 簇内连接模块 簇 外 连接 模块 存储模块 电源 模块 图 WSNs 网关结构框图 10 1)可靠性 网关 在 整个 茶园旱情 监测系统起着承上启下的重要作用 ，是联系无线环境监测网与外部网络的桥梁，如果网关节点出现了故障或者瘫痪等无法正常工作的情况，虽然网络内部可以通过 WSNs 的自组织性重新组成 旱情 监测网络，但却无法将 茶园旱情数据 传输到监控中心，因此，对网关的 可靠性提出了较高的要求。 2)低功耗 网关 的工作环境是 茶园 ，由于网关节点要经常通过射频传输数据，耗电比较大，因此要采用专门的供电系统，为了能够延长整个环境监测系统的使用寿命，必须尽量降低网关节点各部分的功耗，避免出现因网关节点供电不足而造成整个环境系统瘫痪的情况。 此外， WSNs 网关能量的消耗主要集中在对数据进行处理和传送数据。 在其他情况下，应该尽量使 WSNs 网关 处于睡眠或空闲状态，以节约能量。 3)通信方式需求 WSNs 网关既要和传感器节点通信，又要与外部网络通信，它应该有簇内通信和簇外通信双重功能。 和簇内通信采用与节点相同的通信的方式，而与簇外通信可以选择有线网络、无线网络和 GPRS 方式。 要使通信做到有效、可 靠，应 保证网关 的通信方式是多样化，并且是稳定的，不受环境影响或影响很小。 4)数据处理能力 在实际工作中，每个网关节点管理的节点可能会达到上百个，因此可能会出现短时间内大量的环境数据传输到网关节点，而这些数据可能需要通过数据融合等处理后传输到监控中心，因此要求网关节点 处理器有较高的处理速度， 以及 能够存储大 量的数据， 来满足无线传感器网络的实时性要求。 5)扩展性 随着需求的不断提高，以后会增加定位等其他功能，这就要求网关 是一个开放、易于扩展的系统，只需要在现有系统上增加一些软、硬件模块，就能实现特定的需要，便 于系统的升级维护。 网关 设计 概要。