摘要：为了能够实时跟踪进入变电站巡检的工作人员或外来参观人员的移动轨迹，并在他们靠近危险区域时发出报警提示信号，提出了基于无线传感网络的变电站安全作业管理系统。设计了应用在基于WSN的变电站安全作业管理系统的网关，网关通过串口与WSN连接、通过以太网口与TCP/IP网相连接；设计了WSN与网关、网关与TCP/IP网之间通信的帧格式，实现了定位信息的上传以及控制命令的下达。现场运行表明，该网关稳定可靠，满足实际要求。
关键词：WSN；变电站；网关；通信规约
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1672-7800（2012）010-0139-03
作者简介：杜文波（1985-），男，西南科技大学信息工程学院硕士研究生，研究方向为嵌入式系统；李驹光（1972-），男，博士，西南科技大学信息工程学院副教授、硕士生导师，研究方向为嵌入式计算机工业控制系统；唐东明（1974-），男，博士，西南科技大学信息工程学院讲师，研究方向为嵌入式计算机控制技术。
0引言
在以人为本、安全第一的生产原则下，加强人员安全管理，切实减少人为因素造成的灾害或伤害事故是变电站关心的问题之一。针对基于摄像头对工作人员的监控和报警系统的布线和安装工序复杂且易出现监控盲区的缺陷，我们提出了基于WSN定位技术的危险工区安全作业管理系统，通过ZigBee无线传感器网络对工作人员的当前位置进行监控，跟踪其行进路线，使其在偏离既定工作路线或误入危险工区时及时地收到报警和提醒信息，从而杜绝事故的发生。同时，系统很好地解决了变电站对人员（包括外来访客）的有效管理和人性化监督。
基于ZigBee网络和IP网络的WSN网关设计就是在ZigBee无线传感器网络和互联网之间搭建一条传输数据的通道，实现ZigBee协议数据包和TCP/IP协议数据包的相互转换，使数据在ZigBee协议和TCP/IP协议之间双向传输，完成ZigBee网络和IP网络的互通。
1WSN网关工作原理
WSN网关工作原理如图1所示，主要由WSN节点、随身终端、监测前置机（网关）、中心服务器等硬件部分以及相关管理软件共同组成。图1中的锚节点即固定节点为安装在特定位置的WSN节点，网关节点即汇聚节点负责WSN与网关的通信，移动终端即移动WSN节点。WSN节点类似于手机的基站，将其部署于目标区域及其附近感兴趣的监测区域。节点能自动组网，形成自组织的网络系统，接收其覆盖范围内的信号。随身佩戴的移动终端可以定时向外广播包含其自身ID的“心跳信息”，当移动终端周边的固定节点收到该心跳信息时，即通过节点形成的自组织网络将数据自动上传到汇聚节点，汇聚节点通过串口将信息传递给部署于门卫室的网关。网关将收到的心跳信息通过UDP方式发送到后台监控服务器。后台监控服务器通过一定的定位算法依据收到心跳信号的WSN节点的位置即可解算出工作人员或外来访客的当前位置，结合变电站内间隔（或工作区域）分布的不同地理位置，确定持有该终端的工作人员所处区域是否为非法区域，如果是，系统将自动报警，提醒巡检人员注意安全或提醒外来人员回到合法区域，同时也可通知相关部门进行应急处理。服务器收到和处理后的数据同时通过以太网发送到管理中心的中心服务器上，通过前台人机界面展示给管理人员，为工作人员的考核提供一定的参考。
2WSN网关硬件设计
采用Atmel的工业环保级ARM9处理器AT91SAM9263，它整合了ARM926EJ-STM高性能内核，处理器的最高时钟频率为240MHz，32位高速ARM926EJ-S处理器、10/100M以太网MAC、USB2.0、SSC、UART以及其它丰富的片内外围部件。该系统中AT91SAM9263处理器配有64MB的SDRAM存储器、8MB的NORFlash、128MB的NANDFlash，完全满足系统硬件要求。对WSN（WirelessSensorNetwork）网络端提供1路485接口。
3WSN网关软件设计
3.1软件功能
在现场值班室放置远程嵌入式系统网关（监测前置机），主要完成以下功能：
（1）接收数据。根据WSN节点之间的无线通信协议，接收两类数据：WSN节点采集的现场数据、监控中心下发的指令数据。
（2）向现场的WSN节点发送控制信息。将监控中心下发的特定指令，向WSN发送诸如休眠节点、唤醒节点、采集网络节点状态、调节节点额定功率、采集WSN路由信息等控制指令。
（3）向上层管理软件提供数据接口向监控中心提供移动终端当前位置、巡视到位情况、误入工区情况等数据。
3.2通信规约设计
在本系统中，WSN中固定节点的定位或状态信息通过无线方式传送给WSN中的汇聚节点。为了让串口有效传输信息，必须设计相应的通信规约，同理，也应该设计网关与监控中心网络通信的通信规约。通信规约应该既满足通信双方的通信速度限制，又要利于通信帧的解析和有用数据的校验。基于以上原则，我们设计的通信规约如表1所示。
帧的总体结构如表1，不同类型的帧具有不同的功能字及信息字，从WSN传向网关的数据帧功能有状态信息帧、定位信息帧、固定节点回发区域设置握手数据帧及固定节点回发休眠设置握手数据帧，其功能码分别为0x01、0x02、0x03、0x04。状态帧信息字包括移动节点电压、位置以及传输路由等信息。此数据帧通过WSN网络中的固定节点定期上传，也称为心跳帧，主要是为了定时获取网络中各个固定节点的电压值，同时也为了判断在网络中是否存在“孤点”。固定节点上传数据的周期为10min。若后台管理端在WSN网络中所有固定节点唤醒后的30min内未接收到某个固定节点的该信号，则判断该固定节点脱离网络，提醒工作人员进行检查。定位帧的内容与定位算法相关，本系统定位帧包括发送广播信息的移动节点号及收到广播信息的固定节点号。该数据帧为触发式上传，即一旦固定节点接收到移动节点发送的“心跳包”即上传。固定节点回发区域设置握手数据帧由固定节点发出，用于向网关报告自身收到网关发送的区域划分指令（划分固定节点在的区域为安全区域或危险区域）。固定节点回发休眠指令握手数据帧由固定节点发出，用于向网关报告自身收到网关发送的休眠指令。 网关与WSN节点网络下行数据（网关到节点）帧包括休眠唤醒指令或修改固定节点ID指令（此时含修改后的ID）或提醒固定节点报警指令（此时含移动节点所处危险区域危险级别信息）信息。功能码分别为0x11、0x12、0x13。这些指令不同时出现，每类指令对应一种功能的帧。
网关与后台管理端上行数据帧包含固定节点状态信息帧及移动节点定位信息帧、网关心跳帧及“未设置状态节点”数据帧。功能码分别为0x21、0x22、0x23、0x24。“未设置上状态节点”数据帧主要是为了通知后台哪些固定节点状态设置没有成功，以便于调试。网关根据后台设置的状态向固定节点循环发送帧以设置区域类型，当网关执行的发送次数大于后台设置的循环发送次数时，如果存在未收到握手信息的固定节点，就以该数据帧的形式把相关固定节点号发送到后台管理端。
3.3软件具体设计
软件采用两进程Serial、Net流程图如图2、图3所示。进程间通过共享内存的方式通信，共享内存通信一个显而易见的好处是效率高，因为进程可以直接读写内存，而不需要任何数据的拷贝。对于像管道和消息队列等通信方式，则需要在内核和用户空间进行四次数据拷贝，而共享内存只拷贝两次数据：一次从输入文件到共享内存区，另一次从共享内存区到输出文件。因此，采用共享内存的通信方式效率是非常高的。共享内存中有3个区域，第一个区域seriabuffer存放网关通过串口发向WSN的数据帧；第二个区域netbuffer存放网关通过TCP/IP网络发向监控服务器的数据帧；第三个区域Stemp暂存固定节点配置信息（如节点坐标、节点所在位置设防安全等级）及状态信息。固定节点配置信息还存放在固定节点配置文件中以确保掉电不失。
Serial进程负责从串口接收数据并将接收到的片段按照规约拼接成完整帧，并对帧进行解析得到信息，若帧中含有固定节点状态信息则将状态信息写进Stemp。将收到的所有串口数据信息按照与监控中心网络的通信规约将信息封装成帧并存进缓存netbuffer。若seriabuffer中有数据则将其发送到串口，Net进程负责从网口接收数据并将这些数据按照通信规约拼接成帧，再解析这些帧提取帧信息，若帧含有发向WSN网络的控制信息则将这些信息按照网关与WSN网络的通信协议封装成帧后存进缓存seriabuffet并更新Stemp。若netbuffer中有数据，则将数据发向网口。
4结语
WSN网关已经投入了使用，经过现场调试，从实际运行效果来看，WSN网关达到了预期设计的要求。本文设计的WSN网关实现了WSN与公共网的互联，使得WSN应用于变电站等高危环境监控成功实现，同时也为物联网及无线传感网络提供了一种接入公共网的解决方案。但本文设计的WSN网关是专用于变电站监控的，其通信规约的固化使其并不一定适用于其它WSN与公共网络的互联问题。因此，研究一种普适的WSN与TCP/IP户联方案将成为以后的努力方向。
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（责任编辑：孙娟）