節(jié)點可喚醒WS N低成本網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

唐曉城 陳鵬杰 劉登躍 何 斌

（同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，中國 上海 201804）

0 引言

通過網(wǎng)絡(luò)的方式，在監(jiān)控中心對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，遠(yuǎn)程獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并對現(xiàn)場設(shè)備做出控制指令，這已經(jīng)不是什么新鮮的事。但在大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中，所有的設(shè)備均處于開啟狀態(tài)，隨時傳遞傳感數(shù)據(jù)以及接受監(jiān)控中心的控制指令。雖然一定程度上造成了能源的浪費(fèi)，這樣的模式在有線的傳感器網(wǎng)絡(luò)中是可行的，但對于能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來說，這無疑加重了整個系統(tǒng)的能耗負(fù)擔(dān)，縮短整個網(wǎng)絡(luò)的壽命[1-3]。因此，對于一些實時性要求不高，監(jiān)控緩變信號的系統(tǒng)來說，可以采取休眠-喚醒的機(jī)制來節(jié)省每一個節(jié)點的能耗，繼而延長整個網(wǎng)絡(luò)的工作周期。以下是超長線狀傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點分布以及數(shù)據(jù)傳輸示意圖[4-6]。

1 應(yīng)用背景及設(shè)計構(gòu)思

該設(shè)計的網(wǎng)關(guān)用于配合地下隧道內(nèi)所組的傳感器網(wǎng)絡(luò)的工作。地下隧道傳感器的布置通常被歸類為超長線狀的拓?fù)鋯栴}，如圖1，通常將節(jié)點組成幾個簇，每個簇中有簇頭節(jié)點，負(fù)責(zé)搜集簇中節(jié)點的數(shù)據(jù)后，簇頭節(jié)點通過單跳或者多跳的方式匯聚到網(wǎng)關(guān)，跳數(shù)取決于與網(wǎng)關(guān)的距離[7]。

整個網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的數(shù)據(jù)為傾角信號，屬于緩變信號，不要求數(shù)據(jù)的實時性，這也為低功耗休眠機(jī)制創(chuàng)造了條件。遠(yuǎn)程喚醒的功能也將變得更有意義。

在整個監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，一臺裝有網(wǎng)卡的電腦就能實現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)控，但成本也是需要考慮的問題，所以在本設(shè)計中，采用如圖2的精簡設(shè)計。

我們期望該設(shè)計的最終功能是：手機(jī)或電腦訪問設(shè)定的域名，即可打開由以太網(wǎng)模塊搭建的網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁中顯示了現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)值，同時還有幾個可以對現(xiàn)場進(jìn)行控制的鏈接按鈕，點選鏈接按鈕即可對相應(yīng)的節(jié)點簇進(jìn)行喚醒休眠動作。

按照該功能，我們進(jìn)行如下的設(shè)計，當(dāng)用戶點擊監(jiān)控網(wǎng)頁上的鏈接按鈕時，控制命令數(shù)據(jù)將被傳送至網(wǎng)絡(luò)，到達(dá)現(xiàn)場的路由器，路由器轉(zhuǎn)發(fā)給連接在其上的以太網(wǎng)模塊ENC28J60，實現(xiàn)了外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送。控制命令數(shù)據(jù)通過MCU對以太網(wǎng)模塊ENC28J60的讀取，被送入控制器STM32的緩存中，重新封裝成幀以后，以無線傳感網(wǎng)設(shè)定的幀格式發(fā)送給2.4G模塊NRF24L01，到這里完成了從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)再到傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳送。接下來，2.4G模塊將數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給各自簇中節(jié)點，收到數(shù)據(jù)的節(jié)點根據(jù)命令決定自身是否從休眠模式切換至工作模式。

圖2中，虛線框內(nèi)為設(shè)計的硬件部分，除了上述的功能，該硬件電路還包含了FPGA，用于輔助功能，F(xiàn)GPA連接了VGA和PS2接口，可以連接鍵盤和顯示器，在現(xiàn)場可以輔助整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)試和現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)控。在設(shè)計上同時預(yù)留了GSM模塊的位置，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者線路信號不佳的情況下，亦可通過手機(jī)發(fā)送短信的方式進(jìn)行控制。

2 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

電源是任何一個電路的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性在設(shè)計中通常是容易忽視的環(huán)節(jié)。一個穩(wěn)定的電源保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

為了使得計應(yīng)用于更多的同類系統(tǒng)，在設(shè)計第一級開關(guān)電源中采用了寬范圍電壓輸入，支持9-50V的電壓輸入范圍，囊括了工業(yè)上常用的直流電壓，輸出5V負(fù)載電流設(shè)置在2.2A，該開關(guān)電源采用德州儀器的降壓電流控制型芯片TPS54260做控制，芯片采用小體積10引腳MSOP封裝，支持高至60V的輸入。片內(nèi)的MOSFET導(dǎo)通電阻僅0.2歐姆。100k～2.5M的可配置高開關(guān)頻率使設(shè)計的體積減小[8]。圖3為設(shè)計完成的電路。

在該芯片的手冊上有詳細(xì)的指導(dǎo)設(shè)計過程，包括功率設(shè)計以及環(huán)路穩(wěn)定性設(shè)計，除此之外TI還提供了WEBENCH平臺進(jìn)行快速設(shè)計，我們利用該平臺計算補(bǔ)償極點所需的電容電阻。

完成設(shè)計后的系統(tǒng)波特圖如圖4所示，細(xì)線為增益(dB)，粗線為相位，該設(shè)計留有45°的相位裕度。

在第一級開關(guān)電源后端接有LC濾波，但該開關(guān)電源并不直接系統(tǒng)各模塊工作，其后還接有，4V，3.3V，1.2V的線性電源，分別給GSM模塊，控制器，F(xiàn)PGA工作使用。

用于組建小型網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)模塊選用Microchip的SPI通信的ENC28J60，圖5，它符合IEEE802.3規(guī)范，內(nèi)部集成了 MAC層以及10M物理層，可按業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)數(shù)據(jù)?？删幊踢^濾功能，減輕主控芯片的處理負(fù)荷。具有可編程8kB雙端口SRAM緩沖器，以高效的方式對信息進(jìn)行存儲、檢索和修改。并有專用引腳連接LED指示網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)[9]。

該以太網(wǎng)控制芯片和含有網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口HR911105A配合使用，減小了電路的體積。

最終制作焊接調(diào)試完成的電路板如圖6所示。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計

控制器STM32的開發(fā)調(diào)試環(huán)境是MDK ARM4.6，F(xiàn)GPA開發(fā)環(huán)境為Quartus II 11.1SP2。喚醒子程序工作流程如圖7所示。

網(wǎng)關(guān)上電后，控制器先對系統(tǒng)內(nèi)部各模塊以及外圍的模塊進(jìn)行初始化，設(shè)定好工作模式和參數(shù)。例如，對ENC28J60的配置有初始化MAC地址，IP地址以及域名，

配置結(jié)束，即進(jìn)入以太網(wǎng)模塊ENC28J60的WEB服務(wù)程序。該服務(wù)程序采用定時中斷來獲取來網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包。

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,buf);

每個數(shù)據(jù)包接收后，首先判斷是否為ARP請求幀，如果是，并且IP地址為模塊的IP，那么回復(fù)ARP。否則回到定時中斷接受后續(xù)的數(shù)據(jù)幀。

然后讀取數(shù)據(jù)幀中傳輸?shù)挠蛎陀脩裘?，和初始化中域名和用戶名進(jìn)行比對，if(buf[IP_PROTO_P]==IP_PROTO_TCP_V&&buf[TCP_DST_PORT_H_P]==0&&buf[TCP_DST_PORT_L_P]==mywwwport)如果一致，則將開始對網(wǎng)頁讀寫工作，更新數(shù)據(jù)顯示，如果網(wǎng)頁上有新的控制命令產(chǎn)生，則執(zhí)行該命令，例如對傳感器節(jié)點的喚醒工作。

4 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能耗問題始終是制約其發(fā)展的一個重要因素，如何權(quán)衡傳感網(wǎng)絡(luò)的性能以及功耗是一個需視應(yīng)用環(huán)境而定的問題。本文設(shè)計的網(wǎng)關(guān)適用于對于監(jiān)控緩變信號網(wǎng)絡(luò)中休眠節(jié)點的喚醒，在超長線狀的環(huán)境中做了實驗測試，達(dá)到了設(shè)計的功能和要求，為系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的低功耗又邁進(jìn)了一步。在實現(xiàn)既定功能的前提下，和新興的商業(yè)用網(wǎng)關(guān)相比，做到了設(shè)計的低成本。

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[8]Texas Instruments.TPS54260[EB/OL].[2010-03]http://www.ti.com/product/tps54260?keyMatch=TPS54260&tisearch=Search-EN.

[9]Microchip.ENC28J60[EB/OL].[2006]www.microchip.com/.