CN101511133A - 基于WiFi和Zigbee的无线网络设备 - Google Patents

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张力晨
周文涛
张会建
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Abstract

本发明涉及一种基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，包括控制电路板，其主要技术特点是：控制电路板由主控模块、WiFi通信模块、Zigbee通信模块、以太网模块及电源模块构成，主控模块通过MiniPCI接口和WiFi通信模块相连接，主控模块通过SPI接口和Zigbee通信模块相连接，主控模块通过SMC接口和以太网模块相连接。本发明集成了WiFi、Zigbee和以太网技术，能够进行多种类型数据的采集、传输及互联网的接入以实现无线监测的需求，具有数据处理能力强、低成本、低功耗、工作温度范围大、抗震性能好的特点，可广泛应用于无线网络技术领域中。

Description

基于WiFi和Zigbee的无线网络设备
技术领域
本发明属无线网络技术领域，尤其是一种基于WiFi和Zigbee的无线网络设备。
背景技术
目前，无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)得到了广泛的应用。传统的WSN节点感知的信息通常为温度、湿度、光强等标量信息，需要处理及传输的信息量较少，节点部署的密度较大。随着图像传感器技术、无线通信技术以及嵌入式技术的发展，WSN节点可以感知、处理、传输信息量丰富的图像、音频、视频等多媒体数据，逐步发展成为无线多媒体传感器网络WMSN(Wireless Multimedia Sensor Network)，WMSN拓展了传统WSN的应用领域。由于多媒体信息数据量较大，而且在实时性、网络传输服务质量等方面有较高要求，因此对传统WSN的理论和技术提出了全方位的挑战。
基于Zigbee的无线网络是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。其底层采用IEEE802.15.4标准，可以工作在2.4GHz和868/928MHz频段，数据传输速率最高可以达到250Kbps，传输距离通常在100米以内。其传输速率和传输距离比较适用于传统的WSN，但是难以满足图片甚至视频类的大数据量数据传输及带宽需求，同时在远距离传输方面也存在不足。基于WiFi(IEEE802.11)协议的无线网络分为两种：一种是带基站(接入点)的无线局域网WLAN，该网络中的无线终端间通信或者和网上其它主机通信都必须通过基站来实现，无线终端需要在基站的覆盖范围内，基站的覆盖距离通常只有几百米；另一种是无线自组织网络(wirelessad hoc network)，它不依赖于现有的网络基础设施，可以根据需要通过多跳转发的方式自组织形成网络，每个节点既是数据源，又是路由节点，网络链路带宽可以达11Mbps(IEEE802.11b)或者54Mbps(IEEE802.11g/a)，支持大功率远距离传输，辅以高增益的定向天线传输距离甚至可以达到几十公里。这种网络主要应用于临时需要部署网络、铺设有线网络比较困难或者节点需要移动的场合，比如野外救援，恶劣环境的监测，智能车辆等。
WMSN中的节点种类较多，既有感知温度等标量信息的标量传感器节点，又有感知图片等矢量信息的矢量传感器节点。标量传感器节点通常采用8位微处理器并采用具有短距离、低带宽特点的Zigbee无线通信模块；矢量传感器节点通常采用处理能力和传输能力较高的32位微处理器，并使用IEEE802.11无线通信模块。现有无线网关通常采用GPRS/CDMA接入方式，由于而GPRS/CDMA接入方式的网络速率较低，目前只有几十到一百Kbps，难以满足图像传输的要求，同时移动通信网络的覆盖面积有限，难以特殊应用的需要。因此迫切需要一种既能和两种类型的网络节点通信并收集不同种类的数据，又能提供较灵活、高带宽的互联网接入的多功能无线网络设备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种新型的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，该无线网关具有多种无线通信接口(WiFi，Zigbee)，能够满足多种类型数据(温度、湿度等标量数据，图片、视频等矢量数据)的采集、传输、远程监测需求。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，包括控制电路板，控制电路板由主控模块、WiFi通信模块、Zigbee通信模块、以太网模块及电源模块构成，主控模块通过MiniPCI接口和WiFi通信模块相连接，主控模块通过SPI接口和Zigbee通信模块相连接，主控模块通过SMC接口和以太网模块相连接。
而且，所述的主控模块还通过通信接口连接一异步通信模块。
而且，所述的异步通信模块采用MAX232芯片。
而且，所述的WiFi通信模块由一块XtreamRange2芯片或两块XtreamRange2芯片构成。
而且，所述的Zigbee通信模块采用Jennic5139芯片，所述的以太网模块采用KS8995芯片。
而且，所述的主控模块由微处理器和存储单元构成。
而且，所述的微处理器采用MPC8272芯片，所述的存储单元包括SDRAM存储单元和Flash存储单元，SDRAM存储单元采用4片HY57V561620FTP芯片，Flash存储单元采用F28F256芯片。
本发明的优点和积极效果是：
1.本无线网络设备集成了WiFi、Zigbee和以太网技术，使用本无线网络设备可以组建两层无线通信网络，其中一层使用Zigbee网络技术采集传感器节点的数据，另一层使用WiFi网络技术进行数据的高速传输，能够满足多种类型数据(温度、湿度等标量数据，图片、视频等矢量数据)的采集、传输、远程监测需求。
2.本无线网络设备采用模块化设计，可以根据实际需要进行不同的配置，其既可以作为无线路由器用于构建无线自组织网络，也可用作无线接入点，并具有以太网及GPRS接入方式与互联网相连接。
3.本无线网络设备采用高性能、低成本、低功耗的器件，具有数据处理能力强、低成本、低功耗的特点；同时，采用工业级器件设计，具有工作温度范围大、抗震性能好的特点。
4.本无线网络设备可以根据需要进行部署，无需铺设线缆，具有部署快速灵活的特点，同时利用本无线网络设备可以构建无线自组织网络，通过多跳转发的形式进行数据传输，覆盖范围广。
5.本发明集成了WiFi、Zigbee和以太网技术，能够进行多种类型数据的采集、传输及互联网的接入以实现无线监测的需求，具有数据处理能力强、低成本、低功耗、工作温度范围大、抗震性能好的特点，可广泛应用于无线网络技术领域中。
附图说明
图1是本发明的电路方框图；
图2是使用本发明构成的基于高压输电线路的无线监测系统连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。
一种基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，如图1所示，包括控制电路板，该控制电路板由主控模块、WiFi通信模块、Zigbee通信模块、以太网模块、异步通信模块和电源模块构成，电源模块设置为控制电路板提供电源，主控模块通过MiniPCI接口和WiFi通信模块相连接，主控模块通过SPI接口和Zigbee通信模块相连接，主控模块通过SMC接口和以太网模块相连接，主控模块通过通信接口与异步通信模块相连接，其中：
主控模块用于控制WiFi通信模块、Zigbee通信模块、以太网模块、异步通信模块与外部网络的通信及各通信模块间的信息交换。主控模块由微处理器和存储单元构成，该微处理器采用Freescale的高性能低功耗MPC8272芯片，该芯片的主频400MHz，双处理器内核，一个嵌入式PowerPC603e内核和一个通信处理模块(CPM)。存储单元包括SDRAM存储单元和Flash存储单元，SDRAM存储单元采用4片HY57V561620FTP芯片，即128MByte SDRAM，Flash存储单元采用F28F256芯片，即32MByte Flash。
WiFi通信模块主要用于和无线自组织网络通信。WiFi通信模块由两块UbiquitiNetwork的XtreamRange2芯片构成，该通信模块的最大发送功率达600mW，有较好的接收灵敏度，最大传输距离为40Km。在控制电路板上设有两个MiniPCI接口与WiFi通信模块相连接，支持两块带有XtreamRange2芯片的无线网卡同时工作。
Zigbee通信模块主要用于和Zigbee无线传感器网络接点进行网络通信。Zigbee通信模块采用Jennic5139芯片，其集成了MCU和射频模块，并支持IEEE802.15.4标准，实现了Zigbee协议栈，其接收灵敏度为97dB，可以支持4Km的传输距离。
以太网模块用于和互联网通信。以太网模块采用Micrel的KS8995芯片，通过SMC接口和微处理器相连接。
异步通信模块采用Maxim的MAX232芯片，具有2个RS232接口，其中一个用于连接PC机对控制电路板进行操作，另一个可以用于扩展其它串口通信设备，比如带RS232接口的GPRS模块。
通过本无线网络设备可以构成基于高压输电线路的无线监测系统，如图2所示。该监测系统由无线监测子网3、无线监测骨干网4、互联网7和监控中心8构成。
无线监测子网由无线网络设备5通过Zigbee通信模块与其它基于Zigbee的无线传感器网络节点组构成，无线网络设备作为汇聚节点收集无线传感器网络节点所感知的数据，这些无线传感器网络节点包括标量传感器节点1和矢量传感器节点2，标量传感器节点能够采集温度、湿度、光强、振动、压力等数据，矢量传感器节点能够采集图片、视频等矢量数据。
无线监测骨干网是由多个本无线网络设备通过WiFi通信模块构建的无线自组织网络。无线监测骨干网的拓扑结构可以是任意的，不限于星形和直线形。使用路由算法可以将各个设备收集的传感器数据多跳转发到网关节点6(该网关节点为本无线网络设备)，再由网关节点经由互联网网上传到监控中心，由监控中心对采集的数据进行分析处理。由于无线监测骨干网中的每个无线网络设备都可以用作网关节点，因此可以根据需要，在需传输的数据量较大的情况下可以把多个无线网络设备设置成网关节点，将网络中的负载分流上传至监控中心，以避免出现数据上传瓶颈。此外，互联网的接入方式不仅限于以太网的有线接入方式，还可以通过异步通信接口连接的GPRS模块实现通过GPRS接入互联网。这种方式在所建无线网络附近没有互联网基础设施的情况下可以实现无线远程接入互联网。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，包括控制电路板，其特征在于：控制电路板由主控模块、WiFi通信模块、Zigbee通信模块、以太网模块及电源模块构成，主控模块通过MiniPCI接口和WiFi通信模块相连接，主控模块通过SPI接口和Zigbee通信模块相连接，主控模块通过SMC接口和以太网模块相连接。
2.根据权利要求1所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的主控模块还通过通信接口连接一异步通信模块。
3.根据权利要求2所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的异步通信模块采用MAX232芯片。
4.根据权利要求1所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的WiFi通信模块由一块XtreamRange2芯片或两块XtreamRange2芯片构成。
5.根据权利要求1所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的Zigbee通信模块采用Jennic5139芯片，所述的以太网模块采用KS8995芯片。
6.根据权利要求1所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的主控模块由微处理器和存储单元构成。
7.根据权利要求6所述的基于WiFi和Zigbee的无线网络设备，其特征在于：所述的微处理器采用MPC8272芯片，所述的存储单元包括SDRAM存储单元和Flash存储单元，SDRAM存储单元采用4片HY57V561620FTP芯片，Flash存储单元采用F28F256芯片。
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