CN102612167B - 基于td-scdma与传感器网络的无线传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统。系统包括一个主控制器芯片模块、状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线收发模块，所述主控制器模块依次分别与状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线射频收发模块连接。具有结构简单，使用方便，传输系统依托中国移动的公网，收费合理、传输带宽大、功耗低，依托TD-SCDMA系统作为无线传输通道，利用移动公网，可随时将监测信息传至网关节点或任务管理中心。广泛用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等。
Description
技术领域
本发明公开无线通信技术领域，具体涉及TD-SCDMA传输设备的应用层、网络层、数据链路层和物理层软硬件的基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统。
背景技术
目前，专利申请号20071015621.X提出了基于ZIgBee无线传感器网络的温室环境监控系统，将ZigBee技术作为无线传感器网络的无线通信技术。专利申请号200810045160.2提出一种蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，将蓝牙技术作为无线传感器网络的无线通信技术。上述两个专利存在只能实现无线传感器网络的短距离通信的缺陷。而现代的无线传感器网络已广泛用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域，这些领域更多的是需要可靠的远距离无线通信。专利申请号200910144989提出了一种基于无线传感器网络和GPRS的无线通信模块，它虽然利用现有移动运营商的网络，实现了远距离无线通信，但是GPRS采用的是GSM的900M频段。GSM的频率资源在很多地区本来就很缺乏，GPRS是用分组业务，每个用户占用比话音更多的频率资源，导致GPRS的频率资源进一步的匮乏，从而限制了GPRS的数据用户数量。存在传输带宽也比较窄，不能满足未来的视频传输的缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，使用方便，长距离通信，传输带宽比较宽的基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统。
为了克服现有技术的不足，本发明的技术方案是这样解决的：基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统包括一个主控制器芯片模块、状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线收发模块，本发明的特殊之处在于所述主控制器芯片模块依次分别与状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线射频收发模块连接。
所述感知共存无线射频收发模块中的无线模块LC6311和主控制器连接。
所述外部存储第一模块、外部存储第二模块分别与主控制器芯片模块S3C2440集成芯片上的同步与动态随机存储器SDRAM、闪存Flash控制器接口连接。
所述主控制器芯片模块S3C2440通过电源管脚和复位管脚与1.2V、3.3V以及复位电路相连接。
所述主控制器芯片模块S3C2440通过通用接口GPIO和通用串行总线USBHost(主设备)接口电路与3G TD-SCDMA无线模块LC6311连接。
所述无线模块LC6311模块通过网络运营商的空中接口将数据打包发送至TD网络，并最终送达拥有固定IP地址的服务器或者终端。
所述主控制器芯片模块型号为S3C2440，其所述主控制器模块通过连接外部存储第二模块(SDRAM)、非易失闪存技术(Nand Flash)和时钟电路连接构成最小系统。
本发明与现有技术相比，具有结构简单，使用方便，传输系统依托中国移动的公网，收费合理、传输带宽大、功耗低的特点，，依托TD-SCDMA系统作为无线传输通道，利用移动TD-SCDMA公网，可随时将监测信息传至网关节点或任务管理中心。从而克服了现有的无线传感器网络无线传输技术的瓶颈，实现了大数据量的远距离无线通信，上行速率到达128K下行速率达到384K，适合视频和大数据传输。可广泛用于国防军事、国家安全、环境监测、交通管理、医疗卫生、制造业、反恐抗灾等领域。
附图说明
图1为本发明系统终端结构示意图；
图2为图1的无线传输系统的一个测试结果界面图；
图3为图1的主控制器模块、时钟电路和融合接口结构示意图；
图4为图1的滤波电路和USB电路结构示意图；
图5为图1的外部存储设备结构示意图；
图6为图1的串口电路、复位电路和JTAG结构示意图；
图7为图1的无线模块和USB电路结构示意图。
具体实施方式
附图为本发明的实施例。
下面结合附图对发明内容作进一步说明：
参照图1所示，一种基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统，该无线传输系统包括一个主控制器模块、状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线收发模块，所述主控制器模块5依次分别与状态接口模块1、融合接口模块2、外部存储第一模块3、外部存储第二模块4、电源管理电路6、感知共存无线射频收发模块7连接。
所述感知共存无线射频收发模块7中的无线模块LC6311和主控制器芯片模块S3C2440连接，SIM卡座和无线模块LC6311连接。
所述外部存储第一模块3、外部存储第二模块4分别同步与动态随机存储器SDRAM和闪存Flash连接，并与主控制芯片模块S3C2440集成芯片连接。
所述主控制器芯片模块S3C2440通过电源管脚和复位管脚与1.2V、3.3V以及复位电路相连接。
所述主控制器芯片模块S3C2440通过通用接口GPIO和通用串行总线USBHost(主设备)接口电路与3G TD-SCDMA无线模块LC6311连接。
所述TD-SCDMA无线模块LC6311模块通过网络运营商的空中接口将数据打包发送至TD网络，并最终送达拥有固定IP地址的服务器或者终端。
所述主控制器芯片模块型号为S3C2440，其所述主控制器芯片模块通过连接外部存储第二模块(SDRAM)、非易失闪存技术(Nand Flash)和时钟电路连接构成最小系统。
图1中主控制器模块5选用ARM9处理器，ARM9处理器中的S3C2440芯片作为主控制器模块，S3C2440采用ARM920T内核，它有硬件特征和强大的指令系统，S3C2440的最大特点是其核心CPU处理器是一个由Advanced RISC Machines有限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。ARM920T实现了MMU，AMBA BUS和Harvard高速缓冲体系结构。这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache。每个都是由具有8字长的行组成。通过提供一套完整的通用系统外设，S3C2440可以减少整体系统成本和无需配置额外的组件。
S3C2440集成的芯片主要功能包括：
1.2V内核供电，1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电具备16KB的I-Cache和16KB DCache/MMU。
外部存储控制器(SDRAM控制和片选逻辑)
4通道DMA，并有外部请求引脚。
3通道UART(IrDA1.0，64字节Tx FIFO，和64字节Rx FIFO)。
2通道SPI。
1通道IIC-BUS接口(多主支持)。
2端口USB主机/1端口USB设备(1.1版)
130个通用I/O口和24通道外部中断源。
具有普通，慢速，空闲和掉电模式。
具有PLL片上时钟发生器
S3C2440A控制芯片主要功能包括：
控制和接受TD-SCDMA收发模块的点火、搜索网络和各种信令信息；
创建无线链路；
控制设备与数字盒之间的通信；
控制和接受USB数据信号；
控制NandFlash执行读写操作；
S3C2440通过片上集成的SDRAM、Flash控制器接口与外部存储第一模块3、外部存储第二模块4连接，通过时钟和电源电路辅助，构成最小系统，完成Bootloader、Linux内核、文件系统、驱动和应用程序的烧写及运行。
图1中的外部存储第一模块3、外部存储第二模块4，分别选用的是的256M(16Mx16bit)Hynix SDRAM和2Gb NAND FLASH HY27UF(08/16)2G2B。这两款芯片都拥有良好的稳定性，较大的市场占有率和较高的性价比。
本发明供电电路采用5V数字电源为主要供电电源，选取国家半导体公司的电源芯片LM1117-CT1.3、LM1117-CT3.3、LM2831X通过相应的电源电路进行电压转换，用以提供本发明所需的1.2V、3.3V、4V电源。
S3C2440通过电源管脚和复位管脚与1.2V、3.3V以及复位电路相连接，完成核，GPIO的供电还有系统复位。通过程序编制打开关闭相应寄存器可完成普通、慢速、空闲和掉电模式的电源管理。
图1中的状态接口模块1是状态接口电路，通过状态接口电路完成对前端数据采集设备(频谱分析数据或其他数据的采集)的控制，状态接口模块1通过与S3C2440的带外部中断功能GPIO的连接，将前端数据采集设备的状态、请求及命令传给中控制器，完成开启传输、等待传输、重新传输、关闭传输等多种功能的控制。
图1中的融合接口模块2为USB接口电路，通过S3C2440的片上USB控制器设计出USB2.0主从接口电路，使用host接口完成对后端TD无线模块LC6311的数据传输；使用device接口完成对前端数据采集设备的数据传输。
图1中感知共存无线射频收发模块7为TD-SCDMA的无线收发模块，本发明与TD-SCDMA网络空中接口的连接，以及基带频带的处理工作选用TD-SCDMA无线射频模块LC6311实现。该无线模块稳定性好、市场占有率高，性价比理想。该无线模块有如下主要功能：
采用4V供电，供电范围3.3V-4.5V
工作频段：TD-SCDMA：2010～2025MHz
GSM： GSM850
E-GSM
DCS1800
PCS1900
工作模式：TD-SCDMA&GSM双模
SIM供电电源：3V
USB接口数据传输
本发明信号流程可总结为：设备上电后，基于ARM9 S3C2440的最小系统完成Linux系统初始化和各项驱动加载，前端数据采集设备通过状态接口完成传输请求后，通过USB Device接口电路按USB2.0协议把采集好的频谱数据或其他数据传输至最小系统中以待处理，S3C2440通过GPIO和USB Host接口电路对TD无线模块LC6311的初始化、驱动和数据传输，当完成TD-SCDMA网络的注册，建立TCP或UDP连接后，LC6311模块就会通过网络运营商的空中接口将数据打包发送至TD网络，并最终送达拥有固定IP地址的服务器或者终端。
图2所示为本发明连接网络成功后，发送数据的截图。
通过图2展现的测试结果，说明本无线通信系统可以通过移动公网进行正常的拨号和上网。无线传感器网络感知节点所监测的数据可实时可靠地通过公网传输到管理系统。
图3所示为本发明的最小系统和外围融合电路以及时钟电路结构连接关系示意图，与框图1中的状态接口模块1、融合接口模块2和主控制器模块5相对应。
图4所示为本发明的滤波电路、USB电路和电源电路结构连接关系示意图，与框图1的电源管理电路6相对应.。
图5所示为本发明的外部存储设备电路结构连接关系示意图，与图1的外部存储第一模块3、外部存储第二模块4相对应。
图6所示为本发明的串口电路、复位电路和JTAG。
图7所示为本发明的无线模块、SIM卡和USB电路结构连接关系示意图，与框图1的感知共存无线射频收发模块7相对应。
图3、图4、图5、图6和图7组合就是本发明的电路原理图。
综上所述，电磁频谱监测中，常常要求感知节点所监测频谱数据的实时连续上传，以实现频谱的动态显示，因此必须设计一种类似于流媒体服务的数据上传机制以保证数据信息的可靠传输和端到端实时传输。本发明中的ARM9控制芯片选用了的S3C2440，通过连接外部SDRAM、Nand Flash和时钟电路形成最小系统；供电电路采用的5V数字电源为主要供电电源，选取不同电源芯片通过相应的电源电路进行电压转换，用以提供本发明所需的多组电源；数据传输采用USB接口电路；TD无线传输功能(TD-SCDMA射频及基带处理单元、TD-SCDMA应用层、网络层、数据链路层和物理层软硬件的总体设计)选用LC6311模块实现。
本发明和无线传感器网络目前的无线通信技术进行一下比较：
| 网络 | 传输距离 | |
| TD-SCDMA | 移动公网 | 远 |
| ZigBee | 专网 | 近 |
| 峰值速率 | 平均速率 | |
| TD-SCDMA | 2Mb/s | 64kbits/s～384kbits/s |
| GPRS | 115.2kbit/s | 20kbit/s～40kbit/s |
| CDMA | 153.6kbit/s | 80kbit/s～100kbit/s |
本发明是国家科技重大专项(2010ZX03006-002)“传感器网络电磁频谱监测关键技术研究”的子项目。已经进行了联合测试，通过本无线通信系统成功实现了拨号和上网，并将无线传感器网络感知节点所监测的数据可实时可靠地通过公网传输到管理系统。
本发明的感知共存的TD-SCDMA与传感器网络融合的无线传输系统，对于无线传感器的无线远距离传输，特别是视频等大数据量的实时传输具有优良的性能。本传输系统依托中国移动的公网，收费合理、传输带宽大、功耗低，容易推广和普及。
实施例1
在电磁频谱监测中，常常要求感知节点所监测频谱数据的实时连续上传，以实现频谱的动态显示，因此必须设计一种类似于流媒体服务的数据上传机制以保证数据信息的可靠传输和端到端实时传输，本研究内容依托拥有我国自主知识产权的TD-SCDMA系统作为无线传输通道，重点实现相关软硬件和流媒体服务器的研制，在具备TD-SCDMA系统网络覆盖的应用场景下，可随时将监测信息传至网关节点或任务管理中心。
本发明与某大学自主研发的用于电磁频谱监测的设备有效结合，在上电后自启动，驱动无线模块进入工作状态，拨号连接公网，尝试多次重复连接，成功连接后获得自身IP并对指定的IP点的无线信号进行有效的捕获，可以点对点接收或者发送数据，与任务管理中心进行很好的信息实时交互以便于其对TD模块通信的远程控制和对电磁频谱的有效监测，数据通过电磁频谱监测设备采集处理，送到TD无线模块后上传到公网，再通过公网安全快速的传输到终端控制主机，在其任务管理中心中显示出所获得的数据信息，并时刻可以接收任务管理中心的有效命令，其传输速率上行最高128Kbps，下行最高可达384Kbps，丢包率误码率均在标准范围内，成功实现了电磁频谱监测数据信息实时传输的流媒体服务器。具体步骤，通过超级终端输入一串数据，例如6666666，在远端的管理平台立即就接收到了数据6666666。在管理平台输入控制信息数据，例如88888888，在远端设备侧的超级终端立即收到88888888的数据。这种远距离传输就是通过本发明的移动TD终端。
通过管理中心的简单控制程序即可实现对无线模块功能的控制工作，长时间不工作进入休眠，有数据或者信号时无需断电即可重新激活，正常检测收发数据包，亦可以实现软中断，外部中断，复位，模块重启，异常处理等其他操作.成功的实现了具有通信接口与感知共存能力的TD-SCDMA系统终端与传感器网络的融合传输技术.
通过国家重大科技专项的2年的实施，本发明的TD传输系统已经在传感器网络电磁频谱监测得到了应用，完成大数据和视频的收发，并达到了预定的技术指标。
Claims (1)
1.一种基于TD-SCDMA与传感器网络的无线传输系统，该无线传输系统包括一个主控制器芯片模块、状态接口模块、融合接口模块、外部存储第一模块、外部存储第二模块、电源管理电路、感知共存无线收发模块，其特征在于所述主控制器芯片模块（5）依次分别与状态接口模块（1）、融合接口模块（2）、外部存储第一模块（3）、外部存储第二模块（4）、电源管理电路（6）和感知共存无线射频收发模块（7）连接，其中，所述感知共存无线射频收发模块（7）中的无线模块LC6311与主控制器芯片模块（5）的S3C2440连接，SIM 卡座与无线模块LC6311连接，所述外部存储第一模块（3）、外部存储第二模块（4）分别同步与动态随机存储器SDRAM和闪存Flash连接，并与主控制器芯片模块S3C2440集成芯片连接，所述主控制器芯片模块S3C2440通过电源管脚和复位管脚与1.2V、3.3V以及复位电路相连接，所述主控制器芯片模块（5）的S3C2440通过通用接口GPIO与通用串行总线USB Host接口电路和3G TD-SCDMA无线模块LC6311连接，所述TD-SCDMA无线模块LC6311模块通过网络运营商的空中接口将数据打包发送至TD网络，并最终送达拥有固定IP地址的服务器或者终端，所述主控制器芯片模块（5）的型号S3C2440与所述主控制器模块（5）通过连接外部存储第二模块（4）的SDRAM、非易失闪存技术Nand Flash和时钟电路连接构成最小系统。
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