基于Linux的传感器网络网关设计

　　摘要：本系统以AT91ARM9200作为芯片,以GoAhead WebServer作为嵌入式Web服务器,针对传感器网络的结构、嵌入式Web体系结构、嵌入式数据库模型、嵌入式操作系统模型、嵌入式网关设计模型等进行初步的研究与探索,提出一种无线传感器网络嵌入式网关的设计方案和无线传感器网络数据管理与查询模式,研发了基于Web的传感器网络嵌入式网关系统。

　　引言

　　传感器网络是计算机科学技术的一个新的研究领域，集成了传感器、微机电系统和网络二大技术形成的传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。近几年，在传感器网络管理、查询和数据分发等方面的研究都得到了相当大的发展。而传感器网络要真正投入使用，则不能完全孤立存在，需要通过网关设备接入外部网络，如Internet、局域网或企业内部互联网，提供用户对无线传感器网络的远程访问和监测。

　　1．系统总体设计

　　随着通信技术、嵌入式计算技术和传感器技术的飞速发展和日益成熟，具有感知、计算和通信能力的微型传感器开始出现。由大量成本低廉的这类传感器节点通过无线方式组成了传感器网络。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术等，是多学科高度交叉的新兴前沿研究热点领域之一，它具有远程监控、实时监测、能在恶劣或特殊环境工作。

　　1.1 系统硬件平台设计

　　系统硬件平台设计主要包括微处理器的选择和外围设各的选择，本文选择ARM 处理器作为器件，外围设各包括SDRAM, FLASH,串口、以太网接口等。嵌入式网关设备由板和底板组成，板上集成Atmel AT91RM9200 处理器，64M SDRAM 以及16M 的FLASHo AT91ARM9200 微处理器芯片是工业级200 MIPS ARM920T 内核，具有16K 字节的指令和16K 字节的数据高速缓存的处理器。

　　网关设备底板上提供以下外设接口:两个RS-232 串口和一个lOM/100M自适应以太网接口。外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式接入网络。目前常见的既廉价性能又高的接入方法是采用成熟的以太网络接口，能够满足局域网接入和绝大多数宽带网络接入的要求。因此木文设计的传感器网络网关设备通过以太网接口接入Internet，实现远程用户对无线传感器网络数据的管理。

　　1.2 软件平台设计

　　软件平台设计主要涉及到两大方而:一是与硬件相关的软件部分:二是应用软件部分。与硬件相关的软件包括基于ARM 的Linux 内核移植、引导程序移植等。应用软件主要包括两大部分：一为WebServe:和TCP/IP 协议栈；二为传感器网络数据采集、融合及存储等部分，该部分包括远程管理模块、查询指令分析处理模块、数据存储模块、数据分析与融合模块及数据采集模块。

　　2.硬件电路设计

　　本系统硬件平台设计成两大部分，一是板部分，集成了Atmel AT91RM9200 处理器，64M SDRAM 以及16M 的FLASH 存储器:二是底板部分，由两个四线RS-232 串口和一个10M/100M 自适应以太网接口等组成。

　　2.1 SDRAM 存储器

　　SDRAM(Synchronous Dynamic RAM)同步动态存储器，使用SDRAM 小但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，已类似常规的DRAM，但是也需要时钟进行刷新。在系统运行时，所有的程序和数据都是在RAM(主要是在SDRAM)中与CPU和外围设各交互，所以SDRAM 的速度对于整个系统的运行速度有着至关重要的影响。

　　本文采用了两片 Hynix 公司的HY57V281620BT SDRAM 芯片，16MX 16 位数据宽度，共64M SDRAM。AT91RM9200 内置有SDRAM 控制器(SDRAMC),具有SDRAM 控制接口，

　　为简化电路设计提供了很大的方便,电路如图1 所示。

　　图 1 SDRAM 存储器电路

　　2.2 RS232 串行通信口

　　目前 RS-232 是PC 机与通信土业中应用广泛的一种串行接口。RS-232 被定义为一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单端标准。RS-232 采取小平衡传输方式，即所谓单端通讯。AT91RM9200 输出的串行信号是TTL 电平，必须经过电平转换输出符合EIA/TIA-232电平，电路设计见图3。

　　图2 接收传感器网络数据的串口电路

　　图 3 MAC 控制器框图

　　2.3100M 以太网

　　AT91RM9200 集成有以太网控制器EMAC (Ethernet MAC)使这款芯片具有了更为广泛的应用价值。从硬件的角度看，以太网接口电路主要由MAC 控制器和物理层接口两大部分构成。该设计中，使用LXT972 作为以太网的物理层接口。LXT972 是一款低功耗、高性能芯片，支持lOM 和100M的以太网传输，它起编码、译码输入和输出数据的作用。由于LXT972和AT91RM9200 具有的EMAC 都支持MII 接口功能，根据信号的定义相连接即可。信号的发送和接收端通过网络隔离变压器和RJ45 接口接入传输媒体，Emac 框图如图4。

　　图4 通过CGI 访问数据库

　　3 软件平台设计

　　3.1 嵌入式WebServer 软件分析与实现

　　作为传感器网络管理系统，本文设计的初衷就是希望监测端可以在任何有 Internet 的地方，客户通过Internet 访问系统，系统检查客户的权限，权限通过即能取得对系统的监测权。

　　如果使用客户端/服务器模式把系统设计成一个服务器，客户端就可以通过某种建立在TCP/IP 协议(如FTP, TELNET, HTTP 等协议)之上的应用层协议来访问服务器。CGI(Common Gateway Interface)即公用网关接口，它是程序和应用软件用来与网络服务器软件连接的通用标准，CGI 提供网络浏览器和数据信息之间的传送业务。CGI 是一段程序，它运行在Web 服务器上，提供同客户端HTML 页面的接口。CGI 脚本程序启动后，服务器将客户端的信息传给此程序，该程序对客户的信息处理后，将运行结果交给服务器，由服务器负责再向客户端传递。CGI 主要运用于处理搜索引擎和一般表单。

　　本系统选用 Sqlite 作为系统的数据库,并将Sqlite 移植到arm 板上，然后建立自己的数据库sensor.db，然后按需要建立表，用山于测试需要，本文设计了两个来存储经过分析综合处理后的传感器数据信息。数据表和一个用户表，分别为light(光感强度表)、temperature(温度表)和user(用户表用来鉴定远程登录用户的合法性)。

　　由于CGI 程序是用C 语言编写的，经过编译生成可执行的二进制代码，所以它具有占用空间小，运行速度快，安全可靠等优点。该 sql.cgi 程序启动后首先查询用户表完成用户名和密码的鉴定，如果是合法用户则根据用户的查询条件查询数据库中的温度或光感强度数据表将查询结果显示在主页上，若为非法用户则给出登陆错误提示信息返回到主页。

　　4 结论

　　本文创新点：本文针对基于Web 的传感器网络嵌入式网关系统开发的需求，通过对传感器网络的结构、嵌入式Web 体系结构、嵌入式数据库模型、嵌入式操作系统模型、嵌入式网关设计模型等进行初步的研究与探索，并利用现有的开发平台和开发工具，对基十Linux的嵌入式系统开发模式、嵌入式Internet 技术进行实践。完成了基于Web 的传感器网络嵌入式网关系统的硬件设计和软件平台设计。该网关可有效进行传感器网络数据管理与存储，实现用户对传感器网络数据的远程查询和监视功能。

  

参考文献:

[1]. RS-232  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RS-232+_584855.html.
[2]. PC  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PC+_2043275.html.
[3]. TTL  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL+_1174409.html.
[4]. LXT972  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/LXT972+_1096906.html.