張 毅，馬子超，葉天翔

（重慶郵電大學 移動互聯(lián)網(wǎng)技術研究所，重慶 400065）

目前，感知化、互聯(lián)化、物聯(lián)化的大趨勢正在發(fā)生。國內(nèi)外已將物聯(lián)網(wǎng)解決方案廣泛應用于環(huán)保、反恐、醫(yī)療、監(jiān)控等眾多領域，由于物聯(lián)網(wǎng)感知層中無線傳感技術種類繁多（如藍牙、ZigBee、RFID、NFC等），協(xié)議不一，適用的場所也各不相同，使得無線傳感器網(wǎng)絡的異構性十分突出。

3G移動通信網(wǎng)絡在國內(nèi)已基本完成覆蓋，范圍觸及社會生活的方方面面，與2G移動通信網(wǎng)絡相比，具備更豐富的功能和更出色的靈活性，將3G移動通信網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡融合起來，可以為物聯(lián)網(wǎng)中多種不同速率、不同業(yè)務類型的應用提供更適合的網(wǎng)絡傳輸平臺[1]。

基于以上考慮，本文設計一種面向物聯(lián)網(wǎng)的3G網(wǎng)關，將傳感系統(tǒng)和3G網(wǎng)絡結合起來，用以解決異構傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)匯聚和傳感信息的3G傳輸[2]，實現(xiàn)協(xié)同感知，廣域傳輸，對于推動物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和豐富3G應用具有一定的現(xiàn)實意義。

1 網(wǎng)關總體設計和工作流程

網(wǎng)關是在傳輸層以上實現(xiàn)異構網(wǎng)絡間的通信、負責網(wǎng)絡間的協(xié)議轉換以及不同類型網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O備。為了提高網(wǎng)關的靈活性，實現(xiàn)即插即用，采用模塊化設計思想。本設計的網(wǎng)關體系結構主要由ARM處理器（LPC3250）、藍牙/ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊、3G通信模塊（MC2716）組成。網(wǎng)關體系結構如圖1所示。

網(wǎng)關基本工作流程：

網(wǎng)關可以實時感知來自傳感器網(wǎng)絡的信息（數(shù)據(jù)流），并接收來自客戶端的控制信息（控制流），實現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡的實時感知與控制。藍牙/ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點作為傳感器網(wǎng)絡的樞紐，將傳感信息實時上傳并保存在存儲模塊中。網(wǎng)關通過3G通信模塊撥號連接3G移動通信網(wǎng)絡，在成功獲得IP地址后，建立Socket服務器，監(jiān)聽來自不同平臺的客戶端連接請求（如PC、移動電話等）。一旦連接建立，即將來自藍牙/ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點的信息發(fā)送至客戶端。同時，服務器可以檢測到客戶端發(fā)送的控制流，將控制信息通過藍牙/ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳達至傳感器網(wǎng)絡目標節(jié)點，實現(xiàn)對傳感器網(wǎng)絡的控制。

2 硬件平臺設計

2.1 控制器模塊

控制器是整個網(wǎng)關體系結構的核心，負責數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)轉發(fā)等關鍵處理，本設計采用NXP半導體帶有ARM926EJ-S CPU內(nèi)核的LPC3250，該系列ARM運用了NXP半導體在降低功耗方面的技術專長，優(yōu)化內(nèi)部功率消耗。CPU時鐘運行速率可以達到266 MHz，具有32 kbyte指令高速緩存和32 kbyte數(shù)據(jù)高速緩存，高達256 kbyte的內(nèi)部SRAM，同時該系列ARM帶有一系列豐富的標準外設資源，如Multi-layer總線系統(tǒng)，2個NAND Flash控制器，1個支持Device、Host（遵循OHCI規(guī)范）、On-The-Go的USB2.0接口，多達7路串口（4個標準UART，3個高速UART），以及以太網(wǎng)、I2C、I2S等接口。

綜上所述，該控制器模塊具備較強的數(shù)據(jù)處理能力和豐富的外設資源，支持Linux操作系統(tǒng)，可以滿足方案的設計目標。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

本設計中的數(shù)據(jù)采集模塊有兩種：藍牙數(shù)據(jù)采集模塊和ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊。

藍牙數(shù)據(jù)采集模塊采用匯承信息科技有限公司的HC-05藍牙串口模塊，該模塊采用CSR BC4+8M Flash方案（8M代表8 Mbyte），協(xié)議版本為Bluetooth Specification V2.0 With EDR，2.4 GHz無線收發(fā)，CLASS 2功率級別，采用自適應跳頻技術，具備低功耗、低成本、高性能的特點，配合處理器即可方便地構建藍牙傳感器網(wǎng)絡。藍牙數(shù)據(jù)采集模塊在藍牙傳感器網(wǎng)絡中的角色為從機，負責監(jiān)聽遠程藍牙設備主機的鏈接請求，并執(zhí)行接收數(shù)據(jù)、斷開鏈接等操作。

ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊采用TI/Chipcon公司開發(fā)的2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee片上系統(tǒng)解決方案CC2430/CC2431，具備高速、超低功耗的8051內(nèi)核、最高128 kbyte的大容量閃存、8 kbyte SRAM、250 kbit/s高速無線通信接口，模塊采用DSSS頻譜傳輸，自動調(diào)頻，防沖突，防碰撞，從而提高了無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊通過串口與微控制器連接，在ZigBee自組織網(wǎng)絡中擔任協(xié)調(diào)器的角色，負責啟動、配置網(wǎng)絡，在網(wǎng)絡啟動和配置完成后，退化為一個普通路由器，實時將傳感器網(wǎng)絡中的信息上報至網(wǎng)關。

2.3 通信接口部分

該部分用于實現(xiàn)不同通信協(xié)議間信息的傳輸，主要包括控制器模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間的串口連接和控制器模塊與3G通信模塊間的USB接口連接。

控制器LPC3250具備的7路串口中，UART3/4/5/6為普通串口，本設計中UART5為系統(tǒng)調(diào)試串口，分別將UART3和UART4連接至ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊和藍牙數(shù)據(jù)采集模塊。LPC3250具備一路USB 2.0接口，將其與3G通信模塊連接。

2.4 3G通信模塊

目前國內(nèi)的3G網(wǎng)絡主要有CDMA2000，WCDMA和TD-SCDMA這3種制式，對應有3種不同制式的3G模塊，考慮到CDMA20003G模塊撥號后獲得的是公網(wǎng)IP，不需要進行NAT穿越即可訪問外網(wǎng)，本設計采用中興公司的MC2716 CDMA20003G通信模塊[3-4]。

3 軟件平臺設計

考慮到網(wǎng)關應具有開放和可移植特性，軟件平臺采用開放源碼的Linux操統(tǒng)系統(tǒng)，由于Linux操作系統(tǒng)具有高度模塊化和高度可移植性，在其基礎上完成應用程序的編寫即可實現(xiàn)設計目標，軟件平臺的設計主要包括配置和編譯Linux操作系統(tǒng)、嵌入式Linux操作系統(tǒng)的移植、PPP協(xié)議的移植、CDMA2000撥號腳本的編寫、通信協(xié)議的制訂及系統(tǒng)主程序設計[5]。

3.1 網(wǎng)關軟件體系結構

由于網(wǎng)關采用Linux操作系統(tǒng)和模塊化的設計思想，軟件體系分為操作系統(tǒng)和應用系統(tǒng)兩部分，體系結構如圖2所示。

3.2 配置和編譯嵌入式Linux操作系統(tǒng)

為了實現(xiàn)網(wǎng)關功能，需要配置并添加兩部分Linux內(nèi)核支持：3G通信模塊內(nèi)核支持和PPP協(xié)議內(nèi)核支持。

3.2.1 添加3G通信模塊內(nèi)核支持

輸入make menuconfig進入Linux圖形內(nèi)核配置界面，在Device Driver選項，將以下選項編譯進內(nèi)核。

USB support子選單下：

圖2 軟件體系結構圖

以上配置完成后，將MC27163G通信模塊的PID：0x19d2和VID：0xffed添加入linux-2.6.27.8/drivers/usb/se?rial/option.c文件的option_ids[]數(shù)組中。至此，完成了Linux內(nèi)核對MC27163G通信模塊的支持。

3.2.2 添加PPP協(xié)議內(nèi)核支持

輸入make menuconfig命令進入Linux圖形內(nèi)核配置界面，進入Network device support選項，將以下選項編譯進內(nèi)核：

至此，完成了Linux內(nèi)核對PPP協(xié)議的支持。

3.3 嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植

設計中使用的 Linux 內(nèi)核版本 2.6.27.8，為了生成U-Boot格式的內(nèi)核文件，將u-boot中的mkimage程序復制到系統(tǒng)的目錄/usr/bin中，然后在內(nèi)核源代碼目錄輸入make uImage，編譯配置好的Linux內(nèi)核，之后在/arch/arm/boot目錄下會生成uImage文件。

在ARM9硬件平臺上安裝嵌入式Linux操作系統(tǒng)，大致分為5個步驟，依次為固化Kickstart和S1L、固化U-Boot、配置和編譯Linux內(nèi)核、固化Linux內(nèi)核以及固化Linux文件系統(tǒng)。

網(wǎng)絡上介紹嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植的教程已較為豐富，由于篇幅限制，在此不再贅述。

將編譯好的Linux操作系統(tǒng)移植成功之后，通過USB接口連接3G通信模塊和控制器模塊，控制終端完成對USB設備3G模塊的枚舉后，可以識別出/dev/ttyUSB0至ttyUSB3的4個不同的虛擬串口。其中ttyUSB0為Modem撥號端口，用于實現(xiàn)撥號上網(wǎng)，ttyUSB1為AT命令通道端口，用于實現(xiàn)網(wǎng)關信息的短信通知。

3.4 PPP撥號套件移植

由于Linux操作系統(tǒng)本身并沒有PPP軟件支持，需要進行PPP撥號套件移植。PPP軟件可以在PPP的官方FTP下載，這里使用的版本為ppp-2.4.5.tar.gz。

將此壓縮文件包解壓后進入文件目錄，執(zhí)行./config?ure命令，完成后執(zhí)行命令make CC=/opt/nxp/gcc-4.3.2-glibc-2.7/bin/arm-vfp-linux-gnu-gcc進行交叉編譯（此處需要使用和編譯內(nèi)核及文件系統(tǒng)同一個版本的交叉編譯器）。編譯成功之后，將pppd目錄下的可執(zhí)行文件pppd和chat目錄下的可執(zhí)行文件chat拷貝到ARM平臺的/usr/sbin/目錄下。

至此完成PPP撥號套件的移植工作。

3.5 CDMA2000撥號腳本配置

在完成Linux內(nèi)核支持和PPP撥號套件移植之后，還需要在ARM平臺側建立、配置撥號腳本，才能實現(xiàn)撥號上網(wǎng)。由于篇幅限制，在此僅給出各個撥號腳本的作用。

/etc/ppp/peers/cdma2000用于建立連接、質量控制、配置網(wǎng)絡層協(xié)議。腳本中包括了用于連接的設備，波特率，接受服務器指定的IP地址、DNS地址，連接/斷開撥號腳本等內(nèi)容。

/etc/ppp/chat/cdma2000-connect-chat用于AT撥號連接，首先發(fā)出AT指令，等待OK返回后，設置撥號上網(wǎng)的APN、賬號、密碼等。

/etc/ppp/chat/cdma2000-disconnect-chat用于斷開AT撥號連接。

此時，在ARM控制平臺輸入命令pppd call cdma 2000，運行撥號腳本即可實現(xiàn)嵌入式平臺的3G網(wǎng)絡撥號連接，同時獲得一個公網(wǎng)IP地址。

3.6 制訂通信協(xié)議

為了完成對來自傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)的采集和匯聚，需要設計一個合適的通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院涂煽啃?，本設計中使用的數(shù)據(jù)幀結構如：

上述程序中：SensorNetworkType表示傳感器網(wǎng)絡類型（0x00表示藍牙，0x01表示ZigBee）；NodeType表示傳感器網(wǎng)絡不同的節(jié)點角色類型；NodeId表示傳感器網(wǎng)絡中某一個節(jié)點的標號；FunctionId表示定義好的功能碼；OperationCode表示定義好的操作碼；DataLength表示DataBuffer中數(shù)據(jù)的長度；DataBuffer[]用于存儲來自傳感器網(wǎng)絡中各種傳感器的數(shù)據(jù)。

在設計中，傳感器網(wǎng)絡按照此通信協(xié)議將信息上報至網(wǎng)關，網(wǎng)關按照通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行匯聚、解析、轉發(fā)。

3.7 系統(tǒng)主程序設計

在硬件平臺上移植Linux操作系統(tǒng)成功后，編寫應用軟件即可實現(xiàn)網(wǎng)關功能。網(wǎng)關的主要功能有網(wǎng)關信息通知、串口接收和數(shù)據(jù)轉發(fā)3部分，軟件設計采用模塊化設計思想，各部分子程序分開編寫，供主程序調(diào)用。

由于網(wǎng)關每次撥號后會隨機獲取一個IP地址，需要有一種途徑使網(wǎng)關的使用者在網(wǎng)關重置后，即時獲取網(wǎng)關的IP地址、端口號等信息，在此通過AT指令，采用主動通知與查詢通知兩種方式。主動通知即每次網(wǎng)關重置后，以短信的形式將網(wǎng)關信息（IP地址，端口號等）發(fā)送至特定號碼；查詢通知即網(wǎng)關在運行過程中，如收到來自某一號碼的網(wǎng)關信息查詢請求短信，將向此號碼發(fā)送網(wǎng)關的信息。

串口接收指實時接收來自傳感器網(wǎng)絡的信息，主要涉及對Linux串口的配置操作。

數(shù)據(jù)轉發(fā)部分依賴Socket網(wǎng)絡編程實現(xiàn)，通過3G模塊撥號獲得IP后，在網(wǎng)關側建立Socket服務器，這樣從用戶的角度來看，只需要獲得Socket服務器的IP地址和端口號，可以方便地使用筆記本電腦、智能手機等多種平臺的終端設備建立與網(wǎng)關Socket服務器的連接。在編寫Socket服務器的過程中，采用了多線程技術，使得服務器可以同時處理多個客戶請求，極大地提高了網(wǎng)關的數(shù)據(jù)處理能力和響應速度。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關主程序流程圖

4 小結

本文將無線傳感器技術、嵌入式操作系統(tǒng)和3G通信技術結合起來，設計了一種面向物聯(lián)網(wǎng)的嵌入式3G網(wǎng)關，實現(xiàn)了異構無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)匯聚，3G移動通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)轉發(fā)和多種終端平臺支持。該網(wǎng)關具有數(shù)據(jù)處理能力強、數(shù)據(jù)傳輸速率快、實時性較好、無須布線等特點，對物聯(lián)網(wǎng)中豐富的應用提供了支持，具備較好的應用價值。

[1]鞏浩，屈玉貴.基于短距無線通信與3G的無線集中抄表系統(tǒng)[J].計算機工程，2011（1）：290-292.

[2]曾桂根，吳霜.基于嵌入式Linux的3G接入方案的設計與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2010（9）：193-196.

[3]ZTE Corporation.MC2700 technical specification[EB/OL].2011-02-02].http://wenku.baidu.com/view/fe0b491052d380eb62946d66.html?from=related.

[4]ZTE Corporation.MC2716 MC2718 technical specifications and hardware design[EB/OL].[2011-02-02].http://www.headele.com/Datasheet/EVDO/MC2716＆MC2718% 20Technical% 20Specifica?tions%20and%20Hardware%20Design.pdf.

[5]SWEET M R.Serial programming guide for POSIX operating systems[EB/OL].[2011-03-02].http://www.easysw.com/～mike/serial/serial.html.