一種基于WiFi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

郭曉光 馮思奇

摘 ?要：設(shè)計了一種基于WiFi技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。該系統(tǒng)的控制單元采用以FPGA為載體的SOPC系統(tǒng)，存儲模塊使用NAND FLASH存儲芯片，并且數(shù)據(jù)存儲采用DMA技術(shù)對NAND FLASH進行流水線操作，以提高存儲速度。無線傳輸模塊使用高速的WiFi技術(shù)。測試結(jié)果表明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以準(zhǔn)確的將采集到的數(shù)據(jù)通過WiFi傳輸出去。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于科研和智能家居等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：WiFi;NAND FLASH;無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[1]是由大量傳感器節(jié)點放置在被監(jiān)測區(qū)域，通過自組織方式構(gòu)成的。節(jié)點可以完成數(shù)據(jù)采集、傳輸、接收以及數(shù)據(jù)處理等功能，因此，為了增強節(jié)點的功能，提高節(jié)點的應(yīng)用范圍，設(shè)計出采集速率高、存儲容量大、傳輸速率快的節(jié)點，成為了設(shè)計的關(guān)鍵。無線網(wǎng)絡(luò)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和需求的不同有著不同的應(yīng)用，在醫(yī)療、軍事和智能家居等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

在當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域，WiFi技術(shù)[2]越來越成熟。他具有數(shù)據(jù)傳輸率高、可靠性好和組網(wǎng)方便等優(yōu)點，適用于許多有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)不便的場景。并且隨著PC和智能手機等電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，使得WiFi技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣。

文章設(shè)計了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以NAND FLASH作為存儲器的存儲系統(tǒng)，使用WiFi傳輸模塊作為系統(tǒng)的無線傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)體積較小，應(yīng)用范圍廣，使用方便，能滿足大多數(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

1 系統(tǒng)總體方案

整個系統(tǒng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、存儲模塊、無線通信模塊以及電源管理模塊等組成，整個系統(tǒng)如圖1所示。其中選用了Xilinx公司的第六代Spartan系列的XC6SLX9作為主控芯片，三星公司的NAND FLASH芯片作為存儲芯片。無線通信模塊使用支持串口透傳的WiFi模塊，提高節(jié)點的應(yīng)用領(lǐng)域，節(jié)省節(jié)點的開發(fā)時間。

傳感器采集到的模擬信號量通過模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號量，然后將數(shù)字信號量存儲在NAND FLASH陣列中，最后再通過WiFi模塊，將數(shù)據(jù)傳輸至PC，智能手機或傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等帶有WiFi無線技術(shù)的設(shè)備。

2 WiFi技術(shù)基礎(chǔ)

WiFi是Wireless Fidelity（無線保真）的英文縮寫，它遵循IEEE802.11系列協(xié)議，是最主流的的無線局域網(wǎng)技術(shù)。最高傳輸速率可達54Mbps，是一種高性能的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。具有可靠性好、數(shù)據(jù)傳輸速率高以及便于組網(wǎng)、拓展性好等優(yōu)點，適用于大型辦公室等有線網(wǎng)絡(luò)布設(shè)不便的場景。

WiFi無線網(wǎng)絡(luò)有基礎(chǔ)網(wǎng)（Infra）和自組網(wǎng)（Ad-hoc）兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?。自組網(wǎng)（Ad-hoc）僅由兩個及以上STA（即無線站點，是一個無線網(wǎng)絡(luò)的終端）組成的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中的STA都可以直接通信?；A(chǔ)網(wǎng)（Infra）是由AP（即無線接入點，是一個無線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建端）創(chuàng)建，眾多STA加入所組成的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這種類型的網(wǎng)絡(luò)特點是AP作為整個網(wǎng)絡(luò)的中心，網(wǎng)絡(luò)中所有的數(shù)據(jù)通信都通過AP來轉(zhuǎn)發(fā)完成。

3 硬件設(shè)計

3.1 存儲模塊

存儲模塊選用三星公司的K9K8G08U0A型號存儲芯片，組成由4片NAND FLASH構(gòu)建得一維存儲陣列，并且采用流水線存儲技術(shù)[3]、DMA[4]存儲方式和全相關(guān)的無效快管理方式等方法來提高存儲模塊的存儲速度。

3.1.1 流水線存儲技術(shù)

三星公司的FLASH芯片寫操作時，分為數(shù)據(jù)加載階段和數(shù)據(jù)編程階段，當(dāng)進入編程階段后，我們不能對FLASH芯片進行其他任何操作。如果只使用一片F(xiàn)LSH芯片的話，那么存儲的有效時間就只有數(shù)據(jù)加載的時間，而在數(shù)據(jù)編程時間內(nèi)系統(tǒng)將處于空閑狀態(tài)，這樣不利于系統(tǒng)進行高速存儲[5]。

采用流水線存儲技術(shù)可以有效地解決這個問題，將數(shù)據(jù)以不同的時間加載到多片F(xiàn)LASH中，同時要保證數(shù)據(jù)的連續(xù)加載。先對第一片F(xiàn)LAH加載一頁數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)谝黄現(xiàn)LASH加載完一頁數(shù)據(jù)后，就會進入數(shù)據(jù)編程階段，此時第二片F(xiàn)LASH立馬加載數(shù)據(jù)并在完成后進入編程階段，完成后再對第三片加載，以此類推直到第四片F(xiàn)LASH芯片。當(dāng)?shù)谒钠現(xiàn)LASH結(jié)束數(shù)據(jù)加載后，第一片已經(jīng)完成編程操作。這樣，系統(tǒng)在存儲數(shù)據(jù)時，可以忽略數(shù)據(jù)編程的時間，以此來提高數(shù)據(jù)的存儲速率。

3.1.2 DMA數(shù)據(jù)存儲

為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲，釋放PLB總線資源，我們采用DMA完成對FLASH的讀寫操作。我們通過MicroBlaze軟核給DMA一個啟動信號，使程序就進入到狀態(tài)機里面。程序自動讀取有效塊列表，找到有效塊的地址，對該存儲地址進行寫入編程命令，地址以及數(shù)據(jù)寫入，等待數(shù)據(jù)編程完成，進而繼續(xù)讀取有效塊列表，進行下一次數(shù)據(jù)存儲。這樣就在脫離CPU控制的情況下完成了數(shù)據(jù)的高速存儲，提高了CPU處理的效率。

3.2 無線傳輸模塊

測試節(jié)點的主控芯片采用的是FPGA芯片，所以對無線網(wǎng)卡進行驅(qū)動比較困難，而且費時費力[6]。因此系統(tǒng)中選用紅心物聯(lián)科技公司推出的支持串口透傳的WiFi模塊。該模塊是基于UART與SPI接口的符合WiFi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)嵌入式設(shè)備數(shù)據(jù)到無線網(wǎng)絡(luò)之間的轉(zhuǎn)換。無線通信模塊FPGA的接口如圖2所示。

在串口命令模式下，用戶可以通過指令對模塊進行完全的控制，包括修改配置參數(shù)、控制聯(lián)網(wǎng)、控制TCP/IP連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ａ硗馕覀冞€可以使用該模塊的SPI模式進行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以提高無線模塊的傳輸速率。

4 軟件設(shè)計

軟件由上位機軟件和下位機軟件兩部分組成。下位機主要是接收來自上位機的命令，處理器識別接收到的命令，然后使下位機執(zhí)行對應(yīng)的操作。下位機首先進行初始化操作，主要包括各個端口的設(shè)置以及加載FLASH存儲器的無效塊列表等，然后等待接收上位機發(fā)送控制命令，得到控制命令后，主要完成以下幾種功能：參數(shù)設(shè)置、采集數(shù)據(jù)、文件保存、文件切分、格式化等。另外下位機要選擇WiFi無線模塊的工作模式和傳輸數(shù)率設(shè)置等，下位機對接收到的命令進行對比，根據(jù)不同的命令，系統(tǒng)執(zhí)行不同的操作。

5 測試結(jié)果與討論

圖3和圖4所示為WiFi模塊在AP模式下以client方法收發(fā)數(shù)據(jù)的截圖，圖3為模塊AT指令操作方式在PC串口軟件上的直觀顯示。圖4為PC終端作為STA接收到數(shù)據(jù)的截圖。經(jīng)過對WiFi模塊的工作模式，傳輸速率等設(shè)置成功后，可以準(zhǔn)確的將數(shù)據(jù)傳輸至PC終端。經(jīng)過后期開發(fā)，可以應(yīng)用于智能手機等其他應(yīng)用領(lǐng)域。

6 結(jié)束語

文章設(shè)計了一種以FPGA為主控制器，以WiFi技術(shù)為無線通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采集存儲發(fā)送的數(shù)據(jù)可靠，可用于多種傳感器的數(shù)據(jù)采集存儲，也可以應(yīng)用于智能家居等領(lǐng)域。本系統(tǒng)在測試實驗中得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，總體性能優(yōu)良。

參考文獻

[1]李明明，席李偉.低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計技術(shù)[J].測控技術(shù)，2010，29（6）：8-11.

[2]張亞光.WiFi技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].南京：南京郵電大學(xué)，2010.

[3]王曉升.基于閃存陣列的數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

[4]宇飛，張丕狀，杜建海.基于單總線微處理器的高速存儲方法[J].計算機測量與控制，2010，18（12）：2888-2890.

[5]陶林偉，王英民，王成，等.一種吊放聲納大容量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)設(shè)計方法[J].聲學(xué)技術(shù)，2008，27（3）：450-453.

[6]軒志偉.基于WLAN的無線分布式測試系統(tǒng)[D].太原：中北大學(xué)，2014.

作者簡介：郭曉光（1990-），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向為超聲無損檢測及信號與信息處理。