基于Linux内核的无线多频段WSN网关设计
目前，物联网（internet of things，iot）正呈现飞速发展的态势。本文介绍一种无线多频段wsn网关，可通过以太网或者移动通信网络，监控多个频段的无线传感器子网节点的运行情况。
1 系统总体结构
本文设计的系统在感知层采用4个频段的无线传感器网络节点。各频段子网通过一个多频段网关装置接入到网络层。用户可以通过监控终端监控现场数据，监控终端既可以是固定的pc机，也可以是移动的3g设备。同时，网关还具备良好的扩展性，网关可以同时接入多个频段的wsn网络。多频段wsn网关系统结构框图如图1所示。
图1 多频段wsn网关系统结构框图
2 网关硬件系统设计
网关的主控制单元采用arm9芯片s3c2440a，主频400 mhz，外扩64 mb sdram、64 mb nand flash。微处理器的外设数据控制器（pdc）向串行外设提供dma通道，使其与片内以及片外存储器读写传输数据时不经过处理器。
网关3g网络接入端采用usb接口，实现与3g网络的通信；无线传感器网络子网接入端分别是2．4 ghz子网接入模块、780 mhz子网接入模块、470 mhz子网接入模块和433 mhz子网接入模块，各子网模块都是通过串口实现与网关主控制单元的通信。以太网控制部分整个网关的结构框图如图2所示。
图2 以太网控制部分整个网关的结构框图
2．1 多频段无线传感网子网接入部分
由于s3c2440a芯片自身只有3通道的串口。而4个频段的子网接入模块都是采用串行通信接口，arm9芯片本身不能满足本系统需求，所以需要利用外围扩展芯片，设计串口扩展电路来满足系统的需求。本设计采用ti公司的tl16c554a芯片，通过并行数据线和地址线扩展出来4路全功能串口。
tl16c554a芯片是8位数据宽度，tl16c554a的d0～d7引脚与arm9芯片直接相连，读写信号是直接连接的。tl16c554a的引脚ina、intb、intc、intd分别接在主控制芯片的引脚int0、int2、int3、int4，这样扩展的各通道串口就能通过中断独立地工作。
将s3c2440a的地址线a0～a3与tl16c554a的a0～a3直接相连，s3c2440a的ngcs2作为译码器74ls139的片选信号。74ls139的输入端分别接地址线a4～a5。根据译码器译码，实现地址分配，再通过arm芯片地址映射。外扩的4通道串口的物理地址为
通道a——0x10000000～0x10000008
通道b——0x10000010～0x10000018
通道c——0x10000020～0x100000028
通道d——0x10000030～0x10000038。
主控制芯片通过访问这些地址就能访问外部寄存器，即tl16c554a芯片片内寄存器地址。多频段子网接入部分接口电路如图3所示。
图3 多频段子网接入部分接口电路
2．2 3g网络接入接口部分
3g网络接入部分采用usb接口的华为et128无线网卡。接入接口使用usb—hub芯片au9254a21，它是一款单芯片usb集线器控制器。au92 54a21采用12mhz无源晶振，为芯片工作提供独立的时钟。3g网络接入部分接口电路如图4所示。
图4 3g网络接入部分接口电路
2．3 以太网接入部分
网关通过以太网口发送数据包的原理是：处理器先将待发送的数据存入到内部存储器，提供发送缓冲区的首地址和数据长度，然后执行发送命令，由dm9000a将数据按tcp／ip协议格式发送到物理链路上。
因以太网信号电平与以太网控制器信号电平不同，所以在硬件电路实现上需要在控制器与rj-45接口间增加一个网络变压器，网络变压器采用trc9016。电信号通过网络变压器转换，然后经rj-45接口接入以太网，从而完成数据发送过程。dm9000a主要完成数据包和数字电信号之间的相互转换。
3 网关软件系统设计
网关的软件环境采用的是嵌入式linux系统。移植好的linux2．6．24源码已经包含了以太网控制器dm9000a、usb接口芯片等芯片的驱动。因此，软件部分只需要设计串口扩展芯片tl1 6c554a的驱动程序以及linux环境下的应用程序即可。
3．1 串口扩展芯片tl16c554a驱动的实现
linux2．6．24内核提供了统一的设备驱动模型。多串口设备驱动的注册，流程如图5所示。
3．2 linux下ppp的管理和配置
根据网关硬件接口的情况修改、移植通用驱动代码后，通过相关的配置，定制和编译网关所需的内核映像文件。内核编译采用的交叉编译器版本为arm- linux-gcc3．4．1，使用makemenuconfig arch=arm命令进入内核配置图形化界面，选择和ppp（point-to-point，点对点协议）有关的选项，添加系统对ppp功能的支持。界面如图6所示。配置完成以后，保存设置，退出内核配置图形化界面。使用命令：makeuimage arch=arm cross_compile=arm-linux-．编译完成以后，会在源码包的arch／arm／boot路径下生成内核映像文件uimage，如图7 所示。
3．3 嵌入式linux网络编程
本设计中通过td—scdma网络接入internet。wsn子网的某一节点在上电后，网关分配给其一个1 6位的短地址，使其在子网中标识自己，然后周期性地发送其采集到的数据。网关收到传感器节点传送过来的数据之后，进行ieee 802．15．4协议与以太网协议的转换，为了向网络设备提供透明的接口和区分串口数据的来源，需要制定统一的数据帧格式，所以协议转换后加上slip的帧头，通过串口设备发送给arm。
arm在解析了slip帧头之后交给上层以及mac层，解析以太网头，然后上交给适配层，适配层将对完整的ipv6数据进行压缩或者分片。数据在 ipv6层根据邻居发现，找到要发送的网络，并且进行路由转发，经过在mac层加上相应的mac头后，经td模块发送到td—scdma通信网。这样，从子网到td网络的数据转发结束。
3．3．1 ppp协议简介
ppp是一种提供两个实体之间数据包传输的链路连接设计的链路层协议。这种链路具有全双工操作、实现流量和差错控制等功能，并按照顺序传递数据包。可以通过拨号或者专线方式，让客户端和服务端建立起一种点对点的连接，传递数据。
3．3．2 建立拨号连接
在linux系统中，通过ppp可以将主机与一个ppp服务器连接并进入该服务器所连接的网络资源，就好像直接连上那个网络一样。建立一个ppp连接上网主要有以下步骤：第一步是调用会话程序。然后会话程序通过发送at指令给3g模块，完成拨号、身份验证、配置等工作。最后，客户端的pppd程序与服务器端的pppd程序进行握手，建立好连接，相互传递数据。多频段网关建立网络连接流程图如图8所示。
3．4 应用程序的设计
由于数据来源于4个频段子网汇聚节点的串口，因此网关的应用程序采集多频段子网汇聚节点数据部分设计上采用linux系统中的多设备读取机制select（i／o多工机制）来实现对多个串口的监听。多串口采集数据的流程如图9所示。
图9 多串口采集数据的流程图
4 实例测试
图10为ppp拨号成功后超级终端显示的linux系统信息截图，拨号目标上位机地址是222．182．101．220，从图中可以看出，ppp拨号成功，并且获得了td网络分配的ipv4地址10．81．185．15，远程服务器ip为192．200．1．21。
图10 ppp拨号成功后超级终端显示的linux系统信息截图
结语
随着物联网时代，td—scdma将促进物联网有效发挥无缝通信的巨大威力，该方案充分利用了互联网和无线通信公用网络资源，将无线传感网技术、嵌入式技术、td—scdma通信有机地结合起来，成功设计了wsn／td网关，实现了无线传感网与td—scdma网络的融合，在实际应用当中取得了良好的效果。
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图2 以太网控制部分整个网关的结构框图
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由于s3c2440a芯片自身只有3通道的串口。而4个频段的子网接入模块都是采用串行通信接口，arm9芯片本身不能满足本系统需求，所以需要利用外围扩展芯片，设计串口扩展电路来满足系统的需求。本设计采用ti公司的tl16c554a芯片，通过并行数据线和地址线扩展出来4路全功能串口。
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