CN101178837A - 一种无线传感器网络控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络控制器，该控制器包括终端测控器、无线通信单元；所述的终端测控器内置终端软件，通过预留的可配置的I/O接口，用于接收所监测工位传感器的信息，并对其工作状态进行控制；无线通信单元用于完成相关工位的数据通信，它包括一无线通信模块以及符合ZigBee协议的无线通信协议栈，终端测控器通过SPI接口和无线通信单元相连。终端测控器设置在生产线的每个工位或者移动工业机器人上；该仪器制造成本低、功能强、精度高，速度快，操作方便，是集无线传感器网络通信、数据采集、数据处理、状态控制于一体的智能化、网络化的工业网络测量、控制系统设备，可实现自动化生产线各生产工位以及移动工业机器人的协同作业的实时测控。

Description

一种无线传感器网络控制器

技术领域

本发明属于基于无线自组织网络的嵌入式实时测控领域，涉及一套测控仪器，更进一步涉及一种用于自动化生产线各生产工位以及移动工业机器人协同作业的无线传感器网络控制器。

背景技术

传统的工业自动化生产线的现场，包括各种传感器，控制器，仪器仪表等设备，并以有线的方式进行之间的数据通信。虽然随着微电子技术、计算机技术以及通信技术的飞速发展，工业自动化系统技术得到了空前的发展，从基于模拟信号传输的集散控制系统(DCS)，到数字化、智能化、全分散的现场总线，然而依旧通过有线的方式进行通信，针对生产现场中的大量移动、旋转或临时安装的设备的联网要求，仍不能很好满足。同时，工业控制等实时系统网络通信中工作站需要传输数据量的增长，以及数据类别的增多，传统的技术渐渐不能满足实时工业控制的需要。无线局域网不需增加额外的布线，并且支持节点的位置移动，无线网络拓扑结构更适合工业网络应用，覆盖范围可以通过拓扑结构而扩大，比起有线来说更为方便。因此，将无线传感器网络技术应用于工业自动化测控现场或移动工业机器人群控，研制用于工业自动化生产线的无线传感器网络控制器，对提高国内工业自动化水平是十分必要的。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种无线传感器网络控制器，该控制器采用无线自组织网络的嵌入式，具有实时性、高可靠性和高性价比。能够实现自动化生产线各生产工位以及移动工业机器人的协同作业的实时测控。同时，还可根据应用目的的不同，结合配置的通用测控系统组态软件，可容易实现各种类型无线网络测控系统的组建。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种无线传感器网络控制器，其特征在于，该控制器包括终端测控器、无线通信单元；所述的终端测控器设置在生产线的每个工位或者移动工业机器人上，终端测控器内置终端软件，通过预留的可配置的I/O接口，用于接收所监测工位传感器的信息，并对其工作状态进行控制；所述的无线通信单元用于完成相关工位的数据通信，它包括一无线通信模块以及符合ZigBee协议的无线通信协议栈，终端测控器通过SPI接口和无线通信单元相连。

所述的终端控制器的核心为基于ARM9TDMI架构的S3C2410芯片，配合32MB的HY57V561620CT内存芯片和64MB的K9F1208UOM的NANDFLASH芯片构成控制器的最小系统；其中S3C2410芯片提供SPI接口，和2个中断，4个通用I/O，2个电源，供CC2420射频模块传输数据使用。

按照在ZigBee网络中任务不同，终端测控器可分为ZigBee协调器(ZigBee Coordinator)、ZigBee路由器(ZigBee Router)和ZigBee终端设备(ZigBee End Device)。

本发明的无线传感器网络控制器，适用于自动化生产线各生产工位以及移动工业机器人的协同作业的实时测控。无线传感器网络控制器可根据应用目的的不同，结合配置的通用测控系统组态软件，可容易实现各种类型无线网络测控系统的组建。无线传感器网络控制器具有通信周期小，CPU占用率低，系统装置体积小、重量轻、功耗低，系统组网通信覆盖范围不大于2km，2.4GHz通信频率，符合国际标准。

附图说明

图1是本发明的系统逻辑结构图；

图2是本发明的系统硬件结构框图；

图3是本发明的软件功能结构图；

图4是本发明的路由算法流程图；

图5是树形路由网络模型；

图6是本发明的通用测控系统组态软件算法的一个具体实现；

为了更清楚的理解本发明，下面结合附图和发明人给出的具体实施例，对本发明作进一步的详细描述与说明。

具体实施方式

本发明的硬件平台设计采用了ARM技术和CC2420射频模块；软件设计上采用以Linux操作系统为软件平台核心，完成Linux下IEEE 802.15.4/ZigBee协议栈和通用测控系统组态软件。

图1是本发明的系统逻辑结构图；可以将生产线划分为几个相对独立的部分，称为工位。每个工位都有监测的传感器，用于生产操作的执行单元。每个工位都需要配备该终端设备一套。工位的所有传感器信号经调理电路转换为一组开关量与终端测控器提供的输入接口相连。终端测控器输出一组24V直流通断控制信号，经过外部的控制调理电路，控制执行单元。CC2420射频通信模块通过SPI接口、2个终端和4个I/O与终端设备相连。通过RS232接口和PC相连，用以配置通用测控系统组态软件。

对本工位的信息，由传感器经调理电路输入终端设备，调理电路可以针对每个传感器输出特性按照电路的要求另行设计，这对于本领域的技术人员并不困难。并通过无线通信模块发送。其它工位的实时状态信息，经由无线通信模块接收。有这些工位的状态信息和当前工位的输出状态，通过配置好的测控系统组态软件，决定下一时刻的输出状态。再经由特定的控制调理电路，控制执行单元。控制调理电路是针对每个执行单元另行设计的。工位之间的通信由CC2420射频通信模块和ZigBee通信协议完成，采用树形路由网络模型。

图2是发明人给出的终端测控器的电路框图。控制器的核心为基于ARM9TDMI架构的S3C2410芯片。配合32MB的HY57V561620CT内存芯片和64MB的K9F1208UOM的NAND FLASH芯片构成控制器的最小系统；其中S3C2410提供的SPI接口，和2个中断，4个通用I/O，2个电源，供CC2420射频模块传输数据使用。S3C2410提供的UART接口通过MAX3232的电平转换，对外提供一组带硬件流控制的5线串口，供和计算机通信用。S3C2410提供的一组LCD接口通过转接板直接驱动5.7英寸的液晶屏，完成图形和数据的显示。S3C2410通过一组可配置的I/O接口进行系统的数据采集及输出控制。系统输出从S3C2410经过SN74ALV164245电平转换后，由TIL113进行光电隔离。

图3是本发明的软件功能结构图，所示终端软件共分为三大模块，数据管理模块，无线传感器网络模块，通用测控系统组态软件。各任务由嵌入式实时操作系统进行调度。

数据管理模块用于模拟和数字信号的数据采集，本机数据的存储与恢复，远程数据的压缩。

无线传感器网络模块用于路由算法、动态接入退出的服务、数据传输的容错控制，无线网络的Qos控制；

通用测控系统组态软件用于通过配置状态的转移的条件，实现不同的测控策略。

图4是本发明的路由算法。在网络层收到数据帧后，路由算法流程进行路由。

如果网络层从应用层收到广播数据帧，那么就按照广播的方式发送数据帧。如果网络层从MAC层收到的数据帧为广播帧，并且目的地址为本地地址，网络层就将收到的数据帧传输给应用层处理。如果ZigBee协调器或ZigBee路由器收到数据帧，并且目的地址恰好是它们的子节点，那么设置下一站地址为最终目的地址并直接路由到目的节点。如果收到数据帧的节点有路由能力，它会检查帧头的控制域，看是否需要进行强制路由发现，同时也会检查本地的路由表项中是否有到达目的地址的路由表项，如果路由表中有到达目的地的路由表项，就根据路由表项将数据转发给下一站，如果没有就在需要的情况下触发路由发现，否则，触发树形路由。

图5是树形路由网络模型。

在ZigBee协议栈中MAC层设备的16位网络地址的分配是通过公式1和2所描述的算法来实现。

$\mathrm{Cskip}\left(d\right)=\left\{\begin{array}{c}1+\mathrm{Cm}\×(\mathrm{Lm}-d-1),\mathrm{Rm}=1\\ \frac{\mathrm{Cm}\×\mathrm{Rm}^(\mathrm{Lm}-d-1)+\mathrm{Rm}-\mathrm{Cm}-1}{\mathrm{Rm}-1},\mathrm{Rm}\≠1\end{array}\right.---\left(1\right)$

ADDR(d)＝Cskip(d)×Rm+1    (2)

其中d为节点网络深度，Cm为节点数最大值，Lm为网络最大深度，Rm为路由器节点数最大值。

对于地址为A深度为d的ZigBee路由器，如果数据帧目的地址D满足公式3，那么它就是该路由器的子孙。

A＜D＜A+Cskip(d-1)    (3)

并且下一站地址N是：

如果不满足上述条件路由器就将数据转发给它的父亲节点。

图6是本发明的通用测控系统组态软件的算法的一个具体实现。

每个工位正常工作时都可以理解为状态顺序转移，即一种时序关系，这里的状态，指的是工位的执行机构的开关状态。

图中圆角矩形内为输出状态，“边”为输入条件，即本工位和相关工位的传感器信息。各输入输出状态中“1”表示高电平，“0”表示低电平。每个工位的输出状态从start开始，然后通过一个输入信号激励进入工作状态循环，当某次输入满足状态转移条件时进行状态转移并输出相应状态，图中输入信号激励中的“x”表示本位输入对输出没有影响，输出状态上的时间表示在输入条件满足时需要延时多少秒再输出下一状态。start状态只是表示一个初始状态，可利用一个空闲的状态作为初始态。

在需要在设置参数的时候找出对应工位的输出状态点，设置状态之间转换的“边”，同时附加一些参数即可。

Claims (4)

1.一种无线传感器网络控制器，其特征在于，该控制器包括终端测控器、无线通信单元；所述的终端测控器设置在生产线的每个工位或者移动工业机器人上，终端测控器内置终端软件，通过预留的可配置的I/O接口，用于接收所监测工位传感器的信息，并对其工作状态进行控制；所述的无线通信单元用于完成相关工位的数据通信，它包括一无线通信模块以及符合ZigBee协议的无线通信协议栈，终端测控器通过SPI接口和无线通信单元相连。

2.如权利要求1所述的无线传感器网络控制器装置，其特征在于，所述的终端控制器的核心为基于ARM9TDMI架构的S3C2410芯片，配合32MB的HY57V561620CT内存芯片和64MB的K9F1208UOM的NAND FLASH芯片构成控制器的最小系统；其中S3C2410芯片提供SPI接口，和2个中断，4个通用I/O，2个电源，供CC2420射频模块传输数据使用。

3.如权利要求1所述的无线传感器网络控制器装置，其特征在于，所述的终端软件由通用测控系统组态软件、数据管理模块和无线传感器网络模块构成；通用测控系统组态软件还包括采用树形路由的ZigBee协议栈；

数据管理模块用于模拟和数字信号的数据采集，本机数据的存储与恢复，远程数据的压缩；

无线传感器网络模块用于路由算法、动态接入退出的服务、数据传输的容错控制，无线网络的Qos控制；

通用测控系统组态软件用于通过配置状态的转移的条件，实现不同的测控策略。

4.如权利要求1所述的无线传感器网络控制器装置，其特征在于，所述的终端测控器分为ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee终端设备。

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