唐曉城 陳鵬杰 劉登躍 何 斌

（同濟大學電子與信息工程學院，中國 上海 201804）

0 引言

通過網(wǎng)絡的方式，在監(jiān)控中心對現(xiàn)場的設備進行監(jiān)控，遠程獲取現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，并對現(xiàn)場設備做出控制指令，這已經(jīng)不是什么新鮮的事。但在大多數(shù)的網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)中，所有的設備均處于開啟狀態(tài)，隨時傳遞傳感數(shù)據(jù)以及接受監(jiān)控中心的控制指令。雖然一定程度上造成了能源的浪費，這樣的模式在有線的傳感器網(wǎng)絡中是可行的，但對于能量有限的無線傳感器網(wǎng)絡來說，這無疑加重了整個系統(tǒng)的能耗負擔，縮短整個網(wǎng)絡的壽命[1-3]。因此，對于一些實時性要求不高，監(jiān)控緩變信號的系統(tǒng)來說，可以采取休眠-喚醒的機制來節(jié)省每一個節(jié)點的能耗，繼而延長整個網(wǎng)絡的工作周期。以下是超長線狀傳感網(wǎng)絡的節(jié)點分布以及數(shù)據(jù)傳輸示意圖[4-6]。

1 應用背景及設計構(gòu)思

該設計的網(wǎng)關(guān)用于配合地下隧道內(nèi)所組的傳感器網(wǎng)絡的工作。地下隧道傳感器的布置通常被歸類為超長線狀的拓撲問題，如圖1，通常將節(jié)點組成幾個簇，每個簇中有簇頭節(jié)點，負責搜集簇中節(jié)點的數(shù)據(jù)后，簇頭節(jié)點通過單跳或者多跳的方式匯聚到網(wǎng)關(guān)，跳數(shù)取決于與網(wǎng)關(guān)的距離[7]。

整個網(wǎng)絡監(jiān)控的數(shù)據(jù)為傾角信號，屬于緩變信號，不要求數(shù)據(jù)的實時性，這也為低功耗休眠機制創(chuàng)造了條件。遠程喚醒的功能也將變得更有意義。

在整個監(jiān)控網(wǎng)絡中，一臺裝有網(wǎng)卡的電腦就能實現(xiàn)遠程的監(jiān)控，但成本也是需要考慮的問題，所以在本設計中，采用如圖2的精簡設計。

我們期望該設計的最終功能是：手機或電腦訪問設定的域名，即可打開由以太網(wǎng)模塊搭建的網(wǎng)頁，在網(wǎng)頁中顯示了現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)值，同時還有幾個可以對現(xiàn)場進行控制的鏈接按鈕，點選鏈接按鈕即可對相應的節(jié)點簇進行喚醒休眠動作。

按照該功能，我們進行如下的設計，當用戶點擊監(jiān)控網(wǎng)頁上的鏈接按鈕時，控制命令數(shù)據(jù)將被傳送至網(wǎng)絡，到達現(xiàn)場的路由器，路由器轉(zhuǎn)發(fā)給連接在其上的以太網(wǎng)模塊ENC28J60，實現(xiàn)了外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳送。控制命令數(shù)據(jù)通過MCU對以太網(wǎng)模塊ENC28J60的讀取，被送入控制器STM32的緩存中，重新封裝成幀以后，以無線傳感網(wǎng)設定的幀格式發(fā)送給2.4G模塊NRF24L01，到這里完成了從外網(wǎng)到內(nèi)網(wǎng)再到傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳送。接下來，2.4G模塊將數(shù)據(jù)傳送給簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)給各自簇中節(jié)點，收到數(shù)據(jù)的節(jié)點根據(jù)命令決定自身是否從休眠模式切換至工作模式。

圖2中，虛線框內(nèi)為設計的硬件部分，除了上述的功能，該硬件電路還包含了FPGA，用于輔助功能，F(xiàn)GPA連接了VGA和PS2接口，可以連接鍵盤和顯示器，在現(xiàn)場可以輔助整個網(wǎng)絡的調(diào)試和現(xiàn)場的數(shù)據(jù)監(jiān)控。在設計上同時預留了GSM模塊的位置，在網(wǎng)絡發(fā)生故障或者線路信號不佳的情況下，亦可通過手機發(fā)送短信的方式進行控制。

2 網(wǎng)關(guān)硬件設計

電源是任何一個電路的基礎(chǔ)，其穩(wěn)定性在設計中通常是容易忽視的環(huán)節(jié)。一個穩(wěn)定的電源保證了系統(tǒng)工作的可靠性。

為了使得計應用于更多的同類系統(tǒng)，在設計第一級開關(guān)電源中采用了寬范圍電壓輸入，支持9-50V的電壓輸入范圍，囊括了工業(yè)上常用的直流電壓，輸出5V負載電流設置在2.2A，該開關(guān)電源采用德州儀器的降壓電流控制型芯片TPS54260做控制，芯片采用小體積10引腳MSOP封裝，支持高至60V的輸入。片內(nèi)的MOSFET導通電阻僅0.2歐姆。100k～2.5M的可配置高開關(guān)頻率使設計的體積減小[8]。圖3為設計完成的電路。

在該芯片的手冊上有詳細的指導設計過程，包括功率設計以及環(huán)路穩(wěn)定性設計，除此之外TI還提供了WEBENCH平臺進行快速設計，我們利用該平臺計算補償極點所需的電容電阻。

完成設計后的系統(tǒng)波特圖如圖4所示，細線為增益(dB)，粗線為相位，該設計留有45°的相位裕度。

在第一級開關(guān)電源后端接有LC濾波，但該開關(guān)電源并不直接系統(tǒng)各模塊工作，其后還接有，4V，3.3V，1.2V的線性電源，分別給GSM模塊，控制器，F(xiàn)PGA工作使用。

用于組建小型網(wǎng)絡的以太網(wǎng)模塊選用Microchip的SPI通信的ENC28J60，圖5，它符合IEEE802.3規(guī)范，內(nèi)部集成了 MAC層以及10M物理層，可按業(yè)界標準以太網(wǎng)協(xié)議可靠地收發(fā)數(shù)據(jù)?？删幊踢^濾功能，減輕主控芯片的處理負荷。具有可編程8kB雙端口SRAM緩沖器，以高效的方式對信息進行存儲、檢索和修改。并有專用引腳連接LED指示網(wǎng)絡工作狀態(tài)[9]。

該以太網(wǎng)控制芯片和含有網(wǎng)絡變壓器的RJ45接口HR911105A配合使用，減小了電路的體積。

最終制作焊接調(diào)試完成的電路板如圖6所示。

3 網(wǎng)關(guān)軟件設計

控制器STM32的開發(fā)調(diào)試環(huán)境是MDK ARM4.6，F(xiàn)GPA開發(fā)環(huán)境為Quartus II 11.1SP2。喚醒子程序工作流程如圖7所示。

網(wǎng)關(guān)上電后，控制器先對系統(tǒng)內(nèi)部各模塊以及外圍的模塊進行初始化，設定好工作模式和參數(shù)。例如，對ENC28J60的配置有初始化MAC地址，IP地址以及域名，

配置結(jié)束，即進入以太網(wǎng)模塊ENC28J60的WEB服務程序。該服務程序采用定時中斷來獲取來網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包。

plen=enc28j60PacketReceive(BUFFER_SIZE,buf);

每個數(shù)據(jù)包接收后，首先判斷是否為ARP請求幀，如果是，并且IP地址為模塊的IP，那么回復ARP。否則回到定時中斷接受后續(xù)的數(shù)據(jù)幀。

然后讀取數(shù)據(jù)幀中傳輸?shù)挠蛎陀脩裘?，和初始化中域名和用戶名進行比對，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，則將開始對網(wǎng)頁讀寫工作，更新數(shù)據(jù)顯示，如果網(wǎng)頁上有新的控制命令產(chǎn)生，則執(zhí)行該命令，例如對傳感器節(jié)點的喚醒工作。

4 總結(jié)

無線傳感器網(wǎng)絡的能耗問題始終是制約其發(fā)展的一個重要因素，如何權(quán)衡傳感網(wǎng)絡的性能以及功耗是一個需視應用環(huán)境而定的問題。本文設計的網(wǎng)關(guān)適用于對于監(jiān)控緩變信號網(wǎng)絡中休眠節(jié)點的喚醒，在超長線狀的環(huán)境中做了實驗測試，達到了設計的功能和要求，為系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的低功耗又邁進了一步。在實現(xiàn)既定功能的前提下，和新興的商業(yè)用網(wǎng)關(guān)相比，做到了設計的低成本。

[1]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京:清華大學出版社,2005:10.

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

[3]王龍軍.無線傳感器網(wǎng)絡平臺研究與實現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學,2007.

[4]何斌,紀云,沈潤杰.地下隧道變形監(jiān)測的無線傾角傳感器設計[J].光學精密工程.

[5]何斌,紀云,沈潤杰.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]紀云.地下隧道變形的無線傾角監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].上海:同濟大學,2013.

[7]汪立林.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點超低功耗的系統(tǒng)級實現(xiàn)方法研究[D].長沙:中南大學,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/.