CN102427464A - 一种基于tcp/ip协议的数据/图像传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置，包括：处理器单元、供电单元、LCD显示单元、网络接口单元、SD卡单元和ZigBee通讯单元。本装置通过ZigBee通讯单元接收无线型仪表的数据或原始图像，通过SD卡单元暂存，在LCD显示单元显示后，再通过网络接口单元利用通信主干网将其传输至监测中心。该装置以无线方式接收无线型仪表的数据或仪表原始图像，再以TCP/IP协议通过通信主干网将其传输至监测中心。本装置组网方便、响应速度快而且结构简单、成本低廉、运行稳定可靠。

Description

一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置

技术领域

本发明涉及网络通信领域，具体涉及一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置。

背景技术

随着经济水平的迅速提高，城市建设进入了飞速发展的阶段，建筑业得到了快速发展。公共建筑在结构和用途上的特殊性决定了它们往往是建筑中的耗能大户。据《中国建筑节能年度发展研究报告2007》显示，我国大型公共建筑的数量为总建筑物的4％左右，而能耗却占建筑总能耗的22％，单位面积的用电能耗为住宅的5～15倍，是欧洲、日本等发达国家同类建筑的1.5～2倍，由于浪费与管理粗放，使这类建筑的高耗电量问题更加突出。于是，自2007年始，国家在公共建筑节能工作方面具备一定工作基础的省市，分批开展国家机关办公建筑与大型公共建筑节能监管体系建设示范工作，以摸清相关省市国家机关办公建筑与大型公共建筑的数量、基本信息、能耗水平及构成、能源运行管理等实际情况，明确节能改造的对象及技术方法，降低投入成本。因此，需要实时分项采集大型公共建筑的能耗数据，并远程传输至监测中心。

在实际操作过程中，对现有建筑的综合布线与线路改造会很不方面，因此灵活方便的无线型仪表受到人们的青睐。2008年，东北大学建筑智能化实验室在创新性实验项目《基于无线与图像的数字仪表识读装置》中对普通数值型仪表进行智能识读，并通过无线方式发送数据。

在Internet技术飞速发展的今天，互联网已经深入到我们工作生活的每个角落，把各种监控系统接入Internet已经是大势所趋。把大型公共建筑的能耗监控系统接入Internet之后，我们就可以通过Internet远程访问监控系统，查看大型公共建筑的能耗设备工作状态等数据，从而灵活方便地实现远程监控。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种的基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置，该装置以无线方式接收无线型仪表的数据或仪表原始图像，再以TCP/IP协议通过通信主干网将其传输至监测中心。本装置组网方便、响应速度快而且结构简单、成本低廉、运行稳定可靠。

所述的无线型仪表是一种基于无线与图像的数字仪表识读装置，通过在普通数字显示仪表前加装摄像头，然后通过图像识别，获得显示的数据，该识读装置可以通过ZigBee无线通信将采集的图像和识别出的数据发送出来。本发明装置用于接收上述无线型仪表所发送的图像和数据，每个图像和一个数据相对应。实际传输过程中先传送数据再传送图像。本发明用于将这些图像和数据接收并存储在SD卡中，然后将数据通过网络接口单元传给PC监控中心，正常情况下，通过网络接口单元传输图片，只有当PC监控中心请求图片时，该发明才发送对应的图片。

本发明的技术方案是：一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置包括：处理器单元、供电单元、LCD显示单元、网络接口单元、SD卡单元和ZigBee通讯单元。本装置通过ZigBee通讯单元接收无线型仪表的数据或原始图像，通过SD卡单元暂存，在LCD显示单元显示后，再通过网络接口单元利用通信主干网将其传输至监测中心。所述图片为JPEG格式，像素为320×240，数据采用ASCII码形式传输。

处理器单元主要包括单片机，复位电路和时钟电路。复位电路包括按钮，电阻和电容，通过按钮完成装置的复位操作。芯片复位条件是RESET#引脚被置为低电平足够长时间。当按钮按下后，RESET#引脚被置为低电平，按钮松开后RESET#引脚缓慢恢复高电平。时钟电路包括两个电容，两个电阻和一个石英晶体振荡器。

供电单元通过电压转换芯片转换电压，为整个装置的各个单元供电。

LCD显示单元采用LCD显示屏，用于显示仪表原始图像。

网络接口单元连接到中央处理器的SPI端口上。

SD卡单元接收ZigBee通讯单元的仪表数据或仪表原始图像，SD卡与SD卡槽相连。

ZigBee通讯单元通过基于ZigBee协议的无线网络通讯接收数据采集器传来的数据或图像，并将数据或图像信息通过串口发送给处理器单元。

处理器单元的复位电路的输出端接至单片机的复位端口，时钟电路的石英晶体振荡器两端通过电容接地后与一个电阻并联，其中一端直接作为一个输出端，另一端串联电阻后作为另一输出端，时钟电路的两输出端接至单片机的时钟端口，为中央处理器提供一个稳定的时钟源。供电单元的输出端接至单片机的电源端口。单片机输出的LCD控制信号通过通用输出端口输出到LCD显示模块，网络接口单元和SD卡单元均通过SPI总线连接到单片机的SPI端口。ZigBee通讯单元通过串口与单片机进行通信。

本装置通过基于ZigBee协议的无线网络通讯接收数据采集器传来的数据/图像，并将信息存储在SD卡中，待互联网主机发出接收请求后处理器单元将SD卡中的数据/图像通过ZigBee通讯单元发送给互联网上的主机；

所述基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置的控制流程如下：

步骤1：按照SD卡中存储的配置信息对整个装置进行初始化。

一个网络中的所有装置必须有正确的IP配置，本发明中通过PC机把配置信息存入SD卡以便更改装置的IP配置。IP配置信息包含本发明装置的IP地址、端口号、目的IP地址和目的端口号。

配置信息包含以下三部分：ZigBee传输模式，TCP传输模式和IP配置。

ZigBee传输模式由SD卡中的配置文件获得：用于配置与该装置连接的ZigBee设备的个数和设备ID和ZigBee接收数据或图像的频率；

计算ZigBee接收的周期：

$T_{\mathrm{ZigBee}}=\frac{1}{f_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(1\right)$

f_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的频率。

T_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的周期。

TCP传输模式由SD卡中的配置文件获得，记录了TCP连接频率。TCP连接频率必须低于ZigBee接收数据或图像的频率。

TCP连接周期和TCP连接频率成倒数关系：

$T_{\mathrm{TCP}}=\frac{1}{f_{\mathrm{TCP}}}---\left(2\right)$

式中，f_TCP为TCP连接频率，

T_TCP为TCP连接周期；

若选择的TCP连接频率为0.5次/分钟，则由(2)可得出TCP连接周期T_TCP为2分钟；若选择的TCP连接频率为1次/分钟，则由(2)可得出TCP连接周期T_TCP为1分钟；

存储数据或图像的最大个数计算依下式：

$n_{\max }=\frac{T_{\mathrm{TCP}}}{T_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(3\right)$

n_max为存储数据或图像的最大个数。

通过检测存储的数据或图像是否达到最大个数来决定是否进行TCP通信。

单片机的初始化包括如下过程：时钟的初始化，中断系统的初始化，SPI接口的初始化，输入输出引脚的初始化，USART接口的初始化，LCD显示屏初始化和网络通讯接口初始化。在网络通讯接口初始化过程中装置按照SD卡配置文件中的本机IP地址、本机端口号、目的IP地址和目的端口号与PC监控中心建立TCP连接。TCP连接的双方不是对等的，需要有一方等待被连接，叫做服务器端，而另一方主动发起连接，叫做客户端。在配置TCP连接过程中，本发明被配置为客户端，PC监控中心配置为服务器端。这样，即使本发明被置于支持NAT技术的局域网内仍然可以正常的与PC监控中心建立连接。

步骤2：进行周期性查询。

当装置通过ZigBee通讯单元接收到仪表的数据或仪表原始图像时，将其储在SD卡中，在LCD上显示在SD卡中存储的等待通过TCP传输的数据或图像的个数，然后循环接收仪表的数据或仪表原始图像，直到到达存储数据和图像的最大个数n_max。

当到达存储数据和图像的最大个数n_max时，装置将数据和图像通过网络接口单元发送给PC监控中心。

步骤3：进入下一个查询周期。

有益效果：

本发明装置结构紧凑，尺寸小巧，可靠性高，安装方便，能够通过SD卡中的配置文件随时改变装置的配置。适应性强，通过将装置配置为TCP通信中的客户端模式，使得本装置位于支持NAT技术的局域网内时，仍可以与Internet中的PC监控中心正常通信。通过本装置，数据/图像信息可以被PC机监控程序直接写入数据库，既保证了数据的安全可靠，又便于通过网站或其他程序查看。装置价格适中有利于大规模普遍使用。

附图说明

图1本发明整体结构框图；

图2本发明实施例供电单元电路图；

图3本发明实施例处理器单元电路图；

图4本发明系统程序流程图；

图5本发明实施例LCD显示单元接口电路；

图6本发明实施例ZigBee通讯单元接口电路；

图7本发明实施例网络接口单元电路；

图8本发明实施例SD卡模块接口电路。

图9本发明实施例复位电路原理图；

图10本发明实施例时钟电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明系统结构如图1所示，一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置，包括处理器单元、供电单元、ZigBee通讯单元、LCD显示单元、网络接口单元和SD卡单元；

处理器单元主要包括单片机，复位电路和时钟电路，解释程序指令以及按照程序指令控制其他单元完成相应的操作。处理器单元电路如图3所示。单片机芯片型号为STM32F103RDT6，其内部集成了ARM7的Cortex-M3内核，最高时钟频率可达72MHZ，片内包含384K的ROM和64K的RAM。利用芯片内集成的2个SPI接口分别与网络接口芯片和SD卡进行通信，复位电路由按钮，电阻和电容组成，通过按钮完成装置的复位操作，电路如图9所示，按下按钮后，RESET#引脚置为低电平，松开按钮后RESET#引脚缓慢恢复高电平。时钟电路由两个电容，两个电阻和一个石英晶体振荡器组成，电路如图10所示，时钟电路通过管脚OSC_IN和OSC_OUT和单片机相连，该电路为单片机提供一个稳定的时钟源。

供电单元为整个装置的各个单元供电，供电单元通过电压转换芯片AS1117-3.3把5V电压转换成3.3V，5V电压由有DC_IN1的插头中的1，2引脚接入，供电单元结构如图2所示。

LCD显示单元采用2.8寸的彩色液晶显示屏，驱动芯片型号为ili9320，分辨率为240×320，接线端口如表1所示。ili9320芯片的系统接口可读写寄存器和显示图标存储器，芯片的RGB接口显示动态图形。所有的数据存储在GRAM中以减少数据传输，只传输需要更新的数据。Ili9320芯片采用18位总路线接口结构的高性能微处理器，该LCD显示屏价格便宜、通用性好。LCD显示单元接口电路如图5所示。

表1 LCD显示屏接线端口

网络接口单元采用网络接口芯片W5100，网络接口单元电路如图7所示。W5100中固化了从MAC层、网络层到传输层所需要的协议，并集成了高速以太网物理层接口控制器，再加上RJ45插座和外围的辅助电路，就可以方便的实现嵌入式单片机通过以太网和局域网内的计算机通讯，使本发明装置实现将采集器数据自动上传给监测中心，省去了传统方法中逐个手工采集数字仪表识读装置数据的繁琐过程，大大降低运营成本，提高数据采集的可靠性。网络接口单元与PC监控中心建立TCP连接，通过TCP协议进行信息传输，终端装置作为TCP通信中的客户端，主动向PC机发起连接请求，当TCP连接意外断开时，终端装置会自动重连。该网络接口单元的接线端口如表2所示。

表2 网络接口单元的接线端口

SD卡单元存储配置信息和仪表传来的数据/图像信息，SD卡单元电路如图8所示。SD_CARD1为SD卡槽，其中1至9脚直接与SD卡相连。SD卡槽上各信号的连接情况如表3所示。SPI1_MISO，SPI1_SCK，SPI1_MOSI，SD_CS信号与单片机的PA4至PA7端口相连。

表3 SD卡槽上的信号连接情况

ZigBee通讯单元电路如图6所示。ZigBee通讯单元连接到单片机的PB10和PB11端口上，用于接收仪表的数据或仪表的原始图像，利用UART异步串行方式向单片机传输数据/图像。

本发明整体程序流程如图4所示，所述基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置的控制流程如下：

步骤1：装置在上电后，按照SD卡中存储的配置信息对整个装置进行初始化。

配置信息包含以下三部分：ZigBee传输模式，TCP传输模式和IP配置。

ZigBee传输模式由SD卡中的配置文件获得：用于配置与该装置连接的ZigBee设备的个数和设备ID和ZigBee接收数据或图像的频率；

ZigBee传输模式配置内容如下：

<ZigBee>

3，0x00ff78，0x00ff79，0x00ff7a

0.5

其中，3是与该装置连接的ZigBee设备的个数，三个设备的ID分别是0x00ff78，0x00ff79和0x00ff7a，ZigBee接收数据或图像的频率是0.5次/分钟。

计算ZigBee接收的周期：

$T_{\mathrm{ZigBee}}=\frac{1}{f_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(1\right)$

f_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的频率。

T_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的周期。

TCP传输模式由SD卡中的配置文件获得，记录TCP连接频率。TCP连接频率必须低于ZigBee接收数据或图像的频率。

TCP传输模式配置内容如下：

<TCP>

0.5

其中，TCP连接频率是0.5次/分钟。

TCP连接周期和TCP连接频率成倒数关系：

$T_{\mathrm{TCP}}=\frac{1}{f_{\mathrm{TCP}}}---\left(2\right)$

式中，f_TCP为TCP连接频率，

T_TCP为TCP连接周期；

若选择的TCP连接频率为0.5次/分钟，则由(2)可得出TCP连接周期T_TCP为2分钟；若选择的TCP连接频率为1次/分钟，则由(2)可得出TCP连接周期T_TCP为1分钟；

存储数据或图像的最大个数计算依下式：

$n_{\max }=\frac{T_{\mathrm{TCP}}}{T_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(3\right)$

n_max为存储数据或图像的最大个数。

通过检测存储的数据或图像是否达到最大个数来决定是否进行TCP通信。

一个网络中的所有装置必须有正确的IP配置，本发明中通过PC机把配置信息存入SD卡以便更改装置的IP配置。配置信息包含本发明装置的IP地址、端口号、目的IP地址和目的端口号。

IP配置信息包括本装置的IP地址，本装置的端口号，目的IP地址和目的端口号。这四项信息在配置文件中按顺序排列，每项占一行，例如：

配置文件内容如下：

<IP>

192.168.1.3

3000

202.118.18.14

50000

其中，192.168.1.3是本装置的IP地址，3000是本装置的端口号，202.118.18.14是目的IP地址，50000是目的端口号。

单片机的初始化包括如下过程：时钟的初始化，中断系统的初始化，SPI接口的初始化，输入输出引脚的初始化，USART接口的初始化，LCD显示屏初始化和网络接口单元初始化。在网络接口单元初始化过程中装置按照SD卡配置文件中的本机IP地址、本机端口号、目的IP地址和目的端口号与PC监控中心建立TCP连接。

步骤2：进行周期性查询。

装置根据SD卡配置文件中已配置的ZigBee传输模式，TCP传输模式，通过ZigBee通讯单元与仪表进行数据/图像传输。

当装置通过ZigBee通讯单元接收到仪表的数据或仪表原始图像时，将其储在SD卡中，在LCD上显示在SD卡中存储的等待通过TCP传输的数据或图像的个数，然后循环接收仪表的数据或仪表原始图像，直到到达存储数据和图像的最大个数n_max。

当到达存储数据和图像的最大个数n_max时，装置将数据和图像通过网络接口单元发送给PC监控中心。

步骤3：进入下一个查询周期。

Claims (2)

1.一种基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置，其特征在于：包括：处理器单元、供电单元、LCD显示单元、网络接口单元、SD卡单元和ZigBee通讯单元，处理器单元主要包括单片机，复位电路和时钟电路；

处理器单元的复位电路的输出端接至单片机的复位端口，时钟电路的石英晶体振荡器两端通过电容接地后与一个电阻并联，其中一端直接作为一个输出端，另一端串联电阻后作为另一输出端，时钟电路的两输出端接至单片机的时钟端口，供电单元的输出端接至单片机的电源端口，单片机输出的LCD控制信号通过通用输出端口输出到LCD显示单元，网络接口单元和SD卡单元均通过SPI总线连接到单片机的SPI端口，ZigBee通讯单元通过串口与单片机进行通信。

2.根据权利要求1所述的基于TCP/IP协议的数据/图像传输装置，其特征在于：装置的控制流程如下：

步骤1：按照SD卡中存储的配置信息对整个装置进行初始化；

配置信息包含以下三部分：ZigBee传输模式，TCP传输模式和IP配置，

IP配置信息包含装置的IP地址、端口号、目的IP地址和目的端口号；

ZigBee传输模式由SD卡中的配置文件获得：用于配置与该装置连接的ZigBee设备的个数和设备ID和ZigBee接收数据或图像的频率；

计算ZigBee接收的周期：

$T_{\mathrm{ZigBee}}=\frac{1}{f_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(1\right)$

f_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的频率，

T_ZigBee为ZigBee接收数据或图像的周期，

TCP传输模式由SD卡中的配置文件获得，记录了TCP连接频率，TCP连接频率必须低于ZigBee接收数据或图像的频率；

TCP连接周期和TCP连接频率成倒数关系：

$T_{\mathrm{TCP}}=\frac{1}{f_{\mathrm{TCP}}}---\left(2\right)$

式中，f_TCP为TCP连接频率，

T_TCP为TCP连接周期；

存储数据或图像的最大个数计算依下式：

$n_{\max }=\frac{T_{\mathrm{TCP}}}{T_{\mathrm{ZigBee}}}---\left(3\right)$

n_max为存储数据或图像的最大个数，

通过检测存储的数据或图像是否达到最大个数来决定是否进行TCP通信；

步骤2：进行周期性查询；

当装置通过ZigBee通讯单元接收到仪表的数据或仪表原始图像时，将其存储在SD卡中，在LCD上显示在SD卡中存储的等待通过TCP传输的数据或图像的个数，然后循环接收仪表的数据或仪表原始图像，直到到达存储数据和图像的最大个数n_max；

当到达存储数据和图像的最大个数n_max时，装置将数据和图像通过网络接口单元发送给PC监控中心；

步骤3：进入下一个查询周期。

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