一种基于WiFi的无线传感器网络节点设计

郭晓光 冯思奇

摘  要：设计了一种基于WiFi技术的无线传感器网络节点。该系统的控制单元采用以FPGA为载体的SOPC系统，存储模块使用NAND FLASH存储芯片，并且数据存储采用DMA技术对NAND FLASH进行流水线操作，以提高存储速度。无线传输模块使用高速的WiFi技术。测试结果表明，无线传感器网络节点可以准确的将采集到的数据通过WiFi传输出去。该系统可以应用于科研和智能家居等领域。

关键词：WiFi;NAND FLASH;无线传感器网络

引言

无线传感器网络[1]是由大量传感器节点放置在被监测区域，通过自组织方式构成的。节点可以完成数据采集、传输、接收以及数据处理等功能，因此，为了增强节点的功能，提高节点的应用范围，设计出采集速率高、存储容量大、传输速率快的节点，成为了设计的关键。无线网络根据应用环境和需求的不同有着不同的应用，在医疗、军事和智能家居等领域有广泛的应用。

在当今技术领域，WiFi技术[2]越来越成熟。他具有数据传输率高、可靠性好和组网方便等优点，适用于许多有线网络布设不便的场景。并且随着PC和智能手机等电子产品的广泛应用，使得WiFi技术的应用范围越来越广。

文章设计了一种无线传感器网络节点，以NAND FLASH作为存储器的存储系统，使用WiFi传输模块作为系统的无线传输系统。该系统体积较小，应用范围广，使用方便，能满足大多数领域的应用需求。

1 系统总体方案

整个系统由模数转换模块、存储模块、无线通信模块以及电源管理模块等组成，整个系统如图1所示。其中选用了Xilinx公司的第六代Spartan系列的XC6SLX9作为主控芯片，三星公司的NAND FLASH芯片作为存储芯片。无线通信模块使用支持串口透传的WiFi模块，提高节点的应用领域，节省节点的开发时间。

传感器采集到的模拟信号量通过模数转化模块转变为数字信号量，然后将数字信号量存储在NAND FLASH阵列中，最后再通过WiFi模块，将数据传输至PC，智能手机或传感器网络节点等带有WiFi无线技术的设备。

2 WiFi技术基础

WiFi是Wireless Fidelity（无线保真）的英文缩写，它遵循IEEE802.11系列协议，是最主流的的无线局域网技术。最高传输速率可达54Mbps，是一种高性能的无线数据传输方式。具有可靠性好、数据传输速率高以及便于组网、拓展性好等优点，适用于大型办公室等有线网络布设不便的场景。

WiFi无线网络有基础网（Infra）和自组网（Ad-hoc）两种网络拓扑形式。自组网（Ad-hoc）仅由两个及以上STA（即无线站点，是一个无线网络的终端）组成的无线网络结构，网络中的STA都可以直接通信。基础网（Infra）是由AP（即无线接入点，是一个无线网络的创建端）创建，众多STA加入所组成的无线网络结构。这种类型的网络特点是AP作为整个网络的中心，网络中所有的数据通信都通过AP来转发完成。

3 硬件设计

3.1 存储模块

存储模块选用三星公司的K9K8G08U0A型号存储芯片，组成由4片NAND FLASH构建得一维存储阵列，并且采用流水线存储技术[3]、DMA[4]存储方式和全相关的无效快管理方式等方法来提高存储模块的存储速度。

3.1.1 流水线存储技术

三星公司的FLASH芯片写操作时，分为数据加载阶段和数据编程阶段，当进入编程阶段后，我们不能对FLASH芯片进行其他任何操作。如果只使用一片FLSH芯片的话，那么存储的有效时间就只有数据加载的时间，而在数据编程时间内系统将处于空闲状态，这样不利于系统进行高速存储[5]。

采用流水线存储技术可以有效地解决这个问题，将数据以不同的时间加载到多片FLASH中，同时要保证数据的连续加载。先对第一片FLAH加载一页数据，当第一片FLASH加载完一页数据后，就会进入数据编程阶段，此时第二片FLASH立马加载数据并在完成后进入编程阶段，完成后再对第三片加载，以此类推直到第四片FLASH芯片。当第四片FLASH结束数据加载后，第一片已经完成编程操作。这样，系统在存储数据时，可以忽略数据编程的时间，以此来提高数据的存储速率。

3.1.2 DMA数据存储

为了实现数据的高速存储，释放PLB总线资源，我们采用DMA完成对FLASH的读写操作。我们通过MicroBlaze软核给DMA一个启动信号，使程序就进入到状态机里面。程序自动读取有效块列表，找到有效块的地址，对该存储地址进行写入编程命令，地址以及数据写入，等待数据编程完成，进而继续读取有效块列表，进行下一次数据存储。这样就在脱离CPU控制的情况下完成了数据的高速存储，提高了CPU处理的效率。

3.2 无线传输模块

测试节点的主控芯片采用的是FPGA芯片，所以对无线网卡进行驱动比较困难，而且费时费力[6]。因此系统中选用红心物联科技公司推出的支持串口透传的WiFi模块。该模块是基于UART与SPI接口的符合WiFi无线网络标准的嵌入式模块，内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈，能够实现嵌入式设备数据到无线网络之间的转换。无线通信模块FPGA的接口如图2所示。

在串口命令模式下，用户可以通过指令对模块进行完全的控制，包括修改配置参数、控制联网、控制TCP/IP连接、数据传输等。另外我们还可以使用该模块的SPI模式进行数据的传输，这样可以提高无线模块的传输速率。

4 软件设计

软件由上位机软件和下位机软件两部分组成。下位机主要是接收来自上位机的命令，处理器识别接收到的命令，然后使下位机执行对应的操作。下位机首先进行初始化操作，主要包括各个端口的设置以及加载FLASH存储器的无效块列表等，然后等待接收上位机发送控制命令，得到控制命令后，主要完成以下几种功能：参数设置、采集数据、文件保存、文件切分、格式化等。另外下位机要选择WiFi无线模块的工作模式和传输数率设置等，下位机对接收到的命令进行对比，根据不同的命令，系统执行不同的操作。

5 测试结果与讨论

图3和图4所示为WiFi模块在AP模式下以client方法收发数据的截图，图3为模块AT指令操作方式在PC串口软件上的直观显示。图4为PC终端作为STA接收到数据的截图。经过对WiFi模块的工作模式，传输速率等设置成功后，可以准确的将数据传输至PC终端。经过后期开发，可以应用于智能手机等其他应用领域。

6 结束语

文章设计了一种以FPGA为主控制器，以WiFi技术为无线通信方式的无线传感器网络节点，该系统工作稳定，采集存储发送的数据可靠，可用于多种传感器的数据采集存储，也可以应用于智能家居等领域。本系统在测试实验中得到准确数据，总体性能优良。

参考文献

[1]李明明，席李伟.低功耗無线传感器网络节点的设计技术[J].测控技术，2010，29（6）：8-11.

[2]张亚光.WiFi技术及其应用研究[D].南京：南京邮电大学，2010.

[3]王晓升.基于闪存阵列的数据汇集系统的设计与实现[D].太原：中北大学，2014.

[4]宇飞，张丕状，杜建海.基于单总线微处理器的高速存储方法[J].计算机测量与控制，2010，18（12）：2888-2890.

[5]陶林伟，王英民，王成，等.一种吊放声纳大容量数据存储系统设计方法[J].声学技术，2008，27（3）：450-453.

[6]轩志伟.基于WLAN的无线分布式测试系统[D].太原：中北大学，2014.

作者简介：郭晓光（1990-），男，山西长治人，硕士研究生，研究方向为超声无损检测及信号与信息处理。