CN102111911A - 一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置 - Google Patents

Abstract

一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置包括核心处理模块、无线传感器网络通信模块、多终端接口模块和电源模块。无线传感器网络通信模块配置和管理无线传感器网络，对接收到的无线传感器网络数据进行数据判别和量纲处理，并将处理后的数据上传核心处理模块。核心处理模块一方面将上传的无线传感器网络数据进行转化、存储和加权融合，并将处理后的数据通过多终端接口模块发往本地终端和远程终端，同时根据控制算法实施控制策略；另一方面将由多终端接口模块接收到的本地终端或远程终端的控制指令通过无线传感器网络通信模块发往指定无线传感器网络节点。

Description

一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置

技术领域

本发明适用于工业、农业、军事、电力、交通、能源、水利、物流、医疗、家居、公益事业场合环境、装备、危险源、污染源状态监测和控制系统中，涉及嵌入式系统、以无线传感器网络为核心的传感网技术领域，尤其涉及一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置。

 

背景技术

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,简称WSN)综合了传感技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术、现代网络技术、通信技术和MEMS技术等，可用在工业、农业、军事、电力、交通、能源、水利、物流、医疗、家居、公益事业场合环境、装备、危险源、污染源状态监测和控制系统中，具有极其广阔的应用前景。

一个典型的以无线传感器网络为核心的传感网监控系统如图1所示，包括无线传感器网络节点（传感节点和控制节点）、基站、本地终端以及主干传输网Internet、2G（如GPRS）、3G（如TD-SCDMA）、有线数字集群等和远程移动终端及远程固定终端。无线传感器网络节点之间通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络，其目的是协作地感知、采集和处理监控区域中各环境参数传感数据以及各执行设备状态数据并发送至基站；基站负责对接收到的无线传感器网络数据（传感数据和状态数据）进行分析、转换、计算和存储，然后将处理后的数据发送到本地终端以及通过主干传输网Internet、2G(如GPRS)、3G（如TD-SCDMA）、有线数字集群等发送到远程终端，同时根据控制算法将所得出的控制指令通过基站以多跳的方式发送到指定控制节点以驱动相应的执行设备；管理人员可以在本地终端或远程终端上查看无线传感器网络信息。此外，管理人员下达的控制指令也是通过基站以多跳的方式发送到指定无线传感器网络节点。因此，在以无线传感器网络为核心的传感网监控系统的数据传输过程中，基站处于承上启下的地位，是数据传输的中枢环节设备。

虽然基站在以无线传感器网络为核心的传感网监控系统中起到非常关键的作用，但是现有基站在实际应用中存在许多问题，具体表现在：

    1、兼容性不强。现有基站通常只可以跟某种特定的无线传感器网络节点进行通信。

 2、数据处理能力不够。有的基站选用Atmega128/Atmega128L作为核心处理器，该处理器是一款8位的单片机，最高主频为16MHz，数据处理能力较弱，无法适应无线传感器网络节点数量较多、数据传输量较大的场合。

 3、数据转发方式单一。有的基站只具有固定的、单一的数据转发方式，无法根据不同的应用需求灵活配置。

 4、工作环境受限。有的基站选用商业级元器件，在实际应用中会受到工作温度的限制。

 本发明正是以解决上述问题为出发点，系统地研究和设计了一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置。

 

发明内容

技术问题：

本发明的目的是提供一种在工业、农业、军事、电力、交通、能源、水利、物流、医疗、家居、公益事业场合环境、装备、危险源、污染源状态监测和控制系统中有效应用的工业级双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，以有效解决无线传感器网络节点与终端之间的通信和控制方面的问题，并使其投资成本低、性价比高、实时性好、安全可靠、通用性好、使用和维护方便。

 

技术方案：

本发明所述的双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，包括核心处理模块、无线传感器网络通信模块、多终端接口模块和电源模块。

    所述核心处理模块包括主处理器单元和存储单元，存储单元与主处理器单元的外部总线接口连接，该模块用于将无线传感器网络通信模块接收到的无线传感器网络数据进行转化、存储和加权融合，并将处理后的数据通过多终端接口模块转发到本地终端和远程终端，同时根据控制算法向控制节点发送控制指令；所述核心处理模块还用于将多终端接口模块接收到的本地终端或远程终端的控制指令通过无线传感器网络通信模块发往指定无线传感器网络节点。

    所述无线传感器网络通信模块包括子处理器单元和无线收发单元，子处理器单元通过异步串行接口与主处理器单元连接，该模块用于配置和管理无线传感器网络，对无线传感器网络数据进行数据判别和量纲处理以及实现与核心处理模块之间的数据流通。

所述多终端接口模块包括串行接口单元、网络接口单元、GPRS/TD-SCDMA接口单元、显示设备接口单元和USB接口单元，分别与主处理器单元的异步串行接口、独立媒体接口、异步串行接口、外部总线接口和USB接口连接，该模块用于实现核心处理模块与本地或远程终端之间的数据流通。

所述电源模块用于为核心处理模块、无线传感器网络通信模块、多终端接口模块提供能量。

 

有益效果：

1)本发明在系统地研究和设计了以无线传感器网络为核心的传感网监控系统基础上，设计并研制了一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，以有效解决无线传感器网络节点与终端之间的通信和控制方面的问题以及无线传感器网络与主干传输网Internet、2G（如GPRS）、3G（如TD-SCDMA）和有线数字集群等的通信问题，并且其投资成本低、性价比高、实时性好、安全可靠、通用性好、使用和维护方便。

2)本发明采用双核结构，子处理器单元用于配置和管理无线传感器网络以及对无线传感器网络数据进行数据判别和量纲处理等预操作，主处理器单元用于对无线传感器网络数据进行数据转换、存储、加权融合，执行控制算法，以及实现多终端通信任务的并发执行。由于子处理器单元选用和无线传感器网络节点相同的处理器，所以其实现无线传感器网络协议将更加方便和稳定，同时其执行数据判别可以减少由数据错误重传带来的两处理器通信开销，主处理器单元则充分发挥其优势用来实现数据处理量大的运算和存储，两者各尽其职协同工作，最大限度提高数据处理能力和效率。

3)本发明提供无线传感器网络的最大兼容性，可以与多种类型的无线传感器网络节点进行通信。

4)本发明提供了多种终端接口，可以根据实际应用场合灵活配置。

5)本发明在设计中采用工程实用性设计和制作，在充分考虑到其装置在实际应用中抗干扰、成本及便于升级等因素，将无线收发单元(或无线传感器网络通信模块)以及GPRS/TD-SCDMA接口单元分开制作，采用单独的PCB板设计。

6)本发明充分注意到其装置的牢固性，部署前焊牢，并在其洁净和干燥后用三防漆密封，使得其装置在潮湿、灰尘等环境中都能正常工作，而不会发生腐蚀、线路短路或漏电故障等现象。

7)本发明满足工业级要求，具有防爆、防腐、防潮、防尘、抗静电、抗电磁干扰能力，能够在-40°C ~+85°C的工作环境下长期稳定工作。。

8)本发明由于具有上面6)、7)中所述的特点，能够抵抗一般强度的高湿、高低温、风沙、撞击和腐蚀等，极大地增强了其装置在恶劣环境下的适应能力。

 

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的阐述。

图1是以无线传感器网络为核心的传感网监控系统典型结构示意图。

图2是本发明基站装置结构框图。

图3是本发明的主处理器单元1-1电路原理图。

图4是本发明的存储单元1-2中SDRAM电路原理图。

图5是本发明的存储单元1-2中NOR Flash和NAND Flash电路原理图。

图6是本发明采用板内连接方式实现无线传感器网络通信模块2的子处理器单元2-1电路原理图。

图7是本发明采用板内连接方式实现无线传感器网络通信模块2的无线收发单元2-2电路原理图。

图8是本发明采用CC2430+CC2591方案实现板外连接方式的无线传感器网络通信模块2电路原理图。

图9是本发明采用JN5139/JN5148-XXX方案实现板外连接方式的无线传感器网络通信模块2电路原理图。

图10是本发明的串行接口单元3-1电路原理图。

图11是本发明的网络接口单元3-2电路原理图。

图12是本发明的GPRS接口单元3-3电路原理图。

图13是本发明的TD-SCDMA接口单元3-3电路原理图。

图14是本发明的显示设备接口单元3-4中图像处理器电路原理图。

图15是本发明的显示设备接口单元3-4中EDO-DRAM电路原理图。

图16是本发明的USB接口单元3-5中USB HOST接口电路原理图。

图17是本发明的USB接口单元3-5中USB DEVICE接口电路原理图。

图18是本发明的电源模块4电路原理图。

图19是本发明的子处理器单元2-1工作流程图。

图20是本发明的主处理器单元1-1工作流程图。

图21是本发明在畜禽设施养殖应用中的控制算法流程图。

 

具体实施方式

本发明所述的双核多终端接口的无线传感器网络基站装置结构框图如图2所示，其包括核心处理模块1、无线传感器网络通信模块2、多终端接口模块3和电源模块4。

    所述核心处理模块1包括主处理器单元1-1和存储单元1-2，存储单元1-2与主处理器单元1-1的外部总线接口连接，该模块用于将无线传感器网络通信模块2接收到的无线传感器网络数据进行转化、存储和加权融合，并将处理后的数据通过多终端接口模块3转发到本地终端和远程终端，同时根据控制算法向控制节点发送控制指令；所述核心处理模块1还用于将多终端接口模块3接收到的本地终端或远程终端的控制指令通过无线传感器网络通信模块2发往指定无线传感器网络节点。

    所述无线传感器网络通信模块2包括子处理器单元2-1和无线收发单元2-2，子处理器单元2-1通过异步串行接口与主处理器单元1-1连接，该模块用于配置和管理无线传感器网络，对无线传感器网络数据进行数据判别和量纲处理以及实现与核心处理模块1之间的数据流通。

所述多终端接口模块3包括串行接口单元3-1、网络接口单元3-2、GPRS/TD-SCDMA接口单元3-3、显示设备接口单元3-4和USB接口单元3-5，分别与主处理器单元1-1的异步串行接口、独立媒体接口、异步串行接口、外部总线接口和USB接口连接，该模块用于实现核心处理模块1与本地或远程终端之间的数据流通。

所述电源模块4用于为核心处理模块1、无线传感器网络通信模块2、多终端接口模块3提供能量。

本发明基站装置的主处理器单元1-1选用Atmel公司的一款基于ARM920T内核的32位工业级嵌入式处理器AT91RM9200，其电路原理图如图3所示。AT91RM9200在工作频率为180 MHz时处理速度为200 MIPS；具有独立的16 kB的数据Cache和16 kB指令Cache；写缓存，全功能MMU(虚拟内存管理单元)；内嵌16K SRAM、128K ROM；EBI(外部总线接口)控制器(支持SDRAM、静态存储器、Burst Flash及NAND Flash)；4个可编程的外部时钟信号；20通道的DMA(外设数据控制器)；1个10M/100MBase-T 型以太网控制器；4个USART(通用同步/异步收发器)；2个USB2.0主机接口；1个USB2.0设备接口；1个SPI(主机/从机串行外设接口)；1个TWI(两线串行接口)；1个MCI(多媒体卡接口)。

本发明基站装置的存储单元1-2包括SDRAM、NAND Flash和NOR Flash。图4是SDRAM电路原理图，其选用两片Hynix公司的HY57V561620共同组成32位宽度，其LDQM、BA0、BA1、A0~A12、DQ0~DQ15引脚分别与AT91RM9200的A0(A1)、A16、A17、A2~A14、D0~D15(D16~D31)引脚连接。图5是NOR Flash和NAND Flash电路原理图。其中NOR Flash选用Intel公司的E28F128J3A，用于存储启动代码，其A1~A24、DQ0~DQ15引脚分别与AT91RM9200的A1~A24、D0~D15引脚连接。NAND Flash选用三星公司的K9F1208，用来存储操作系统映像和应用程序，其I/O0~I/O7、ALE、CLE引脚分别与AT91RM9200的D0~D7、A6、A7引脚连接。

本发明基站装置采用板内连接方式的无线传感器网络通信模块2中子处理器单元2-1选用Atmel公司生产的高性能、低功耗AVR 8位微处理器Atmega128L，其电路原理图如图6所示。Atmega128L Atmega128L具有先进的RISC结构，最高8MHz工作频率，大多数指令在一个周期完成；内嵌128K Flash、4K SRAM和4K EEPROM；支持省电模式、掉电模式等6种睡眠模式；具有多种总线和充足的输入输出接口；具有A/D、D/A接口；具有2.7V~5V的宽工作电压范围；具有与IEEE 1149.1标准相兼容的JTAG接口。Atmega128L的TXD0、RXD0引脚分别与AT91RM9200的RXD2、TXD2引脚连接。无线收发单元2-2选用TI公司生产的低功耗、低供电电压(2.3V~3.6V)、高灵敏度(-109dbm)的无线射频收发器CC1000，采用频移键控FSK载波技术，工作在433MHz、868MHz、915MHz、CC2420频段，最大数据传输速率为76.8kbps，其电路原理图如图7所示。CC1000的PALE、PDATA、PCLK、DCLK、DIO引脚分别与Atmega128L的ICP1、T2、T1、SCK、MISO和MOSI引脚连接。

本发明基站装置采用CC2430+ CC2591方案实现板外连接方式的无线传感器网络通信模块2的电路原理图如图8所示。子处理器单元2-1和无线收发单元2-2选用TI公司生产的一体化无线射频收发处理器CC2430。CC2430结合了行业中领先的符合IEEE 802.15.4协议的2.4GHz射频收发器CC2420，内置的8051单片机内核的性能是工业标准8051内核核性能的8倍；优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性；在休眠模式下仅0.9 uA的电流损耗，外部的中断或RTC能唤醒系统；在待机模式下低于0.6 uA的电流损耗，外部的中断能唤醒系统；硬件支持CSMA/CA功能；较宽的工作电压范围(2.0V~3.6V)；数字化的RSSI/LQI支持和强大的DMA功能；集成AES安全协处理器；具有2个强大的支持几组协议的USART，以及1个符合IEEE 802.15.4规范的MAC计时器、1个常规的16位计时器和2个8位计时器；ZigBee/802.15.4全兼容的硬件层、物理层。CC2430的TXD、RXD引脚分别与AT91RM9200的RXD2、TXD2引脚连接。CC2591 是TI 公司推出的高性价比和高性能的2.4GHz RF前端，适合低功耗低电压2.4GHz无线应用，输出功率高达22 dBm，能够提高6 dB的接收灵敏度，集成了开关、匹配网络和平衡/不平衡电路、电感、PA (功率放大器)以及LNA (低噪音放大器)。CC2591可以和CC2430实现无缝结合，其RF_P、RXTX、RF_N引脚分别和CC2430的RF_P、RXTX_SWITCH、RF_N引脚连接。

本发明基站装置采用JN5139/JN5148-XXX方案实现板外连接方式的无线传感器网络通信模块2的电路原理图如图9所示。子处理器单元2-1和无线收发单元2-2选用JENNIC公司生产的一体化无线射频收发处理器模块JN5139/JN5148-XXX(XXX为模块型号的不同后缀)，其中型号为M00/01/03的接收器灵敏度为-97dBm，TX功率为+3 dBm；型号为M02/04的接收器灵敏度为-100dBm，TX功率为+19dBm。JN5139/ JN5148集成了32位RISC处理器和全兼容的2.4GHz IEEE802.15.4收发器，大容量存储器(JN5139: 96kB RAM、192kB ROM; JN5148: 128kB RAM、128kB ROM)以及各种模拟和数字外设(包括UART、SPI、TWI、21个通用I/O口、A/D、D/A)，具有发送距离远、功耗低等特点，内部自带ZigBee协议栈，特别适合健壮的、安全的、低功耗无线网络应用。JN5139/JN5148的TXD1、RXD1引脚分别与AT91RM9200的RXD2、TXD2引脚连接。

本发明基站装置的串行接口单元3-1选用Maxim公司的MAX3241EAI，用来实现RS232与TTL电平的转换，其电路原理图如图10所示。MAX3241EAI的T3IN、T2IN、T1IN、R1OUT、R2OUT、R3OUT、R4OUT、R5OUT引脚分别与AT91RM9200的TXD1、DTR1、RTS1、RI1、CTS1、DSR1、RXD1、DCD1引脚相连。

本发明基站装置的网络接口单元3-2选用Davicom公司的以太网物理层控制芯片DM9161BIEP，其电路原理图如图11所示。DM9161BIEP支持10M和100M以太网传输，主要完成对网络数据的接收解码和对数据帧编码发送；完全兼容IEEE802.3u 10Base-T/100Base-TX标准，同时兼容ANSI X3T12 TP-PMD1995标准；集成10Base-T、100Base-TX收发器，片内滤波器；支持中继模式和节点模式转换，全工和半工模式切换；支持MII(独立媒体接口)和RMII(精简独立媒体接口)两种接口模式。本发明的DM9161BIEP采用MII接口与AT91RM9200互连，其TXD[0]~TXD[3]、RXD[0]~RXD[3]、TXCLK、CRS、COL、RXDV、RXER、RXCLK、TXEN、TXER引脚分别与AT91RM9200的ETX0~ETX3、ERX0~ERX3、ETXCK、ECRS、ECOL、ERXDV、ERXER、ERXCK、ETXEN、ETXER引脚连接。

本发明基站装置的GPRS接口单元3-3为基站装置扩展的GPRS功能提供标准的GPRS模块搭载平台，其电路原理图如图12所示。GPRS模块选用华为公司的EM310，其具有EGSM900/GSM1800双频工作方式，接收灵敏度为-106 dBm，内嵌TCP/IP 协议，可以通过AT命令控制其工作方式。EM310的TXD和RXD引脚分别与AT91RM9200的TXD3、RXD3引脚连接。

本发明基站装置的TD-SCDMA接口单元3-3为基站扩展的TD-SCDMA功能提供标准的TD-SCDMA模块搭载平台，其电路原理图如图13所示。TD-SCDMA模块选用联芯公司的LC6311，其主要特点包括：TD-HSDPA与GGE双模；在TD-HSDPA制式下，下行数据传输速率可达到2.8Mbps；支持在TD-SCDMA制式下的上下行非对称数据传输能力，上下行数据传输速率可分别达到 384Kbps；支持UART和USB两种通信接口；内部集成TCP/IP和H.324协议栈。LC6311的UART1_TX和UART1_RX引脚分别与AT91RM9200的TXD3、RXD3引脚连接。

本发明基站装置的显示设备接口单元3-4中的图像处理器选用EPSON公司用于嵌入式系统的S1D13506，其电路原理图如图14所示。S1D13506具有较低的功耗和极低的工作电压，可以满足移动多媒体、手持设备的图像控制；通过配置可与多种CPU总线兼容，支持最高为16位数据宽度的LCD接口，可以在TFT LCD、CRT最高显示64K的颜色；配置一个16位的显示接口，支持EDO-DRAM 和FPM-DRAM，存储器容量可选择512kB(256bit×16bit) 或者2MB(1M×16bit)，选用EDO-DRAM时的最大传输速率可达80MB/s。S1D13506的DB0~DB15、AB1~AB20引脚分别与AT91RM9200的D0~D15、A1~A20引脚连接。本发明选用2MB EDO-DRAM存储器IS41LV16100B作为显示缓存，其电路原理图如图15所示。IS41LV16100B的A0~A9、IO0~IO15、WE#、RAS#、LCAS#、UCAS#引脚分别连接S1D13506的MA0~MA9、MD0~MD15、WE#、RAS#、LCAS#、UCAS#引脚。

本发明基站装置的USB接口单元3-5包括USB HOST接口和USB DEVICE接口。图16是USB HOST接口电路原理图，其D+、D-引脚分别与AT91RM9200的HDPA、HDMA引脚连接。图17是USB DEVICE接口电路原理图，其D+、D-引脚分别与AT91RM9200的DDP、DDM引脚连接。

本发明基站装置的电源模块4电路原理图如图18所示。电源模块4选用稳压芯片LM2596-5.0输出5V电压，并选用SPX1117-3.3、SPX1117-1.8和LM2576S-ADJ将5V电压转换为3.3V、1.8V和4V直流电压。

本发明基站装置的子处理器单元2-1的工作流程如图19所示，具体包括下列步骤：

步骤1启动后完成初始化工作，并设置与主处理器单元1-1及无线收发单元2-2的连接参数。

步骤2 根据所实现无线传感器网络协议(如Zigbee协议)的要求作为汇聚节点(协调器)完成对无线传感器网络的初始化配置，主要包括分配信道、建立网络、允许其它无线传感器网络节点加入。

步骤3 等待接收数据：如果收到来自主处理器单元1-1的控制指令，则通过无线收发单元2-2转发到指定的无线传感器网络节点；如果收到来自无线收发单元2-2的无线传感器网络数据，则首先进行数据判别和量纲处理等预操作，然后发往主处理器单元1-1进行进一步分析处理。

本发明基站装置的主处理器单元1-1的工作流程如图20所示，具体包括下列步骤：

步骤1 上电后启动操作系统，设置与子处理器单元2-1、串行接口单元3-1、网络接口单元3-2、GPRS/TD-SCDMA接口单元3-3、显示设备接口单元3-4和USB接口单元3-5的连接参数。

步骤2 创建多线程实现多任务的并发执行，分别为无线传感器网络、串口、网口和GPRS/TD-SCDMA接收线程：如果无线传感器网络接收线程收到数据，则转到步骤3；如果串口、网口和GPRS/TD-SCDMA接收线程收到数据，则转到步骤4。

步骤3 将接收到的无线传感器网络数据进行转化、存储和加权融合，然后一方面将处理后的数据通过串行接口单元3-1、网络接口单元3-2、GPRS/TD- SCDMA接口单元3-3和显示设备接口单元3-4发往本地和远程终端实现数据上传；另一方面根据控制算法判断是否需要控制，如需要则将控制指令通过子处理器单元2-1发往指定控制节点。

步骤4 将接收到的本地或远程终端的控制指令通过子处理器单元2-1转发到指定无线传感器网络节点实现数据下行，为避免数据流的冲突，各线程之间采取互斥对象进行同步。

本发明基站装置从原理图设计到加工制作都遵循工业级标准要求。在原理图设计时充分考虑了电磁干扰、阻抗匹配等要求，并且所有元器件及PCB板材都采用工业级产品。

其中无线传感器网络通信模块2中有部分高频电路设计，为了确保整个基站装置的稳定运行，要充分考虑高频信号有效传输、噪声隔离以及电磁屏蔽等要求，对于其关键部件的元器件的封装、大小、精度都有固定要求，不可随意更改。存储单元1-2中的SDRAM电路工作频率在100MHz以上，属于高频电路，PCB设计过程中考虑到了高速信号的串扰、信号线等长及接地等多方面因素，最大限度保证基站装置运行稳定。另外，SDRAM电路布线要尽量避开无线传感器网络通信模块2和GPRS/TD-SCDMA接口单元3-3，防止高频无线信号对其工作造成影响。

本发明基站装置除了在原理图设计和PCB板设计时充分考虑到抗干扰设计技术和原则外，在硬件加工完成后还采取以下措施：将无线传感器网络通信模块2中的高频电路部分采用金属外壳进行屏蔽；将所有焊接点焊牢，并且注意到各焊接点的密封性；测试工作完成后，将整个基站装置用三防漆进行密封，然后固定安装于具有密封、防爆功能的金属外壳内，并将所有接缝用电磁密封衬垫填充，使其装置能够在潮湿、灰尘等环境中正常工作，而不会发生腐蚀、线路短路或漏电故障等现象。

下面结合以无线传感器网络技术为核心的畜禽设施养殖监控系统中的具体应用，对本发明基站装置作进一步详细说明。

应用例一：

    在以无线传感器网络技术为核心的畜禽设施养殖监控系统中，本发明基站装置的无线传感器网络通信模块2采用板内连接方式实现，同时采用GPRS接口单元3-3扩展GPRS功能。

子处理器单元2-1中Atmega128L的工作流程如下所示：

步骤1启动完成初始化工作，包括内部存储器和寄存器初始化、I/O端口初使化、电位器初始化、调度器初始化、应用程序组件初始化和开中断，同时完成对CC1000的工作频段、发射功率、编解码模式和数据传输速率等参数的设置以及与AT91RM9200连接的异步串行接口波特率、数据位和停止位等参数的配置。

步骤2 作为汇聚节点建立无线传感器网络。首先将自己的跳数置为0，其他所有节点都置自己的跳数初始值为最大跳数。汇聚节点向整个网络广播路由状态数据包，汇聚节点的邻居节点在收到广播后，选择汇聚节点为自己的父节点，并将自己的跳数置为1。在下次广播路由状态的时候，这些节点将在路由状态广播中包含自己新的跳数信息。这是一个迭代过程，直到网络中所有节点都设置了自己到汇聚节点的跳数为止。这样，整个网络就形成了一个以汇聚节点为根节点的树型拓扑结构。一个深度为N跳的网络至少需要经过N个广播周期才能建立完整的树型拓扑结构。

步骤3等待接收数据包。

1）当收到来自异步串行接口的数据时，根据数据包格式判断是否AT91RM9200的控制指令，如果是则将包含节点号和控制信息（包括传感节点的数据采集周期和控制节点的开关量）的数据包发往指定的无线传感器网络节点，否则丢弃。

2）如果收到来自CC1000的数据，首先根据数据包格式判断是否无线传感器网络数据（包括传感数据和状态数据），如果不是则丢弃，如果是则根据数据包类型对数据进行分类。对于状态数据，读取其状态值是否0或1，如果是则通过异步串行接口发往AT91RM9200，如果不是则丢弃数据，同时向其控制节点发送重传指令，令其重新上传状态数据；对于传感数据，读取数据是否存在0x00或0xFF，如果有则丢弃数据，并向其传感节点发送重传指令，令其重新上传传感数据，如果没有则将数据进行量纲处理后（例如乘以采集传感数据的增益倍数等）通过异步串行接口发往AT91RM9200。

主处理器单元1-1中AT91RM9200的工作流程如下所示：

步骤1 上电后首先进行引导加载程序，然后启动Linux操作系统，主要完成进程调度、内存管理、虚拟文件系统、网络接口和进程间通信等工作，然后设置与Atmega128L、串行接口单元3-1、GPRS接口单元3-3连接的异步串行接口波特率、数据位和停止位等参数，完成网络接口单元3-2的套接字设置（包括协议，本地地址，本地端口，远程地址，远程端口）以及显示设备接口单元3-4和USB接口单元3-5的连接参数设置。

步骤2创建多线程实现多任务的并发执行，分别为无线传感器网络、串口、网口和GPRS接收线程。

1）如果无线传感器网络接收线程收到数据，首先根据数据包格式判断是否无线传感器网络数据，如果是则转到步骤3，否则丢弃；

2）如果串口、网口和GPRS接收线程收到数据，首先根据数据包格式判断是否控制指令，如果是则转到步骤4，否则丢弃。

步骤3 首先根据数据包类型将无线传感器网络数据进行分类。对于状态数据，则存入缓存中，并通过串行接口单元3-1、网络接口单元3-2、GPRS接口单元3-3和显示设备接口单元3-4发往本地和远程终端实现数据上传。对于传感数据，则根据计算公式进行数据转换，将处理后的数据一方面通过多终端接口上传到本地和远程终端，另一方面通过自建的SQLite数据库进行本地存储，同时进行数据加权融合，并根据控制算法判断是否需要控制，如果需要则将生成的控制指令通过Atmega128L发往指定控制节点。

步骤4 将接收到的本地或远程终端的控制指令通过Atmega128L转发到指定无线传感器网络节点实现数据下行，为避免数据流冲突（同时向Atmega128L发送数据），各线程之间采取互斥对象进行同步。

假设在以无线传感器网络技术为核心的畜禽设施养殖监控系统中，需要控制的环境参数包括温度、湿度和光照强度，被控设备包括风机、水帘和电灯，则本发明基站装置所执行的控制算法如图21所示，具体步骤如下：

步骤1 将所有传感节点的温度、湿度和光照强度加权融合求平均值以获取当前环境参数，同时从缓存中获取当前被控设备的状态信息。

步骤2 若温度范围不在23℃~25℃之间，则转到步骤3；

若湿度低于60% RH，则开启1组风机并开启水帘；

否则开启1组风机并关闭水帘；

转到步骤6；

步骤3若温度范围不在25℃~27℃之间，则转到步骤4；

若湿度高于80% RH，则开启2组风机并关闭水帘；

否则开启2组风机并开启水帘；

转到步骤6；

步骤4 若温度低于23℃，则关闭所有风机和水帘；转到步骤6；

步骤5 若温度高于27℃，则打开所有风机和水帘；转到步骤6；

步骤6 若时间小于4:30或大于20:30，则关闭所有电灯；

若时间为4:30到8:00或17:00到20:30，则打开所有电灯；

若其他，则转到步骤7；

步骤7 若电灯关且光照强度小于20lux，则打开所有电灯； 

          若电灯开且光照强度大于60lux，则关闭所有电灯。

Claims (4)

1. 一种双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，其特征在于包括核心处理模块(1)、无线传感器网络通信模块(2)、多终端接口模块(3)和电源模块(4)；

    所述核心处理模块(1)包括主处理器单元(1-1)和存储单元(1-2)，存储单元(1-2)与主处理器单元(1-1)的外部总线接口连接，该模块用于将无线传感器网络通信模块(2)接收到的无线传感器网络数据进行转化、存储和加权融合，并将处理后的数据通过多终端接口模块(3)转发到本地终端和远程终端，同时根据控制算法向控制节点发送控制指令；所述核心处理模块(1)还用于将多终端接口模块(3)接收到的本地终端或远程终端的控制指令通过无线传感器网络通信模块(2)发往指定无线传感器网络节点；

    所述无线传感器网络通信模块(2)包括子处理器单元(2-1)和无线收发单元(2-2)，子处理器单元(2-1)通过异步串行接口与主处理器单元(1-1)连接，该模块用于配置和管理无线传感器网络，对无线传感器网络数据进行数据判别和量纲处理以及实现与核心处理模块(1)之间的数据流通；

所述多终端接口模块(3)包括串行接口单元(3-1)、网络接口单元(3-2)、GPRS/TD-SCDMA接口单元(3-3)、显示设备接口单元(3-4)和USB接口单元(3-5)，分别与主处理器单元(1-1)的异步串行接口、独立媒体接口、异步串行接口、外部总线接口和USB接口连接，该模块用于实现核心处理模块(1)与本地或远程终端之间的数据流通；

所述电源模块(4)用于为核心处理模块(1)、无线传感器网络通信模块(2)、多终端接口模块(3)提供能量。

2. 根据权利要求1所述的双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，其特征在于所述无线传感器网络通信模块(2)和GPRS/TD-SCDMA接口单元(3-3)有多种组合方式：

无线传感器网络通信模块(2)有两种实现方式，第一种采用板内连接方式，即将无线传感器网络通信模块(2)的子处理器单元(2-1)设计制作在核心处理模块(1)的同一块PCB板上，但无线收发单元(2-2)采用单独的PCB板设计，所述子处理器单元(2-1)选用工业级低功耗微处理器Atmega128L，所述无线收发单元(2-2)选用工作在433MHz或868MHz或915MHz频段工业级低功耗无线射频收发器CC1000，无线收发单元(2-2)与子处理器单元(2-1)的同步串行接口连接；第二种采用板外连接方式，即无线传感器网络通信模块(2)(包括子处理器单元(2-1)和无线收发单元(2-2))全部采用单独的PCB板设计，所述子处理器单元(2-1)和无线收发单元(2-2)选用工作在2.4GHz频段的具有CC2430(或加CC2590/CC2591)、CC2431(或加CC2590/CC2591)、JN5139系列、JN5148系列的工业级低功耗无线射频收发、处理一体的无线射频收发处理器模块或其高增益无线射频收发处理器模块；

GPRS/TD-SCDMA接口单元(3-3)采用两块单独的PCB板设计，分别支持GPRS网络和TD-SCDMA网络，可以根据实际需要灵活配置。

3. 根据权利要求1所述的双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，其特征在于所述子处理器单元(2-1)根据所实现的无线传感器网络协议作为汇聚节点完成对无线传感器网络的配置和管理；所述子处理器单元(2-1)还用于接收数据，如果收到来自主处理器单元(1-1)的控制指令，则通过无线收发单元(2-2)转发到指定的无线传感器网络节点；如果收到来自无线收发单元(2-2)的无线传感器网络数据，则首先进行数据判别和量纲处理，然后发往主处理器单元(1-1)进行进一步分析处理。

4.根据权利要求1所述的双核多终端接口的无线传感器网络基站装置，其特征在于所述主处理器单元(1-1)用于创建多线程实现多任务的并发执行，分别为无线传感器网络、串口、网口和GPRS/TD-SCDMA接收线程：如果无线传感器网络接收线程收到数据，则将接收到的无线传感器网络数据进行数据转换、存储和加权融合，然后一方面将处理后的数据通过串行接口单元(3-1)、网络接口单元(3-2)、GPRS/TD- SCDMA接口单元(3-3)和显示设备接口单元(3-4)发往本地和远程终端实现数据上传，另一方面根据控制算法判断是否需要控制，如需要则将控制指令通过子处理器单元(2-1)发往指定控制节点；如果串口、网口和GPRS/TD-SCDMA接收线程收到数据，则将接收到的本地或远程终端的控制指令通过子处理器单元(2-1)转发到指定无线传感器网络节点实现数据下行，为避免数据流的冲突，各线程之间采取互斥对象进行同步。

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