CN101667332A - 基于无线传感器网络和gprs的无线通信模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络和GPRS的无线通信模块，包括电源模块、近距离通信模块和远距离通信模块，近距离通信模块包括近距离微处理器模块、射频收发模块和近距离电源管理模块；所述近距离微处理器模块控制射频收发模块和现场设备进行通信；所述远距离通信模块包括远距离微处理器模块、GPRS通信模块和远距离电源管理模块；所述远距离微处理器模块和近距离微处理器模块通过串口进行通信，远距离微处理器模块控制GPRS通信模块和远端服务器进行通信。本发明实现现场设备和远端服务器之间的无线通信，降低系统成本，保证运行稳定，且易于维护。

Description

基于无线传感器网络和GPRS的无线通信模块

技术领域

本发明涉及无线通信设备技术领域，特别涉及基于无线传感器网络和GPRS网络的无线通信模块。

背景技术

在电力系统、工业数据采集、交通管理、安全监控等领域，常常需要实现现场设备和服务器之间的通信，但是若现场设备和服务器相隔较远，通常采用有线的布线方式来实现现场数据到服务器终端的通信，带来高成本、不易维护的缺点。

无线传感器网络结合了传感器技术、无线通信技术和嵌入式技术，具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、实现成本低的特征。通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)作为一种移动数据通信业务，具有永远在线、按通信流量计费的特点，为远程数据传输提供了一种高效而实用的无线通信方式。随着移动通信技术的不断发展，采用GPRS/CDMA 1x通信方式的移动数据通信网络已经覆盖了全国各地，网络覆盖广，且运行稳定。

因此，我们考虑是否可以将无线传感器网络和GPRS技术用于实现现场设备和远端服务器之间的通信。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计一个基于无线传感器网络和GPRS技术的无线通信模块，实现现场设备和远端服务器之间的无线通信，降低系统成本，保证运行稳定，且易于维护。

本发明的技术方案是：一种基于无线传感器网络和GPRS的无线通信模块，包括电源模块3，还包括近距离通信模块1和远距离通信模块2，所述近距离通信模块1包括以下子模块：

(1.1)近距离微处理器模块4，用于处理数据和控制近距离通信模块的各个子模块；

(1.2)射频收发模块5，用于发送和接收2.4GHz的无线射频信号；

(1.3)近距离电源管理模块6，用于对近距离通信模块的各个子模块供电；

所述近距离微处理器模块4输出控制信号和数据给射频收发模块5，并发送到无线传感器网络13中，随后，射频收发模块5从无线传感器网络中接收现场设备14发出的射频信号，输入给近距离微处理器模块4处理；

所述远距离通信模块2包括以下子模块：

(2.1)远距离微处理器模块7，用于处理数据和控制远距离通信模块的各个子模块；

(2.2)GPRS通信模块8，用于和GPRS网络进行无线通信；

(2.4)远距离电源管理模块9：用于对远距离通信模块的各个子模块供电；

所述远距离微处理器模块7和近距离微处理器模块4通过串口进行通信，远距离微处理器模块7控制GPRS通信模块8通过GPRS网络15和远端服务器16进行远距离的无线通信。

本发明的更详细的技术方案是：

所述远距离通信模块2，还包括以下子模块：

(2.5)复位模块10，用于对远距离微处理模块进行复位；

(2.6)调试模块11，用于对系统进行调试和读写程序；

(2.7)LED指示灯模块12，用于控制LED指示灯，对数据传输状态进行显示；

所述复位模块10、调试模块11和LED指示灯模块12分别和近距离微处理器模块7相连。

所述近距离通信微处理器模块4输出第一、第二和第三控制信号(PA_EN、HGM和RXTX)连接射频收发模块5的第一、第二和第三控制输入端口，输出第一、第二射频输出信号(RFOut1、RFOut2)接射频收发模块5的第一、第二输入端，射频收发模块5输出的第一、第二射频输入信号(RFIn1、RFIn2)连接近距离通信微处理器模块4的第一、第二输入端。

所述GPRS通信模块8包括GPRS基带处理器17、SIM卡和SIM卡座18，SIM卡通过SIM卡座18上的接口和GPRS基带处理器17通信。

所述远距离微处理器模块7通过输入/输出RX1/TX1端口和近距离微处理模块4的TX1/RX1输入输出端口连接，通过RX2/TX2输入输出端口和GPRS通信模块8的TX2/RX2输入/输出端口连接。

所述远距离微处理器模块7通过第三、第四信号端口(RESET、DOG_IO)连接复位模块10，通过第五信号端口(PTG0)连接调试模块11，通过第六、第七信号端口(LED1_NET、LED2_DATA)连接LED指示灯模块12。

所述近距离微处理器模块4采用MC13213芯片。

本发明的优点是：

1.网络覆盖广：在短距离通信可以实现监测多达255个现场设备；

2.抗干扰：无线通信模块工作在2.4GHz，可有效屏蔽绝大部分自然界的干扰信号，使短距离通信更加可靠、有效和实时；

3.无线通信减少了复杂的布线和高昂的维护成本；

4.无线通信模块可以以固定时间间隔，或者在监测值达到阈值，或者在监测值变化频率过快时通过中国移动的基站发送监测数据到远端服务器，用户通过桌面软件或者互联网浏览器即可实现远程监控或报警。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明的无线通信模块的总系统结构示意图；

图2是本发明的近距离通信模块的示意图；

图3是本发明的远距离通信模块的示意图；

图4是本发明的实施例的近距离微处理器模块的电路引脚图；

图5是本发明的实施例的射频收发模块的电路原理图；

图6是本发明的实施例的近距离电源管理模块的电路原理图；

图7是本发明的实施例的远距离微处理器模块的电路原理图；

图8是本发明的实施例的GPRS通信模块的电路原理图；

图9是本发明的实施例的远距离电源管理模块的电路原理图；

图10是本发明的实施例的复位模块的电路原理图；

图11是本发明的实施例的调试模块的电路原理图；

图12是本发明的实施例的LED指示灯模块的电路原理图；

图13是本发明的无线通信模块“发送至远端服务器”的工作流程图；

图14是本发明的无线通信模块“发送至现场设备”的工作流程图。

其中：1近距离通信模块；2远距离通信模块；3电源模块；4近距离微处理器模块；5射频收发模块；6近距离电源管理模块；7远距离微处理器模块；8GPRS通信模块；9远距离电源管理模块；10复位模块；11调试模块；12LED指示灯模块；13无线传感器网络；14现场设备；15GPRS网络；16远端服务器；17GPRS基带处理器；18SIM卡座。

具体实施方式

实施例：如图1所示，本实施例的基于无线传感器网络和GPRS网络的无线通信模块，包括近距离通信模块1、远距离通信模块2和电源模块3，电源模块3向近距离通信模块1和远距离通信模块2提供工作电源。如图2所示，近距离通信模块1包括：近距离微处理器模块4、射频收发模块5和近距离电源管理模块6。如图3所示，远距离通信模块2包括：远距离微处理器模块7、GPRS通信模块8和远距离电源管理模块9。

近距离通信模块1的近距离微处理器模块4，用于处理数据和对近距离通信模块1的各个子模块进行控制。近距离微处理器模块4输出控制信号和数据给射频收发模块5，并发送到无线传感器网络13中，随后，射频收发模块5从无线传感器网络中接收现场设备14发出的射频信号，输入给近距离微处理器模块4处理。近距离通信微处理器模块4输出第一、第二和第三控制信号(PA_EN、HGM和RXTX)连接射频收发模块5的第一、第二和第三控制输入端口，输出第一、第二射频输出信号(RFOut1、RFOut2)接射频收发模块5的第一、第二输入端，射频收发模块5输出的第一、第二射频输入信号(RFIn1、RFIn2)连接近距离通信微处理器模块4的第一、第二输入端。

射频收发模块5，用于通过无线网络发送和接收2.4GHz的无线射频信号，和在现场要采集数据的设备进行通信。近距离通信微处理器模块4和射频收发模块5通过电源和地线连接电源管理模块6。近距离电源管理模块6，用于对近距离通信模块的各个子模块进行供电。

远距离通信模块2的远距离微处理器模块7，用于处理数据和控制远距离通信模块的各个子模块。远距离微处理器模块7，通过串口和近距离通信模块1进行通信，控制GPRS通信模块8，通过GPRS网络15和远端服务器16进行远距离无线通信。

GPRS通信模块8，用于和GPRS网络进行远距离无线通信，包括GPRS基带处理器17、SIM卡和SIM卡座18，SIM卡通过SIM卡座18上的接口和GPRS基带处理器17通信；远距离电源管理模块9，用于对远距离通信模块的各个子模块供电；复位模块10，包括看门狗复位电路，具有自动复位功能；调试模块11，用于调试系统程序和烧写程序；LED指示灯模块12，用于控制LED指示灯，对数据传输状态进行显示。远距离通信模块的各个子模块根据各自所需的不同工作电压连接远距离电源管理模块9的不同电源输出端口。

远距离微处理器模块7通过输入/输出(RX1/TX1)端口和近距离微处理模块4的输入/输出(TX1/RX1)端口连接，通过输入/输出(RX2/TX2)端口和GPRS通信模块8的输入/输出(TX2/RX2)端口连接。第三、第四输出信号(RESET、DOG_IO)连接复位模块10，通过第五输出信号(PTG0)连接调试模块11，通过第六、第七输出信号(LED1_NET、LED2_DATA)连接LED指示灯模块12。

如图4所示，本实施例的近距离微处理器模块4选用Freescale公司的处理器芯片MC13213。MC13213的第12和13脚用于和远距离微处理器模块7进行串口通信，定义12脚为RX1，13脚为TX1。MC13213的第50脚输出PA_EN控制信号，用于使能射频收发模块；MC13213的第34脚输出RXTX控制信号，用于控制射频收发模块接收或发送；MC13213的第49脚输出HGM信号，对射频收发模块5的增益进行数字控制，选择高增益或低增益模式。MC13213的36脚、35脚输出上述的第一、第二射频输出信号(RfOut1、RfOut2)，上述的第一、第二射频输入信号(RfIn1、RfIn2)分别接MC13213的36脚、35脚。MC13213的第6、45、32、23脚输入5V供电电压，60脚接2.5V电压，并串联一个电容后接地。

如图5所示，本实施例的射频收发模块5由Texas Instruments公司的射频芯片CC2591以及若干电感、电容组成，上述PA_EN信号接CC2591的5、6脚，上述RXTX信号接CC2591的3脚，上述HGM信号接CC2591的7脚，上述第一射频输入/输出信号(RFIn1/RFOut1)串联电感后接CC2591的2脚，上述第二射频输入/输出信号(RFIn2/RFOut2)串联电感后接CC2591的4脚，且CC2591的2脚和4脚并联一个电容，CC2591的8、9、12、14、17脚接地，CC2591的1、10、13、16脚接电源，CC2591的11脚串联一个电容后连接天线，发送和接收2.4GHz的射频信号。

如图6所示，本实施例的近距离电源管理模块6采用NationalSemiconductor的LM2576和LM317作为电源转换芯片，允许输入电压为+7V～+40V，LM2576芯片及其外围电路实现输入电压转5V的功能，LM317芯片及其外围电路实现电压5V转2.5V的功能。其中5V电压为近距离微处理器模块4和射频收发模块5供电，2.5V作为参考电压供给近距离微处理器模块4的MC13213的60脚。

如图7所示，本实施例的远距离微处理器模块7采用Freescale公司的MC9S08QE32RM处理器芯片。芯片的第20和19脚分别是和近距离微处理器模块4进行串口通信的RX1和TX1口，第20脚连接MC13213的12脚，19脚连接MC13213的13脚。芯片的第28和27脚是和GPRS通信模块的基带处理器进行串口连接的端口，定义第28脚为RX2，第27脚为TX2。通过第12脚输出DOG_IO的复位信号给复位模块10，并由第3脚输入RESET复位回复信号。通过第4脚输出PTG0信号与调试模块12连接，第13脚和第14脚分别输出LED1_NET和LED2_DATA信号用于控制LED指示灯模块。MC9S08QE32RM通过输出第15脚Ring信号、第17脚TERM信号、第16脚RST信号给GPRS通信模块的GPRS基带处理器14，分别用于远程呼叫指示、开关机操作和基带处理器主芯片复位功能。

如图8所示，GPRS通信模块8包括基带处理器17和SIM卡、SIM卡座18，SIM卡通过SIM卡座18上的接口和GPRS基带处理器17通信。本实施例的GPRS基带处理器17采用了华为公司的EM200模块，SIM卡座18采用了富士康的SIM卡座。EM200通过第15脚RX2和17脚TX2的UART总线分别与MC9S08QE32RM处理器芯片的第28和27脚相连。MC9S08QE32RM输出的Ring信号、TERM信号、RST信号分别连接EM200的第32、41和40脚，分别用于远程呼叫指示、开关机操作和基带处理器主芯片复位功能。MC9S08QE32RM的LED1_NET信号端口连接EM200的13脚。EM200模块集成了符合ISO7816-3的SIM接口，第1、2、3、4、6脚分别输出时钟信号UIM_CLK、电源信号UIM_VCC、数据输入输出信号UIM_IO、重置信号UIM_RST、接地信号UIM_GND，与SIM卡座的相应管脚连接。

SIM卡座的第4脚连接UIM_VCC信号，第3脚连接UIM_GND并接地，第3脚和第4脚之间连有一个电容。第1脚和第6脚分别通过一个电阻连接UIM_IO和UIM_CLK，并通过电容接地。第5脚通过电阻连接UIM_RST。第2、7、8脚空置。SIM卡插于SIM卡座上。

如图9，远距离电源管理模块9采用National Semiconductor的LM2576和LM1117作为电源转换芯片，允许输入电压为+7V～+40V，LM2576芯片及其外围电路实现输入电压转5V的功能，LM1117芯片及其外围电路实现电压5V转3.6V的功能。其中5V电压为串口通信模块供电，3.6V为远距离通信模块的其余子模块供电。

图10为复位模块10的电路原理图，本实施例采用MAXIM具有自动复位功能的微控制器监控芯片MAX823，可以保证系统正常运行，防止程序进入死循环，当CPU程序停止时发出复位信号使其重新启动。第1脚连接远距离微处理器模块7的第3脚RESET脚，第4脚连接远距离微处理器模块7的第12脚DOG_IO脚，若在限定时间内远距离微处理器模块7没有对复位模块10的第4脚进行读写操作，则复位模块10的1脚输出低电平，使得远距离微处理器模块7复位。

图11为调试模块11的电路原理图，调试模块11用于系统的调试和程序的烧写，第1脚输入PTG0信号。

如图12所示，本实施的LED指示灯模块12采用三路信号灯，对数据传输状态进行显示。LED指示灯模块12通过电源和地线连接电源控制模块9的3.6V电压端口。当电源正常工作时，代表电源的指示灯Power亮，LDE1_NET和LED1_DATA分别控制另外的两盏灯，当模块与服务器建立网络连接后，由LED1_NET控制相应灯闪烁显示，当模块进行数据传输时由LED2_DATA控制相应灯闪烁显示。

图13是本发明的实施例的无线通信模块“发送至远端服务器”方向的工作流程图。包括以下步骤：

1.上电以后，无线通信模块初始化，包括定义输入输出方向及其端口电平，初始化微处理器模块4和7的各寄存器，设置射频收发模块5的工作状态，并按照配置信息进行配置。

2.在初始化结束后开始工作，首先判断近距离通信模块1的射频收发模块5是否已经接收到数据，若没有接收到数据，则继续侦听判断射频收发模块5是否接收到数据；若有数据，则读出数据，发送到近距离微处理器模块4。

3.近距离微处理器模块4对数据进行处理，并加上CRC校验位。

4.近距离微处理器模块4将处理好的待发送数据，通过串口传输给远距离通信模块2。

5.当远距离通信模块2的远距离微处理器模块7接收到近距离通信模块1发来的信息后，控制GPRS通信模块，将数据通过GPRS网络无线发送给远端服务器。

本发明的GPRS通信模块已嵌入TCP/IP协议栈，因此当近距离通信模块1将数据传送过来后，通过AT指令即可依次建立PPP连接、IP连接和UDP连接，并将数据发送出去，此为现有技术。

图14是本发明的实施例的无线通信模块“发送至现场设备”方向的工作流程图。包括以下步骤：

1.上电以后，无线通信模块初始化，包括定义输入输出方向及其端口电平，初始化微处理器模块4和7的各寄存器，设置射频收发模块5的工作状态，并按照配置信息进行配置。

2.在初始化结束后开始工作，判断GPRS模块是否侦听到从远端服务器发来的射频信号，若没有，则继续侦听，若有，则通过GPRS通信模块8接收信号。

3.GPRS模块8将接收的信号通过串口传输给远距离微处理器7进行协议和数据处理。

4.远距离微处理器模块7通过串口将数据传输给近距离微处理器模块4。

5.近距离微处理器模块4将信号通过射频收发模块5无线发送给现场设备。

以上所述，仅为本发明的优选实施例，并不能以此限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求及说明书内容所作的简单的变换，皆应仍属于本发明覆盖的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于无线传感器网络和GPRS的无线通信模块，包括电源模块(3)，其特征在于：还包括近距离通信模块(1)和远距离通信模块(2)，所述近距离通信模块(1)包括以下子模块：

(1.1)近距离微处理器模块(4)，用于处理数据和控制近距离通信模块的各个子模块；

(1.2)射频收发模块(5)，用于发送和接收2.4GHz的无线射频信号；

(1.3)近距离电源管理模块(6)，用于对近距离通信模块的各个子模块供电；

所述近距离微处理器模块(4)输出控制信号和数据给射频收发模块(5)，并发送到无线传感器网络(13)中，随后，射频收发模块(5)从无线传感器网络中接收现场设备(14)发出的射频信号，输入给近距离微处理器模块(4)处理；

所述远距离通信模块(2)包括以下子模块：

(2.1)远距离微处理器模块(7)，用于处理数据和控制远距离通信模块的各个子模块；

(2.2)GPRS通信模块(8)，用于和GPRS网络进行无线通信；

(2.4)远距离电源管理模块(9)：用于对远距离通信模块的各个子模块供电；

所述远距离微处理器模块(7)和近距离微处理器模块(4)通过串口进行通信，远距离微处理器模块(7)控制GPRS通信模块(8)通过GPRS网络(15)和远端服务器(16)进行远距离的无线通信。

2.根据权利要求1中所述的无线通信模块，其特征在于：所述远距离通信模块(2)，还包括以下子模块：

(2.5)复位模块(10)，用于对远距离微处理模块进行复位；

(2.6)调试模块(11)，用于对系统进行调试和烧写程序；

(2.7)LED指示灯模块(12)，用于控制LED指示灯，对数据传输状态进行显示；

所述复位模块(10)、调试模块(11)和LED指示灯模块(12)分别和近距离微处理器模块(7)相连。

3.根据权利要求1中所述的无线通信模块，其特征在于：所述GPRS通信模块(8)包括GPRS基带处理器(17)、SIM卡和SIM卡座(18)，SIM卡通过SIM卡座(18)上的接口和GPRS基带处理器(17)通信。

4.根据权利要求1中所述的无线通信模块，其特征在于：所述近距离通信微处理器模块(4)输出第一、第二和第三控制信号(PA_EN、HGM和RXTX)连接射频收发模块(5)的第一、第二和第三控制输入端口，输出第一、第二射频输出信号(RFOut1、RFOut2)接射频收发模块(5)的第一、第二输入端，射频收发模块(5)输出的第一、第二射频输入信号(RFIn1、RFIn2)连接近距离通信微处理器模块(4)的第一、第二输入端。

5.根据权利要求1、2或3中所述的无线通信模块，其特征在于：所述远距离微处理器模块(7)通过输入/输出RX1/TX1端口和近距离微处理模块(4)的TX1/RX1输入输出端口连接，通过RX2/TX2输入输出端口和GPRS通信模块(8)的TX2/RX2输入/输出端口连接。

6.根据权利要求2中所述的无线通信模块，其特征在于：所述远距离微处理器模块(7)通过第三、第四信号端口(RESET、DOG_IO)连接复位模块(10)，通过第五信号端口(PTG0)连接调试模块(11)，通过第六、第七信号端口(LED1_NET、LED2_DATA)连接LED指示灯模块(12)。

7.根据权利要求1或4中所述的无线通信模块，其特征在于：所述近距离微处理器模块(4)采用MC13213芯片。

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