CN102438335B - 一种中远程无线传感网组网系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中远程无线传感网组网系统，包括至少两个端机和至少两个基站，所述组网系统采用TCP/IP局域网组网方式，所述端机的无线发射端和基站的无线接收端均作为独立主机，所述端机和基站的无线端设定在同一个网段，所述基站的无线端作为网关主机；所述基站的有线端通过以太网联接至基站控制系统；所述组网系统的硬件通过异步并行连接的FPGA实现；所述组网系统的物理层为OFDM无线信道；所述组网系统的软件通过将私有协议栈注册为虚拟网卡设备实现；所述虚拟网卡设备对外以网卡驱动接口与Linux TCP/IP协议栈对接，对内实现私有的无线网络协议与基站和端机内的OFDM硬件模块的通讯，并提供字符设备驱动，供应用程序和OFDM模块间的参数传递。本发明可实现多个端机对多个基站的无线收发节点的组网。

Description

一种中远程无线传感网组网系统
技术领域
本发明涉及无线传感网技术领域，特别是涉及一种中远程无线传感网组网系统。
背景技术
常规的局域网组网方式分为有线和无线两种。有线方式是基于IEEE802.3标准，常以双绞线、同轴电缆、光纤为传输介质；无线方式是基于IEEE802.11标准无线局域网。在安防和监控领域中，前者适用于端机固定位置的场合，而后者的传输距离只能在百米范围内，适用于小范围组网实现。
研制出的高速图像传输系统的端机工作在车载、机载或船载的移动环境中，为中远程范围的数据传输系统，所以，采用有线的组网方式是不现实的，而基于IEEE802.11的无线组网方式受传输距离的限制，同时由于采用公用频段，不利于专用网络的组网实现。因此亟需一种中远程无线传感网组网方法和系统实现高速图像传输系统的端机工作在车载、机载或船载的移动环境中。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种中远程无线传感网组网系统，实现多个端机对多个基站的无线收发节点的组网。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种中远程无线传感网组网系统，包括至少2个端机和至少2个基站，所述组网系统采用TCP/IP局域网组网方式，所述端机的无线发射端和基站的无线接收端均作为独立主机，所述端机和基站的无线端设定在同一个网段，所述基站的无线端作为网关主机；所述基站的有线端通过以太网联接至基站控制系统；所述组网系统的硬件通过异步并行连接的FPGA实现；所述组网系统的物理层为OFDM无线信道；所述组网系统的软件通过将私有协议栈注册为虚拟网卡设备实现；所述虚拟网卡设备对外以网卡驱动接口与Linux TCP/IP协议栈对接，对内实现私有的无线网络协议与基站和端机内的OFDM硬件模块的通讯，并提供字符设备驱动，供应用程序和OFDM模块间的参数传递。
所述OFDM硬件模块为FPGA芯片。
所述FPGA芯片内部设有接收和发送的缓冲区，使用中断的方式判断接收和发送数据。
所述端机的主控单元通过异步并行总线连接FPGA芯片。
所述基站的主控单元通过异步并行总线连接FPGA芯片。
所述基站的无线接收端通过MAC帧区分不同端机的数据。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明作为一种面向特殊用户的专用传输网络，工作在340MHz±4MHz频率范围内，具有8MHz带宽，采用OFDM调制和解调方法。该系统采用多端机对多基站的工作模式，实现了双向数据传输，在应对自然灾害、恐怖骚乱、紧急医疗等突发事件时可发挥重要作用。硬件电路方面，本系统使用的硬件连接方式简单而且易于实现，有较强的实用价值。
附图说明
图1是本发明的高速图像传输系统数据流程及子网划分示意图；
图2是主控与FPGA的硬件连接框图；
图3是高速图像传输系统的TCP/IP协议栈示意图；
图4是协议栈发送数据流程图；
图5是协议栈接收数据流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种中远程无线传感网组网系统，以高速图像传输系统为例，其工作模式如图1所示：端机的主控模块接收视频编码模块的视频数据并通过异步并行总线送往FPGA，FPGA对数据进行OFDM编码和调制后通过射频模块发送给基站，基站的FPGA对接收到的信号进行解调，再通过异步并行总线发送给主控模块并最终通过视频解码器显示。
本发明的组网方式如下：采用TCP/IP局域网组网方式，即把端机的无线发射端和基站的无线接收端均作为独立的主机(网卡)，将端机和基站的无线端设定在同一个网段，并将基站无线端设置为网关主机，基站无线接收端可以通过MAC帧区分不同端机的数据。基站的有线端通过以太网联接至基站控制系统，如此可保证带宽分配，基站与端机的收发同步的工作，最终通过视频解码器阵列在显示器阵列上输出视频信号。
本发明电路实现上：利用大多数主控MCU都具有的异步并行总线连接FPGA，因此，将端机的主控单元MCU通过异步并行总线连接FPGA芯片，将基站的主控单元MCU通过异步并行总线连接FPGA芯片，并在FPGA芯片内部开辟接收和发送的缓冲区，使用中断的方式判断接收和发送数据，简单而且使用效果良好。如图2所示，主控与FPGA采用异步并行总线连接，FPGA在其内部开辟了两个独立的缓冲区，分别用于发送数据和接收数据缓存。中断状态寄存器用以区分是接收中断还是发送完毕的中断，标志位在FPGA发送缓存收到数据后置1，当FPGA将数据通过无线发送完毕后置0并产生中断。
TCP/IP协议栈：本系统的协议栈是在Linux TCP/IP协议栈下添加私有协议实现的，用以完成在OFDM无线信道上传输网络数据及音视频数据流。具体的实现方法是将系统的私有协议栈注册成Linux标准的网卡设备——虚拟网卡。“虚拟网卡”对外以标准网卡驱动接口与Linux TCP/IP协议栈对接，对内实现私有的无线网络协议、与OFDM硬件模块的通讯，并提供字符设备驱动，供应用程序和OFDM模块间的参数传递。无线链路网络协议栈在IP帧外面包装MAC帧，用于识别不同的无线设备和提供一定的数据完整性保护。如图3所示，其中网络层中的最上层和链路层为自定义的私有协议栈，需要设计软件实现。TCP/UDP层和IP层为采用Linux自身的TCP/IP协议栈；物理层是由FPGA实现的OFDM无线信道。
虚拟网卡的工作流程可分为发送和接收两部分，MCU向FPGA发送的流程如图4所示：Linux协议栈调用“虚拟网卡”的成帧函数在其需要发送的IP数据帧的外面添加无线帧头和帧尾；Linux协议栈调用“虚拟网卡”的发送函数发送封装好的无线协议帧，发送函数把无线帧添加到OFDM待发送队列中；当OFDM硬件发送中断产生后，OFDM发送模块检测待发送队列中是否有发送的数据，如果有则使用DMA方式把无线帧传输到OFDM硬件设备中。
MCU从FPGA接收数据的流程如图5所示：当OFDM硬件接收中断产生后，OFDM接收模块使用DMA方式把无线帧从OFDM硬件设备复制到数据接收队列。并且唤醒tasklet线程；tasklet线程检测OFDM数据接收队列是否有数据，如果有则开始解析数据，如果数据有效并且完整，则调用“虚拟网卡”的接收函数把此去掉无线帧头和帧尾的IP帧上传到Linux协议栈中。
不难发现，该系统采用多端机对多基站的工作模式，实现了双向数据传输，在应对自然灾害、恐怖骚乱、紧急医疗等突发事件时可发挥重要作用，同时使用的硬件连接方式简单而且易于实现，有较强的实用价值。

Claims (7)

1.一种中远程无线传感网组网系统，包括至少2个端机和至少2个基站，其特征在于，所述组网系统采用TCP/IP局域网组网方式，所述端机的无线发射端和基站的无线接收端均作为独立主机，所述端机和基站的无线端设定在同一个网段，所述基站的无线接收端作为网关主机；所述基站的有线端通过以太网联接至基站控制系统；所述组网系统的物理层为OFDM无线信道，并由FPGA实现；所述组网系统的软件通过将私有协议栈注册为虚拟网卡设备实现；所述虚拟网卡设备对外以网卡驱动接口与LinuxTCP/IP协议栈对接，对内实现私有的无线网络协议与基站和端机内的OFDM硬件模块的通讯，并提供字符设备驱动，供应用程序和OFDM模块间的参数传递。
2.根据权利要求1所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述虚拟网卡通过在TCP/IP协议基础上加入私有协议的方式注册实现。
3.根据权利要求1所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述OFDM硬件模块为FPGA芯片。
4.根据权利要求3所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述FPGA芯片内部设有接收和发送的缓冲区，使用中断的方式判断接收和发送数据。
5.根据权利要求3所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述端机的主控单元通过异步并行总线连接FPGA芯片。
6.根据权利要求3所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述基站的主控单元通过异步并行总线连接FPGA芯片。
7.根据权利要求1所述的中远程无线传感网组网系统，其特征在于，所述基站的无线接收端通过MAC帧区分不同端机的数据。
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