基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與研究

基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與研究

0 引 言
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)綜合了微機電技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及無線通信技術(shù)，能夠協(xié)作地實時感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種信息，并進行處理，再以無線方式傳送給用戶終端。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由大量體積小，成本低具有無線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理能力的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。

1 Wi-Fi
??? Wi-Fi(Wireless Fidelity)是無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802．11，它是一種無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點(AP)、無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實現(xiàn)。Wi-Fi工作在2．4 GHz的ISM頻段上，總數(shù)據(jù)傳輸速率為2 Mb／s。兩個設(shè)備之間可以自由直接地進行通信，也可以在基站或者訪問點的協(xié)調(diào)下進行通信。采用Wi-Fi的WSN，不僅能夠享受到成熟的Wi-Fi技術(shù)帶來的好處，還能在單節(jié)AA電池下維持?jǐn)?shù)年的使用壽命。與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)比較，Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)則更成熟，在設(shè)備互操作上具備明顯優(yōu)勢，比ZigBee有更長的通信距離、更快的通信速率。基于IP的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠非常方便地實現(xiàn)與已經(jīng)安裝在企業(yè)和家庭中的網(wǎng)絡(luò)進行無縫連接，而且還具有更好的安全性。

2 硬件設(shè)計
??? 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發(fā)模塊、電源模塊構(gòu)成，如圖1所示。

??? 數(shù)據(jù)處理和控制模塊是傳感器節(jié)點的核心，它主要實現(xiàn)設(shè)備控制、任務(wù)調(diào)度、資源管理、功耗管理等功能。GainSpan公司推出的Wi-Fi芯片GS1010，將兩個ARM7 32位微處理器、384 KB閃存、224 KB SRAM，A／D，RTC和802．11無線芯片以及一整套豐富的外部I／O外設(shè)等全部設(shè)計在一只非常小的QFN封裝微型單芯片中。它可將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的處理器模塊和無線收發(fā)模塊集成在一起，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的無線化、微型化。高度集成的無線SoC設(shè)計，可減少系統(tǒng)成本，降低應(yīng)用設(shè)計的復(fù)雜性，使設(shè)備功耗非常低。靈活配置的多個I／O接口，可以與多個傳感器相連接，系統(tǒng)設(shè)計更容易整合。

3 軟件設(shè)計
??? μC／OS-Ⅱ的前身是μC／OS，它是一種免費公開源代碼的實時操作系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高，占用空間小，實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點。它包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能。這里的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件設(shè)計包括：無線功能(802．11)、GS1010 APIs、電源優(yōu)化管理、網(wǎng)絡(luò)管理、系統(tǒng)管理和配置、I／O的服務(wù)和驅(qū)動程序、安全等，如圖2所示。

3．1 μC／OS-Ⅱ的移植
??? μC／OS-Ⅱ的文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括核心代碼、設(shè)置代碼、與處理器相關(guān)的移植代碼，結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，最上邊的軟件應(yīng)用層是μC／OS-II上的代碼。核心代碼部分包括7個源代碼文件和1個頭文件。功能分別是內(nèi)核管理、事件管理、存儲管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度和定時管理等。設(shè)置代碼部分包括2個頭文件，用來配置事件控制塊的數(shù)目以及是否包含消息管理等相關(guān)代碼。而與處理器相關(guān)的移植代碼部分則是進行移植過程中需要更改的部分，包括頭文件OS_cpu．H，匯編文件OS_cpu_a．s和1個C代碼文件。將μc／OS-Ⅱ移植到處理器上，關(guān)鍵是以下三個與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件：OS_cpu．H，OS_cpu．c，OS_cpu_a．s。
3．2 嵌入式Wi-Fi的軟件設(shè)計
??? 圖4是嵌入式Wi-Fi的軟件結(jié)構(gòu)。將通信的實現(xiàn)分為三個任務(wù)：分別是網(wǎng)絡(luò)任務(wù)(NET_MAINTASK)、數(shù)據(jù)包接收任務(wù)(ETH_REPOLL_TASK)和周期時鐘任務(wù)(PERIO_TASK)。這三個任務(wù)之間相互協(xié)調(diào)完成數(shù)據(jù)從鏈路層到應(yīng)用層或應(yīng)用層到鏈路層的傳遞。網(wǎng)絡(luò)任務(wù)優(yōu)先級在所有通信任務(wù)中優(yōu)先級最高，當(dāng)它完成網(wǎng)絡(luò)各部分初始化工作后，就負責(zé)對新近接收到的數(shù)據(jù)進行處理并向應(yīng)用層分發(fā)。剛開始它會掛起自己，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)包收發(fā)任務(wù)發(fā)送的信號后轉(zhuǎn)入運行狀態(tài)。
??? NET_MAINTASK程序段如下：

4 結(jié) 語
??? 這里，在分析無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，介紹以GS1010芯片為核心，基于Wi-Fi技術(shù)的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。目前，Wi-Fi應(yīng)用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)還不成熟，還需要以后的進一步學(xué)習(xí)和研究。