CN101252553A - 具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，包括处理器单元、以太网通信单元、串口通信单元、蓝牙通信单元、无线通信单元和用户显示单元。本发明还公开了该网关设备用于数据传输的方法，通过数据分发模块对数据流传输进行控制，实现了数据流一对多、多对一的可靠传输。本发明的网关设备集成了终端显示功能，能在缺少其他终端设备的情况下，对无线传感器网络进行数据显示、存储以及控制，实现了网关设备的终端功能，并且体积小重量轻，能够有效应用于无法携带PC机或大型终端设备的室外环境中，解决了传统网关缺少PC机或交流电源无法使用的难题，促进了无线传感器网络的实用化进程。

Description

具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备及其应用

技术领域

本发明涉及嵌入式系统、无线传感器网络技术领域，特别涉及一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备及其应用。

背景技术

目前，无线传感器网络作为一种全新的信息获取与处理技术，开始在军事、环境、健康、家庭等领域得到越来越广泛的应用。对于各种长期或短期的环境监测应用，传统的有线测控系统由于布线困难、结构复杂等原因，往往难以胜任。无线传感器网络作为有线测控系统的一个重要扩展与补充，很好地解决了这一问题。

图1为无线传感器网络系统的典型结构示意图，它描述了无线传感器网络系统所包含的三种类型的节点，即传感器节点、汇聚节点(即基站)和用户管理节点。从图中我们可以看到，传感器检测区域中已经部署了大量的无线传感器节点，每个节点都可以采集其覆盖区域的现场数据并且路由到基站。基站通常由通信模块和网关两部分组成。其中，通信模块负责与无线传感器节点组成的无线传感器网络进行通信；网关则负责通过不同的传输介质把无线传感器网络桥接到用户管理节点(即用户终端)。目前，基站大多采用RS232接口与PC机连接，用户则在PC上实现数据的访问。这种方法虽然能满足在实验室的要求，但在实际应用中存在许多问题，具体表现在：

1、在实际环境中往往无法携带PC机等大型设备，并为之提供220V交流电源。

2、在缺少PC机等终端设备的情况下无法对传感器网络进行数据访问。

3、网关接口单一，无法同时连接多个终端设备实现数据共享。

4、无法与广泛普及的便携式设备，如PDA(掌上电脑)、智能手机连接。

鉴于目前无线传感器网络的实际应用需求，结合无线传感器网络自身的特点，设计实现一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关将有十分重要的意义。

发明内容

本发明目的是提供一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备及其应用，主要解决以下技术问题：一是实现网关设备的终端功能，满足无线传感器网络在缺乏PC机环境下的应用需求；二是建立无线传感器网络与多种用户终端之间的可靠连接，实现数据多对一、一对多的双向传输。

本发明采用的技术方案如下：

一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，其特征在于包括：处理器单元、以太网通信单元、串口通信单元、蓝牙通信单元、无线通信单元和用户显示单元；

所述处理器单元用于控制以太网通信单元、串口通信单元、蓝牙通信单元与无线通信单元之间的数据流通，还对无线传感器网络的数据进行存储和显示；

所述以太网通信单元用于实现网关设备与以太网终端设备之间的通信；

所述串口通信单元用于实现网关设备与本地PC机进行RS-232连接；

所述蓝牙通信单元用于实现网关设备与便携式设备之间的通信；

所述无线通信单元用于实现网关设备和无线传感器网络之间的数据通信；

所述用户显示单元用于实现网关设备与用户之间的人机交互，使网关设备具有终端功能。

上述具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备用于数据传输的方法，其特征在于通过数据分发模块对数据流传输进行控制，当所述网关设备接收到无线传感器网络的上传数据时，将上传数据发送给各个用户终端设备，实现一对多传输；当网关设备接收到不同用户终端设备发送来的下行数据时，将下行数据发送给无线传感器网络，实现多对一传输；所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将网关设备与用户终端设备进行电气连接，用户终端设备包括串口终端设备、蓝牙终端设备和以太网终端设备，串口终端设备通过RS-232电缆与网关设备连接，以太网终端设备通过RJ45接口与网关设备连接，蓝牙终端设备通过蓝牙接口与网关设备连接，并将蓝牙设备设置在接收范围以内；

步骤2：打开网关设备电源，启动网关应用程序；

步骤3：配置网关设备和无线传感器网络的连接参数；

步骤4：配置网关设备和用户终端的连接参数；

步骤5：运行网关设备的连接命令，桥接无线传感器网络和用户终端，为网关设备创建多任务系统；

步骤6：执行多任务，其中，

主任务用于和用户进行交互，接收用户的控制命令，当用户通过交互界面发送控制命令时，跳至步骤7；

无线传感器网络(WSN)数据接收任务用于监听无线传感器网络的上传数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

串口数据接收任务用于监听串口终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

蓝牙数据接收任务用于监听蓝牙终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

以太网数据接收任务用于监听以太网设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

步骤7：通过数据分发模块对数据流传输进行控制，数据上传是一对多的关系，数据分发模块将数据包复制若干份；数据下行是多对一的关系，数据分发模块控制避免数据流的冲突；

步骤8：将数据结果显示在交互界面上；

步骤9：对数据进行存储和记录。

相比传统无线传感器网络普遍采用的单一接口网关设备连接PC机终端的方案，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的网关设备上集成了终端显示功能，能在缺少其他终端设备的情况下，对无线传感器网络进行数据显示、存储以及控制，实现了网关设备的终端功能，并且体积小重量轻，能够有效应用于无法携带PC机或大型终端设备的室外环境中。

2、本发明将嵌入式技术与传统无线传感器网络技术相结合，在网关设备上集成了串口、蓝牙和以太网终端设备的接口，多个终端能够同时连接无线传感器网络实现数据共享；网关设备成本较低，能够用于无线传感器网络大量部署，覆盖区域广，并能通过以太网接口与Internet和远程计算机连接，实现无线传感器网络数据的远程传输。

3、本发明的网关设备功耗低，使用电池供电，能够有效应用于无法提供可靠直流电源的室外环境中。

4、本发明的网关设备集成了功能强大的处理器及其丰富的外部存储器设备，数据处理、存储能力强，便于实现网络数据融合，降低了与终端设备的通信开销；并可通过处理器扩展便携式用户终端接口，配合智能手机或PDA，能应用于智能家居、小区监控等场合。

5、本发明的网关设备用于数据传输的方法中通过数据分发模块对数据流传输进行控制，实现了数据流一对多、多对一的可靠传输。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1是无线传感器网络系统的典型结构示意图。

图2是本发明的网关设备结构框图。

图3是本发明的处理器单元电路原理图；

图3A～图3C是处理器主要管脚连接图；

图3D是外部存储器电路。

图4是本发明的以太网通信单元电路原理图。

图5是本发明的蓝牙通信单元电路原理图。

图6是本发明无线通信单元电路原理图。

图7是本发明的用户显示单元接口电路原理图。

图8是本发明网关设备用于数据传输的方法示意图。

图9是本发明网关设备用于数据传输的方法流程图。

具体实施方式

图1为无线传感器网络系统的典型结构示意图，从图中可以看到，传感器检测区域中部署了大量的无线传感器节点，每个节点都可以采集其覆盖区域的现场数据并且路由到基站。传统上，基站由通信模块和网关两部分组成，其中，通信模块负责与无线传感器节点组成的无线传感器网络进行通信；网关则负责通过不同的传输介质把无线传感器网络桥接到用户终端。本具体实施方式中，基站即采用本发明的网关设备。布撒在检测区域内的传感器节点采集传感数据，通过无线多跳的方式发送给网关设备；网关设备接收到数据后，通过其以太网通信单元、串口通信单元、蓝牙通信单元发送给各个用户终端设备；在某些无法携带PC机或大型设备的场合，利用网关设备具备的终端功能，可实现用户与传感器网络的数据交互。

图2是本发明的网关设备结构框图，该网关设备包括处理器单元1、以太网通信单元2、串口通信单元3、蓝牙通信单元4、无线通信单元5和用户显示单元6，还包括为网关设备提供电源的电源模块7。其中，处理器单元1用于控制以太网通信单元2、串口通信单元3、蓝牙通信单元4与无线通信单元5之间的数据流通，还对无线传感器网络的数据进行存储和显示；以太网通信单元2用于实现网关设备与以太网终端设备之间的通信；串口通信单元3用于实现网关设备与本地PC机进行RS-232连接；蓝牙通信单元4用于实现网关设备与便携式设备之间的通信；无线通信单元5用于实现网关设备和无线传感器网络之间的数据通信；用户显示单元6用于实现网关设备与用户之间的人机交互，使网关设备具有终端功能。

以太网通信单元2通过数据总线与处理器单元1连接，串口通信单元3、蓝牙通信单元4分别通过UART接口(异步串行接口)与处理器单元1连接，无线通信单元5通过SPI接口(同步串行接口)与处理器单元1连接。

图3是本发明的处理器单元电路原理图，处理器单元1进一步包括处理器和与处理器连接的外部存储器电路。如图3A，处理器采用三星电子公司推出的一款基于ARM920T内核的32位嵌入式微处理器S3C2410，该芯片集成了SDRAM(同步动态随机存取内存)控制器、LCD(液晶显示器)控制器、3个通道的UART、4个通道的DMA(直接内存通道)、4个具有PWM(脉冲宽度调制)功能的计时器和一个内部时钟、8通道的10位ADC(模拟到数字式转换器)。芯片S3C2410还有很多丰富的外部接口，例如触摸屏接口、IIC(双向两线串行总线)总线接口、IIS(串行数字音频总线)总线接口、两个USB(通用串行总线)主机接口、一个USB设备接口、两个SPI接口、SD(安全数码卡)接口和MMC(多媒体卡)卡接口。如图3B，外部存储器电路包括SDRAM电路以及FLASH存储电路。其中SDRAM采用两片HY57V561620存储芯片，共同组成32位宽度，通过数据总线与处理器S3C2410连接；NANDFlash采用K9F1208U0M，大小为64M，直接与S3C2410内部的NANDFlash控制器相连；NORFlash用于存放少量启动代码，型号为SST39VF160，大小为16M，使用16位数据总线与S3C2410连接。

电源模块7是网关设备的供电单元，作用是将5V直流电转换位3.3V和1.8V电压。各单元所采用的元器件如下：

图4是本发明的以太网通信单元电路原理图。以太网通信单元2采用CIRRUS LOGIC公司生产的低功耗、性能优越的16位，符合IEEE802.3以太网标准，并带有ISA(工业标准结构总线)接口，片内包含4K字节RAM(随机存取存储器)，适用于I/O操作模式、存储器操作模式和DMA操作模式，带有传送、接收低通滤波的10Base-T连接端口，支持10Base2、10Base5和10Base-F的AUI(附加单元接口)自动重发。该芯片的突出特点是使用灵活，其物理层、数据传输层和工作模式等都能根据需要而动态调整，通过内部寄存器的设置来适应不同的应用环境。以太网控制器CS8900A通过16位数据总线与处理器S3C2410连接，其中SD[0:15]分别连接处理器的LDATA[0:15]，地址线SA[0:19]分别连接处理器的LADDR[0:19]。

图5是本发明提供的蓝牙通信单元电路原理图。蓝牙通信单元4采用凌峰公司的BCM_LV模块，符合蓝牙V2.0协议，标准灵敏度(误码率)达到-80dBm，内置2.4GHz天线，外置8Mbit FLASH，采用向前纠错编码，通信效率高，自动跳频，抗干扰能力强。芯片使用3.3V电压工作，通过UART接口与处理器连接，引脚UART_TXD、UART_TXD分别连接处理器S3C2410的引脚RXD2、TXD2。

图6为本发明提供的无线通信单元电路原理图。无线通信单元5使用Chipcon公司推出的首款符合2.4GHz IEEE802.15.4标准的射频收发器CC2420，以0.18umCMOS工艺制成，只需极少外部元器件，性能稳定且功耗极低，芯片支持数据传输率高达250kbps，可以实现多点对多点的快速组网。CC2420通过SPI接口与处理器S3C2410连接，其中引脚SFD、CCA、FIFOP、FIFO用来判断CC2420的工作状态，引脚CSn、SCLK、SI、SO用于设置CC2420各种命令、控制寄存器，向CC2420写入或从CC2420读取数据。CC2420的SCLK、SI和SO分别与处理器SPI接口的对应引脚相连，CSn、SFD、CCA、FIFO和FIFOP分别与处理器通用I/O口GPG2、GPG15、GPG7、GPG3、GPG6相连。

图7是本发明提供的用户显示单元接口电路原理图。用户显示单元采用SHARP公司3.5寸TFT-LCD触摸屏，分辨率为240×320，通过LCD接口和触摸屏接口与处理器连接。触摸屏为4线电阻式，由横向电阻线和纵向电阻线组成，nYPON、YMON、nXPON、XMON四个控制信号控制4个MOS管的通断。处理器S3C2410有8个模拟输入通道，其中通道7(AIN7)作为X坐标输入，通道5(AIN5)作为Y坐标输入。

串口通信单元采用MAX232芯片，实现RS232电平与TTL电平之间的转换。电源模块7将5V直流电转换为3.3V和1.8V电压为网关设备供电。

图8为本发明网关设备用于数据传输的方法示意图，通过数据分发模块对数据流传输进行控制，当所述网关设备接收到无线传感器网络的上传数据时，将上传数据发送给各个用户终端设备，实现一对多传输；当网关设备接收到不同用户终端设备发送来的下行数据时，将下行数据发送给无线传感器网络，实现多对一传输。本发明的网关设备作为一种特殊的终端设备，允许用户在网关设备上通过用户显示单元观察上传数据，并向无线传感器网络发送下行控制命令。具体地：网关设备利用无线通信单元与无线传感器网络进行多跳通信：无线通信单元接收到无线传感器网络上传的数据时，首先将数据包发送给数据分发模块，数据分发模块进而将数据包复制若干份，通过网关设备的各通信单元分发给各用户终端设备，终端设备可以是串口终端设备、蓝牙终端设备或者以太网终端设备；当用户终端设备需要向无线传感器网络发送下行数据包时，首先将下行数据包发送给数据分发模块，数据分发模块进而将数据包转发给无线通信单元，进而发送给无线传感器网络。数据上传是一对多的关系，需要将数据包复制若干份，数据下行是多对一的关系，需要避免数据流的冲突。在没有用户终端设备的情况下，网关设备利用自带用户交互界面亦可实现终端功能，实现与无线传感器网络的数据交互。

图9为本发明网关设备用于数据传输的方法流程图，具体包括如下步骤：

步骤1：将网关设备与用户终端设备进行电气连接，用户终端设备包括串口终端设备、蓝牙终端设备和以太网终端设备，串口终端设备通过RS-232电缆与网关设备连接，以太网终端设备通过RJ45接口与网关设备连接，蓝牙终端设备通过蓝牙接口与网关设备连接，并将蓝牙设备设置在接收范围以内；

步骤2：打开网关设备电源，启动网关应用程序；

步骤3：配置网关设备和无线传感器网络的连接参数，包括通信频率、通信功率、最大邻居数量等；

步骤4：配置网关设备和用户终端的连接参数，包括通信速率、最大客户端连接数量、端口号、服务器IP等；

步骤5：运行网关设备的连接命令，桥接无线传感器网络和用户终端设备，为网关设备创建多任务系统；

步骤6：执行多任务，其中，主任务用于和用户进行交互，接收用户的控制命令，当用户通过交互界面发送控制命令时，跳至步骤7；

WSN数据接收任务用于监听无线传感器网络的上传数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

串口数据接收任务用于监听串口终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

蓝牙数据接收任务用于监听蓝牙终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

以太网数据接收任务用于监听以太网设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

步骤7：通过数据分发模块对数据流传输进行控制，数据上传是一对多的关系，数据分发模块将数据包复制若干份；数据下行是多对一的关系，数据分发模块控制避免数据流的冲突；

步骤8：将数据结果显示在交互界面上，数据显示方式有两种，分别为数据包解析形式和图表形式；

步骤9：对数据进行存储和记录。

本发明在无线传感器网络多接口网关应用程序的开发中，采用同一进程多个线程的方式来实现多任务并发执行，以提高用户界面的响应能力、图形显示的质量和数据交换的效率。网关应用程序共有5个线程，包括软件主线程、WSN接收线程、串口接收线程、蓝牙接收线程和以太网接收线程。主线程调度管理其他线程，同时负责界面图形显示和用户交互操作。串口、蓝牙和以太网接收线程用于监听用户终端的控制命令，并将命令下传给传感器网络。为了避免多个线程同时向WSN发送数据，采用互斥对象进行同步。WSN接收线程用于监听传感器网络发来的数据，并对数据包进行解析后分发给各个用户终端，包括主线程。

Claims (5)

1.一种具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，其特征在于包括：处理器单元(1)、以太网通信单元(2)、串口通信单元(3)、蓝牙通信单元(4)、无线通信单元(5)和用户显示单元(6)；

所述处理器单元(1)用于控制以太网通信单元(2)、串口通信单元(3)、蓝牙通信单元(4)与无线通信单元(5)之间的数据流通，还对无线传感器网络的数据进行存储和显示；

所述以太网通信单元(2)用于实现网关设备与以太网终端设备之间的通信；

所述串口通信单元(3)用于实现网关设备与本地PC机进行RS-232连接；

所述蓝牙通信单元(4)用于实现网关设备与便携式设备之间的通信；

所述无线通信单元(5)用于实现网关设备和无线传感器网络之间的数据通信；

所述用户显示单元(6)用于实现网关设备与用户之间的人机交互，使网关设备具有终端功能。

2.如权利要求1所述的具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，其特征在于所述以太网通信单元(2)通过数据总线与处理器单元(1)连接，所述串口通信单元(3)通过异步串行接口与处理器单元(1)连接，所述蓝牙通信单元(4)通过异步串行接口与处理器单元(1)连接，所述无线通信单元(5)通过同步串行接口与处理器单元(1)连接。

3.如权利要求1或2所述的具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，其特征在于所述用户显示单元(6)采用TFT-LCD触摸屏，通过LCD接口和触摸屏接口与处理器连接。

4.如权利要求1所述的具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备，其特征在于所述处理器单元(1)包括处理器和与处理器连接的外部存储器电路，所述外部存储器电路包括SDRAM电路和FLASH存储器电路。

5.权利要求1所述的具有终端功能的无线传感器网络多接口网关设备用于数据传输的方法，其特征在于通过数据分发模块对数据流传输进行控制，当所述网关设备接收到无线传感器网络的上传数据时，将上传数据发送给各个用户终端设备，实现一对多传输；当网关设备接收到不同用户终端设备发送来的下行数据时，将下行数据发送给无线传感器网络，实现多对一传输；所述方法具体包括如下步骤：

步骤1：将网关设备与用户终端设备进行电气连接，用户终端设备包括串口终端设备、蓝牙终端设备和以太网终端设备，串口终端设备通过RS-232电缆与网关设备连接，以太网终端设备通过RJ45接口与网关设备连接，蓝牙终端设备通过蓝牙接口与网关设备连接，并将蓝牙设备设置在接收范围以内；

步骤2：打开网关设备电源，启动网关应用程序；

步骤3：配置网关设备和无线传感器网络的连接参数；

步骤4：配置网关设备和用户终端的连接参数；

步骤5：运行网关设备的连接命令，桥接无线传感器网络和用户终端，为网关设备创建多任务系统；

步骤6：执行多任务，其中，

主任务用于和用户进行交互，接收用户的控制命令，当用户通过交互界面发送控制命令时，跳至步骤7；

无线传感器网络数据接收任务用于监听无线传感器网络的上传数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

串口数据接收任务用于监听串口终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

蓝牙数据接收任务用于监听蓝牙终端设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

以太网数据接收任务用于监听以太网设备的下行数据，如果数据接收成功，跳至步骤7；

步骤7：通过数据分发模块对数据流传输进行控制，数据上传是一对多的关系，数据分发模块将数据包复制若干份；数据下行是多对一的关系，数据分发模块控制避免数据流的冲突；

步骤8：将数据结果显示在交互界面上；

步骤9：对数据进行存储和记录。

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