專利名稱：一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明適用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、電力、交通、能源、水利、物流、醫(yī)療、家居、公益事 業(yè)場合環(huán)境、裝備、危險源、污染源狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)中，涉及嵌入式系統(tǒng)、以無線傳感 器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng)技術領域，尤其涉及一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝 置。
背景技術：
無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Networks,簡稱WSN)綜合了傳感技術、嵌入 式計算技術、分布式信息處理技術、現(xiàn)代網(wǎng)絡技術、通信技術和MEMS技術等，可用在工業(yè)、 農(nóng)業(yè)、軍事、電力、交通、能源、水利、物流、醫(yī)療、家居、公益事業(yè)場合環(huán)境、裝備、危險源、污 染源狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)中，具有極其廣闊的應用前景。一個典型的以無線傳感器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，包括無線傳 感器網(wǎng)絡節(jié)點(傳感節(jié)點和控制節(jié)點)、基站、本地終端以及主干傳輸網(wǎng)hternetdG (如 GPRS)、3G (如TD-SCDMA)、有線數(shù)字集群等和遠程移動終端及遠程固定終端。無線傳感器 網(wǎng)絡節(jié)點之間通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡，其目的是協(xié)作地感知、采集 和處理監(jiān)控區(qū)域中各環(huán)境參數(shù)傳感數(shù)據(jù)以及各執(zhí)行設備狀態(tài)數(shù)據(jù)并發(fā)送至基站；基站負責 對接收到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)(傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù))進行分析、轉換、計算和存儲，然 后將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到本地終端以及通過主干傳輸網(wǎng)化切111討、26(如6 1 )、36 (如 TD-SCDMA)、有線數(shù)字集群等發(fā)送到遠程終端，同時根據(jù)控制算法將所得出的控制指令通過 基站以多跳的方式發(fā)送到指定控制節(jié)點以驅動相應的執(zhí)行設備；管理人員可以在本地終端 或遠程終端上查看無線傳感器網(wǎng)絡信息。此外，管理人員下達的控制指令也是通過基站以 多跳的方式發(fā)送到指定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。因此，在以無線傳感器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng) 監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程中，基站處于承上啟下的地位，是數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袠协h(huán)節(jié)設備。雖然基站在以無線傳感器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)中起到非常關鍵的作用， 但是現(xiàn)有基站在實際應用中存在許多問題，具體表現(xiàn)在
1、兼容性不強?，F(xiàn)有基站通常只可以跟某種特定的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行通2、數(shù)據(jù)處理能力不夠。有的基站選用AtmegaU8/Atmega128L作為核心處理器， 該處理器是一款8位的單片機，最高主頻為16MHz，數(shù)據(jù)處理能力較弱，無法適應無線傳感 器網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較多、數(shù)據(jù)傳輸量較大的場合。3、數(shù)據(jù)轉發(fā)方式單一。有的基站只具有固定的、單一的數(shù)據(jù)轉發(fā)方式，無法根據(jù) 不同的應用需求靈活配置。4、工作環(huán)境受限。有的基站選用商業(yè)級元器件，在實際應用中會受到工作溫度的 限制。本發(fā)明正是以解決上述問題為出發(fā)點，系統(tǒng)地研究和設計了一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置。

發(fā)明內(nèi)容
技術問題
本發(fā)明的目的是提供一種在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、電力、交通、能源、水利、物流、醫(yī)療、家 居、公益事業(yè)場合環(huán)境、裝備、危險源、污染源狀態(tài)監(jiān)測和控制系統(tǒng)中有效應用的工業(yè)級雙 核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，以有效解決無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點與終端之間的 通信和控制方面的問題，并使其投資成本低、性價比高、實時性好、安全可靠、通用性好、使 用和維護方便。技術方案
本發(fā)明所述的雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，包括核心處理模塊、無線 傳感器網(wǎng)絡通信模塊、多終端接口模塊和電源模塊。所述核心處理模塊包括主處理器單元和存儲單元，存儲單元與主處理器單元的外 部總線接口連接，該模塊用于將無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊接收到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進 行轉化、存儲和加權融合，并將處理后的數(shù)據(jù)通過多終端接口模塊轉發(fā)到本地終端和遠程 終端，同時根據(jù)控制算法向控制節(jié)點發(fā)送控制指令；所述核心處理模塊還用于將多終端接 口模塊接收到的本地終端或遠程終端的控制指令通過無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊發(fā)往指定 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。所述無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊包括子處理器單元和無線收發(fā)單元，子處理器單元 通過異步串行接口與主處理器單元連接，該模塊用于配置和管理無線傳感器網(wǎng)絡，對無線 傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理以及實現(xiàn)與核心處理模塊之間的數(shù)據(jù)流通。所述多終端接口模塊包括串行接口單元、網(wǎng)絡接口單元、GPRS/TD-SCDMA接口單 元、顯示設備接口單元和USB接口單元，分別與主處理器單元的異步串行接口、獨立媒體接 口、異步串行接口、外部總線接口和USB接口連接，該模塊用于實現(xiàn)核心處理模塊與本地或 遠程終端之間的數(shù)據(jù)流通。所述電源模塊用于為核心處理模塊、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊、多終端接口模塊 提供能量。有益效果
1)本發(fā)明在系統(tǒng)地研究和設計了以無線傳感器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)基礎上， 設計并研制了一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，以有效解決無線傳感器網(wǎng) 絡節(jié)點與終端之間的通信和控制方面的問題以及無線傳感器網(wǎng)絡與主干傳輸網(wǎng)Internet、 2G (如GPRS)、3G (如TD-SCDMA)和有線數(shù)字集群等的通信問題，并且其投資成本低、性價比 高、實時性好、安全可靠、通用性好、使用和維護方便。2)本發(fā)明采用雙核結構，子處理器單元用于配置和管理無線傳感器網(wǎng)絡以及對無 線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理等預操作，主處理器單元用于對無線傳感器網(wǎng) 絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉換、存儲、加權融合，執(zhí)行控制算法，以及實現(xiàn)多終端通信任務的并發(fā)執(zhí) 行。由于子處理器單元選用和無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點相同的處理器，所以其實現(xiàn)無線傳感器 網(wǎng)絡協(xié)議將更加方便和穩(wěn)定，同時其執(zhí)行數(shù)據(jù)判別可以減少由數(shù)據(jù)錯誤重傳帶來的兩處理器通信開銷，主處理器單元則充分發(fā)揮其優(yōu)勢用來實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理量大的運算和存儲，兩者 各盡其職協(xié)同工作，最大限度提高數(shù)據(jù)處理能力和效率。3)本發(fā)明提供無線傳感器網(wǎng)絡的最大兼容性，可以與多種類型的無線傳感器網(wǎng)絡 節(jié)點進行通信。4)本發(fā)明提供了多種終端接口，可以根據(jù)實際應用場合靈活配置。5)本發(fā)明在設計中采用工程實用性設計和制作，在充分考慮到其裝置在實際應用 中抗干擾、成本及便于升級等因素，將無線收發(fā)單元(或無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊)以及 GPRS/TD-SCDMA接口單元分開制作，采用單獨的PCB板設計。6)本發(fā)明充分注意到其裝置的牢固性，部署前焊牢，并在其潔凈和干燥后用三防 漆密封，使得其裝置在潮濕、灰塵等環(huán)境中都能正常工作，而不會發(fā)生腐蝕、線路短路或漏 電故障等現(xiàn)象。7)本發(fā)明滿足工業(yè)級要求，具有防爆、防腐、防潮、防塵、抗靜電、抗電磁干擾能力， 能夠在-40° C +85° C的工作環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。。8)本發(fā)明由于具有上面6)、7)中所述的特點，能夠抵抗一般強度的高濕、高低溫、 風沙、撞擊和腐蝕等，極大地增強了其裝置在惡劣環(huán)境下的適應能力。


下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步的闡述。圖1是以無線傳感器網(wǎng)絡為核心的傳感網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)典型結構示意圖。圖2是本發(fā)明基站裝置結構框圖。圖3是本發(fā)明的主處理器單元1-1電路原理圖。圖4是本發(fā)明的存儲單元1-2中SDRAM電路原理圖。圖5是本發(fā)明的存儲單元1-2中NOR Flash和NAND Flash電路原理圖。圖6是本發(fā)明采用板內(nèi)連接方式實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2的子處理器單元 2-1電路原理圖。圖7是本發(fā)明采用板內(nèi)連接方式實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2的無線收發(fā)單元 2-2電路原理圖。圖8是本發(fā)明采用CCM30+CC2591方案實現(xiàn)板外連接方式的無線傳感器網(wǎng)絡通信 模塊2電路原理圖。圖9是本發(fā)明采用JN5139/JN5148-XXX方案實現(xiàn)板外連接方式的無線傳感器網(wǎng)絡 通信模塊2電路原理圖。圖10是本發(fā)明的串行接口單元3-1電路原理圖。圖11是本發(fā)明的網(wǎng)絡接口單元3-2電路原理圖。圖12是本發(fā)明的GPRS接口單元3_3電路原理圖。圖13是本發(fā)明的TD-SCDMA接口單元3_3電路原理圖。圖14是本發(fā)明的顯示設備接口單元3-4中圖像處理器電路原理圖。圖15是本發(fā)明的顯示設備接口單元3-4中EDO-DRAM電路原理圖。圖16是本發(fā)明的USB接口單元3-5中USB HOST接口電路原理圖。
圖17是本發(fā)明的USB接口單元3-5中USB DEVICE接口電路原理圖。圖18是本發(fā)明的電源模塊4電路原理圖。圖19是本發(fā)明的子處理器單元2-1工作流程圖。圖20是本發(fā)明的主處理器單元1-1工作流程圖。圖21是本發(fā)明在畜禽設施養(yǎng)殖應用中的控制算法流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明所述的雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置結構框圖如圖2所示， 其包括核心處理模塊1、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2、多終端接口模塊3和電源模塊4。所述核心處理模塊1包括主處理器單元1-1和存儲單元1-2，存儲單元1-2與主 處理器單元1-1的外部總線接口連接，該模塊用于將無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2接收到的 無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行轉化、存儲和加權融合，并將處理后的數(shù)據(jù)通過多終端接口模塊3 轉發(fā)到本地終端和遠程終端，同時根據(jù)控制算法向控制節(jié)點發(fā)送控制指令；所述核心處理 模塊1還用于將多終端接口模塊3接收到的本地終端或遠程終端的控制指令通過無線傳感 器網(wǎng)絡通信模塊2發(fā)往指定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。 所述無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2包括子處理器單元2-1和無線收發(fā)單元2-2，子處 理器單元2-1通過異步串行接口與主處理器單元1-1連接，該模塊用于配置和管理無線傳 感器網(wǎng)絡，對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理以及實現(xiàn)與核心處理模塊1之 間的數(shù)據(jù)流通。所述多終端接口模塊3包括串行接口單元3-1、網(wǎng)絡接口單元3-2、GPRS/TD-SCDMA 接口單元3-3、顯示設備接口單元3-4和USB接口單元3-5，分別與主處理器單元1_1的異 步串行接口、獨立媒體接口、異步串行接口、外部總線接口和USB接口連接，該模塊用于實 現(xiàn)核心處理模塊1與本地或遠程終端之間的數(shù)據(jù)流通。所述電源模塊4用于為核心處理模塊1、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2、多終端接口 模塊3提供能量。本發(fā)明基站裝置的主處理器單元1-1選用Atmel公司的一款基于ARM920T內(nèi)核 的32位工業(yè)級嵌入式處理器AT91RM9200，其電路原理圖如圖3所示。AT91RM9200在工作 頻率為180 MHz時處理速度為200 MIPS ；具有獨立的16 kB的數(shù)據(jù)Cache和16 kB指令 Cache ；寫緩存，全功能MMU(虛擬內(nèi)存管理單元)；內(nèi)嵌16K SRAMU28K R0M;EBI (外部總線 接口)控制器(支持SDRAM、靜態(tài)存儲器、Burst Flash及NAND Flash) ；4個可編程的外部 時鐘信號；20通道的DMA(外設數(shù)據(jù)控制器)；1個lOM/lOOMBase-T型以太網(wǎng)控制器；4個 USART (通用同步/異步收發(fā)器)；2個USB2.0主機接口 ；1個USB2. 0設備接口 ；1個SPI (主 機/從機串行外設接口)； 1個TWI (兩線串行接口)； 1個MCI (多媒體卡接口)。本發(fā)明基站裝置的存儲單元1-2包括SDRAM、NAND Flash和NOR Flash。圖4 是SDRAM電路原理圖，其選用兩片Hynix公司的HY57V561620共同組成32位寬度，其 LDQM、BAO、BAU A0 A12、DQ0 DQ15 引腳分別與 AT91RM9200 的 AO(Al)、A16、A17、A2 A14、 D0 D15(D16 D31)引腳連接。圖5是NOR Flash和NAND Flash電路原理圖。其中NOR Flash選用Intel公司的E28F128J3A，用于存儲啟動代碼，其A1 AM、DQ(TDQ15引腳分別與AT91RM9200的A1 A24、D0 D15引腳連接。NAND Flash選用三星公司的K9F1208，用來存儲 操作系統(tǒng)映像和應用程序，其I/0(Tl/07、ALE、CLE引腳分別與AT91RM9200的D0 D7、A6、A7 引腳連接。本發(fā)明基站裝置采用板內(nèi)連接方式的無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2中子處理器單 元2-1選用Atmel公司生產(chǎn)的高性能、低功耗AVR 8位微處理器Atmegal28L，其電路原理 圖如圖6所示。AtmegaU8L Atmegal28L具有先進的RISC結構，最高8MHz工作頻率，大多 數(shù)指令在一個周期完成；內(nèi)嵌128K Flash,4K SRAM和4K EEPROM ；支持省電模式、掉電模式 等6種睡眠模式；具有多種總線和充足的輸入輸出接口 ；具有A/D、D/A接口 ；具有2. 7疒5V 的寬工作電壓范圍；具有與IEEE 1149. 1標準相兼容的JTAG接口。Atmegal28L的T)(D0、 RXDO引腳分別與AT91RM9200的RXD2、TXD2引腳連接。無線收發(fā)單元2-2選用TI公司生 產(chǎn)的低功耗、低供電電壓O. 3疒3. 6V)、高靈敏度(_109dbm)的無線射頻收發(fā)器CC1000，采 用頻移鍵控FSK載波技術，工作在433MHz、868MHz、915MHz、CC2420頻段，最大數(shù)據(jù)傳輸速率 為76. 81ibps，其電路原理圖如圖7所示。CC1000的PALE、PDATA、PCLK、DCLK、DIO引腳分別 與 AtmegaU8L 的 ICP1、T2、Tl、SCK、MISO 和 MOSI 引腳連接。本發(fā)明基站裝置采用CCM30+ CC2591方案實現(xiàn)板外連接方式的無線傳感器網(wǎng) 絡通信模塊2的電路原理圖如圖8所示。子處理器單元2-1和無線收發(fā)單元2-2選用TI 公司生產(chǎn)的一體化無線射頻收發(fā)處理器CCM30。CCM30結合了行業(yè)中領先的符合IEEE 802. 15. 4協(xié)議的2. 4GHz射頻收發(fā)器CC2420，內(nèi)置的8051單片機內(nèi)核的性能是工業(yè)標準 8051內(nèi)核核性能的8倍；優(yōu)良的無線接收靈敏度和強大的抗干擾性；在休眠模式下僅0. 9 uA的電流損耗，外部的中斷或RTC能喚醒系統(tǒng)；在待機模式下低于0. 6 uA的電流損耗，外 部的中斷能喚醒系統(tǒng)；硬件支持CSMA/CA功能；較寬的工作電壓范圍(2.0V1.6V)；數(shù)字化 的RSSI/LQI支持和強大的DMA功能；集成AES安全協(xié)處理器；具有2個強大的支持幾組協(xié) 議的USART，以及1個符合IEEE 802. 15. 4規(guī)范的MAC計時器、1個常規(guī)的16位計時器和2 個8位計時器；ZigBee/802. 15. 4全兼容的硬件層、物理層。CC2430的TXD, RXD引腳分別 與AT91RM9200的RXD2、T)(D2引腳連接。CC2591是TI公司推出的高性價比和高性能的 2. 4GHz RF前端，適合低功耗低電壓2. 4GHz無線應用，輸出功率高達22 dBm，能夠提高6 dB 的接收靈敏度，集成了開關、匹配網(wǎng)絡和平衡/不平衡電路、電感、PA (功率放大器)以及 LNA (低噪音放大器)。CC2591可以和CCM30實現(xiàn)無縫結合，其RF_P、RXTX、RF_N引腳分 別和 CC2430 的 RF_P、RXTX_SWITCH、RF_N 引腳連接。本發(fā)明基站裝置采用JN5139/JN5148-XXX方案實現(xiàn)板外連接方式的無線傳感器 網(wǎng)絡通信模塊2的電路原理圖如圖9所示。子處理器單元2-1和無線收發(fā)單元2-2選用 JENNIC公司生產(chǎn)的一體化無線射頻收發(fā)處理器模塊JN5139/JN5148-XXX(XXX為模塊型號 的不同后綴)，其中型號為M00/01/03的接收器靈敏度為-97dBm，TX功率為+3 dBm ；型號 為M02/04的接收器靈敏度為-lOOdBm，TX功率為+19daii。JN5139/ JN5148集成了 32位 RISC處理器和全兼容的2. 4GHz IEEE802. 15. 4收發(fā)器，大容量存儲器(JN5139: 96kB RAM、 192kB ROM; JN5148: 128kB RAMU28kB ROM)以及各種模擬和數(shù)字外設(包括 UART、SPI、 TWI、21個通用I/O 口、A/D、D/A)，具有發(fā)送距離遠、功耗低等特點，內(nèi)部自帶ZigBee協(xié)議棧， 特別適合健壯的、安全的、低功耗無線網(wǎng)絡應用。JN5139/JN5148的T)(D1、RXD1引腳分別與 AT91RM9200 的 RXD2、TXD2 引腳連接。
本發(fā)明基站裝置的串行接口單元3-1選用Maxim公司的MAX3241EAI，用來實現(xiàn) RS232與TTL電平的轉換，其電路原理圖如圖10所示。MAX3241EAI的T3IN、T2IN、T1IN、 R10UT、R20UT、R30UT、R40UT、R50UT 引腳分別與 AT91RM9200 的 TXDl、DTRl、RTSl、RI1、CTSl、 DSR1、RXD1、DCDl 引腳相連。本發(fā)明基站裝置的網(wǎng)絡接口單元3-2選用Davi com公司的以太網(wǎng)物理層控 制芯片DM9161BIEP，其電路原理圖如圖11所示。DM9161BIEP支持IOM和100M以太 網(wǎng)傳輸，主要完成對網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的接收解碼和對數(shù)據(jù)幀編碼發(fā)送；完全兼容IEEE802. 3u 10Base-T/100Base-TX 標準，同時兼容 ANSI X3T12 TP-PMD1995 標準；集成 10Base-T、 100Base-TX收發(fā)器，片內(nèi)濾波器；支持中繼模式和節(jié)點模式轉換，全工和半工模式切換；支 持MII (獨立媒體接口)和RMII (精簡獨立媒體接口)兩種接口模式。本發(fā)明的DM916IBIEP 采用 MII 接口與 AT91RM9200 互連，其 TXD
TXD[3]、RXD
RXD[3]、TXCLK, CRS, COL、 RXDV, RXER、RXCLK, TXEN、TXER 引腳分別與 AT91RM9200 的 ETX0 ETX3、ERX0 ERX3、ETXCK, ECRS, ECOL, ERXDV, ERXER、ERXCK, ETXEN、ETXER 引腳連接。本發(fā)明基站裝置的GPRS接口單元3-3為基站裝置擴展的GPRS功能提供標準的 GPRS模塊搭載平臺，其電路原理圖如圖12所示。GPRS模塊選用華為公司的EM310，其具有 EGSM900/GSM1800雙頻工作方式，接收靈敏度為_106 dBm,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以通過AT 命令控制其工作方式。EM310的T)(D和RXD引腳分別與AT91RM9200的T)(D3、RXD3引腳連接。本發(fā)明基站裝置的TD-SCDMA接口單元3_3為基站擴展的TD-SCDMA功能提供標 準的TD-SCDMA模塊搭載平臺，其電路原理圖如圖13所示。TD-SCDMA模塊選用聯(lián)芯公司的 LC6311，其主要特點包括=TD-HSDPA與GGE雙模；在TD-HSDPA制式下，下行數(shù)據(jù)傳輸速率可 達到2. 8Mbps ；支持在TD-SCDMA制式下的上下行非對稱數(shù)據(jù)傳輸能力，上下行數(shù)據(jù)傳輸速 率可分別達到384Kbps ；支持UART和USB兩種通信接口 ；內(nèi)部集成TCP/IP和H. 324協(xié)議 棧。LC6311 的 UART1_TX 和 UART1_RX 引腳分別與 AT91RM9200 的 TXD3、RXD3 引腳連接。本發(fā)明基站裝置的顯示設備接口單元3-4中的圖像處理器選用EPSON公司用于嵌 入式系統(tǒng)的S1D13506，其電路原理圖如圖14所示。S1D13506具有較低的功耗和極低的工作 電壓，可以滿足移動多媒體、手持設備的圖像控制；通過配置可與多種CPU總線兼容，支持 最高為16位數(shù)據(jù)寬度的IXD接口，可以在TFT IXD、CRT最高顯示64K的顏色；配置一個16 位的顯示接口，支持EDO-DRAM和FPM-DRAM，存儲器容量可選擇512kB Q56bit X 16bit)或 者 2MB (IMX 16bit)，選用 EDO-DRAM 時的最大傳輸速率可達 80MB/s。S1D1!3506 的 DB0 DB15、 ΑΒΓΑΒ20引腳分別與AT91RM9200的D(TD15、A1 A20引腳連接。本發(fā)明選用2MB EDO-DRAM 存儲器IS41LV16100B作為顯示緩存，其電路原理圖如圖15所示。IS41LV16100B的A0 A9、 100 1015、WE#、RAS#、LCAS#、UCAS# 引腳分別連接 S1D13506 的 MA0 MA9、MD0 MD15、翻、 RAS#、LCAS#、UCAS# 引腳。本發(fā)明基站裝置的USB接口單元3-5包括USB HOST接口和USB DEVICE接口。圖 16是USB HOST接口電路原理圖，其D+、D-引腳分別與AT91RM9200的HDPA、HDMA引腳連接。 圖17是USB DEVICE接口電路原理圖，其D+、D-引腳分別與AT91RM9200的DDP、DDM引腳連接。本發(fā)明基站裝置的電源模塊4電路原理圖如圖18所示。電源模塊4選用穩(wěn)壓芯片 LM2596-5. 0 輸出 5V 電壓，并選用 SPX1117-3. 3、SPX1117_1. 8 和 LM2576S-ADJ 將 5V 電壓 轉換為3. 3V、1. 8V和4V直流電壓。本發(fā)明基站裝置的子處理器單元2-1的工作流程如圖19所示，具體包括下列步 驟
步驟1啟動后完成初始化工作，并設置與主處理器單元1-1及無線收發(fā)單元2-2的連 接參數(shù)。步驟2根據(jù)所實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議(如Zigbee協(xié)議)的要求作為匯聚節(jié)點 (協(xié)調(diào)器)完成對無線傳感器網(wǎng)絡的初始化配置，主要包括分配信道、建立網(wǎng)絡、允許其它 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點加入。步驟3等待接收數(shù)據(jù)如果收到來自主處理器單元1-1的控制指令，則通過無線 收發(fā)單元2-2轉發(fā)到指定的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；如果收到來自無線收發(fā)單元2-2的無線 傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，則首先進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理等預操作，然后發(fā)往主處理器單元1-1 進行進一步分析處理。本發(fā)明基站裝置的主處理器單元1-1的工作流程如圖20所示，具體包括下列步 驟
步驟1上電后啟動操作系統(tǒng)，設置與子處理器單元2-1、串行接口單元3-1、網(wǎng)絡接口 單元3-2、GPRS/TD-SCDMA接口單元3_3、顯示設備接口單元3_4和USB接口單元3_5的連 接參數(shù)。步驟2創(chuàng)建多線程實現(xiàn)多任務的并發(fā)執(zhí)行，分別為無線傳感器網(wǎng)絡、串口、網(wǎng)口和 GPRS/TD-SCDMA接收線程如果無線傳感器網(wǎng)絡接收線程收到數(shù)據(jù)，則轉到步驟3 ；如果串 口、網(wǎng)口和GPRS/TD-SCDMA接收線程收到數(shù)據(jù)，則轉到步驟4。步驟3將接收到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行轉化、存儲和加權融合，然后一方面 將處理后的數(shù)據(jù)通過串行接口單元3-1、網(wǎng)絡接口單元3-2、GPRS/TD- SCDMA接口單元3_3 和顯示設備接口單元3-4發(fā)往本地和遠程終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳；另一方面根據(jù)控制算法判斷 是否需要控制，如需要則將控制指令通過子處理器單元2-1發(fā)往指定控制節(jié)點。步驟4將接收到的本地或遠程終端的控制指令通過子處理器單元2-1轉發(fā)到指 定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)下行，為避免數(shù)據(jù)流的沖突，各線程之間采取互斥對象進 行同步。本發(fā)明基站裝置從原理圖設計到加工制作都遵循工業(yè)級標準要求。在原理圖設計 時充分考慮了電磁干擾、阻抗匹配等要求，并且所有元器件及PCB板材都采用工業(yè)級產(chǎn)品。其中無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2中有部分高頻電路設計，為了確保整個基站裝置 的穩(wěn)定運行，要充分考慮高頻信號有效傳輸、噪聲隔離以及電磁屏蔽等要求，對于其關鍵部 件的元器件的封裝、大小、精度都有固定要求，不可隨意更改。存儲單元1-2中的SDRAM電 路工作頻率在IOOMHz以上，屬于高頻電路，PCB設計過程中考慮到了高速信號的串擾、信號 線等長及接地等多方面因素，最大限度保證基站裝置運行穩(wěn)定。另外，SDRAM電路布線要盡 量避開無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2和GPRS/TD-SCDMA接口單元3_3，防止高頻無線信號對其 工作造成影響。本發(fā)明基站裝置除了在原理圖設計和PCB板設計時充分考慮到抗干擾設計技術 和原則外，在硬件加工完成后還采取以下措施將無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2中的高頻電路部分采用金屬外殼進行屏蔽；將所有焊接點焊牢，并且注意到各焊接點的密封性；測試 工作完成后，將整個基站裝置用三防漆進行密封，然后固定安裝于具有密封、防爆功能的金 屬外殼內(nèi)，并將所有接縫用電磁密封襯墊填充，使其裝置能夠在潮濕、灰塵等環(huán)境中正常工 作，而不會發(fā)生腐蝕、線路短路或漏電故障等現(xiàn)象。下面結合以無線傳感器網(wǎng)絡技術為核心的畜禽設施養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中的具體應用， 對本發(fā)明基站裝置作進一步詳細說明。應用例一
在以無線傳感器網(wǎng)絡技術為核心的畜禽設施養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中，本發(fā)明基站裝置的 無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊2采用板內(nèi)連接方式實現(xiàn)，同時采用GPRS接口單元3-3擴展GPRS 功能。子處理器單元2-1中Atmegal28L的工作流程如下所示
步驟1啟動完成初始化工作，包括內(nèi)部存儲器和寄存器初始化、I/O端口初使化、電位 器初始化、調(diào)度器初始化、應用程序組件初始化和開中斷，同時完成對CCiooo的工作頻段、 發(fā)射功率、編解碼模式和數(shù)據(jù)傳輸速率等參數(shù)的設置以及與AT91RM9200連接的異步串行 接口波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù)的配置。步驟2作為匯聚節(jié)點建立無線傳感器網(wǎng)絡。首先將自己的跳數(shù)置為0，其他所有 節(jié)點都置自己的跳數(shù)初始值為最大跳數(shù)。匯聚節(jié)點向整個網(wǎng)絡廣播路由狀態(tài)數(shù)據(jù)包，匯聚 節(jié)點的鄰居節(jié)點在收到廣播后，選擇匯聚節(jié)點為自己的父節(jié)點，并將自己的跳數(shù)置為1。在 下次廣播路由狀態(tài)的時候，這些節(jié)點將在路由狀態(tài)廣播中包含自己新的跳數(shù)信息。這是一 個迭代過程，直到網(wǎng)絡中所有節(jié)點都設置了自己到匯聚節(jié)點的跳數(shù)為止。這樣，整個網(wǎng)絡就 形成了一個以匯聚節(jié)點為根節(jié)點的樹型拓撲結構。一個深度為N跳的網(wǎng)絡至少需要經(jīng)過N 個廣播周期才能建立完整的樹型拓撲結構。步驟3等待接收數(shù)據(jù)包。1)當收到來自異步串行接口的數(shù)據(jù)時，根據(jù)數(shù)據(jù)包格式判斷是否AT91RM9200的 控制指令，如果是則將包含節(jié)點號和控制信息(包括傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)采集周期和控制節(jié)點 的開關量)的數(shù)據(jù)包發(fā)往指定的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，否則丟棄。2)如果收到來自CC1000的數(shù)據(jù)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式判斷是否無線傳感器網(wǎng) 絡數(shù)據(jù)(包括傳感數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù))，如果不是則丟棄，如果是則根據(jù)數(shù)據(jù)包類型對數(shù)據(jù) 進行分類。對于狀態(tài)數(shù)據(jù)，讀取其狀態(tài)值是否0或1，如果是則通過異步串行接口發(fā)往 AT91RM9200，如果不是則丟棄數(shù)據(jù)，同時向其控制節(jié)點發(fā)送重傳指令，令其重新上傳狀態(tài)數(shù) 據(jù)；對于傳感數(shù)據(jù)，讀取數(shù)據(jù)是否存在0x00或OxFF，如果有則丟棄數(shù)據(jù)，并向其傳感節(jié)點發(fā) 送重傳指令，令其重新上傳傳感數(shù)據(jù)，如果沒有則將數(shù)據(jù)進行量綱處理后(例如乘以采集傳 感數(shù)據(jù)的增益倍數(shù)等)通過異步串行接口發(fā)往AT91RM9200。主處理器單元1-1中AT91RM9200的工作流程如下所示
步驟1上電后首先進行引導加載程序，然后啟動Linux操作系統(tǒng)，主要完成進程調(diào)度、 內(nèi)存管理、虛擬文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡接口和進程間通信等工作，然后設置與Atmegal28L、串行接 口單元3-1、GPRS接口單元3-3連接的異步串行接口波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等參數(shù)，完成 網(wǎng)絡接口單元3-2的套接字設置(包括協(xié)議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口)以及 顯示設備接口單元3-4和USB接口單元3-5的連接參數(shù)設置。
步驟2創(chuàng)建多線程實現(xiàn)多任務的并發(fā)執(zhí)行，分別為無線傳感器網(wǎng)絡、串口、網(wǎng)口和 GPRS接收線程。1)如果無線傳感器網(wǎng)絡接收線程收到數(shù)據(jù)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式判斷是否無線傳 感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，如果是則轉到步驟3，否則丟棄；
2)如果串口、網(wǎng)口和GPRS接收線程收到數(shù)據(jù)，首先根據(jù)數(shù)據(jù)包格式判斷是否控制指 令，如果是則轉到步驟4，否則丟棄。步驟3首先根據(jù)數(shù)據(jù)包類型將無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行分類。對于狀態(tài)數(shù)據(jù)，則 存入緩存中，并通過串行接口單元3-1、網(wǎng)絡接口單元3-2、GPRS接口單元3-3和顯示設備 接口單元3-4發(fā)往本地和遠程終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳。對于傳感數(shù)據(jù)，則根據(jù)計算公式進行數(shù) 據(jù)轉換，將處理后的數(shù)據(jù)一方面通過多終端接口上傳到本地和遠程終端，另一方面通過自 建的SQLite數(shù)據(jù)庫進行本地存儲，同時進行數(shù)據(jù)加權融合，并根據(jù)控制算法判斷是否需要 控制，如果需要則將生成的控制指令通過Atmegal28L發(fā)往指定控制節(jié)點。步驟4將接收到的本地或遠程終端的控制指令通過Atmegal28L轉發(fā)到指定無線 傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)下行，為避免數(shù)據(jù)流沖突(同時向Atmegal28L發(fā)送數(shù)據(jù))，各線程 之間采取互斥對象進行同步。假設在以無線傳感器網(wǎng)絡技術為核心的畜禽設施養(yǎng)殖監(jiān)控系統(tǒng)中，需要控制的環(huán) 境參數(shù)包括溫度、濕度和光照強度，被控設備包括風機、水簾和電燈，則本發(fā)明基站裝置所 執(zhí)行的控制算法如圖21所示，具體步驟如下
步驟1將所有傳感節(jié)點的溫度、濕度和光照強度加權融合求平均值以獲取當前環(huán)境參 數(shù)，同時從緩存中獲取當前被控設備的狀態(tài)信息。步驟2若溫度范圍不在23°C 25°C之間，則轉到步驟3 ； 若濕度低于60% RH，則開啟1組風機并開啟水簾；
否則開啟1組風機并關閉水簾； 轉到步驟6 ；
步驟3若溫度范圍不在25°C 27°C之間，則轉到步驟4 ； 若濕度高于80% RH，則開啟2組風機并關閉水簾； 否則開啟2組風機并開啟水簾； 轉到步驟6 ；
步驟4若溫度低于23°C，則關閉所有風機和水簾；轉到步驟6 ； 步驟5若溫度高于27°C，則打開所有風機和水簾；轉到步驟6 ； 步驟6若時間小于4:30或大于20:30，則關閉所有電燈； 若時間為4:30到8:00或17:00到20 30，則打開所有電燈； 若其他，則轉到步驟7;
步驟7若電燈關且光照強度小于201ux，則打開所有電燈； 若電燈開且光照強度大于601ux，則關閉所有電燈。
權利要求
1.一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，其特征在于包括核心處理模塊 (1)、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊O)、多終端接口模塊C3)和電源模塊(4)；所述核心處理模塊(1)包括主處理器單元(1-1)和存儲單元(1-2)，存儲單元(1-2)與 主處理器單元(1-1)的外部總線接口連接，該模塊用于將無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊(2)接 收到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行轉化、存儲和加權融合，并將處理后的數(shù)據(jù)通過多終端接 口模塊C3)轉發(fā)到本地終端和遠程終端，同時根據(jù)控制算法向控制節(jié)點發(fā)送控制指令；所 述核心處理模塊(1)還用于將多終端接口模塊C3)接收到的本地終端或遠程終端的控制指 令通過無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊( 發(fā)往指定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點；所述無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊( 包括子處理器單元(2-1)和無線收發(fā)單元0-2)，子 處理器單元(2-1)通過異步串行接口與主處理器單元(1-1)連接，該模塊用于配置和管理 無線傳感器網(wǎng)絡，對無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理以及實現(xiàn)與核心處理模 塊⑴之間的數(shù)據(jù)流通；所述多終端接口模塊⑶包括串行接口單元(3-1)、網(wǎng)絡接口單元(3-2)、GPRS/ TD-SCDMA接口單元(3-3)、顯示設備接口單元(3_4)和USB接口單元(3_5)，分別與主處理 器單元(1-1)的異步串行接口、獨立媒體接口、異步串行接口、外部總線接口和USB接口連 接，該模塊用于實現(xiàn)核心處理模塊(1)與本地或遠程終端之間的數(shù)據(jù)流通；所述電源模塊(4)用于為核心處理模塊(1)、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊O)、多終端接 口模塊C3)提供能量。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，其特征在于 所述無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊( 和GPRS/TD-SCDMA接口單元(3- 有多種組合方式無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊( 有兩種實現(xiàn)方式，第一種采用板內(nèi)連接方式，即將無線 傳感器網(wǎng)絡通信模塊O)的子處理器單元設計制作在核心處理模塊(1)的同一塊 PCB板上，但無線收發(fā)單元(2- 采用單獨的PCB板設計，所述子處理器單元(2-1)選用工 業(yè)級低功耗微處理器Atmegal28L，所述無線收發(fā)單元(2- 選用工作在433MHz或868MHz 或915MHz頻段工業(yè)級低功耗無線射頻收發(fā)器CC1000，無線收發(fā)單元Q-2)與子處理器單 元的同步串行接口連接；第二種采用板外連接方式，即無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊(2) (包括子處理器單元(2-1)和無線收發(fā)單元0-2))全部采用單獨的PCB板設計，所述子 處理器單元(2-1)和無線收發(fā)單元(2-2)選用工作在2.46泡頻段的具有0^430(或加 CC2590/CC2591)、CC2431 (或加 CC2590/CC2591)、JN5139 系列、JN5148 系列的工業(yè)級低功 耗無線射頻收發(fā)、處理一體的無線射頻收發(fā)處理器模塊或其高增益無線射頻收發(fā)處理器模 塊；GPRS/TD-SCDMA接口單元(3- 采用兩塊單獨的PCB板設計，分別支持GPRS網(wǎng)絡和 TD-SCDMA網(wǎng)絡，可以根據(jù)實際需要靈活配置。
3.根據(jù)權利要求1所述的雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，其特征在于 所述子處理器單元(2-1)根據(jù)所實現(xiàn)的無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議作為匯聚節(jié)點完成對無線傳 感器網(wǎng)絡的配置和管理；所述子處理器單元(2-1)還用于接收數(shù)據(jù)，如果收到來自主處理 器單元(1-1)的控制指令，則通過無線收發(fā)單元(2-2)轉發(fā)到指定的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點； 如果收到來自無線收發(fā)單元0-2)的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，則首先進行數(shù)據(jù)判別和量綱處 理，然后發(fā)往主處理器單元(1-1)進行進一步分析處理。
4.根據(jù)權利要求1所述的雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置，其特征在于所 述主處理器單元(1-1)用于創(chuàng)建多線程實現(xiàn)多任務的并發(fā)執(zhí)行，分別為無線傳感器網(wǎng)絡、 串口、網(wǎng)口和GPRS/TD-SCDMA接收線程如果無線傳感器網(wǎng)絡接收線程收到數(shù)據(jù)，則將接收 到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉換、存儲和加權融合，然后一方面將處理后的數(shù)據(jù)通 過串行接口單元(3-1)、網(wǎng)絡接口單元(3-2)、GPRS/TD- SCDMA接口單元(3_3)和顯示設備 接口單元(3-4)發(fā)往本地和遠程終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，另一方面根據(jù)控制算法判斷是否需要 控制，如需要則將控制指令通過子處理器單元發(fā)往指定控制節(jié)點；如果串口、網(wǎng)口和 GPRS/TD-SCDMA接收線程收到數(shù)據(jù)，則將接收到的本地或遠程終端的控制指令通過子處理 器單元轉發(fā)到指定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)下行，為避免數(shù)據(jù)流的沖突，各線 程之間采取互斥對象進行同步。
全文摘要
一種雙核多終端接口的無線傳感器網(wǎng)絡基站裝置包括核心處理模塊、無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊、多終端接口模塊和電源模塊。無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊配置和管理無線傳感器網(wǎng)絡，對接收到的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)判別和量綱處理，并將處理后的數(shù)據(jù)上傳核心處理模塊。核心處理模塊一方面將上傳的無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)進行轉化、存儲和加權融合，并將處理后的數(shù)據(jù)通過多終端接口模塊發(fā)往本地終端和遠程終端，同時根據(jù)控制算法實施控制策略；另一方面將由多終端接口模塊接收到的本地終端或遠程終端的控制指令通過無線傳感器網(wǎng)絡通信模塊發(fā)往指定無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。
文檔編號H04W84/18GK102111911SQ201110054859
公開日2011年6月29日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權日2011年3月8日
發(fā)明者李剛, 陳俊杰 申請人:東南大學, 南京拓諾傳感網(wǎng)絡科技有限公司