CN101426291A - 一种基于无线传感器网络的通用基站 - Google Patents

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CN101426291A CNA2007100562437A CN200710056243A CN101426291A CN 101426291 A CN101426291 A CN 101426291A CN A2007100562437 A CNA2007100562437 A CN A2007100562437A CN 200710056243 A CN200710056243 A CN 200710056243A CN 101426291 A CN101426291 A CN 101426291A
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李哲
李宝华
安雄山
刘�东
张大权
毕莹
高蔚
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Abstract

本发明属于无线传感器网络通信领域，本发明公开了一种基于无线传感器网络的通用基站系统。其特征在于，本发明由无线射频模块组成的数据采集网络装置及其驱动程序、用于存储和处理数据的基站母板、数据转发和路由、软件看门狗组成。数据采集装置与节点通过无线射频模块相连接。本发明在应用时，可以实现无线通信模块即插即用。基站系统作为通讯网关，通过无线通讯方式将无线传感器网络采集到的数据转发到Internet上。本发明适用于基站二次开发，可以广泛应用于电表、水表、燃气表和热表等的抄表、工业控制等领域。

Description

一种基于无线传感器网络的通用基站
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，尤其涉及无线传感器网络中的通用的基站设备。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，简称WSN)被认为是21世纪最重要的技术之一，是众多的传感器通过无线通信的方式，相互联系，处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术，可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息，并对这些信息进行处理，传送给所需用户。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途，其研究、开发和应用，关系到国家安全、经济发展等各个重大方面，近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)结构如图1所示。传感器节点分布于网络的各个部分，用于收集数据，并且将数据路由至基站(也称，信息收集节点，网关)。基站与信息处理节点通过广域网络(如Internet网络或者卫星网络)进行通信，从而对收集到的数据进行处理。
基站是无线传感器网络的重要组成部分，是无线传感器网络与其他网络的接口。研发低成本基站，有利于部署大规模无线传感器网络应用。研发低功耗基站，有益于无线传感器网络在特定环境下的应用，延长电池使用寿命。可以与不同类型的骨干网络进行连接，包括GPRS，Internet，CDMA，Ethernet等。可以与多种类型的传感器网络节点进行连接，提供无线传感器网络的最大兼容性。通用基站是无线传感器网络与其他网络连接的桥梁，其自身的可靠性非常重要。通用基站对于无线传感器网络技术研究与产品开发具有重要性，通用基站自身具备一个无线传感器网络网关的基本功能，包括网络功能、计算功能，信息转换与转接，通用基站提供了专用基站快速开发的基础。采用通用基站进行开发时候具有最大的灵活性，包括对于不同类型的无线传感器网络、不同的骨干网络协议，和不同的应用协议的支持。通用基站具有最小无线传感器网络基站功能及其优化设计与实现。通过提高通用基站的可靠性、安全性和稳定性保证基于通用基站的专用基站的可靠性、安全性和稳定性。
虽然基站在无线传感器网络中起到非常关键的作用，但是目前市场上只有少数的几种通用基站。而且当前通用基站的可适应性不高，通常需要大量额外的工作才能够支持不同的无线传感器网络协议，骨干网络协议，应用协议。而且也缺少灵活性，主要表现在不可订制，不可根据不同的应用场合和需要，灵活配置不同的功能。另外可靠性尚待提高。现有的大多数通用基站存在传输距离较短的缺陷。能量消耗偏高。现有通用基站的可扩展性不强，无法通过即插即用，实现基站功能扩展。
发明内容
本发明针对上述现有技术的问题和不足之处，设计和实现一个无线传感器网络通用的基站系统。该基站系统具有可适应性：可以最大限度地提供与不同的传感器网络、不同骨干网络、不同应用整合的方便性该基站系统具有灵活性：高度可订制，可根据不同的应用场合和需要，灵活配置不同的功能。该基站系统具有可靠性：在软件可靠性保证方面采用软件看门狗技术，通过采用看门狗线程对整个软件系统运行状态进行监控。硬件采用硬件看门狗技术，通过开机自检和运行过程中实时监控最大可能保证硬件系统运行的可靠性。该基站系统具有运行低能耗的特点，采用了多种节电模式。本发明采用支持多种天线方式，适应不同的应用场合。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
无线收发模块，用于实现基站与无线传感器网络节点之间的通信，通过在基站电路板上集成无线收发模块用于接收节点数据以及发送控制命令；
微处理器模块，用于控制无线射频收发模块与无线传感器网络之间的通信，用于基站对节点数据进行运算处理。
存储模块，用于存储接受的节点数据；
通用外部接口模块，可以使用RS232、USB等接口规范；
显示驱动模块，用于驱动各种显示器件。
以太网模块，用于基站与Internet的连接。
该基站进一步包括RS232串口通信单元用于连接GPRS/GSM无线Modem。
该基站包括电源管理单元，用于提供多种电源供电方式和多种节点模式，对电源状态进行监控。
优选地，本方案中微处理器单元采用ARM精简指令集的中央处理器，采用三星S3C4210处理器。
优选地，无线收发模块采用TI公司的CC2420无线收发芯片，工作在2.4GHz频段，具有16个信道，传输率位256Kbps，通过SPI总线与S3C2410连接。
优选地，电源管理模块中采用电源电压检测方案；显示单元可以支持液晶、LED点阵显示。
优选地，通信连接模块支持Ethernet、GSM、GPRS。协议模块可以支持IEEE802.15.4协议和ZigBee协议。以太网模块采用CS8900芯片，具有10Mbps通信速率。
从上述技术方案可以看出，本发明提供的无线传感器网络通用基站，具有成本低、功耗低、覆盖面广的特点，创新地将嵌入式系统与低功耗、低速率无线传感器网络传输技术结合在一起，实现了节点和基站之间采用采用无线自组织网络并且接入Internet的功能。本发明提供的无线传感器网络通用基站系统具备优点：
1.基站成本低便于部署大规模无线传感器网络应用；
2.支持多种供电方式，适用于多种工作场合，可以采用电池供电也可以采用市电供电；
3.基站功耗低，支持多种节电模式：有益于无线传感器网络在特定环境下的应用，延长电池使用寿命。
4.可以与不同类型的骨干网络进行连接，包括GPRS，Internet，CDMA，Ethernet等；
5.可以与多种类型的传感器网络节点进行连接，提供无线传感器网络的最大兼容性；
6.通用基站自身具备一个无线传感器网络网关的基本功能，包括网络功能、计算功能，信息转换与转接；
7.最大的灵活性。包括对于不同类型的无线传感器网络、不同的骨干网络协议，和不同的应用协议的支持。
附图说明
下面结合附图对本发明做出详细说明。
图1为无线传感器网络示意图
图2为本发明提供的通用基站系统结构示意图
图3为本发明提供的UART接口电路图
图4为本发明提供的CC2420接口电路图
图5为本发明提供的电源管理电路图
图6为本发明提供的LCD接口电路图
图7为本发明提供的USB接口电路图
图8为本发明提供的JTAG接口电路图
图9为本发明提供的以太网接口电路图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合实施例，并参照附图，对本发明进一步进行详细说明。
本发明所提及的无线传感器网络通用基站系统为图1所示的基站，在整个无线传感器网络中起到网关的作用。图2为本发明提供的无线传感器通用基站系统原理框图，该基站设备至少包括无线射频收发模块、微处理器模块、通信连接支持模块、存储模块和电源管理模块。基站系统采用ARM920T内核的S3C2410为微控制器。基站配有64M NandFLASH，64M SRAM，1M NorFlash，两路USB接口，两路串口，STN液晶接口，以太网接口，还有与无线传感器网络通讯的无线传感器模块。
本发明包括无线射频收发单元，用于实现基站与无线传感器网络节点，以及其他基站之间的通信；微处理器单元，用于完成基站上的信息处理、逻辑计算功能；电源管理模块，负责提供基站所需的能源，以及电压检测和预警；通用外部接口模块，用于提供外部逻辑模块与微处理器的接口；存储模块，用于存储接收到的节点数据以及基站自身信息；显示驱动模块，用于对多种显示设备的支持；通信连接支持模块：用于对网络通信的支持。本发明支持多种网络通信的连接方式，其中包括：微处理器单元通过如图3所示的UART接口单元采用RS232串行接口规范与GSM/GPRS模块之间进行通信，S3C2410内部有三路串口，通过外部两片max3232，将S3c2410的串口信号转换为RS232电平，可以直接和标准的RS232串口连接，基站系统中用于连接GSM或者GPRS模块进行无线通讯。通过如图4所示的同步串行接口SPI与无线射频收发模块进行通信，CC2420通过10根控制信号和S3C2410连接，其中CS，SI，SO，SCLK四根为SPI接口信号，CC2420数据的传输是通过SPI接口进行的。其余六根线为CC2420的控制信号。
通过如图9所示的以太网接口与上位PC机进行通信，以太网采用10M网卡芯片CS8900，与S3C2410采用ISA接口方式。本发明提供了LCD显示驱动模块，支持STN与TFT二种液晶显示方式，LCD驱动电路图如图6所示，S3C2410内部集成了STN和TFT液晶接口，直接将液晶接口引出作为基站液晶接口即可。W1为滑阻，用于调节液晶亮度。在接口方面除了上面提及的RS232串行接口以外，提供了通用串行总线接口，S3C2410内部集成如图7所示的两路USB接口，其中一路可主从切换，S3用于切换主从USB。如图8所示提供了JTAG接口电路，用于对基站进行二次开发。本发明的系统中，设置了一个掉电保护机制，可以在掉电的瞬间，存储保护本地和转发中的数据。本发明中的基站系统供电电路如图5所示，基站系统采用LM1117DT-1.8和LM1117DT-3.3芯片将基站五伏的输入信号转换成3.3V和1.8V两种电压。基站系统需要5V，3.3V，1.8V三种电压信号。本发明设计了一种支持远程代码更新的机制，可以远程更换基站的程序。设计了防破坏功能，可以在发现破坏行为时，向远程管理系统发出报警信号。本发明采用双向通讯方式，可以作为控制单元，实现对无线传感器网络的管理。本发明采用双数据缓冲池技术，最大限度提高基站的异步和同步通信能力，以及可靠性。本发明支持多线程，独立的多任务工作模式，可以支持收、发、处理等任务的并发工作。本发明采用软件/硬件两种看门狗技术，可以实现系统运行状态的自动监控，以及异常自动恢复。
本发明设置了扩展应用模块的即插即用标准软件接口。本发明支持多种天线，包括PCB，柱状天线，陶瓷天线，线绕天线。
本发明提供的无线传感器网络通用基站系统与Internet、GPRS网络和无线传感器网络连接的原理图如图1所示，带有传感器模块的无线传感器节点将采集到的数据通过节点自身的无线收发模块将传感数据通过无线方式发送给无线传感器网络通用基站；无线传感器网络通用基站采用双数据缓冲池的方式，采用多线程方式接受数据，最大限度提高基站异步和同步通信的能力。为保证软件和硬件的可靠性，本发明采用软件看门狗和硬件看门狗技术。采用软件看门狗技术，通过看门狗监控线程，保证传输在中断或者发生异常的情况下传输的可靠性。硬件看门狗使系统在死机的情况下能够自动复位。本发明采用双工通信方式，可以同时发送控制命令，接收传感器节点发送来的数据，采用多线程方式多任务工作模式。

Claims (12)

1.一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，该基站包括：无线射频收发单元，用于实现基站与无线传感器网络节点，以及其他基站之间的通信；
微处理器单元，用于完成基站上的信息处理、逻辑计算功能；
电源管理模块，负责提供基站所需的能源，以及电压检测和预警；
通用外部接口模块，用于提供外部逻辑模块与微处理器的接口；
存储模块，用于存储接收到的节点数据以及基站自身信息；
显示驱动模块，用于对多种显示设备的支持；
通信连接支持模块：用于对网络通信的支持。
2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，能够支持多种网络通信的连接方式，其中包括：微处理器单元通过RS232串行接口与GSM/GPRS模块之间进行通信，通过同步串行接口SPI与无线射频收发模块进行通信，通过以太网接口与上位PC机进行通信。
3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中支持ZigBee协议。
4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，设置了一个掉电保护机制，可以在掉电的瞬间，存储保护本地和转发中的数据。
5.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，设计了一种支持远程代码更新的机制，可以远程更换基站的程序。
6.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，设计了防破坏功能，可以在发现破坏行为时，向远程管理系统发出报警信号。
7.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，采用双向通讯方式，可以作为控制单元，实现对无线传感器网络的管理。
8.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，采用双数据缓冲池技术，最大限度提高基站的异步和同步通信能力，以及可靠性。
9.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，支持多线程，独立的多任务工作模式，可以支持收、发、处理等任务的并发工作。
10.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，采用软件/硬件两种看门狗技术，可以实现系统运行状态的自动监控，以及异常自动恢复。
11.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，设置了扩展应用模块的即插即用标准软件接口。
12.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的通用基站，其特征在于，所述系统中，可以支持多种天线，包括PCB，柱状天线，陶瓷天线，线绕天线。
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