本文作者：杨旭1,2周国祥1作者单位：1.合肥工业大学计算机与信息学院2.安徽电子信息职业技术学院

无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetworks)，是一种新兴的环境信息感知技术，作为沟通客观物理世界和主观世界的载体与桥梁，无线传感器网络将是一种全新的信息获取和处理技术。在无线传感器网络中，物理节点主要可以分为两种：普通传感器节点和网关节点。普通传感器节点，一般情况是一个微型嵌入式系统，通过携带能量有限的电池进行供电，因此其处理能力、通信能力、存储能力和生存能力相对较弱。与普通节点相比，网关节点的计算处理能力、通信能力、存储能力及生存能力较强。网关节点主要负责连接无线传感器网络与Internet等外部网络，从而实现异构网络之间的通信。传感器网络的网关节点是一种特殊的节点，它负责连接无线传感器网络与其他异构网络，并使传感器网络可以与其之外的骨干网络进行通信。一般来说，网关是传感器网络中最大的汇聚点，需要处理大量的数据，并按照相应的要求把数据转发到不同的通信模块上去。因此，网关节点对数据计算处理能力和信息的存储能力的要求比普通传感器节点更高。该文设计了一种基于嵌入式系统的无线传感器网络网关节点，使传感器网络中的各种数据信息可以通过Internet网络传输到远程终端，用户还可以远程登录位于网关节点上的嵌入式WEB服务器查询相关信息。因此，本网关节点能够改善无线传感器网络的远程数据传输及汇聚问题，使管理人员能够及时准确地在远程终端上获取无线传感器网络的数据信息，并通过远程终端即可以对数据进行分析、处理等操作。

1嵌入式网关节点的设计相关技术

1.1网关节点的设计原理

网关节点[1]是一个特殊并且及其重要的节点，传感器节点可以通过它与外部网络进行通信。同样，外部网络中的用户也可以通过网关节点来对传感器网络内部的各个传感器节点进行查询和操作。因此，网关节点最重要的任务就是负责两个不同网络之间的数据转换，实现传感器网络与外部网络之间的信息交互。在无线传感器网络中，节点之间的数据传输一般采用短距离的无线通信技术，因此传感器节点与网关通信时，使用的是基于共享信道的无线通讯方式。ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低速率、低成本的无线通信技术。它既有IEEE802.15.4省电、简单、成本低的优点，又增加了网络层、安全层和应用层，应用前景广阔。

1.2硬件设计思想

网关节点根据硬件结构来分，主要有以下两种[2]：1）网关节点是没有环境信息采集功能，仅带有无线通信接口、以太网通信接口的嵌入式网关设备。该网关节点可以接收无线传感器网络中其他传感器节点采集和处理后的数据，再通过以太网接口将数据最终传送到用户终端。2）网关节点还可以是在普通传感器节点上加装串口通信模块、USB通信模块等装置与PC进行连接，使用PC来作为传感器网络的网关节点，来收集无线传感器网络中的其他传感器节点采集和处理后的数据。无线传感器网络嵌入式网关节点的硬件平台应该具有以下特点：1）嵌入式无线传感器网络网关节点具有较强的网络控制能力。这是网关节点系统结构最重要的体现[3]。网关节点的任务就是完成Internet和无线传感器网络两种异构网之间的信息交互，没有强大的网络控制能力，就无法妥善的完成网关节点的设计目标。2）较强的信息处理及任务调度能力。作为网关节点会随时收到来自不同网络的数据传递任务，如果没有强大的信息处理及任务调度能力，那么势必会造成网关节点在不同的任务需求中来回切换，以至不能完成异构网之间的信息交互任务。3）更好地支持网络通信协议。由于传统传感器节点硬件平台数据处理能力较弱，所以其很难实现高性能的网络特性。4）更大的存储空间。网关节点为了便于将数据融合、处理，便于远端用户查询及定期打包发送，一般都需要较高容量的存储空间。

1.3软件设计思想

操作系统是无线传感器网络网关节点软件的灵魂，由于嵌入式网关节点的特殊性，导致其对操作系统的需求相对于传统操作系统有较大的差异。无线传感器嵌入式操作系统一般需要满足以下几个特性：1）实时性[4]：只有操作系统具有较好的实时性，网关节点才能够及时响应不同网络的请求并及时反馈，按照相应的任务调度策略完成不同任务之间的调度，完成无线传感器网络和以太网之间的数据收发任务。2）健壮性和容错性[5]：网关节点上的操作系统必须拥有较好的健壮性和容错性，能够及时发现节点因为能量而失效的情况，并通过向网络发出调节请求来保证整个网络的正常工作。3）剪裁性[6]：网关节点操作系统需要有较强的针对性，其内核应能够自由配置，对于一些不需要的模块可以剪裁，从而适应网关节点对于不同硬件资源的要求。4）网络支持：用于网关节点主要担负不同异构网之间的信息交互，因此需要在网关节点的嵌入式操作系统中提供必要的网络协议栈支持。5）代码量：由于嵌入式网关节点的存储空间相对有限，因此网关节点的操作系统的核心代码量必须较小。6）功能可扩展[7]：未来，根据具体应用环境的不同，无线传感器网络嵌入式网关节点的功能也会多样化。

嵌入式Linux操作系统[8]是将日益流行的Linux操作系统进行实时性的改进，并对内核裁剪修改使其能在嵌入式系统硬件平台上运行的操作系统。嵌入式Linux操作系统既继承了传统Linux开放的源代码资源，又具有嵌入式操作系统的特性，因此Linux做嵌入式系统具有很大优势。①开放性较好；②代码量较小；③成本低；④兼容性较好；⑤丰富的网络功能。综上所述，由于嵌入式Linux操作系统内核较小、强大的网络支持功能、广泛的硬件支持、开放源代码、优秀的开发工具、开发成本低等诸多优点，再加上其移植到嵌入式系统之后对内核中任务调度实时性做了相应改进，因此适合无线传感器网络嵌入式网关节点的硬件平台的需求。该文也因此采用嵌入式Linux操作系统作为嵌入式网关节点的软件平台。

2系统测试分析

2.1WEB应用配置

BOAWebserver[9]是一个运行于unix或linux下的小巧高效的单任务web服务器，其源代码开放、性能可靠、支持CGI的、运行只需要140KB的空间，因此BOAWebserver非常适合于嵌入式系统。MiniSQL（也叫mSQL的）是一种轻量级的关系数据库管理系统，它提供了一个快速查询数据的借口，并且开销很小。由于MiniSQL的短小精悍，使得其在嵌入式系统的数据库开发中受到了用户的青睐。

2.2系统测试分析

由于网关节点带有串口，因此我们可以通过串口查看系统启动过程的各种信息，从而对系统的整体运行进行测试。测试使用一个模拟终端程序—串口助手，来通过PC上的串口连接网关节点。如图2所示，串口助手需要对串口后、波特率、校验位、数据位及停止位做一些设置以便和网关节点通信。设置完毕后打开网关节点电源，就会在串口助手上显示网关节点相关信息。出于实验数据准确性的考虑，实验选用了实验室自主开发的射频芯片为CC2420芯片的CC2431传感器节点。实验环境选择在较为空旷，周围没有明显遮挡物的室外进行。实验使用该文设计的网关作为接收节点，CC2431传感器节点作为发射节点，完成了无线通信距离及接收信号强度两种实验。1）最大通信距离离网关节点0到100米内，每间隔10米，发送100个长度为100byte字节的数据包。测试人员通过PC机的串口连接网关节点，并在PC运行上位机程序观察接收到的数据包，并对其进行统计。从图5中可以看出来网关节点的接收30米以内的传感器节点数据包的丢包率较小，其无线通信性能较好，随着通信距离的加大丢包率逐渐增加，到70米左右，其丢包率超过50%已经无法满足正常的无线通信对丢包率的要求。2）信号强度衰减使用CC2431传感器节点作为发射节点，网关节点作为接收节点。分别在距离发射节点10米、20米、30米、40米、50米、60米处测量网关节点的接收信号强度。对实验数据进行统计，绘制的信号强度示意图如下：从图6中可以看出和丢包率一样，网关节点在30米内的信号强度衰减较小，随着通信距离的增大信号强度衰减加大。

以上两个实验表明，该文设计的网关节点在短距离无线通信中的性能较好。随着通信距离的加大，其无线通信的信号强度衰减逐步增加，丢包率也随之增加。以太网测试及WEB测试在室内进行，网关节点与测试所用PC通过一台三层交换机连接，其中网关节点的IP地址配置为192.168.166.187，WEB端口为；测试PC的IP为192.168.166.184；交换机IP地址为192.168.166.129。分别在网关节点和PC上通过ping命令来测试最大数据包时以太网网络的拥塞情况。两个图的对比表明，网关节点的以太网性能比较优秀，在单个数据包为65500字节的较重负载下，没有丢包，时延平均且较小，没有产生过大的抖动。图9为网关节点WEB服务器的登陆页面。我们在把事先设置的用户名和密码输入进去就可以看到传感器网络中各个节点的相关信息了。图10为网关节点WEB平台查询页面。在这个页面，远端用户可以看到传感器网络里面每个节点的信息采集数据和网关节的相关信息。我们通过对网关节点的WEB登陆页面重复刷新来验证WEB平台的稳定性。测试结果表明，重复刷新40次，WEB平台正常登陆，未出现死机，查询数据较快。这些都说明网关节点的WEB平台完全达到了预期目标。

3总结

无线传感器网络网关节点设计作为无线传感器网络的关键技术必然将对物联网的普及做出巨大的贡献。该文针对无线传感器网络的特点，对网关节点的设计需求进行了分析，研究并实现了基于嵌入式系统的无线传感器网络网关节点。网关节点的设计虽然达到了预期目标，但是由于水平有限，网关节点的软硬件平台的性能还有待进一步改善。