CN101309297A - 基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法 - Google Patents

基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法 Download PDF

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Abstract

基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法主要用于实现具有多类型、全方位的信息获取与处理机制,无需布线、低成本、低功耗、高可靠性、高实用性的多类型家居控制方法。该控制方法中涉及4种节点:基站节点、电器控制节点、医疗监控节点、多媒体节点。基站节点能向各个子节点发送控制命令,并能接收子节点传送过来的相关数据,另外基站节点能与上位机进行双工通信,用户可以通过这些终端对整个网络进行操作。用户也可以随身携带一个基站节点,从而使得其他布置好的节点可以通过无线信号的强弱来感知用户是否接近这一事件,从而达到智能控制的目的。

Description

基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法
技术领域
本发明涉及了家庭环境下的多媒体无线传感器网络的多类型应用,属于嵌入式开发与无线通信的交叉领域。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN),集合了微电子技术、无线通信、嵌入式计算、分布式计算等多种先进技术,利用低成本、低功耗、高可靠性、可计算的无线传感器网络节点对用户感兴趣的对象进行数据采集、处理,并完成用户期望的动作。这样无线传感器网络便可将计算、通信、传感等功能更多地嵌入到日常用品中,将信息空间与我们生活的物理空间融合起来,使生活变得更为便捷。而将多媒体传感器加入无线传感器网络后形成的多媒体无线传感器网络在原有的基础上,将音视频信息加入进来,将具有更广泛的应用前景。
目前真正投入实际应用的无线传感器网络节点并不多,其中最具代表性的有美国国防部DARPA资助开发的Smart Dust(智能尘埃),美国Crossbow公司研制的Mica系列节点,以及国内中科院研发的GAINS系列节点。而基于多媒体无线传感器网络的应用则很少被提及。
上面提到的节点已在军事、医疗、工农业、采矿等多个领域有了一些各自的应用。同时,多媒体无线传感器网络在家居应用中的优点也非常明显:(1)对于各种应用无需重新布线,节点间自己便可自组织成为一个网络;(2)低功耗、低成本的特点让用户无需为家居环境中的节点担心能耗问题;(3)多媒体无线传感器网络的灵活性高、可扩展性能好等特点,使其在需求多样化的家居环境下占有绝对的优势。
但目前的多媒体无线传感器网络在家居控制与应用中很少,而且还并不成熟,主要还普遍存在以下一些问题:(1)应用大都集中在无线灯光控制、门禁控制这样低数据通信量的领域,使得其实际应用范围大大缩小,没有一种方法中加入了对音视频信息的获取与处理;(2)仅仅能够对温度、湿度这样简单的环境数据进行采集和处理,缺乏对用户体征、行为等用户个人信息的采集与处理,这样使得其并没有实现真正意义上的“智能化”;(3)利用多媒体无线传感器网络来建立普适环境下的家居控制方法还没有出现,不利于相关理论的进一步深入研究。
发明内容
技术问题:本发明的目的是针对当前无线传感器网络在家居控制方法中的不足,在原有灯光控制、安防控制、电器控制的基础上,提出将医疗监控、视频监控等新技术加入到家庭环境下的多媒体无线传感器网络中去,提供一种基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法,从而大大增强了多媒体无线传感器网络在家居环境下的应用前景,为实时采集用户行为动作、体征变化提供了可能;并为家居环境下提供了一整套更为完整的服务。
技术方案:本发明对家居环境下的控制方法做了大量的调研工作后,认为新型的家居控制方法应当具有多类型、全方位的信息获取与处理机制,并且这样的机制应当建立在无需改变家居环境下原有布线方案、低成本、低功耗、高可靠性、高实用性的基础上。并由此提出基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制与应用方案。
本发明所描述的方法包含了4种不同功能的多媒体无线传感器网络节点:
1、用于控制多媒体无线传感器网络内各种节点并能通过这些节点获取并处理各种信息的基站节点,同时它还负责协调各节点的工作状态。另外它还可以通过RS-232、USB或无线接口与PC机、智能手机或者PDA等手持设备相连,从而实现更为友好方便、用户更容易接受的界面。用户也可以随身携带一个基站节点,从而使得其他布置好的节点可以通过接收到的无线信号的强度来判断用户的位置信息,从而达到智能控制的目的。
2、用于灯光控制、电器控制等用于简单控制的多媒体无线传感器网络节点。这些节点只需具有无线收发能力、路由控制能力,并能与特定的电器相连,进行简单开关控制并能实时将电器状态、温度等低数据量的信息传送给基站节点。
3、用于家庭医疗监控的的无线传感器医疗节点。这些节点除需要具有无线收发能力、路由控制能力外,它还具有获取用户体温、血氧、脉搏等体征病理信息的能力,此外还应当具有可穿戴特性,用户可以佩戴在身上,随时获取实时信息。
4、用于获取视频图像的无线多媒体传感器节点。这些节点同样也应当具有无线收发、路由控制能力,此外它能够通过图像传感器以及图像处理模块将获取到的信息实时传到基站节点或存入外接的硬盘等存储设备。
另外,以上4种节点均具有独立工作能力,在网络具备分布式特性,单个节点的损坏不影响整个网络的正常运作。
本发明所描述方法的实现步骤如下:
步骤1)明确家居环境下的网络拓扑结构。采用以基站节点为中心的拓扑星形结构来实现家居环境下的多类型控制;
步骤2)明确各节点的基本功能。基站节点能向各个子节点发送控制命令,并能接收子节点传送过来的相关数据,另外基站节点能与上位机进行双工通信,用户可以通过这些终端对整个网络进行操作。用户也可以随身携带一个可以移动的基站节点,从而使得其他布置好的节点可以通过接收到的无线信号的强度来判断用户的位置信息,从而达到智能控制的目的。电器控制节点提供简单的接口接入现有电器网络,能控制相关电器的开关等动作并返回它们的状态。医疗监控节点能实时采集佩带者的体征病理信息,在主要病理信息达到非正常数值时主动向基站节点汇报,然后通过Internet等方式通知相关人员或单位。多媒体传感器节点能采集实时图像视频信息,并在基站节点的要求下将实时数据传回,在出现异常的情况下能主动向基站节点汇报,也能够自动将获取到的信息存入外接硬盘等存储设备。
步骤3)节点的基本构架设计。这4种节点的基本节点完全相同,自底向上分别为硬件平台层、嵌入式系统内核以及应用程序层;
步骤4)节点模块划分。这四种节点所共有的模块有:内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块。基站节点独有的模块是:上位机接口模块。电器控制节点独有的模块是:电器接口模块。医疗监控节点独有的模块是:体征病理信息采集模块。多媒体传感器节点独有的模块是:图像采集与处理模块;
步骤5)处理器与无线通信模块设计。处理器与无线通信模块采用高集成度、极小体积的片上系统设计。其内部包含了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器等无线通信部件以及一块高速处理器内核。无线模块部分加上部分外围电路可以直接与天线相连,处理器模块部分通过UART以及通用I/O接口与特定外设相连,并进行操作;
步骤6)供电模块设计。供电模块为节点上各个模块提供能源,可以针对节点的接收模式、发送模式、休眠模式、省电模式四种不同的工作模式,提供相应的能源供给方式。在电源选择上采用3V干电池直流供电、220V交流市电转5V直流供电、USB接口直接供电三种不同的供电方式,针对不同的节点可采用不同的方式;
步骤7)上位机接口模块设计。基站节点通过一个UART口与上位机接口模块相连。本模块为用户提供RS-232与USB两种接口;
步骤8)电器接口模块设计。当前所有电器均是采用220V交流市电供电,同时考虑到使用中不能改变现有家居环境下的布线,本模块应提供两个220V强电接口,一个用于接入,一个用于输出。接入端直接加到220V市电上,电器则直接接到输出端;
步骤9)体征病理信息采集模块设计。本模块可集成多种应用的医疗传感部件,方便实际应用;
步骤10)图像采集与处理模块设计。本模块通过一个CMOS图像传感器来采集图像,之后通过一个专用图像处理芯片对采集到的图像进行高速处理,最后通过I2C总线以一定的格式将处理过的多媒体数据传送到处理器模块;
步骤11)节点其他外围电路设计。硬件设计上所采用的阻容元件封装均选取为0603封装。其他外围电路还包括了用于程序烧录及在线仿真的JTAG下载口、外接存储器件、外部晶振、高增益的全向天线等;
步骤12)节点功耗管理设计。节点的功耗管理主要包括了系统级功耗管理,软件代码级优化,寄存器传输优化和后端综合布线优化;
步骤13)节点抗干扰设计。节点在高频无线通信部分设计加载滤波电容,在IC上并接高频电容,采用密集布线以减少高频噪声发射;在传播路径抑制方面,节点设计出带有滤波电路的稳定电源,在I/O口与噪声源之间加以隔离,同时,将干扰源与敏感器件分离;
步骤14)节点可扩展性设计。节点在设计过程中,预留了充分的接口,包括超过40个主控模块输入输出接口,以便今后的调用和扩展,便于后续产品的延续开发;
步骤15)节点系统软件设计。节点的系统软件控制所有实时任务协调一致运行,系统根据任务要求,进行资源管理,消息处理,任务调度,异常处理,并能对任务进行动态切换和调度;
步骤16)软件可靠性设计。节点上的软件采用精简指令系统,对重要的指令部分采用适量的软件冗余措施,当硬件出现异常时,软件也能够迅速感知并采取相应补救措施。
步骤17)基站上位机控制端软件设计。上位机的软件编写主要实现将各种信息以更为友好更为直接的方式显示给用户,并能提供一些可供用户使用的可视化接口来对整个智能家居控制做相关的操作。
有益效果:本发明提出的基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法有如下几大优势:
(1)采用4种功能各异的无线多媒体传感器网络节点,实现了家居环境下的多类型控制,建立了一个有初步普适计算能力的普适空间模型。不但具有很高的实用性,而且为多媒体无线传感器网络以及普适计算等相关理论的进一步研究提供了一个很好的原型场景。由于多媒体无线传感器网络所独有的可靠无线通信能力,以及其低功耗、低成本、无需特别布线的特性,使得它特别适合在家居环境中的应用。多媒体无线传感器网络中每个节点都含有处理器模块,均具备一定的处理能力,完全符合普适环境下的分布式特性。另外4种节点提供的丰富的传感资源对于进一步建立面向普适计算模式的新型应用模型有特别的意义。
(2)实现了家居环境下的医疗监控。现有的家居环境几乎还没有面向医疗的应用,而日益增长的生活水平又使相应的需求越来越强烈。本发明基于多媒体无线传感器网络,提供了多种医疗传感器来获取用户的体征病理信息,一旦用户的相关数据出现异常,即能主动向外发送,依次通过家居无线网络以及Internet或GSM/GPRS告知相关人员或单位,使得用户的病情能够得到及时的发现与处理。
(3)实现了家居环境下的多媒体信息采集与处理。多媒体无线传感器网络下一般都处理一些低数据量的数据信息,而对于音视频这样大数据量的多媒体信息很少涉及,实际应用更是难得一见。本发明提出一种简单的无线多媒体传感器网络节点实现方案,并在家居环境下加以应用,为无线多媒体传感器网络的进一步研究应用建立了一个原型场景。
附图说明
图1是基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法的网络拓扑图;
图2是基站节点的简化结构图;
图3是基站节点的程序控制流程图;
图4是电器控制节点的简化结构图;
图5是电器控制节点的程序控制流程图;
图6是医疗监控节点的简化结构图;
图7是医疗监控节点的程序控制流程图;
图8是无线多媒体节点的简化结构图;
图9是无线多媒体节点的程序控制流程图。
具体实施方式
本发明包括家居控制方法中4种不同功能的节点的设计方案,以及基于它们描述的一种家居环境下的多类型控制方法。其中4种节点均采用处理器与无线通信高度集成的片上系统模块以及相同供电模块设计方案。而这4种节点也依据各自的特性含有一些独有的模块设计方案。基站节点应包含上位机接口模块;电器控制节点应包含电器接口模块;医疗监控节点应包含体征病理信息采集模块;多媒体节点应包含图像采集与处理模块。
本发明在具体实现过程中在硬件设计的同时对软件开发也运用相关仿真软件对其进行仿真,从而大大缩短开发周期。下面将结合附图对本发明作详细描述。应当明确,以下内容仅仅用来描述本发明而不作为对本发明的限制。
本发明的具体设计方法和开发步骤为:
步骤1)明确家居环境下的网络拓扑结构。多媒体无线传感器网络的可靠通信距离一般在100米以下,因此单跳下的传输完全满足家居环境的应用。此外,考虑网络拓扑结构应当在满足应用的基础上力求简单。因此,以基站节点为中心的星形结构完全满足实际需求。其网络拓扑结构示意图如图1所示;
步骤2)明确各节点的基本功能。
(1)基站节点应能向各个子节点发送控制命令,并能接收子节点传送过来的相关数据,另外基站节点能与上位机进行双工通信,用户可以通过这些终端对整个网络进行操作。用户也可以随身携带一个基站节点,从而使得其他布置好的节点可以通过接收到的无线信号的强弱来感知用户是否接近这一事件,从而达到智能控制的目的。
(2)电器控制节点应提供简单的接口即常用的三芯,即火线、零线、地线,或两芯,即火线、零线,接入现有电器网络,并能提供相同的接口供所控制电器的接入。通过处理器可以控制特定继电器的动作从而控制电器的开关,并能返回这些电器当前的状态。图4表明了电器控制节点的简单结构示意。
(3)医疗监控节点包括接触式体温传感部件、血糖检测部件、可变速率脉搏测量部件、血氧检测部件等。并且这些传感器都可以通过一个标准化的4芯MiniUSB接口与处理器模块相连。处理器通过这些医疗传感器应能实时采集佩带者的体征病理信息,在主要病理信息达到非正常数值时主动向基站节点汇报,然后通过Internet等方式通知相关人员或单位。
(4)多媒体传感器节点通过CMOS图像传感器可以采集实时图像视频信息,考虑到多媒体无线传感器网络有限处理能力的特性以及实际家居应用的要求,可以采用像素较低、图像窗口较小的图像传感器配合其特定的专用处理芯片。节点在采集图像信息的同时可以在基站节点的要求下将实时数据传回,在出现异常的情况下,能主动向基站节点汇报,也应能够自动将获取到的信息存入外接硬盘等存储设备。
这四种节点都要求具有高可靠性、高集成度、良好的实时分析与处理能力;
步骤3)节点的基本构架设计。4种节点的基本构架相同,都遵循了一般嵌入式产品的基本模式,同时,基于实际应用的需要,在各个层面上都有所扩展。总体上分为三层,自底向上为:硬件平台层、嵌入式系统内核及应用程序层。
(1)硬件平台层。硬件平台是整个节点的底层平台与硬件基础。包括了节点所有的硬件模块组成与系统底层调用的集合。将节点的各个组成模块进行综合并协调工作。同时,定义了节点的总线单元,中断系统及工作模式等。
(2)嵌入式系统内核。嵌入式系统内核工作在底层硬件平台与上层应用程序之间,完成各个硬件设备的驱动,提供软硬件系统调用的方式方法,同时为应用层开发提供接口服务,使上层应用程序的开发可以完全屏蔽底层硬件平台。系统内核基于实时操作系统的管理调度策略,同时针对传感器节点的特殊需要,改进了中断控制策略,进程调度策略以及存储管理策略。
(3)应用程序层。应用程序层为用户提供了面向应用的系统控制方式与工作方法。用户可以根据各自不同的应用需求,开发不同应用程序来完成节点的启动、运行、状态迁移、信息处理、信号传输、程序下载、继电器控制、病理数据获取、多媒体数据获取、多媒体数据处理等一系列应用功能。
步骤4)节点模块划分。这四种节点所共有的模块有:内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块。基站节点独有的模块是:上位机接口模块。电器控制节点独有的模块是:电器接口模块。医疗监控节点独有的模块是:体征病理信息采集模块。多媒体传感器节点独有的模块是:图像采集与处理模块;图2、图4、图6、图8分别给出了基站节点、电器控制节点、医疗监控节点、多媒体传感器节点的简单模块结构图。
步骤5)处理器与无线通信模块设计。处理器与无线通信模块采用高集成度、极小体积的片上系统设计。可采用Chipcon公司生产CC2430,该芯片尺寸为极小的7mm×7mm,无线通信部分采用符合IEEE 802.15.4标准的ZigBee协议进行通信,工作在2.4GHzISM全球免费频段,最大有效通信距离为100米,完全满足家居环境下的应用。它内部包含了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器等无线通信部件、一块8051内核的高速处理器以及8KB RAM等部件。无线模块部分加上部分外围电路可以直接与天线相连,处理器模块部分通过UART以及通用I/O接口与特定外设相连,并进行操作。另外其收发功耗均只有27mA以下。因此也适合用两节干电池供电的场景应用。
步骤6)供电模块设计。供电模块为节点上各个模块提供能源,可以针对节点的接收模式、发送模式、休眠模式、省电模式四种不同的工作模式,提供相应的能源供给方式。在电源选择上采用3V干电池直流供电、220V交流市电转5V直流供电、USB接口直接供电三种不同的供电方式,针对不同的节点可采用不同的方式,同时也分别有三种不同的供电接口供供用户选择;
步骤7)上位机接口模块设计。基站节点通过一个UART口与上位机接口模块相连。本模块为用户提供RS-232与USB两种接口,可以根据实际情况选用相对应的接口。在实现中可采用MAX3232进行TTL-RS232电平的转换,采用CH241或CP2101等芯片进行TTL-USB电平的转换;
步骤8)电器接口模块设计。当前所有电器均是采用220V交流市电供电,同时考虑到使用中不能改变现有家居环境下的布线,本模块应提供两个220V强电接口,一个用于接入,一个用于输出。接入端直接加到220V市电上,电器则直接接到输出端,图4给出的电器控制节点结构图形象说明了本模块结构;
步骤9)体征病理信息采集模块设计。本模块可集成多种应用的医疗传感部件,可包括接触式体温传感部件、血糖检测部件、可变速率脉搏测量部件、血氧检测部件等。并且这些传感器都可以通过一个标准化的4芯MiniUSB接口与处理器模块相连,方便实际应用;
步骤10)图像采集与处理模块设计。本模块通过一个CMOS图像传感器来采集图像,之后通过一个专用图像处理芯片对采集到的图像进行高速处理,最后通过I2C总线以一定的格式将处理过的多媒体数据传送到处理器模块,如HYUNDAI公司的HV7131系列COMS图像传感器+ZC0301Plus专用图像处理芯片即可实现本模块的功能;
步骤11)节点其他外围电路设计。无线传感器节点的硬件设计应使它的体积尽可能的小,因此采用的阻容元件封装均选取为0603封装。其他外围电路还包括用于程序烧录及在线仿真的JTAG下载口、外接存储器件、外部晶振、高增益的全向天线等;
步骤12)节点功耗管理设计。在实际使用中可以利用电流表等仪器测量得知节点的功耗主要集中在高集成度处理器与无线通信片上系统上。因此节点的功耗管理主要针对此片上系统进行,其主要包括了系统级功耗管理,软件代码级优化。系统级功耗管理将在节点没有操作的时候,使之进入睡眠状态,在有外部中断请求或预设时间到来时唤醒睡眠;软件代码级优化,即节点采用了良好的编码风格,减少冗余编码,优化后的代码节省了CPU处理时间,使功耗大为降低;
步骤13)节点抗干扰设计。节点在高频无线通信部分设计尽可能使无线通信芯片高频输入输出端靠近天线,加宽这部分的走线宽度,减小信号损耗。同时加载滤波电容,在IC上并接高频电容,采用密集布线并设计匹配阻抗的微带线以减少高频噪声发射;在传播路径抑制方面,节点设计出带有滤波电路的稳定电源,在I/O口与噪声源之间加以隔离,同时,将干扰源与敏感器件分离;
步骤14)节点可扩展性设计。节点在设计过程中,预留了充分的接口,使用通用的51针接口,将包括超过40个主控模块输入输出接口引出,以便今后的调用和扩展,也便于后续产品的延续开发;
步骤15)节点系统软件设计。节点的系统软件控制所有实时任务协调一致运行,系统根据任务要求,进行资源管理,消息处理,任务调度,异常处理,并能对任务进行动态切换和调度。4种节点软件设计都需要进行系统初始化,此外考虑到多媒体无线传感器网络的能耗问题,也都需要做工作模式的选择工作,从而使得节点能够在睡眠模式和工作模式之间切换。其他软件流程在四种节点中的实现略有不同。
图3给出了基站节点的软件流程图。基站节点必须具备发送和接收两种工作能力,可以主动发送数据包请求传回特定数据,或主动发送命令包,命令其他节点采取相关动作;也可以被动接收其他节点主动传回的数据包。并且可以在接收、发送、睡眠三种工作模式间依据程序流程轻松切换。
图5给出了电器控制节点的软件流程图。程序流程较基站节点简单一些,它只需具有睡眠与接收两种工作模式,根据基站节点传来的命令,执行电器开关的动作并回传状态。
图7给出了医疗监控节点的软件流程图。与基站节点一样,它也必须具有发送和接收的能力,此外利用片上系统的中断操作可以获取病理信息,并在病理信息异常时自动进入发送模式,以及在基站节点的命令下回传病理信息。
图9给出了多媒体节点的软件程序流程图。它除了睡眠、发送和接收三种工作模式外,由于多媒体信息的复杂性,还必须有一个专门的图像处理工作模式。它同样也可以在图像信息异常时自动发送,以及在基站节点的命令下回传多媒体数据。
步骤16)软件可靠性设计。节点上的软件采用精简指令系统,对重要的指令部分采用适量的软件冗余措施,当硬件出现异常时,软件也能够迅速感知并采取相应补救措施。
步骤17)基站上位机控制端软件设计。上位机的软件编写主要实现将各种信息以更为友好更为直接的方式显示给用户,并能提供一些可供用户使用的可视化接口,在智能家居环境下进行相关的控制。

Claims (1)

1.一种基于多媒体无线传感器网络的多类型家居控制方法,其特征在于该控制方法中的多类型多媒体无线传感器网络节点,即:基站节点、电器控制节点、医疗监控节点、多媒体节点;基站节点包括内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块以及上位机接口模块;电器控制节点包括内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块以及电器接口模块;医疗监控节点包括内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块以及体征病理信息采集模块;多媒体传感器模块包括高集成度片上系统模块、供电模块以及图像采集与处理模块;具体控制方法的如下:
步骤1)明确家居环境下的网络拓扑结构:建立以基站节点为中心的星形拓扑结构来实现家居环境下的多类型控制;
步骤2)明确各节点的基本功能:
a.基站节点的功能是:能向各个子节点发送控制命令,并能接收子节点传送过来的相关数据,另外基站节点能与上位机进行双工通信,用户通过这些终端对整个网络进行操作;用户随身携带一个基站节点,从而使得其他布置好的节点通过无线信号的强弱来感知用户是否接近这一事件,
b.电器控制节点的功能是:提供简单的接口接入现有电器网络,能控制相关电器的开关动作并返回它们的状态,
c.医疗监控节点的功能是:能实时采集佩带者的体征病理信息,在主要病理信息达到非正常数值时主动向基站节点汇报,然后通过Internet方式通知相关人员或单位;
d.多媒体传感器节点的功能是:能采集实时图像视频信息,并在基站节点的要求下将实时数据传回,在出现异常的情况下能主动向基站节点汇报,也能够自动将获取到的信息存入外接硬盘等存储设备;
步骤3)节点的基本构架设计:这4种节点的基本构架完全相同,自底向上分别为硬件平台层、嵌入式系统内核以及应用程序层;
步骤4)节点模块划分:这四种节点所共有的模块有:内含处理器与无线通信的高集成度片上系统模块、供电模块;基站节点独有的模块是:上位机接口模块,电器控制节点独有的模块是电器接口模块,医疗监控节点独有的模块是体征病理信息采集模块,多媒体传感器节点独有的模块是图像采集与处理模块;
步骤5)处理器与无线通信模块设计:处理器与无线通信模块采用高集成度、极小体积的片上系统设计,其内部包含了低噪声放大器、混频器、滤波电路、分频器、调制解调器、鉴相器、低通滤波器等无线通信部件以及一块高速处理器内核,无线模块部分加上部分外围电路可以直接与天线相连,处理器模块部分通过UART以及通用I/O接口与特定外设相连,并进行操作;
步骤6)供电模块设计:供电模块为节点上各个模块提供能源,针对节点的接收模式、发送模式、休眠模式、省电模式四种不同的工作模式,提供相应的能源供给方式,在电源选择上采用3V干电池直流供电、220V交流市电转5V直流供电、USB接口直接供电三种不同的供电方式,针对不同的节点采用不同的方式;
步骤7)上位机接口模块设计:基站节点通过一个UART口与上位机接口模块相连,本模块为用户提供RS-232与USB两种接口,根据实际情况选用相对应的接口;
步骤8)电器接口模块设计:本模块应提供两个220V强电接口,一个用于接入,一个用于输出;接入端直接加到220V市电上,电器则直接接到输出端;
步骤9)体征病理信息采集模块设计:本模块可集成多种应用的医疗传感部件,可包括接触式体温传感部件、血糖检测部件、可变速率脉搏测量部件、血氧检测部件。并且这些传感器都通过一个标准化的4芯MiniUSB接口与处理器模块相连;
步骤10)图像采集与处理模块设计:本模块通过一个CMOS图像传感器来采集图像,之后通过一个专用图像处理芯片对采集到的图像进行高速处理,最后通过I2C总线以一定的格式将处理过的多媒体数据传送到处理器模块;
步骤11)节点其他外围电路设计:电路设计采用的阻容元件封装均选取为0603封装,其他外围电路还包括用于程序烧录及在线仿真的JTAG下载口、外接存储器件、外部晶振、高增益的全向天线;
步骤12)节点功耗管理设计:节点的功耗管理主要包括了系统级功耗管理,软件代码级优化,寄存器传输优化和后端综合布线优化;
步骤13)节点抗干扰设计。节点在高频无线通信部分设计加载滤波电容,在IC上并接高频电容,采用密集布线以减少高频噪声发射;在传播路径抑制方面,节点设计出带有滤波电路的稳定电源,在I/O口与噪声源之间加以隔离,同时,将干扰源与敏感器件分离;
步骤14)节点可扩展性设计:节点在设计过程中,预留了充分的接口,包括超过40个主控模块输入输出接口;
步骤15)节点系统软件设计:节点的系统软件控制所有实时任务协调一致运行,系统根据任务要求,进行资源管理,消息处理,任务调度,异常处理,并能对任务进行动态切换和调度;
步骤16)软件可靠性设计:节点上的软件采用精简指令系统,对重要的指令部分采用适量的软件冗余措施,当硬件出现异常时,软件也能够迅速感知并采取相应补救措施,
步骤17)基站上位机控制端软件设计:上位机的软件编写主要实现将各种信息以更为友好更为直接的方式显示给用户,并能提供一些可供用户使用的可视化接口,在智能家居环境下进行相关的控制。
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