基于Wi-Fi的无线传感器网络设计与研究

基于Wi-Fi的无线传感器网络设计与研究

0 引 言
    无线传感器网络(WSN)综合了微机电技术、传感器技术、嵌入式技术、网络技术以及无线通信技术，能够协作地实时感知和采集网络分布区域内的各种信息，并进行处理，再以无线方式传送给用户终端。无线传感器网络由大量体积小，成本低具有无线通信、传感、数据处理能力的传感器网络节点组成。

1 Wi-Fi
    Wi-Fi(Wireless Fidelity)是无线通信标准IEEE 802．11，它是一种无线局域网的标准。在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点(AP)、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。Wi-Fi工作在2．4 GHz的ISM频段上，总数据传输速率为2 Mb／s。两个设备之间可以自由直接地进行通信，也可以在基站或者访问点的协调下进行通信。采用Wi-Fi的WSN，不仅能够享受到成熟的Wi-Fi技术带来的好处，还能在单节AA电池下维持数年的使用寿命。与ZigBee无线传感器网络比较，Wi-Fi网络则更成熟，在设备互操作上具备明显优势，比ZigBee有更长的通信距离、更快的通信速率。基于IP的联网技术能够非常方便地实现与已经安装在企业和家庭中的网络进行无缝连接，而且还具有更好的安全性。

2 硬件设计
    无线传感器网络节点主要由传感器模块、处理器模块、无线收发模块、电源模块构成，如图1所示。

    数据处理和控制模块是传感器节点的核心，它主要实现设备控制、任务调度、资源管理、功耗管理等功能。GainSpan公司推出的Wi-Fi芯片GS1010，将两个ARM7 32位微处理器、384 KB闪存、224 KB SRAM，A／D，RTC和802．11无线芯片以及一整套丰富的外部I／O外设等全部设计在一只非常小的QFN封装微型单芯片中。它可将无线传感器网络的处理器模块和无线收发模块集成在一起，实现无线传感器网络节点的无线化、微型化。高度集成的无线SoC设计，可减少系统成本，降低应用设计的复杂性，使设备功耗非常低。灵活配置的多个I／O接口，可以与多个传感器相连接，系统设计更容易整合。

3 软件设计
    μC／OS-Ⅱ的前身是μC／OS，它是一种免费公开源代码的实时操作系统，具有执行效率高，占用空间小，实时性能优良和可扩展性强等特点。它包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信和同步等基本功能。这里的无线传感器网络的软件设计包括：无线功能(802．11)、GS1010 APIs、电源优化管理、网络管理、系统管理和配置、I／O的服务和驱动程序、安全等，如图2所示。

3．1 μC／OS-Ⅱ的移植
    μC／OS-Ⅱ的文件系统结构包括核心代码、设置代码、与处理器相关的移植代码，结构如图3所示。其中，最上边的软件应用层是μC／OS-II上的代码。核心代码部分包括7个源代码文件和1个头文件。功能分别是内核管理、事件管理、存储管理、消息管理、任务调度和定时管理等。设置代码部分包括2个头文件，用来配置事件控制块的数目以及是否包含消息管理等相关代码。而与处理器相关的移植代码部分则是进行移植过程中需要更改的部分，包括头文件OS_cpu．H，汇编文件OS_cpu_a．s和1个C代码文件。将μc／OS-Ⅱ移植到处理器上，关键是以下三个与体系结构相关的文件：OS_cpu．H，OS_cpu．c，OS_cpu_a．s。
3．2 嵌入式Wi-Fi的软件设计
    图4是嵌入式Wi-Fi的软件结构。将通信的实现分为三个任务：分别是网络任务(NET_MAINTASK)、数据包接收任务(ETH_REPOLL_TASK)和周期时钟任务(PERIO_TASK)。这三个任务之间相互协调完成数据从链路层到应用层或应用层到链路层的传递。网络任务优先级在所有通信任务中优先级最高，当它完成网络各部分初始化工作后，就负责对新近接收到的数据进行处理并向应用层分发。刚开始它会挂起自己，当接收到数据包收发任务发送的信号后转入运行状态。
    NET_MAINTASK程序段如下：

4 结 语
    这里，在分析无线传感器网络体系结构的基础上，介绍以GS1010芯片为核心，基于Wi-Fi技术的嵌入式无线传感器网络的设计。目前，Wi-Fi应用在无线传感器网络的技术还不成熟，还需要以后的进一步学习和研究。