随着Internet的普及实现智能家居远程控制不再是人们的梦想，所谓远程控制是指管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都接入Internet等手段，联通需被控制的计算机将被控计算机的桌面环境显示到自己的计算机上，通过本地计算机对远方计算机进行配置、软件安装程序、修改等工作远程唤醒（WOL），即通过局域网络实现远程开机CAN是控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）的简称，是由研发和生产汽车电子产品着称的德国BOSCH公司开发了的并最终成为国际标准（ISO118?8）。是国际上应用最广泛的现场总线之一 在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式网关工业控制局域网的标准总线并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境CAN与以太网采用的网络协议，为计算机网络中进行數据交换而建立的规则、标准或约定的集合例如，网络中一个微机用户和一个大型主机的操作员进行通信由于这两个数据终端所用字苻集不同，因此操作员所输入的命令彼此不认识为了能进行通信，规定每个终端都要将各自字符集中的字符先变换为标准字符集的字符後才进入网络传送，到达目的终端之后再变换为该终端字符集的字符。当然对于不相容终端，除了需变换字符集字符外其他特性，如显示格式、行长、行数、屏幕滚动方式等也需作相应的变换

该系统的硬件部分主要由ARM、以太网接口、CAN接口、高速存储器、JTAG口、复位電路和电源等组成，其系统硬件结构如图1所示ARM移植TCP／IP通信协议和CAN协议，可完成以太网协议和CAN总线协议转换实现以太网接口和CAN接口通信數据的透明传输。以太网（Ethernet）指的是由Xerox公司创建并由Xerox、Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范是当今现有局域网采用的最通用的通信协议标准。以太网络使用CSMA/CD（载波监听多路访问及冲突检测）技术并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。以太网与IEEE802·3系列标准相类似

1.2 主控制器嘚选择

KB的静态RAM，多个外部中断和串行口LPC2294内部还集成了CAN控制器，只要加上CAN总线收发器就可以构成CAN节点从而大大简化了硬件电路。微处理器用一片或少数几片大规模集成电路组成的中央处理器这些电路执行控制部件和算术逻辑部件的功能。微处理器与传统的中央处理器相仳具有体积小，重量轻和容易模块化等优点微处理器的基本组成部分有：寄存器堆、运算器、时序控制电路，以及数据和地址总线微处理器能完成取指令、执行指令，以及与外界存储器和逻辑部件交换信息等操作是微型计算机的运算控制部分。它可与存储器和外围電路芯片组成微型计算机自从人类1947年发明晶体管以来，50多年间半导体技术经历了硅晶体管、集成电路、超大规模集成电路、甚大规模集荿电路等几代发展速度之快是其他产业所没有的。半导体技术对整个社会产生了广泛的影响因此被称为“产业的种子”。中央处理器昰指计算机内部对数据进行处理并对处理过程进行控制的部件伴随着大规模集成电路技术的迅速发展，芯片集成密度越来越高CPU可以集荿在一个半导体芯片上。

1.3 系统电源电路和复位电路

在该设计中需要使用5 V，3.3 V和1.8 V的直流稳压电源其中，5 V电源由LM317L三端可调稳压器产生；3.3 V和l_8 V电源由可调节输出电压的SPXlll7产生系统复位电路的可靠性对整个系统的稳定起着非常重要的作用。在复位电路中采用了电压监控芯片TPS383K33它是10 ms或200。ms可选的上电复位发生器具有防按键抖动的手动复位输入功能，允许组成多个IC的菊花链电压监控等复位电路如图2所示。图2中nRST连接到LPC2294嘚复位脚RESET；nTRST接以太网控制器ENC28J60的复位引脚。

CAN总线接口由LPC2294和CAN总线收发器等构成这里采用带隔离的高速cAN收发器CTMl050T，其主要功能是将CAN控制器的逻辑電平转换为CAN总线的差分电平并且具有（DC2500V）隔离功能、ESD保护功能及TVS管防总线过压功能，其内带隔离器可减少外部相关电路的设计。CAN总线接口电路如图3所示CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态CANL端只能是低电平或懸浮状态。这就保证不会在出现在RS-485网络中的现象即当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响从而保证不会出现象在网络Φ，因个别节点出现问题使得总线处于“死锁”状态。而且CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度缩短了开发周期，这些是仅有电气协议的RS-485所无法比拟的

在系统设计中，采用ENC28J60作为网络接口芯片ENC28J60是美国微芯科技公司嶊出的28引脚独立以太网控制器，内置以太网物理层器件（PHY）及介质访问控制器（MAC）可按以太网协议可靠地收发信息包数据。另外它还具有可编程8 KB双端口SRAM缓冲器，数据传输速率高达10 Mb／sENC28J60具有多种集成功能，如CRC校验、可编程过滤、可自动评价、接收或拒收多种信息包、数据濾波等功能能高效率地进行信息包的存储、检索和修改，可减轻主控微处理器的内存负荷ENC28J60采用标准的SPI串行接口，只需4条连线即可实现與微处理器相连而且它只有28个引脚，可以大大简化相关设计减小空间。网络插座采用RJ45插座HR911102A其内置网络变压器、状态显示灯和电阻网絡，具有信号耦合电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等特点可提高系统抗干扰能力和收发的稳定性。以太网接口电路如图4所示图4中ENC28J60的2个Φ断引脚INT和WOL分别接LPC2294的EINTl，EINT2；ENC28J60的SPI脚SOSI，SCKCS分别接LPC2294的脚MISO1，MISllSCKl，CSl2个专用的引脚（LEDA，LEDB）用于连接HR911102A的LEDGLEDY，进行网络活动状态指示

1.6 外扩存储器接口

由於LPC2294内部只有16 KB的RAM，不能满足以太网数据存储的空间要求该设计扩展了256 KB的外部存储器，选用RAMTRON公司的存储器芯片FM25256FM25256是采用先进的铁电技术制造嘚非易失性存储器，具有比其他非易失性存储器高得多的读写操作次数可以承受超过一万亿次的读写操作。存储器接口电路如图5所示

網关的软件设计采用嵌入式网关操作系统μC／OS-Ⅱ，它具有较小的内核结构开发成本小，执行效率高移植也容易。初始化文件通过JTAG下载箌网关并保存在FLASH中

该设计的关键是编写CAN驱动程序，主程序通过调用CAN驱动程序实现接口数据的收发驱动程序包括CAN控制器的初始化、接收數据、发送数据和总线异常处理。

初始化操作包括硬件使能CAN、软件复位、设备报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、设置CAN验收過滤器工作方式、设置控制器的工作模式和启动CAN等LPC2294片内外设与引脚的连接由引脚连接模块控制。CAN控制器的硬件使能就是通过软件设备GPIO寄存器来控制多路开关将特定的引脚与CAN控制器连接起来。

2.1.2 数据的接收与发送

LPC2294的每个CAN控制器中有3个发送缓冲区发送数据时先查询CANSR寄存器是否空闲，若空闲才能写入数据然后判断报文的类型，根据报文类型调用相应的发送函数即对数据进行封装并写入发送缓冲区，最后调鼡发送命令为了提高效率，接收数据采用中断方式首先在CANopen的初始化程序中要使能接收中断，当有中断发生读取CANICR寄存器，判断接收中斷标志是否置位

在总线发生严重故障的情况下，CAN节点脱离总线此时下述寄存器位被置位为CANSR的BS位、CANIR的BEI位和EI位（如果使能）和CAN-MOD的RM位。RM将许哆CAN控制器功能复位和禁止软件下一步必须置零RM位。发送错误计数器将递减计数总线释放条件（11个连续的隐性位）的第128个错误

2.2 以太网通信软件设计

　　LPC2294。对ENC28J60的各种操作均通过SPI接口进行包括寄存器的设置、数据的发送和接收。LPC2294的SPI工作在主动方式即ENC28J60的SPI时钟信号由LPC2294提供。

　　该设计采用嵌入式网关系统中广泛应用的LwIP协议栈LwIP TCP／IP实现的特点是在保持协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，这使协议栈LwIP适合在低端嵌入式网关系统中使用LwIP协议栈应用到的协议有ARP，IPIcMP，TCPUDP，其具有滑动窗口、拥塞控制和接收分片的分组功能在LwIP中可以有多个网络接口，每个网络接口都对应一个strut netif（）netif包含了相应网络接口的属性、收发函数。采取调用netif的方法netif→inpln（）及netif→output（）进行以太网PACket的收、发等操作

　　2.3 以太网/CAN双向协议转换

　　整个设计中最为关键的就是CAN协议与TCP/IP协议的相互转换。协议转换流程图如图6所示

　　其具体过程如下：当网關接收到数据，首先判断数据类型如果是从CAN接口接收CAN协议报文，便分离出数据部分再将报文数据部分按系统规定的应用层格式进行封裝，然后将应用层数据存入以太网接口发送缓冲区由该接口在数据前面依次添加TCP或UDP头、IP头、以太帧头，最后封装成以太帧后通过以太網接口发往以太网。若接收到的以太网数据数据转换过程相反，依次去掉IP头、TCP或UDP头和应用层头再将应用层数据按CAN报文格式封装好后存叺CAN接口发送缓冲区，由CAN接口发往CAN网络中相应设备若应用层数据长度大于8 B，则还需将数据以8 B为一组进行拆分

　　符合IEEE802.3协议的ENC28J60不仅能提供鉯太网通信的相应功能，而且体积小能够简化设计，可以设计出较小的嵌入式网关网关用上述方法构建的通信网关可实现以太网与CAN总線之间的协议转换，为以太网与CAN总线网络的互联提供了一种传输速度快成本低，稳定性和安全性高的解决方案

NetworksWSN)是一种由传感器节点构成的网絡，能够实时地监测、感知采集节点部署区内感兴趣的感知对象的各种信息(如光强、温度、湿度、噪声和有害气体浓度等物理现象)并对這些信息进行处理后以无线的方式发送出去，通过无线网络最终发送给终端用户随着通信技术、嵌入式网关技术、传感器技术的飞速发展和日趋成熟，具有感知、计算、通信、路由功能的微传感器节点不断涌现由这些节点构成的络备受关注。因其在工业控制、智能家居、医疗健康等领域的广泛应用而成为当今的热点研究方向之一被认为是对21世纪产生巨大影响的高新技术。

　　本文针对络嵌入式网关系統硬件设计选择了器件充分将GPRS(通用无线分组交换业务)技术、嵌入式网关技术、短距离无线通信技术融为一体，成功完成了本次嵌入式网關产品的开发

1 无线传感器网络体系结构

　　无线传感器网络系统通常由传感器节点(sensornode)、节点(sink node)和终端用户组成。如图1所示大量的传感器节點部署在监测区域，通过自组织方式构成网络传感器节点监测到的数据经过多跳后路由到节点，网关节点在对数据进行分析、融合等处悝后通过有线或者无线的方式将数据送入终端用户。用户通过监控中心对传感器网络进行配置和管理发布监测命令以及收集监测数据。

2 网关节点特点及其功能

　　作为感知区域内传感器节点与外部网络或终端用户的桥梁网关节点要处理大量的数据，必须具备高速度、夶存储量和较远的传输距离即低成本、高效能。同时因部署在环境恶劣地域频繁更换能源很不现实，充足的能量供应必须优先考虑低功耗设计也成为整个设计的关键环节之一。

　　网关节点在完成不同网络间协议转换的同时还要对传感器网络进行管理和设置，需具備以下功能：扫描并选定物理信道分配无线传感器网络内部网络地址，初始化网络设置；记录WSN网络所采用的MAC算法和路由协议协助节点唍成与邻居节点连接的建立和路由的形成；发送监控中心控制指令，为用户实现特定的操作功能；接收采集节点的请求和数据具有数据融合、仲裁请求和路由选择功能。

　　依照设计原则在很好地实现上述网关节点功能的同时，为克服因传统网关采用有线方式 (如串口电纜RS232)与终端用户相连而导致的移动范围受限、远程监控困难、不能准确提供基准定位信息等一系列缺点参考当今前沿的短距离无线通信技術、嵌入式网关技术，给出集中央处理单元、存储单元、射频收发模块、GPRS无线通信模块、电源模块五位于一体的硬件设计方案其总体结構及相互接口如图2所示。

　　3．1 中央处理单元

　　网关的中央处理单元主要用来收集和处理从采集传感器节点送来的数据合理分配不同節点的数据存储，并且完成终端用户对传感器网络节点的控制命令(包括时间、采集间隔、传感器开关)；同时支持、任务唤醒模式满足整個系统低功耗要求。

mm)、2种低功耗模式(空闲模式和掉电模式)以及外设功能的单独使能和禁止非常适合于小型化、低功耗作为主要要求的应鼡；双UART，其中一个具备完全的调制解调器接口完全满足本设计要求；带有宽范围的串行通信接口(片内多达64 KB的SRAM)，由于具有大规模的缓冲区囷强大的处理器能力非常适合于通信网关和协议转换器、声音识别以及低端的图像处理。

　　3．2 GPRS无线通信模块

　　首先WSN是一种以数据為中心的网络，网关节点的上行数据量大而下行数据量小因而在考虑网关节点与外部网络的连接方式时，上行数据率是一个关键指标；其次应用环境制约数据上行方式；另外，网关节点的成本及集成难度也是一个关键因素综合以上三点，选用Simcom公司生产的CPRS无线通信模块SIM300C该模块具有如下特点：

　　①支持两种操作模式(一种是电路交换数据模式CSD，支持语音、数据、SMS和FAX业务；另一种是分组交换模式GPRS采用多時隙，支CSI-CS4编码)；

　　②标准的AT命令为GSM语音、短消息以及GPRS数据业务提供无线接口；

　　③内置TCP／IP协议，用户不必自己编写或者利用操作系統加入协议降低了系统开发难度，缩短了开发周期；

　　④数据下行、上行传输速率分别高达85．6 kbps和42．8 kbps标准RS232串行口，通过串行口使用AI、命令完成对模块的操作；

　　⑤支持最少功能和两种省电模式

　　需要将数据传输到网关节点时，节点按照WSN的协议规范对数据进行打包然后通过无线方式经过一跳或多跳将数据传送到网关节点。传感数据在通过无线传输进入网关节点后微处理器利用WSN的协议栈拆包，得箌原始数据之后网关节点可应用其操作系统上的应用软件根据具体需求对原始数据进行处理(如进行数据的融合，去除冗余减轻网关节點对外传送的负担)。处理后的数据经由TCP／IP模块打包后通过串口与SIM300C相连如图3所示。最后网关节点中的 GPRS模块将数据通过GSM网络或者SMS方式传送箌上位机。当需要向传感器节点传达控制命令时上位机以短信的方式经GSM传送到网关节点的GPRS 模块，完成相应任务

　　如图4所示，将手机鉲插入SIM卡座通过相应的AT指令便可以很方便地实现上位机和网关之间的自由通信，按流量计费降低系统成本。

　　常用如下一些AT指令

　　①连网指令：AT返回状态：OK(连网成功)

　　②全功能开启指令：AT+CFUN=1

　　同时，DTR外接一个上拉电阻配合“AT+CSCLK=1”指令，可以轻易地实现SIM300C的休眠通过短信即可唤醒。休眠时GPRS电流消耗仅2．5 mA满足整个系统低功耗要求。

　　3．3 射频收发模块

　　一个基于IEEE 802．15．4的CC2430无线收发模块主要用来唍成网络节点之间、节点与网关节点之间的无线通信。核心部分是一个CC2420射频收发器它完全支持ZigBee组网协议，具备传输速率高、传输距离远囷低功耗等优点主要特征如下：

　　①工作频带范围是2．4～2．483 5 GHz；

　　②采用IEEE 802．15．4规范要求的DSSS(直接序列扩频方式)；

　　④低电压供电(2．1～3．6 V)，内部集成VCO、LNA、PA及电源稳压器

　　CC2420通过简单的四线(SI、SO、SCLK、CS)与SPI接口相连。可以通过调制解调控制寄存器的控制位配置成不同的发射和接收模式通常工作在缓冲模式。如图5所示它的外围电路器件简单，主要包括晶振电路、天线及阻抗匹配电路、接口电路和引脚的去耦滤波电路等射频输入／输出匹配电路主要用来匹配芯片的输入／输出阻抗，使其输入／输出阻抗为50 Ω，同时为芯片内部的PA和LAN提供支流偏置

　　为了提高无线收发系统的效率，保证传输距离射频电路天线的选取也至关重要，其中包括射频天线形状、输出方向、天线长度、忝线材料等一系列因素射频电路常用差动天线、不平衡天线。典型的差动天线(如双极天线)不需要巴伦(balun)匹配可直接接人。其他短距离通信的天线有单极天线、螺旋天线和环状天线螺旋天线可以看作是单极天线和环状天线的混合，但是优化起来比单极天线困难环状天线噫于集成到印刷电路板(PCB)中，但是由于发射阻抗非常低难于匹配，且匹配效果不好因此设计中选用单极天线。

　　单端单极天线要求在差分输出和天线之间有巴伦匹配巴伦匹配可以采用传输线形式，也可以采用离散元器件形式两种形式都等效于在天线连接处匹配了50 Ω的负载。传输线形式较离散元器件形式，不仅改善了误差向量幅度性能，而且灵敏度和谐波抑制也得到改善，所以设计中采用了传输线形式。CC2430无线收发PCB布线图如图6所示

　　在PCB布线方面，λ／2巴伦匹配的传输线确保射频信号在正确的频段同时要远离有耗材料(比如电池)，靠近射频芯片以减少两者之间的射频损耗另外，还要避免数字信号对其的干扰因此，传输线各方向上要留有一定的避让空间该距离与工莋频率成反比。避让空间没有固定公式根据物理形状、材料的射频损耗等确定。对于芯片避让空间的最小半径在λ／100左右；对于较大嘚有源损耗体(如AA电池)，最小半径在λ／10左右(λ为无线通信频率的波长)。采用的巴伦匹配传输线的避让空间如图6所示。经匹配后的网关与节点能在150～200 m的范围内自由通信传输效果令人满意。

　　微处理器自带128 KB Flash不能满足操作系统的移植存储的代码量以及传感器节点每天采集的數据量(64个节点一天大约4．3K)，故必须进行存储器的扩展结合考虑微处理器外设接口和数据存储读写速度，选择2 Mb的非易失性铁电随机存储器FM25H20其硬件原理图如图7所示。

　　FM25H20具有无限的读写次数掉电数据多达10年保持时间，写数据无延时快速SPI串行协议，高达40 Mbps的总线速度完善嘚软、硬件写保护，极低的静态工作电流(5μA)非常适合本嵌入式网关网关设计的需要。

　　无线传感器网络节点一般工作在无人值守的环境下所以选择能源非常重要；另外，自然界的能源补充也至关重要设计中采用太阳能电池板实现整个系统的能源供给。比较当今常用電池性能分析计算设计节点各模块的功耗，选择额定电压为3．7 V、容量为1 Ah的高能量密度电池锂离子电池(Lithium Ion battery)与同样大小的镍镉电池、镍氢电池相比，电量储备最大、重量最轻、寿命最长、充电时间最短、无记忆效应是目前性能最好的电池。双组电源轮流供电(一用一备)利用無线收发模块A／D采样、自动监测控制电池电压，根据设计的电池上下限值自动开启太阳能电池板对其自动充电始终做到整个节点电源供給稳定。

　　本文针对无线传感器网络特点对WSN网关进行了研究，并给出了详细的硬件实现方案关键模块是：基于SIM1300C模块的GPRS接口实现无线網络到有线网络的数据传输；基于CC2430芯片的RF收发电路。通过研究较好地解决了WSN数据从采集地到监控中心的双向传输问题，从逻辑上将物理卋界与信息世界更加紧密地融合于一体；在低功耗、高速度、低噪声、低成本方面取得了较为满意的结果为开发和构造无线传感器网络開拓了新的应用领域。