基于Wi-Fi的無線傳感器網絡設計與研究

0 引 言
??? 無線傳感器網絡(WSN)綜合了微機電技術、傳感器技術、嵌入式技術、網絡技術以及無線通信技術，能夠協作地實時感知和采集網絡分布區域內的各種信息，并進行處理，再以無線方式傳送給用戶終端。無線傳感器網絡由大量體積小，成本低具有無線通信、傳感、數據處理能力的傳感器網絡節點組成。

1 Wi-Fi
??? Wi-Fi(Wireless Fidelity)是無線通信標準IEEE 802．11，它是一種無線局域網的標準。在有線局域網的基礎上通過無線HUB、無線訪問節點(AP)、無線網橋、無線網卡等設備使無線通信得以實現。Wi-Fi工作在2．4 GHz的ISM頻段上，總數據傳輸速率為2 Mb／s。兩個設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調下進行通信。采用Wi-Fi的WSN，不僅能夠享受到成熟的Wi-Fi技術帶來的好處，還能在單節AA電池下維持數年的使用壽命。與ZigBee無線傳感器網絡比較，Wi-Fi網絡則更成熟，在設備互操作上具備明顯優勢，比ZigBee有更長的通信距離、更快的通信速率。基于IP的聯網技術能夠非常方便地實現與已經安裝在企業和家庭中的網絡進行無縫連接，而且還具有更好的安全性。

2 硬件設計
??? 無線傳感器網絡節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線收發模塊、電源模塊構成，如圖1所示。

??? 數據處理和控制模塊是傳感器節點的核心，它主要實現設備控制、任務調度、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外設等全部設計在一只非常小的QFN封裝微型單芯片中。它可將無線傳感器網絡的處理器模塊和無線收發模塊集成在一起，實現無線傳感器網絡節點的無線化、微型化。高度集成的無線SoC設計，可減少系統成本，降低應用設計的復雜性，使設備功耗非常低。靈活配置的多個I／O接口，可以與多個傳感器相連接，系統設計更容易整合。

3 軟件設計
??? 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，具有執行效率高，占用空間小，實時性能優良和可擴展性強等特點。它包含了任務調度、任務管理、時間管理、內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。這里的無線傳感器網絡的軟件設計包括：無線功能(802．11)、GS1010 APIs、電源優化管理、網絡管理、系統管理和配置、I／O的服務和驅動程序、安全等，如圖2所示。

3．1 μC／OS-Ⅱ的移植
??? μC／OS-Ⅱ的文件系統結構包括核心代碼、設置代碼、與處理器相關的移植代碼，結構如圖3所示。其中，最上邊的軟件應用層是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。功能分別是內核管理、事件管理、存儲管理、消息管理、任務調度和定時管理等。設置代碼部分包括2個頭文件，用來配置事件控制塊的數目以及是否包含消息管理等相關代碼。而與處理器相關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，關鍵是以下三個與體系結構相關的文件：OS_cpu．H，OS_cpu．c，OS_cpu_a．s。
3．2 嵌入式Wi-Fi的軟件設計
??? 圖4是嵌入式Wi-Fi的軟件結構。將通信的實現分為三個任務：分別是網絡任務(NET_MAINTASK)、數據包接收任務(ETH_REPOLL_TASK)和周期時鐘任務(PERIO_TASK)。這三個任務之間相互協調完成數據從鏈路層到應用層或應用層到鏈路層的傳遞。網絡任務優先級在所有通信任務中優先級最高，當它完成網絡各部分初始化工作后，就負責對新近接收到的數據進行處理并向應用層分發。剛開始它會掛起自己，當接收到數據包收發任務發送的信號后轉入運行狀態。
??? NET_MAINTASK程序段如下：

4 結 語
??? 這里，在分析無線傳感器網絡體系結構的基礎上，介紹以GS1010芯片為核心，基于Wi-Fi技術的嵌入式無線傳感器網絡的設計。目前，Wi-Fi應用在無線傳感器網絡的技術還不成熟，還需要以后的進一步學習和研究。