專利名稱：傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種傳感器模塊，特別是一種傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)需要將傳感器接入Internet/Intranet (企業(yè)內(nèi)部網(wǎng))，以實現(xiàn) 遠程分布式控制。但傳統(tǒng)的傳感器不具備接入網(wǎng)絡(luò)的能力，而且傳感器的設(shè)計壽命比較長， 簡單的升級換代必然會造成資源的巨大浪費?，F(xiàn)代傳感器已經(jīng)具備了網(wǎng)絡(luò)接口，主要采用現(xiàn)場總線的方式將傳感器接入網(wǎng)絡(luò)。 該方法的主要缺陷在于目前市場上是多種現(xiàn)場總線并存的現(xiàn)象，使得基于現(xiàn)場總線接口 協(xié)議標準各異，難以統(tǒng)一。而且現(xiàn)有工廠和企業(yè)大都建有Intranet，Intranet和Internet 具有相同的技術(shù)原理，都基于通用的TCP/IP協(xié)議。部分現(xiàn)場總線采用的是非TCP/IP協(xié)議， 使得測控網(wǎng)(Infranet)與信息網(wǎng)絡(luò)(Intranet)難以有效結(jié)合。為了便于將傳感器/執(zhí)行器接入到信息網(wǎng)絡(luò)，一種解決方案是在傳感器內(nèi)部直接 嵌入TCP/IP協(xié)議，使傳感器在現(xiàn)場級就具備了網(wǎng)絡(luò)功能，如美國Seikolnstruments公司生 產(chǎn)的ichipS7600A芯片。這種方案需要將現(xiàn)有的傳感器全部升級換代，成本很高。另一種方案是采用一種通用的TCP/IP協(xié)議的接口模塊，一端通過STIM接口與傳 感器相連，另一端接入到信息網(wǎng)絡(luò)。文獻“公開號是CN1561065的中國專利”公開了一種傳 感器自適應(yīng)無縫接入Internet的方法，該方法通過以太網(wǎng)與Internet相連，實施時需要進 行現(xiàn)場布線，而有些工業(yè)控制場合不具有現(xiàn)場布線條件，或布線的難度較高。因此，只能部 分解決以通用協(xié)議將傳感器接入到信息網(wǎng)的問題。文獻公開的硬件結(jié)構(gòu)如圖5所示。包括微控制器、以太網(wǎng)控制芯片、電子盤、RJ45 接口以及擴展總線接口。微控制器通過內(nèi)部總線連接以太網(wǎng)控制芯片和非易失性存儲器電 子盤，又從以太網(wǎng)控制網(wǎng)控制芯片引出標準的RJ45接口，同時從內(nèi)部總線引出一個擴展總 線接口，這幾部分是用NetBox網(wǎng)絡(luò)開發(fā)平臺實現(xiàn)的。數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換電路通過擴展總線接口 將傳感器的輸出信號數(shù)字化處理后傳送給微控制器。
發(fā)明內(nèi)容為了克服現(xiàn)有技術(shù)傳感器接入Internet/Intranet時需要現(xiàn)場布線的不足，本實 用新型提供一種傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊，可以在不具備現(xiàn)場布線條件的條件下，以無 線自組織網(wǎng)絡(luò)方式接入到Internet/Intranet。本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案一種傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模 塊，其特點是包括無線通信單元、傳感器接口單元和視頻編碼傳輸單元，以及嵌入式微處理 器 PXA270 芯片、SDRAM、FLASH、USB2. OClient、LCD 接口、LAN 9ICl 11NE、RJ45 接 口，所述無 線通信單元由USB1. 1H0ST和無線網(wǎng)卡組成，所述傳感器接口單元由RS232串口擔(dān)任，所述 視頻編碼傳輸單元由SPI接口、SD卡接口和BF537組成，采用5V外部直流電源或5V鋰電 供電；USB1. 1H0ST連接無線網(wǎng)卡；IXD接口連接觸摸屏，SD卡接口將視頻信息及模塊工作狀態(tài)信息存儲于SD卡上，RS232串口提供9線串口，供與傳感器通信使用；SPI接口用于連接 基于BF537的H. 264視頻壓縮板；LAN 91C111NE與RJ45接口固網(wǎng)連接；加電后，模塊啟動， 自主運行自組網(wǎng)路由協(xié)議，加入Internet/Intranet ；通過RS232接口讀取傳感器的輸出數(shù) 據(jù)；將傳感器輸出數(shù)據(jù)封裝到UDP協(xié)議中；通過無線通信單元，以無線自組網(wǎng)的方式將傳感 器數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。本實用新型具有以下有益效果1.使傳統(tǒng)智能傳感器具備了網(wǎng)絡(luò)接口，將傳感器作為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點直接與計算機網(wǎng) 絡(luò)通信。使傳感器在現(xiàn)場級就具備了網(wǎng)絡(luò)功能，將測控網(wǎng)與信息網(wǎng)有機網(wǎng)有機地結(jié)合起來。2.通過無線自組網(wǎng)方式將智能傳感器以標準TCP/IP協(xié)議連接入到Internet/ Intranet。解決了不具備現(xiàn)場布線條件下傳感器接入網(wǎng)絡(luò)的問題。3.該模塊內(nèi)置了 H. 264視頻壓縮模塊，在傳輸傳感器數(shù)據(jù)的同時可傳輸現(xiàn)場視頻 信息，建立全方位的現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)。4.采用優(yōu)化的UDP協(xié)議傳輸傳感器數(shù)據(jù)，解決了無線自組網(wǎng)環(huán)境下傳感器數(shù)據(jù)傳 輸?shù)目焖傩耘c可靠性無法兼顧的問題。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型作詳細說明。

圖1是本實用新型傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊框圖。圖2是本實用新型傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊中視頻數(shù)據(jù)的傳輸流程圖。圖3是本實用新型實施例的網(wǎng)絡(luò)拓樸圖。圖4是采用本實用新型傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊進行自組網(wǎng)的流程圖。圖5是背景技術(shù)的框圖。
具體實施方式
參照圖1 4。本實用新型模塊主要由無線通信單元、傳感器接口單元和視頻編 碼傳輸單元三個功能單元組成。模塊的核心是嵌入式微處理器PXA270芯片，配合64MB的 SDRAM(2 片 K4S561632E)和 32M 的 FLASH(2 片 E28F 128J3 Intel Strata Flash)構(gòu)成最小 化系統(tǒng)。外圍接口包括一個 USB 1. 1H0ST、一個 USB2. OClient、一個 SPI 接口、一個 RS232 串口、一個RJ45標準以太網(wǎng)接口、IXD接口和一個SD卡接口。采用5V外部直流電源或鋰 電池兩種供電方式。USB HOST接口用于連接無線網(wǎng)卡；IXD接口連接了一個4. 3英寸的觸 摸屏，實現(xiàn)圖形顯示和用戶輸入；SD卡接口用于將視頻信息及模塊工作狀態(tài)信息存儲于SD 卡上，主要于記錄故障狀態(tài)，便于事后分析；RS232串口向外提供9線串口，供與傳感器通信 使用；SPI接口用于連接基于BF537的H. 264視頻壓縮板；以太網(wǎng)接口用于連接固網(wǎng)，實現(xiàn) 網(wǎng)關(guān)工作狀態(tài)。模塊在啟動后首先判斷USB接口所連接的無線網(wǎng)卡類型，并啟用對應(yīng)的驅(qū)動程 序，目前本實用新型支持USB接口的802. lib,802. Ilg,802. Ila,802. 15. 4標準的USB無線 網(wǎng)卡。無線網(wǎng)卡啟動后，讀取網(wǎng)絡(luò)設(shè)置參數(shù)，為無線網(wǎng)卡分配正確的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。無線網(wǎng)卡工 作正常后，主程序啟用三個守護進程無線自組網(wǎng)路由程序、串口監(jiān)控程序、視頻轉(zhuǎn)發(fā)程序。無線路由程序選擇OLSR協(xié)議，也可選擇其它無線自組網(wǎng)路由協(xié)議。路由協(xié)議通過 與鄰近節(jié)點不斷交換路由消息，維護路由表，為發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)和視頻數(shù)據(jù)提供路由服務(wù)。同時也為其它節(jié)點的數(shù)據(jù)提供中繼服務(wù)，形成無線自組網(wǎng)。串口監(jiān)控程序以中斷工作方式與傳感器相連當傳感器有數(shù)據(jù)發(fā)送時，觸發(fā)中斷， 讀取傳感器數(shù)據(jù)，以優(yōu)化的UDP協(xié)議封裝后，通過無線通信單元發(fā)送給控制中心。視頻轉(zhuǎn)發(fā)程序通過內(nèi)置的H. 264編碼模塊將視頻信息編碼后以RTP協(xié)議封裝后通 過無線通信單元傳輸。根據(jù)分層設(shè)計的原則，視頻壓縮模塊中的視頻編碼子模塊負責(zé)接收上層的采集模 塊的數(shù)據(jù)，按照一定標準進行編碼，并且根據(jù)預(yù)先的設(shè)置進行視頻發(fā)送單元的封裝模式，然 后交付下層發(fā)送。而視頻解碼子模塊負責(zé)接收下層接收模塊的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)設(shè)置進行視 頻單元的解封工作，然后對數(shù)據(jù)進行視頻解碼工作，最后負責(zé)將解碼后的視頻遞交至上層 進行播放。單元封裝主要是因為H. 264/AVC標準中存在的VCL層和NAL層，其中VCL負責(zé) 視頻編碼和視頻解碼，而NAL則是完成網(wǎng)絡(luò)抽象編碼和解碼，亦即將視頻數(shù)據(jù)劃分為一個 特定的單元。NAL包可以直接作為文件格式進行發(fā)送和接收，也可以通過打包進RTP協(xié)議進 行發(fā)送和接收。TCP的連接維持的開銷及面向流的通信等特點不適合發(fā)送大量獨立消息報文的場 合。因此，本實用新型利用滑動窗口協(xié)議為UDP引入可靠傳輸機制，并面向無線自組網(wǎng)特點 進行重傳機制優(yōu)化，用于傳輸傳感器數(shù)據(jù)，優(yōu)化UDP協(xié)議的協(xié)議首部結(jié)構(gòu)及類型定義。
0115
類型1 數(shù)據(jù)序號類型字位DATA0ACK1優(yōu)化UDP協(xié)議的發(fā)送和接收雙方分別維護一個報文窗口，分別用來表示發(fā)送方已 發(fā)送但尚未被確認的報文數(shù)據(jù)和接收方允許接收的報文數(shù)據(jù)范圍。發(fā)送窗口中的報文個數(shù) 不能超過一個最大長度；接收窗口的大小同樣也是固定的。由于發(fā)送窗口大小有限，發(fā)送方 還需要引入一個緩沖區(qū)來緩存應(yīng)用層所要發(fā)送的消息。跟一般的滑動窗口協(xié)議一樣，優(yōu)化 UDP協(xié)議中通過引入確認及重傳機制來保證傳感器數(shù)據(jù)的可靠傳輸。傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊通過RS232接口與智能傳感器接口模塊(STIM)互聯(lián)， 通過無線自組網(wǎng)協(xié)議使傳統(tǒng)傳感器具備無線傳輸及快速組網(wǎng)能力，從而擴展為無線網(wǎng)絡(luò)傳 感器。其處理步驟為(1)加電后，模塊啟動，自主運行自組網(wǎng)路由協(xié)議，以自組網(wǎng)的方式加入 Internet/Intranet ；(2)通過RS232接口讀取傳感器的輸出數(shù)據(jù)；(3)將傳感器輸出數(shù)據(jù)封裝到UDP協(xié)議中；(4)通過無線通信單元，以無線自組網(wǎng)的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。(a)采用USB接口連接無線發(fā)射裝置，以支持不同的無線接口協(xié)議，本實用新型可 支持 802. lib,802. Ilg,802. Ila 及 802. 15. 4 無線網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議。(b)集成了基于h. 264的視頻編碼模塊，可實現(xiàn)視頻監(jiān)控與傳感器數(shù)據(jù)同時傳輸。(c)集成了以太網(wǎng)接口，可作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點接入有線網(wǎng)，或?qū)鞲衅髦苯右杂芯€方式 接入信息網(wǎng)。[0038](d)對傳感器數(shù)據(jù)采用優(yōu)化的UDP協(xié)議進行封裝，在保證快速的同時保證數(shù)據(jù)的
可靠性。引入滑動窗口協(xié)議實現(xiàn)UDP協(xié)議的可靠傳輸、針對測控網(wǎng)環(huán)境對滑動窗口協(xié)議的 確認和重傳機制進行優(yōu)化。優(yōu)化UDP協(xié)議的格式只有兩個字節(jié)的協(xié)議頭，表示的內(nèi)容包含 數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)序號，數(shù)據(jù)類型分為DATA和ACK，占用1位，序號用余下的15位來表示Data 包的序號或ACK包確認的序號。實施例傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊內(nèi)置了無線自組網(wǎng)路由協(xié)議，每個模塊除了 可以與傳感器相連實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸功能外，還可以為其它模塊提供中繼服務(wù)，也可不 與傳感器相連，單獨作為中繼節(jié)點使用，從而形成自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接 口模塊具有兩種應(yīng)用方式工業(yè)中間產(chǎn)品和獨立網(wǎng)絡(luò)接口模塊。工業(yè)中間產(chǎn)品為板卡形式， 可提供給傳感器生產(chǎn)廠商，僅進行外觀重新設(shè)計后即可將現(xiàn)有傳統(tǒng)智能傳感器升級為網(wǎng)絡(luò) 傳感器。獨立網(wǎng)絡(luò)接口模塊應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場，直接與已布置的傳感器相連，將傳感器接 入Internet/Intranet網(wǎng)，將測控網(wǎng)與信息網(wǎng)統(tǒng)一起來。
權(quán)利要求一種傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊，其特征在于包括無線通信單元、傳感器接口單元和視頻編碼傳輸單元，以及嵌入式微處理器PXA270芯片、SDRAM、FLASH、USB2.0Client、LCD接口、LAN 91C111NE、RJ45接口，所述無線通信單元由USB1.1HOST和無線網(wǎng)卡組成，所述傳感器接口單元由RS232串口擔(dān)任，所述視頻編碼傳輸單元由SPI接口、SD卡接口和BF537組成，采用5V外部直流電源或5V鋰電供電；USB1.1HOST連接無線網(wǎng)卡；LCD接口連接觸摸屏，SD卡接口將視頻信息及模塊工作狀態(tài)信息存儲于SD卡上，RS232串口提供9線串口，供與傳感器通信使用；SPI接口用于連接基于BF537的H.264視頻壓縮板；LAN 91C111NE與RJ45接口固網(wǎng)連接；加電后，模塊啟動，自主運行自組網(wǎng)路由協(xié)議，加入Internet/Intranet；通過RS232接口讀取傳感器的輸出數(shù)據(jù)；將傳感器輸出數(shù)據(jù)封裝到UDP協(xié)議中；通過無線通信單元，以無線自組網(wǎng)的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。
專利摘要本實用新型公開了一種傳感器無線網(wǎng)絡(luò)化接口模塊，用于解決現(xiàn)有的傳感器接入Internet/Intranet時需要現(xiàn)場布線的技術(shù)問題。其技術(shù)方案包括無線通信單元、傳感器接口單元和視頻編碼傳輸單元，以及嵌入式微處理器PXA270芯片。加電后，模塊啟動，自主運行自組網(wǎng)路由協(xié)議，加入Internet/Intranet；通過RS232接口讀取傳感器的輸出數(shù)據(jù)；將傳感器輸出數(shù)據(jù)封裝到UDP協(xié)議中；通過無線通信單元，以無線自組網(wǎng)的方式將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到目的節(jié)點。本發(fā)明通過無線自組網(wǎng)方式將智能傳感器以標準TCP/IP協(xié)議連接入到Internet/Intranet。解決了不具備現(xiàn)場布線條件下傳感器接入網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)問題。
文檔編號H04W84/18GK201699998SQ20102012365
公開日2011年1月5日 申請日期2010年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月4日
發(fā)明者周文佳, 孫凱將, 張力, 李靜華, 洪亮, 陳旿 申請人:西北工業(yè)大學(xué)