无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)是一种由传感器节点构成的网络，能够实时地监测、感知搜集节点布置区内感兴趣的感知目标的各种信息(如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象)，并对这些信息进行处理后以无线的方法发送出去，经过无线网络终究发送给终端用户。跟着通讯技能、嵌入式技能、传感器技能的飞速发展和日趋老练，具有感知、核算、通讯、路由功用的微传感器节点不断涌现，由这些节点构成的无线传感器网络备受重视。因其在工业操控、智能家居、医疗健康等范畴的广泛运用而成为当今的热门研讨方向之一，被认为是对21世纪发生巨大影响的高新技能。
本文针对无线传感器网络嵌入式网关体系硬件规划挑选了器材，充沛将GPRS(通用无线分组交流事务)技能、嵌入式技能、短间隔无线通讯技能融为一体，成功完结了本次嵌入式产品的开发。
1 无线传感器网络体系结构
无线传感器网络体系一般由传感器节点(sensornode)、网关节点(sink node)和终端用户组成。如图1所示，很多的传感器节点布置在监测区域，经过自组织方法构成网络。传感器节点监测到的数据经过多跳后路由到网关节点，网关节点在对数据进行剖析、交融等处理后，经过有线或许无线的方法将数据送入终端用户。用户经过监控中心对传感器网络进行装备和办理，发布监测指令以及搜集监测数据。
2 网关节点特色及其功用
作为感知区域内传感器节点与外部网络或终端用户的桥梁，网关节点要处理很多的数据，有必要具有高速度、大存储量和较远的传输间隔，即低本钱、高效能。一起因布置在环境恶劣地域，频频替换动力很不实际，足够的能量供应有必要优先考虑，低功耗规划也成为整个规划的要害环节之一。
网关节点在完结不同网络间协议转化的一起，还要对传感器网络进行办理和设置，需具有以下功用：扫描并选定物理信道，分配无线传感器网络内部网络地址，初始化网络设置；记载WSN网络所选用的MAC算法和路由协议，帮忙节点完结与街坊节点衔接的树立和路由的构成；发送监控中心操控指令，为用户完结特定的操作功用；接纳搜集节点的恳求和数据，具有数据交融、裁定恳求和路由挑选功用。
3 网关节点硬件规划
依照规划准则，在很好地完结上述网关节点功用的一起，为战胜因传统网关选用有线方法 (如串口电缆RS232)与终端用户相连而导致的移动规模受限、长途监控困难、不能精确供应基准定位信息等一系列缺陷，参阅当今前沿的短间隔无线通讯技能、嵌入式技能，给出集中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS无线通讯模块、电源模块五坐落一体的硬件规划计划。其整体结构及彼此接口如图2所示。
3．1 中央处理单元
网关的中央处理单元首要用来搜集和处理从搜集传感器节点送来的数据，合理分配不同节点的数据存储，并且完结终端用户对传感器网络节点的操控指令(包含休眠时刻、搜集间隔、传感器开关)；一起支撑休眠、使命唤醒方式，满足整个体系低功耗要求。
为了完结上述功用，选用Philips公司的LPC2000系列32位ARM处理器LPC2106。LPC2106支撑实时仿真和盯梢的ARM7TDMI -SCPU，标准JTAG调试接口，并带有128 KB嵌入的高速Flash存储器；小型的LQFP封装(7 mm×7 mm)、2种低功耗方式(闲暇方式和掉电方式)以及外设功用的独自使能和制止，十分合适于小型化、低功耗作为首要要求的运用；双UART，其间一个具有彻底的调制解调器接口，彻底满足本规划要求；带有宽规模的串行通讯接口(片内多达64 KB的SRAM)，因为具有大规模的缓冲区和强壮的处理器才能，十分合适于通讯网关和协议转化器、声响辨认以及低端的图画处理。
3．2 GPRS无线通讯模块
首要，WSN是一种以数据为中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小，因而在考虑网关节点与外部网络的衔接方法时，上行数据率是一个要害目标；其次，运用环境限制数据上行方法；别的，网关节点的本钱及集成难度也是一个要害要素。归纳以上三点，选用Simcom公司出产的CPRS无线通讯模块SIM300C。该模块具有如下特色：
①支撑两种操作方式(一种是电路交流数据方式CSD，支撑语音、数据、SMS和FAX事务；另一种是分组交流方式GPRS，选用多时隙，支CSI-CS4编码)；
②标准的AT指令，为GSM语音、短消息以及GPRS数据事务供应无线接口；
③内置TCP／IP协议，用户不用自己编写或许运用操作体系参加协议，下降了体系开发难度，缩短了开发周期；
④数据下行、上行传输速率别离高达85．6 kbps和42．8 kbps，标准RS232串行口，经过串行口运用AI、指令完结对模块的操作；
⑤支撑最少功用和休眠两种省电方式。
需求将数据传输到网关节点时，节点依照WSN的协议标准对数据进行打包，然后经过无线方法经过一跳或多跳将数据传送到网关节点。传感数据在经过无线传输进入网关节点后，微处理器运用WSN的协议栈拆包，得到原始数据之后，网关节点可运用其操作体系上的运用软件依据具体需求对原始数据进行处理(如进行数据的交融，去除冗余，减轻网关节点对外传送的担负)。处理后的数据经由TCP／IP模块打包后经过串口与SIM300C相连，如图3所示。最终，网关节点中的 GPRS模块将数据经过GSM网络或许SMS方法传送到上位机。当需求向传感器节点传达操控指令时，上位机以短信的方法经GSM传送到网关节点的GPRS 模块，完结相应使命。
如图4所示，将手机卡刺进SIM卡座，经过相应的AT指令便能够很方便地完结上位机和网关之间的自在通讯，按流量计费，下降体系本钱。
常用如下一些AT指令。
①连网指令：AT回来状况：OK(连网成功)
②全功用敞开指令：AT+CFUN=1
③封闭模块指令：AT+CPOWD=1
④读取第n条短信：AT+CMGR=n
一起，DTR外接一个上拉电阻，合作“AT+CSCLK=1”指令，能够轻易地完结SIM300C的休眠，经过短信即可唤醒。休眠时GPRS电流耗费仅2．5 mA，满足整个体系低功耗要求。
3．3 射频收发模块
一个依据IEEE 802．15．4的CC2430无线收发模块，首要用来完结网络节点之间、节点与网关节点之间的无线通讯。中心部分是一个CC2420射频收发器，它彻底支撑ZigBee组网协议，具有传输速率高、传输间隔远和低功耗等长处。首要特征如下：
①作业频带规模是2．4～2．483 5 GHz；
②选用IEEE 802．15．4标准要求的DSSS(直接序列扩频方法)；
③数据速率达250 kbps，碎片速率达2 Mchip／s，接纳灵敏度高(-94 dBm)，邻道抗搅扰才能强(39 dB)，超低电流耗费(RX27 mA，TX25 mA)；
④低电压供电(2．1～3．6 V)，内部集成VCO、LNA、PA及电源稳压器。
CC2420经过简略的四线(SI、SO、SCLK、CS)与SPI接口相连。能够经过调制解调操控寄存器的操控位装备成不同的发射和接纳方式，一般作业在缓冲方式。如图5所示，它的外围电路器材简略，首要包含晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等。射频输入／输出匹配电路首要用来匹配芯片的输入／输出阻抗，使其输入／输出阻抗为50 Ω，一起为芯片内部的PA和LAN供应支流偏置。
为了进步无线收发体系的功率，保证传输间隔，射频电路天线的选取也至关重要，其间包含射频天线形状、输出方向、天线长度、天线资料等一系列要素。射频电路常用差动天线、不平衡天线。典型的差动天线(如双极天线)，不需求巴伦(balun)匹配可直接接人。其他短间隔通讯的天线有单极天线、螺旋天线和环状天线。螺旋天线能够看作是单极天线和环状天线的混合，可是优化起来比单极天线困难。环状天线易于集成到印刷电路板(PCB)中，可是因为发射阻抗十分低，难于匹配，且匹配作用欠好，因而规划中选用单极天线。
单端单极天线要求在差分输出和天线之间有巴伦匹配。巴伦匹配能够选用传输线方式，也能够选用离散元器材方式，两种方式都等效于在天线衔接处匹配了50 Ω的负载。传输线方式较离散元器材方式，不只改进了差错向量起伏功能，并且灵敏度和谐波按捺也得到改进，所以规划中选用了传输线方式。CC2430无线收发PCB布线图如图6所示。
在PCB布线方面，λ／2巴伦匹配的传输线保证射频信号在正确的频段，一起要远离有耗资料(比方电池)，接近射频芯片以削减两者之间的射频损耗。别的，还要防止数字信号对其的搅扰。因而，传输线各方向上要留有必定的躲避空间，该间隔与作业频率成反比。躲避空间没有固定公式，依据物理形状、资料的射频损耗等确认。关于芯片，躲避空间的最小半径在λ／100左右；关于较大的有源损耗体(如AA电池)，最小半径在λ／10左右(λ为无线通讯频率的波长)。选用的巴伦匹配传输线的躲避空间如图6所示。经匹配后的网关与节点能在150～200 m的规模内自在通讯，传输作用令人满足。
3．4 存储单元
微处理器自带128 KB Flash不能满足操作体系的移植存储的代码量，以及传感器节点每天搜集的数据量(64个节点一天大约4．3K)，故有必要进行存储器的扩展。结合考虑微处理器外设接口和数据存储读写速度，挑选2 Mb的非易失性铁电随机存储器FM25H20。其硬件原理图如图7所示。
FM25H20具有无限的读写次数，掉电数据多达10年坚持时刻，写数据无延时，快速SPI串行协议，高达40 Mbps的总线速度，完善的软、硬件写保护，极低的静态作业电流(5μA)，十分合适本嵌入式网关规划的需求。
3．5 电源模块
无线传感器网络节点一般作业在无人值守的环境下，所以挑选动力十分重要；别的，自然界的动力弥补也至关重要。规划中选用太阳能电池板完结整个体系的动力供应。比较当今常用电池功能，剖析核算规划节点各模块的功耗，挑选额外电压为3．7 V、容量为1 Ah的高能量密度电池锂离子电池(Lithium Ion battery)。与相同巨细的镍镉电池、镍氢电池比较，电量储藏最大、分量最轻、寿数最长、充电时刻最短、无回忆效应，是现在功能最好的电池。双组电源轮番供电(一用一备)，运用无线收发模块A／D采样、主动监测操控电池电压，依据规划的电池上下限值主动敞开太阳能电池板对其主动充电，一直做到整个节点电源供应安稳。
结 语
本文针对无线传感器网络特色，对WSN网关进行了研讨，并给出了具体的硬件完结计划。要害模块是：依据SIM1300C模块的GPRS接口完结无线网络到有线网络的数据传输；依据CC2430芯片的RF收发电路。经过研讨，较好地处理了WSN数据从搜集地到监控中心的双向传输问题，从逻辑大将物理国际与信息国际愈加严密地交融于一体；在低功耗、高速度、低噪声、低本钱方面取得了较为满足的成果，为开发和结构无线传感器网络开辟了新的运用范畴。
