CN101860527B

CN101860527B - 传感器无线网络化接口模块

Info

Publication number: CN101860527B
Application number: CN2010101179148A
Authority: CN
Inventors: 陈旿; 洪亮; 李静华; 张力; 周文佳; 孙凯将
Original assignee: Northwestern Polytechnical University
Current assignee: Northwestern Polytechnical University
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2030-03-04
Also published as: CN101860527A

Abstract

本发明公开了一种传感器无线网络化接口模块，用于解决现有的传感器接入Internet/Intranet时需要现场布线的技术问题。其技术方案包括无线通信单元、传感器接口单元和视频编码传输单元，以及嵌入式微处理器PXA270芯片。加电后，模块启动，自主运行自组网路由协议，加入Internet/Intranet；通过RS232接口读取传感器的输出数据；将传感器输出数据封装到UDP协议中；通过无线通信单元，以无线自组网的方式将传感器数据发送到目的节点。本发明通过无线自组网方式将智能传感器以标准TCP/IP协议连接入到Internet/Intranet。解决了不具备现场布线条件下传感器接入网络的技术问题。

Description

传感器无线网络化接口模块

技术领域

本发明涉及一种传感器模块，特别是一种传感器无线网络化接口模块。

背景技术

现代化的工业生产需要将传感器接入Internet/Intranet(企业内部网)，以实现远程分布式控制。但传统的传感器不具备接入网络的能力，而且传感器的设计寿命比较长，简单的升级换代必然会造成资源的巨大浪费。

现代传感器已经具备了网络接口，主要采用现场总线的方式将传感器接入网络。该方法的主要缺陷在于：目前市场上是多种现场总线并存的现象，使得基于现场总线接口协议标准各异，难以统一。而且现有工厂和企业大都建有Intranet，Intranet和Internet具有相同的技术原理，都基于通用的TCP/IP协议。部分现场总线采用的是非TCP/IP协议，使得测控网(Infranet)与信息网络(Intranet)难以有效结合。

为了便于将传感器/执行器接入到信息网络，一种解决方案是在传感器内部直接嵌入TCP/IP协议，使传感器在现场级就具备了网络功能，如美国SeikoInstruments公司生产的ichipS7600A芯片。这种方案需要将现有的传感器全部升级换代，成本很高。

另一种方案是采用一种通用的TCP/IP协议的接口模块，一端通过STIM接口与传感器相连，另一端接入到信息网络。文献“公开号是CN1561065的中国专利”公开了一种传感器自适应无缝接入Internet的方法，该方法通过以太网与Internet相连，实施时需要进行现场布线，而有些工业控制场合不具有现场布线条件，或布线的难度较高。因此，只能部分解决以通用协议将传感器接入到信息网的问题。

文献公开的硬件结构如图5所示。包括微控制器、以太网控制芯片、电子盘、RJ45接口以及扩展总线接口。微控制器通过内部总线连接以太网控制芯片和非易失性存储器电子盘，又从以太网控制网控制芯片引出标准的RJ45接口，同时从内部总线引出一个扩展总线接口，这几部分是用NetBox网络开发平台实现的。数据采集转换电路通过扩展总线接口将传感器的输出信号数字化处理后传送给微控制器。

发明内容

为了克服现有技术传感器接入Internet/Intranet时需要现场布线的不足，本发明提供一种传感器无线网络化接口模块，可以在不具备现场布线条件的条件下，以无线自组织网络方式接入到Internet/Intranet。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案：一种传感器无线网络化接口模块，其特点是包括无线通信单元、传感器接口单元和视频编码传输单元，以及嵌入式微处理器PXA270芯片、SDRAM、FLASH、USB2.0Client、LCD接口、LAN 91C111NE、RJ45接口，所述无线通信单元由USB 1.1HOST和无线网卡组成，所述传感器接口单元由RS232串口担任，所述视频编码传输单元由SPI接口、SD卡接口和BF537组成，采用5V外部直流电源或5V锂电供电；USB1.1HOST连接无线网卡；LCD接口连接触摸屏，SD卡接口将视频信息及模块工作状态信息存储于SD卡上，RS232串口提供9线串口，供与传感器通信使用；SPI接口用于连接基于BF537的H.264视频压缩板；LAN 91C111NE与RJ45接口固网连接；加电后，模块启动，自主运行自组网路由协议，加入Internet/Intranet；通过RS232接口读取传感器的输出数据；将传感器输出数据封装到UDP协议中；通过无线通信单元，以无线自组网的方式将传感器数据发送到目的节点。

本发明具有以下有益效果：

1.使传统智能传感器具备了网络接口，将传感器作为网络的节点直接与计算机网络通信。使传感器在现场级就具备了网络功能，将测控网与信息网有机网有机地结合起来。

2.通过无线自组网方式将智能传感器以标准TCP/IP协议连接入到Internet/Intranet。解决了不具备现场布线条件下传感器接入网络的问题。

3.该模块内置了H.264视频压缩模块，在传输传感器数据的同时可传输现场视频信息，建立全方位的现场监控系统。

4.采用优化的UDP协议传输传感器数据，解决了无线自组网环境下传感器数据传输的快速性与可靠性无法兼顾的问题。

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

附图说明

图1是本发明传感器无线网络化接口模块框图。

图2是本发明传感器无线网络化接口模块中视频数据的传输流程图。

图3是本发明实施例的网络拓朴图。

图4是采用本发明传感器无线网络化接口模块进行自组网的流程图。

具体实施方式

参照图1～4。本发明模块主要由无线通信单元、传感器接口单元和视频编码传输单元三个功能单元组成。模块的核心是嵌入式微处理器PXA270芯片，配合64MB的SDRAM(2片K4S561632E)和32M的FLASH(2片E28F128J3Intel Strata Flash)构成最小化系统。外围接口包括一个USB 1.1HOST、一个USB2.0Client、一个SPI接口、一个RS232串口、一个RJ45标准以太网接口、LCD接口和一个SD卡接口。采用5V外部直流电源或锂电池两种供电方式。USB HOST接口用于连接无线网卡；LCD接口连接了一个4.3英寸的触摸屏，实现图形显示和用户输入；SD卡接口用于将视频信息及模块工作状态信息存储于SD卡上，主要于记录故障状态，便于事后分析；RS232串口向外提供9线串口，供与传感器通信使用；SPI接口用于连接基于BF537的H.264视频压缩板；以太网接口用于连接固网，实现网关工作状态。

模块在启动后首先判断USB接口所连接的无线网卡类型，并启用对应的驱动程序，目前本发明支持USB接口的802.11b、802.11g、802.11a、802.15.4标准的USB无线网卡。无线网卡启动后，读取网络设置参数，为无线网卡分配正确的网络参数。无线网卡工作正常后，主程序启用三个守护进程：无线自组网路由程序、串口监控程序、视频转发程序。

无线路由程序选择OLSR协议，也可选择其它无线自组网路由协议。路由协议通过与邻近节点不断交换路由消息，维护路由表，为发送传感器数据和视频数据提供路由服务。同时也为其它节点的数据提供中继服务，形成无线自组网。

串口监控程序以中断工作方式与传感器相连：当传感器有数据发送时，触发中断，读取传感器数据，以优化的UDP协议封装后，通过无线通信单元发送给控制中心。

视频转发程序通过内置的H.264编码模块将视频信息编码后以RTP协议封装后通过无线通信单元传输。

根据分层设计的原则，视频压缩模块中的视频编码子模块负责接收上层的采集模块的数据，按照一定标准进行编码，并且根据预先的设置进行视频发送单元的封装模式，然后交付下层发送。而视频解码子模块负责接收下层接收模块的数据，同样根据设置进行视频单元的解封工作，然后对数据进行视频解码工作，最后负责将解码后的视频递交至上层进行播放。单元封装主要是因为H.264/AVC标准中存在的VCL层和NAL层，其中VCL负责视频编码和视频解码，而NAL则是完成网络抽象编码和解码，亦即将视频数据划分为一个特定的单元。NAL包可以直接作为文件格式进行发送和接收，也可以通过打包进RTP协议进行发送和接收。

TCP的连接维持的开销及面向流的通信等特点不适合发送大量独立消息报文的场合。因此，本发明利用滑动窗口协议为UDP引入可靠传输机制，并面向无线自组网特点进行重传机制优化，用于传输传感器数据，优化UDP协议的协议首部结构及类型定义。

优化UDP协议的发送和接收双方分别维护一个报文窗口，分别用来表示发送方已发送但尚未被确认的报文数据和接收方允许接收的报文数据范围。发送窗口中的报文个数不能超过一个最大长度；接收窗口的大小同样也是固定的。由于发送窗口大小有限，发送方还需要引入一个缓冲区来缓存应用层所要发送的消息。跟一般的滑动窗口协议一样，优化UDP协议中通过引入确认及重传机制来保证传感器数据的可靠传输。

传感器无线网络化接口模块通过RS232接口与智能传感器接口模块(STIM)互联，通过无线自组网协议使传统传感器具备无线传输及快速组网能力，从而扩展为无线网络传感器。其处理步骤为：

(1)加电后，模块启动，自主运行自组网路由协议，以自组网的方式加入Internet/Intranet；

(2)通过RS232接口读取传感器的输出数据；

(3)将传感器输出数据封装到UDP协议中；

(4)通过无线通信单元，以无线自组网的方式将传感器数据发送到目的节点。

(a)采用USB接口连接无线发射装置，以支持不同的无线接口协议，本发明可支持802.11b、802.11g、802.11a及802.15.4无线网络接口协议。

(b)集成了基于h.264的视频编码模块，可实现视频监控与传感器数据同时传输。

(c)集成了以太网接口，可作为网关节点接入有线网，或将传感器直接以有线方式接入信息网。

(d)对传感器数据采用优化的UDP协议进行封装，在保证快速的同时保证数据的可靠性。

引入滑动窗口协议实现UDP协议的可靠传输、针对测控网环境对滑动窗口协议的确认和重传机制进行优化。优化UDP协议的格式只有两个字节的协议头，表示的内容包含数据类型和数据序号，数据类型分为DATA和ACK，占用1位，序号用余下的15位来表示Data包的序号或ACK包确认的序号。

实施例：传感器无线网络化接口模块内置了无线自组网路由协议，每个模块除了可以与传感器相连实现数据采集与传输功能外，还可以为其它模块提供中继服务，也可不与传感器相连，单独作为中继节点使用，从而形成自组织传感器网络。传感器无线网络化接口模块具有两种应用方式：工业中间产品和独立网络接口模块。工业中间产品为板卡形式，可提供给传感器生产厂商，仅进行外观重新设计后即可将现有传统智能传感器升级为网络传感器。独立网络接口模块应用于工业控制现场，直接与已布置的传感器相连，将传感器接入Internet/Intranet网，将测控网与信息网统一起来。

Claims

1.一种传感器无线网络化接口模块，其特征在于：包括无线通信单元、传感器接口单元和视频编码传输单元，以及嵌入式微处理器PXA270芯片、SDRAM、FLASH、USB2.0Client、LCD接口、LAN 91C111NE、RJ45接口，所述无线通信单元由USB1.1HOST和无线网卡组成，所述传感器接口单元由RS232串口担任，所述视频编码传输单元由SPI接口、SD卡接口和BF537组成，采用5V外部直流电源或5V锂电供电；USB1.1HOST连接无线网卡；LCD接口连接触摸屏，SD卡接口将视频信息及模块工作状态信息存储于SD卡上，RS232串口提供9线串口，供与传感器通信使用；SPI接口用于连接基于BF537的H.264视频压缩板；LAN 91C111NE与RJ45接口固网连接；加电后，模块启动，自主运行自组网路由协议，加入Internet/Intranet；通过RS232接口读取传感器的输出数据；将传感器输出数据封装到UDP协议中；通过无线通信单元，以无线自组网的方式将传感器数据发送到目的节点。