节点可唤醒WS N低成本网关的设计

唐晓城 陈鹏杰 刘登跃 何 斌

（同济大学电子与信息工程学院，中国 上海 201804）

0 引言

通过网络的方式，在监控中心对现场的设备进行监控，远程获取现场的数据，并对现场设备做出控制指令，这已经不是什么新鲜的事。但在大多数的网络监控系统中，所有的设备均处于开启状态，随时传递传感数据以及接受监控中心的控制指令。虽然一定程度上造成了能源的浪费，这样的模式在有线的传感器网络中是可行的，但对于能量有限的无线传感器网络来说，这无疑加重了整个系统的能耗负担，缩短整个网络的寿命[1-3]。因此，对于一些实时性要求不高，监控缓变信号的系统来说，可以采取休眠-唤醒的机制来节省每一个节点的能耗，继而延长整个网络的工作周期。以下是超长线状传感网络的节点分布以及数据传输示意图[4-6]。

1 应用背景及设计构思

该设计的网关用于配合地下隧道内所组的传感器网络的工作。地下隧道传感器的布置通常被归类为超长线状的拓扑问题，如图1，通常将节点组成几个簇，每个簇中有簇头节点，负责搜集簇中节点的数据后，簇头节点通过单跳或者多跳的方式汇聚到网关，跳数取决于与网关的距离[7]。

整个网络监控的数据为倾角信号，属于缓变信号，不要求数据的实时性，这也为低功耗休眠机制创造了条件。远程唤醒的功能也将变得更有意义。

在整个监控网络中，一台装有网卡的电脑就能实现远程的监控，但成本也是需要考虑的问题，所以在本设计中，采用如图2的精简设计。

我们期望该设计的最终功能是：手机或电脑访问设定的域名，即可打开由以太网模块搭建的网页，在网页中显示了现场传感器采集的数据值，同时还有几个可以对现场进行控制的链接按钮，点选链接按钮即可对相应的节点簇进行唤醒休眠动作。

按照该功能，我们进行如下的设计，当用户点击监控网页上的链接按钮时，控制命令数据将被传送至网络，到达现场的路由器，路由器转发给连接在其上的以太网模块ENC28J60，实现了外网到内网的数据传送。控制命令数据通过MCU对以太网模块ENC28J60的读取，被送入控制器STM32的缓存中，重新封装成帧以后，以无线传感网设定的帧格式发送给2.4G模块NRF24L01，到这里完成了从外网到内网再到传感器网络的数据传送。接下来，2.4G模块将数据传送给簇头节点，簇头节点发送数据给各自簇中节点，收到数据的节点根据命令决定自身是否从休眠模式切换至工作模式。

图2中，虚线框内为设计的硬件部分，除了上述的功能，该硬件电路还包含了FPGA，用于辅助功能，FGPA连接了VGA和PS2接口，可以连接键盘和显示器，在现场可以辅助整个网络的调试和现场的数据监控。在设计上同时预留了GSM模块的位置，在网络发生故障或者线路信号不佳的情况下，亦可通过手机发送短信的方式进行控制。

2 网关硬件设计

电源是任何一个电路的基础，其稳定性在设计中通常是容易忽视的环节。一个稳定的电源保证了系统工作的可靠性。

为了使得计应用于更多的同类系统，在设计第一级开关电源中采用了宽范围电压输入，支持9-50V的电压输入范围，囊括了工业上常用的直流电压，输出5V负载电流设置在2.2A，该开关电源采用德州仪器的降压电流控制型芯片TPS54260做控制，芯片采用小体积10引脚MSOP封装，支持高至60V的输入。片内的MOSFET导通电阻仅0.2欧姆。100k～2.5M的可配置高开关频率使设计的体积减小[8]。图3为设计完成的电路。

在该芯片的手册上有详细的指导设计过程，包括功率设计以及环路稳定性设计，除此之外TI还提供了WEBENCH平台进行快速设计，我们利用该平台计算补偿极点所需的电容电阻。

完成设计后的系统波特图如图4所示，细线为增益(dB)，粗线为相位，该设计留有45°的相位裕度。

在第一级开关电源后端接有LC滤波，但该开关电源并不直接系统各模块工作，其后还接有，4V，3.3V，1.2V的线性电源，分别给GSM模块，控制器，FPGA工作使用。

用于组建小型网络的以太网模块选用Microchip的SPI通信的ENC28J60，图5，它符合IEEE802.3规范，内部集成了 MAC层以及10M物理层，可按业界标准以太网协议可靠地收发数据。可编程过滤功能，减轻主控芯片的处理负荷。具有可编程8kB双端口SRAM缓冲器，以高效的方式对信息进行存储、检索和修改。并有专用引脚连接LED指示网络工作状态[9]。

该以太网控制芯片和含有网络变压器的RJ45接口HR911105A配合使用，减小了电路的体积。

最终制作焊接调试完成的电路板如图6所示。

3 网关软件设计

控制器STM32的开发调试环境是MDK ARM4.6，FGPA开发环境为Quartus II 11.1SP2。唤醒子程序工作流程如图7所示。

网关上电后，控制器先对系统内部各模块以及外围的模块进行初始化，设定好工作模式和参数。例如，对ENC28J60的配置有初始化MAC地址，IP地址以及域名，

配置结束，即进入以太网模块ENC28J60的WEB服务程序。该服务程序采用定时中断来获取来网络的数据包。

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,buf);

每个数据包接收后，首先判断是否为ARP请求帧，如果是，并且IP地址为模块的IP，那么回复ARP。否则回到定时中断接受后续的数据帧。

然后读取数据帧中传输的域名和用户名，和初始化中域名和用户名进行比对，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，则将开始对网页读写工作，更新数据显示，如果网页上有新的控制命令产生，则执行该命令，例如对传感器节点的唤醒工作。

4 总结

无线传感器网络的能耗问题始终是制约其发展的一个重要因素，如何权衡传感网络的性能以及功耗是一个需视应用环境而定的问题。本文设计的网关适用于对于监控缓变信号网络中休眠节点的唤醒，在超长线状的环境中做了实验测试，达到了设计的功能和要求，为系统实现真正意义上的低功耗又迈进了一步。在实现既定功能的前提下，和新兴的商业用网关相比，做到了设计的低成本。

[1]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2005:10.

[2]Akyildiz IF，Su W，Cayirei E.Wireless Sensor Networks:A Survey[J].Computer Networks.2002,38(3):393-422.

[3]王龙军.无线传感器网络平台研究与实现[D].南京:南京航空航天大学,2007.

[4]何斌,纪云,沈润杰.地下隧道变形监测的无线倾角传感器设计[J].光学精密工程.

[5]何斌,纪云,沈润杰.High-accuracy Wireless MEMS Inclinometer for Monitoring the Underground Tunnel[C]//The 3rdInternational Conference(14thAnnual Conference)of the Chineses Society of Micro-Nano Technology.Hangzhou,China,2012.

[6]纪云.地下隧道变形的无线倾角监测系统研究[D].上海:同济大学,2013.

[7]汪立林.无线传感器网络节点超低功耗的系统级实现方法研究[D].长沙:中南大学,2008.

[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/.