專利名稱：無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線傳感器網絡通信技術領域，尤其涉及一種無線傳感器網絡中使用的通信裝置。
背景技術：
近年來，隨著嵌入式軟硬件技術和無線通信技術的快速發(fā)展，無線傳感器網絡已成為新興的高新技術領域，目前已引起全世界的普遍關注與強烈興趣，有可能推動一場新的技術革命。作為一種動態(tài)配置的自組織網絡，結合不同類型的傳感器，可廣泛應用于環(huán)境與建筑物監(jiān)控、智能交通系統(tǒng)、智能家居、增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實、新一代普適計算、多機器人系統(tǒng)等諸多領域，具有極其廣闊的應用前景。無線傳感器網絡包含大量的傳感器節(jié)點和至少一個通信基站，傳感器節(jié)點通過傳感器獲取環(huán)境信息并通過智能單元進行簡單的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點間通過無線方式，以多跳的形式交換數(shù)據(jù)信息，最終將信息傳遞給通信基站，通信基站可以和監(jiān)控主機或Internet進行有線/無線通信，并完成數(shù)據(jù)包轉發(fā)。通信基站應當具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定的通信能力和持續(xù)的工作能力。它將傳感器節(jié)點收集到的信息進行簡單處理并轉發(fā)給監(jiān)控主機，同時也可以通過通信基站向傳感器網絡發(fā)送查詢、收集信息等指令。所以無線傳感器網絡通信基站應當包含微處理器單元和通信單元。同時，無線傳感器網絡還要求基站應具備持續(xù)穩(wěn)定的工作能力，這就對無線傳感器網絡通信基站的電源模塊提出了更高的要求。作為無線傳感器網絡信息的匯聚點，通信基站應當和監(jiān)控主機具有方便的通信接口。USB接口作為當前普遍采用的通用接口方式，能滿足這一要求，利用USB接口，同時也解決了通信基站的穩(wěn)定電源供應問題。
目前，包含微控制器單元與射頻單元、具備USB接口的、一體化的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置尚未出現(xiàn)。在無線傳感器網絡產品中，已出現(xiàn)了類似上述部分功能的芯片、模塊以及參考實現(xiàn)裝置，但都不能滿足上述基站設備要求，IC廠商Chipcon公司生產的CC2430的芯片，F(xiàn)reescale公司的MC9S08GT60和MC1319X芯片，Atmel公司的ATMega 128L芯片是支持無線傳感器網絡基站開發(fā)的核心芯片。專注于無線傳感器產品的美國Crossbow公司在這些芯片的基礎上生產的MICAz OEM EditionModules以及MIB510系列參考實現(xiàn)產品是最接近上述無線傳感器網絡通信基站要求的產品。MICAz OEM Edition Modules是一個64pin封裝的開發(fā)模塊，支持數(shù)字和模擬輸入輸出接口。在我國，具有類似MICAz OEM Edition Modules功能的產品還有Helicomm公司生產的IP-Link1270產品，這些模塊尚不能作為獨立的基站設備應用于無線傳感器網絡，需要二次開發(fā)才能形成產品，參考實現(xiàn)產品價格昂貴，不能大規(guī)模應用于無線傳感器網絡開發(fā)中。其次，類似Crossbow公司的MIB510系列產品，只支持與該公司的MICA系列節(jié)點配套使用，還不具備上述無線傳感器網絡基站的通用要求，并且緊緊支持串口連接，不具有USB接口，即插即用性能較差。第三，當前還有些無線傳感器網絡節(jié)點被作為基站使用，但是存在的問題是，大部分節(jié)點都是電池供電，這樣就不能滿足基站持續(xù)穩(wěn)定工作的要求，一旦節(jié)點能量出現(xiàn)問題，會導致基站失效而影響整個無線傳感器網絡的穩(wěn)定性。

發(fā)明內容
本發(fā)明的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置是鑒于上述問題而研發(fā)的，裝置具有計算能力、數(shù)據(jù)存儲能力、低速率無線通信收發(fā)能力，能通過USB接口作為從設備和其它主機相連。
本發(fā)明的特征在于，含有天線單元、射頻單元、微控制器單元、BDM接口單元以及串口/USB口轉換單元，其中射頻單元和該天線單元互連，微控制器單元通過SPI接口與該射頻單元互連，支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三種通信協(xié)議中的任何一種，支持點對點、星型、mesh等多種無線傳感器網絡拓撲結構。
串口/USB口轉換單元通過RXD接口與所連微控制器單元的相應輸入端相連，并通過TXD接口與所連微控制器單元的相應輸出端相連，而該串口/USB口轉換單元通過USB接口與監(jiān)控主機相連，作為匯聚節(jié)點與無線傳感器網絡節(jié)點進行無線通信。
還有，如前所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，微控制器單元通過一個BDM接口與對該微控制器單元進行應用程序擦寫的設備相連。
還有，如前所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述微控制器是一個8位微控制器。
本發(fā)明的其它技術方案，是裝有上述的無線傳感器網絡基站為特征的設備裝置。在2.4GHz免特許頻段支持最高250Kb/s傳輸速率，傳輸距離可達100m左右，微控制器單元具有64Kb存儲能力，并具有全信道自適應動態(tài)切換功能。
本發(fā)明所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置可以應用于家用保安機器人產品中。無線傳感器網絡通信基站通過USB口與保安機器人本體主機相連，接收并處理由無線傳感器網絡節(jié)點組成的家庭監(jiān)測單元所采集的數(shù)據(jù)信息。普通型保安機器人通信基站與兩個紅外節(jié)點、四個溫濕度節(jié)點、一個煤氣節(jié)點和一個煙霧節(jié)點進行通信，用于監(jiān)測家庭溫度、濕度、煤氣泄漏、煙霧火災和非法人員侵入。通過家用保安機器人產品性能測試，結果表明本發(fā)明運行穩(wěn)定，無線通信在2.4GHz免特許頻段支持最高250Kb/s傳輸速率，空曠環(huán)境傳輸距離可達100m左右，在50m范圍內，可穿透兩座家居水泥墻結構，發(fā)射功率輸出為0dB，接收靈敏度為-87～-92dBm，具有3.6～16dBm的輸出，2.5到3.4V操作電壓。無線通信具有全信道自適應動態(tài)切換功能，誤碼率低，抗直接干擾和多徑干擾能力強。


圖1表示本發(fā)明的通信基站在無線傳感器網絡中的連接框圖。
圖2表示本發(fā)明的構成單元連接框圖。
圖3表示8位微控制器單元所支持的協(xié)議棧框圖。
圖4表示本發(fā)明的通信基站串口/USB口轉換單元電路和BDM接口單元原理圖。
圖5表示本發(fā)明的射頻單元、8位微控制器單元單元原理圖。
具體實施例方式
以下根據(jù)圖1-5說明本發(fā)明實施例的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置。
圖1表示本發(fā)明的通信基站在無線傳感器網絡中的連接框圖。無線傳感器網絡包含大量的傳感器節(jié)點和至少一個通信基站，傳感器節(jié)點通過傳感器獲取環(huán)境信息并通過智能單元進行簡單的數(shù)據(jù)處理，節(jié)點間通過無線方式，以多跳的形式交換數(shù)據(jù)信息，最終將信息傳遞給通信基站，通信基站可以和監(jiān)控主機或Internet進行有線/無線通信，并完成數(shù)據(jù)包轉發(fā)。通信基站應當具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定的通信能力和持續(xù)的工作能力。它將傳感器節(jié)點收集到的信息進行簡單處理并轉發(fā)給監(jiān)控主機，同時也可以通過通信基站向傳感器網絡發(fā)送查詢、收集信息等指令，是監(jiān)控主機和各傳感器節(jié)點的連接樞紐，監(jiān)控主機可以是PC設備或者嵌入式處理設備，如ARM主機等。監(jiān)控主機可進行多傳感器信息數(shù)據(jù)融合與智能信息處理。
圖2表示第1實施例的構成。該第1實施例是本發(fā)明的各單元連接框圖。無線傳感器網絡基站主要由8位微控制器單元、射頻單元、串口/USB口轉換單元組成。另外還包括天線單元和BDM接口單元。其中，8微處理器采用Freescale公司的MC9S08GT60芯片，射頻單元的核心芯片為Freescale的MC13193芯片，串口/USB口轉換單元核心芯片型號為PL2303。該發(fā)明通過USB接口與監(jiān)控主機相連。其中8位微控制器單元和射頻單元由SPI接口(Serial Peripheral Interface)連接。SPI接口是近年來新發(fā)展的一種高速同步串行通訊接口。通訊分為主控方(Master)和從方(Slave)。整個通訊由主方控制，包括SPISTE-SPI Strob、SPICLK-Clock、SIMO(Slave Input/MasterOut)、SOMI(Slave Output/Master In)等通信信號。8位微控制器單元和串口/USB口轉換單元，通過RXD(Received data)、TXD(Transmit Data)接口相連。BDM接口單元連接到8位微控制器芯片的BDM管腳。BDM接口與Multilink設備相連，可以實現(xiàn)對微控制器單元應用程序的擦寫。收發(fā)天線單元直接與射頻單元相連。
圖3表示8位微控制器單元MCU(Micro-controller Unit)所支持的協(xié)議棧框圖。本發(fā)明的MCU單元，核心芯片MC9S08GT60具有4K大小的RAM，64K的FLASH。不僅具有8個數(shù)字通道接口，還有8個10比特的ADC(Analog to Digital Converter)接口，同時具有SPI接口。圖3(a)表示基站所支持的sMAC協(xié)議?？驁D。圖3(b)表示基站所支持的IEEE 802.15.4協(xié)議?？驁D。圖3(c)表示基站所支持的ZigBee協(xié)議?？驁D。在這些網絡協(xié)議基礎上，本發(fā)明的無線傳感器網絡基站支持點對點、星型、mesh等多種無線傳感器網絡拓撲結構。作為無線傳感器網絡節(jié)點，無線傳感器應用(Sensor App)程序可以直接寫入MCU，通過Sensor Interface，MCU可與溫度、濕度、紅外、煙霧等不同類型的傳感器相連，信號連接可以是模擬量或者數(shù)字信號。
本發(fā)明的天線單元和射頻單元，MC13193芯片具有3.6to-16dBm的輸出，2.0到3.4V操作電壓。-92dBm的靈敏度。電路采用多層PCB設計，設計精巧，成本較低。天線收發(fā)距離為100m左右，具有磚墻、水泥墻體的穿透能力。
圖4表示本發(fā)明的通信基站串口/USB口轉換單元電路原理圖。本單元主要實現(xiàn)通信基站和監(jiān)控主機的USB接口功能。主要包括PL2303接口轉換芯片、USB接口電路、BDM接口電路，以及外圍電路等部分。
圖5表示本發(fā)明的射頻單元、微控制器單元單元原理圖。
其中，MCU為MC9S0SGT60，射頻芯片為MC13193，兩芯片通過SPI接口相連，射頻單元是本發(fā)明的核心技術，直接影響到發(fā)明的性能。因MC13193的Tx差分輸出腳(第5，6腳)需要高頻扼流后接VDDA，所以PCB天線與兩根蛇形線相連，兩根蛇形線作高頻扼流電感用，即對高頻信號產生較高的阻抗，從而抑制高頻信號的通過。線長理論上應取需抑制頻率對應波長的四分之一，但考慮到線阻抗非50歐姆，以及蛇形線首尾處的其他引線，長度減少為八分之一，也可以對2.4G射頻信號起到較好的抑制作用。為降低收發(fā)天線的耦合，以及對收發(fā)天線各自諧振點的影響，減少收發(fā)天線回波損耗，本發(fā)明在設計時盡可能增加了兩天線的隔離度，并保持一定的線寬。MC13193電路有一16M四角晶體。C3和C4電容值為6.8pF才能匹配。同時，為提高性能，去耦電容靠近管腳，電源和時鐘線做加粗處理。其它外圍電路為常用電子元器件。
如上所述，按照本發(fā)明就能獲得應用于無線傳感器網絡的、支持sMAC、IEEE802.15.4和ZigBee通信協(xié)議的、具有64Kb存儲能力、傳輸距離可達100m左右、在2.4GHz免特許頻段支持最高250Kb/s數(shù)據(jù)傳輸速率、具有USB接口的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置。通信基站裝置具有較強的數(shù)據(jù)處理能力、穩(wěn)定的通信能力和持續(xù)的工作能力。將本發(fā)明的無線傳感器網絡通信基站作用在通信裝置中，可以獲得通信質量佳、可靠性高的通信裝置。
權利要求
1.無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于含有天線單元、射頻單元、微控制器單元、BDM接口單元以及串口/USB口轉換單元，其中射頻單元和該天線單元互連，微控制器單元通過SPI接口與該射頻單元互連，支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三種通信協(xié)議中的任何一種，支持點對點、星型、mesh等多種無線傳感器網絡拓撲結構。串口/USB口轉換單元通過RXD接口與所連微控制器單元的相應輸入端相連，并通過TXD接口與所連微控制器單元的相應輸出端相連，而該串口/USB口轉換單元通過USB接口與監(jiān)控主機相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述微控制器單元通過一個BDM接口與對該微控制器單元進行應用程序擦寫的設備相連。
3.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述微控制器是一個8位微控制器。
4.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述微控制器單元具有8個數(shù)字通道接口，8個10比特的ADC接口，以及SPI接口。
5.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述天線單元和射頻單元為MC13193芯片，其具有3.6to-16dBm的輸出，2.0到3.4V操作電壓，-92dBm的靈敏度。
6.根據(jù)權利要求1所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置，其特征在于，所述串口/USB口轉換單元主要包括PL2303接口轉換芯片、USB接口電路、BDM接口電路，以及外圍電路。
7.一種具有無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置的家用保安機器人裝置，其特征在于，無線傳感器網絡通信基站通過USB口與保安機器人本體主機相連，接收并處理由無線傳感器網絡節(jié)點組成的家庭監(jiān)測單元所采集的數(shù)據(jù)信息。
全文摘要
本發(fā)明屬于無線傳感器網絡通信技術領域，其特征在于，所述通信裝置是由天線單元、射頻單元、8位微控制器單元、BDM接口單元以及串口/USB口轉換單元依次互相串接而成，其中，串口/USB口轉換單元與檢測主機相連。所述通信裝置支持sMAC、IEEE802.15.4和ZigBee通信協(xié)議中的任何一種，同時具有BDM接口，借助Multilink工具，支持向微控制器單元進行程序的上載和刪除。本發(fā)明所述的無線傳感器網絡通信基站用的通信裝置可以應用于家用保安機器人產品中，可以用于監(jiān)測家庭溫度、濕度、煤氣泄漏、煙霧火災和非法人員侵入。
文檔編號H04L12/28GK1953378SQ200610114628
公開日2007年4月25日 申請日期2006年11月20日 優(yōu)先權日2006年11月20日
發(fā)明者鄧志東, 裴忠民 申請人:清華大學