0 引言
干旱缺水歷來是制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的主要因素，南方省份如廣東，盡管年降雨量充足，但季節(jié)性缺水仍然嚴重，粵北、粵西地區(qū)尤為突出。茶樹對土壤含水量的要求較高，水分不足或過多均不利于茶樹生育，因而建立茶園旱情監(jiān)測系統(tǒng)，將為解決茶園合理灌溉的問題提供了科學依據(jù)。
近年來，無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)技術(shù)迅速興起，成為國內(nèi)外研究的熱點領(lǐng)域之一。WSN中的網(wǎng)關(guān)負責接收來自節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行修正、融合等處理，然后通過以太網(wǎng)或GPRS等網(wǎng)絡基礎設施將數(shù)據(jù)接入Internet網(wǎng)絡，傳送至遠程終端，同時對遠程終端所發(fā)出的指令進行及時處理和反應。目前，國內(nèi)外對于信息遠距離傳輸?shù)腤SN網(wǎng)關(guān)技術(shù)已進行了初步的研究。美國的Crossbow公司曾推出具有以太網(wǎng)通信功能的匯聚節(jié)點產(chǎn)品并得到應用。哈佛大學的科研人員曾經(jīng)在位于厄瓜多爾境內(nèi)的唐古拉瓦火山(volean thngnrahua)附近部署了小范圍的無線傳感器網(wǎng)絡，采集次聲波信號并傳送至匯聚節(jié)點，通過接入無線Modem將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到9 km外火山監(jiān)測站的PC機上。國內(nèi)一些大學和科研機構(gòu)也提出了有關(guān)解決方案，比較典型的是基于有線通信方式的以太網(wǎng)和無線通信方式的GPRS，CDMA等WSN網(wǎng)關(guān)，也有利用公共電話網(wǎng)(PSTN)，采用撥號方式建立臨時連接方式實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)關(guān)。
這里的目的是設計、開發(fā)一種適合于山地茶園旱情的WSN網(wǎng)關(guān)。
1網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)的硬件設計
系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。由CPU、存儲模塊、本地連接模塊、簇內(nèi)網(wǎng)絡連接模塊以及簇外網(wǎng)絡連接模塊組成。
系統(tǒng)采用三星公司的S3C2410作為CPU。S3C2410是一款基于ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式處理器，內(nèi)部有內(nèi)存管理單元(memory managerunit，MMU)，可以穩(wěn)定運行在266 MHz。
存儲模塊由FLASH存儲器、SDRAM以及SD卡組成。其中，F(xiàn)LASH 7存儲器采用三星公司的K9F1208UDM NAND FLASH；內(nèi)存SDRAM部分采用Hynix Semiconductor公司的HY57V561620芯片；S3C2410帶有SD卡接口，系統(tǒng)擴展出SD卡插槽，用SD卡擴展數(shù)據(jù)存儲空間。
本地連接模塊由串口電路、USB接口電路以及JTAG接口電路3部分組成。串口電路用于系統(tǒng)調(diào)試以及連接(自身)匯聚節(jié)點的DB51針擴展接口。USB接口用來連接USB設備，以及實現(xiàn)與工作站連接、下載Linux內(nèi)核等功能。該模塊還提供了JTAG接口，方便用戶進行JTAG調(diào)試。
簇內(nèi)網(wǎng)絡連接模塊主要負責網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點的連接，匯聚節(jié)點通過DB51針連接器與網(wǎng)關(guān)本地連接模塊中DB9串口連接，實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點的連接功能。
簇外網(wǎng)絡連接模塊的功能是實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)利用以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡接入Internet進行數(shù)據(jù)傳輸，供遠程終端進行數(shù)據(jù)查詢以及遠程監(jiān)控。簇外連接模塊由以太網(wǎng)接口電路以及GPRS接口電路組成。
2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)軟件平臺搭建
Linux是內(nèi)核可裁剪、重新配置的操作系統(tǒng)。在ARM平臺上移植Linux嵌入式操作系統(tǒng)的工作分為建立交叉編譯環(huán)境、Bootloader移植、Linux內(nèi)核(kernel)移植、文件系統(tǒng)移植和系統(tǒng)驅(qū)動程序設計等。Linux系統(tǒng)移植示意圖如圖2所示。
交叉編譯環(huán)境是由編譯器、連接器和解釋器組成的綜合開發(fā)環(huán)境，可以將應用程序轉(zhuǎn)換成能在目標機上運行的二進制代碼。
Bootloader是嵌入式系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一個軟件代碼。它的主要運行任務就是將內(nèi)核映像從硬盤上讀到RAM中，然后跳轉(zhuǎn)到內(nèi)核的入口點去運行，即開始啟動操作系統(tǒng)。
文件系統(tǒng)是指在物理設備上的任何文件組織和目錄，它構(gòu)成了Linux系統(tǒng)上所有數(shù)據(jù)的基礎。該系統(tǒng)選用JFFS2作為文件系統(tǒng)。
在Linux中，設備驅(qū)動程序的設計和使用一般有兩種方式可供選擇。第一種方式是將設備驅(qū)動程序作為可加載的模塊，動態(tài)地加載到內(nèi)核，模塊是內(nèi)核的一部分，但以獨立的個體形式存在；第二種方式是將設備驅(qū)動程序作為內(nèi)核代碼的一部分編譯到內(nèi)核中去，是以內(nèi)核模式運行的。本文選用了第二種方式。
3 遠程數(shù)據(jù)傳輸方式設計與實現(xiàn)
在無線傳感器網(wǎng)絡與外部網(wǎng)絡進行遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，網(wǎng)關(guān)處于承上啟下的地位，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠泄?jié)點。本文的通信軟件包括網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點通信模塊和網(wǎng)關(guān)與遠程終端通信模塊。
網(wǎng)關(guān)與匯聚節(jié)點之間的通信主要是指網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的過程，一般采用串口通信方式。由于Linux內(nèi)核中已嵌入了串口驅(qū)動程序，對串口的操作可通過設備文件來實現(xiàn)。
網(wǎng)關(guān)與遠程終端進行數(shù)據(jù)傳輸則分別通過開發(fā)以太網(wǎng)應用程序和利用PPP協(xié)議，實現(xiàn)了以太網(wǎng)的有線通信和GPRS的無線通信。采用面向連接的客戶機／服務器模型，其通信過程見圖3。考慮到對數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，故采用基于TCP的流式套接字(socket)通信機制。利用Sierra Wireless公司的Aircard750上網(wǎng)卡連接移動GPRS網(wǎng)絡接入Internet，從而實現(xiàn)網(wǎng)卡與遠程監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)交換。利用PPP協(xié)議棧把數(shù)據(jù)包封裝成IP包的格式，發(fā)送給無線模塊。完成從撥號到最終邏輯通信鏈路的建立需要經(jīng)過：網(wǎng)關(guān)首先通過撥號呼叫ISP，在得到ISP應答后，建立起初始的物理連接，此時可以檢測到載波信號；然后終端與ISP之間開始傳送一系列經(jīng)過PPP封裝的LCP分組，用于協(xié)商選擇將要采用的PPP參數(shù)，參數(shù)協(xié)商完成后開始認證過程；認證成功后，通信雙方開始交換一系列的NCP分組來配置網(wǎng)絡層。對于上層使用IP協(xié)議的情況而言，此過程是由IPCP完成的；當NCP配置完成后，邏輯通信鏈路就建立好了，雙方可以開始在此鏈路上交換上層數(shù)據(jù)。該過程中PPP狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。
4 試驗分析
網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)要完成的主要任務包括采集傳感器節(jié)點旱情監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理和封裝后通過以太網(wǎng)或GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到遠端具有固定公網(wǎng)IP的PC機。為了驗證該網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性和適應性，分別對以太網(wǎng)連接和GPRS遠程傳輸可靠性進行了測試試驗。
試驗條件：
(1)Ethernet Switch交換機1個，EIA／TIA 568B標準網(wǎng)線(直連網(wǎng)線)2根；
(2)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)1套，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)、以太網(wǎng)口驅(qū)動程序、串口數(shù)據(jù)采集程序、socket套接字聯(lián)接程序；
(3)利用10Base-T接至網(wǎng)絡的PC機1臺，采用Windows XP操作系統(tǒng)；
(4)Crossbow公司MICAz節(jié)點和MTS310傳感器6套，采用Crossbow公司的Moteview監(jiān)控軟件。
以太網(wǎng)的連接試驗主要是針對網(wǎng)關(guān)連接、網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)以及遠程數(shù)據(jù)傳輸進行測試。網(wǎng)關(guān)連接測試是驗證網(wǎng)關(guān)嵌入式Linux操作系統(tǒng)、CS8900網(wǎng)卡初始化和驅(qū)動程序的運行正常與否，以及網(wǎng)關(guān)與監(jiān)測中心能否通過以太網(wǎng)進行正常的網(wǎng)絡連接。測試網(wǎng)關(guān)接收匯聚節(jié)點數(shù)據(jù)的目的主要是驗證SD卡的初始化、驅(qū)動程序正常與否，網(wǎng)關(guān)能否通過串口讀取匯聚節(jié)點所接收的WSN節(jié)點數(shù)據(jù)。試驗證明，網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集WSN節(jié)點數(shù)據(jù)，并通過以太網(wǎng)遠程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。
GPRS數(shù)據(jù)傳輸可靠性可以由誤碼率和丟包率來衡量。為了節(jié)省網(wǎng)絡帶寬，該實驗以丟包率作為分析的主要依據(jù)。由于GPRS傳輸延遲的不確定性，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃耘c數(shù)據(jù)包的發(fā)送時間間隔相關(guān)，間隔時間越大，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃跃蜁档汀７謩e對TCP／IP傳輸和UDP傳輸兩種通信方式進行了測試丟包率試驗，發(fā)送間隔時間為1～10 s，每種間隔時間進行500次數(shù)據(jù)傳輸試驗，計算的丟包率如圖5所示。可以看出，在2種傳輸模式中，4～5 s是1個分界點，自此以后丟包率基本趨于穩(wěn)定，這時的丟包狀況來源于網(wǎng)絡的不可控因素。由于茶園旱情監(jiān)測對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性沒有過高的要求，因此，網(wǎng)關(guān)GPRS遠程傳輸采用TCP方式，間隔時間選為5 s。
5 結(jié) 語
針對目前無線傳感器網(wǎng)絡的應用特點及發(fā)展趨勢，結(jié)合現(xiàn)今網(wǎng)絡技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，設計采用嵌入式系統(tǒng)平臺實現(xiàn)多種遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的WSN網(wǎng)關(guān)，用于茶園旱情監(jiān)測系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)通過串行口與匯聚節(jié)點通信，可以通過以太網(wǎng)或GPRS兩種可選方式監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)到遠程監(jiān)控中心。開發(fā)了功能完善的WSN網(wǎng)關(guān)應用軟件，在實際應用中取得了良好的效果。隨著3G時代的到來以及工業(yè)級3G通信模塊的推出，如何利用網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)實現(xiàn)WSN與3G的互聯(lián)是今后擬研究解決的問題。