CN103365227B - 一种基于单片机的多用无线传感器网络平台 - Google Patents
一种基于单片机的多用无线传感器网络平台 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于单片机的多用无线传感器网络平台，该网络平台包括单片机和无线通信模块，该网络平台还设有与单片机连接的射频接口，该射频接口通过数据线路与多种无线通信转接板中的一个无线通信转接板连接，每种无线通信转接板设有一种以上用于与不同的无线通信模块连接的转接口；该网络平台设有用于切换电池电源和外接电路电源的电源自动切换电路；单片机通过数据线路分别与该网络平台的有线通信电路和操作与指示电路连接；该网络平台还设有通过数据线路与单片机连接的硬件扩展接口。本发明的无线传感器网络平台具有便于二次开发、单片机性能较高、能够实现硬件选择搭配的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络平台，具体涉及一种基于单片机的多用无线传感器网络平台。
背景技术
无线传感器网络节点硬件平台主要由主控芯片、无线通信模块及外围电路等部分组成，一般具有体积小、成本低和功耗低等特点。目前常用硬件平台按组成形式分为一体式与分体式两种。一体式平台主要是使用TI公司出品的CC2430、CC2530等主控原件与射频单元合二为一的无线单片机制作的硬件设备；分体式平台指主控单片机与无线射频芯片相互独立的硬件平台，如早期ATmega128与CC2420组成的MicaZ节点，以及其它采用8051单片机与射频模块设计搭建的平台等。
对于一体式硬件平台，其工作效率高且性能好，适用于多种无线传感器网络环境。其缺点是硬件设计灵活性较差，无线通信频率范围固定不可选择，主控芯片与射频模块无法实现自由组合。此外这类节点通常需配合TI原厂提供的包含内置操作系统的Z-STACK协议栈组件进行应用开发，进行此类编程设计时，开发人员不仅需掌握通用高级语言编程及单片机程序设计等相关技术，还需掌握操作系统相关知识，对于一般用户而言只能制作简单应用而不易进行二次深度开发；另外由Z-STACK协议栈组件编译生成的目标代码量较大，且其中包含很多无用组件的目标代码，大幅度占用单片机程序空间，使开发者无足够空间存储用户自主开发程序代码。此外，基于TI无线单片机设计的硬件节点由于器件成本较高，且电路板部分涉及通用PCB设计技术及高频电路布线等高端技术，导致此类节点造价相对较高。
对于分体式硬件平台，其硬件设计灵活度较高，但随着无线通讯模块性能的不断提升和人们对无线数据通信质量要求的不断提高，目前这类平台所选用的微处理器已无法满足用户需求，常用的8051核心的单片机是目前市场占有率最高的微处理器之一，这种芯片使用方便，芯片稳定性较好，但因其性能相对较差，只能应用于实现简单数据采集系统，无法应用于复杂的无线传感器网络设备中；ATmega128等早期高性能AVR单片机因速度较慢及程序烧写过程相对繁琐等原因而较少应用于实用型无线传感器网络设备中；低功耗MSP430等工业单片机虽然性能较高，但因大部分用户对此类芯片体系结构相对陌生，相应开发技术需专门学习，且其引脚驱动能力较差，因此这类芯片在大众用户中普及率相对较低；而STM32等低端ARM芯片虽然性能较好，使用也较为方便，但因其集成度较高，使其抗过载能力较差，在使用中若不加硬件隔离，一旦过载会造成击穿导致芯片损坏，严重时会引起电源短路酿成严重后果，所以此类芯片多用在实验性设备中；高端ARM芯片则因为成本因素，不适合应用于无线传感器网络系统中。
目前分体式硬件平台和一体式硬件平台的射频模块部分通常为绑定形式，即一种节点设计制作完成后只能固定搭配一种无线通信模块；目前只有少数几种分体式平台可自由搭配射频单元，其提供形式是在平台主控板上一次性提供多种硬件接口供连接不同的无线射频部分，但每次一般只用一种模块，未使用的模块插座既占用主控板面积空间，又使得电路板硬件布局杂乱。
除主控及无线部分以外，目前很多硬件平台电源供给部分也存在问题。有些节点虽提供多种供电方式，但不同的供电方式大都采用跳线切换，使用较麻烦且影响节点硬件的使用寿命；而有些平台则无切换装置且不提供保护措施，若同时安装了电池且连接了其他电源，则会造成外电源对干电池充电，容易造成爆炸，酿成事故。
综上，目前常用无线传感器网络平台均存在二次开发困难、主控单片机性能低下、无法实现自主搭配的缺点，为了满足科研和生产的各种需求，需要一种便于二次开发、单片机性能较高、能够实现硬件选择搭配、高效安全的无线传感器网络平台。
发明内容
本发明需要解决的技术问题就在于克服现有技术的缺陷，提供一种便于二次开发、单片机性能较高、能够实现硬件选择搭配、高效安全的无线传感器网络平台。
为解决上述问题，本发明采用技术方案为：
一种基于单片机的多用无线传感器网络平台，该网络平台包括单片机和无线通信模块，为了便于换接不同的无线通信模块，该网络平台还设有与单片机连接的射频接口，该射频接口通过数据线路与多种无线通信转接板中的一个无线通信转接板连接，每种无线通信转接板设有一种以上用于与不同的无线通信模块连接的转接口；为了保护供电电路和电池电源，该网络平台设有用于切换电池电源和外接电路电源的电源自动切换电路。
本发明为了扩展本网络平台的功能和实用性，较佳的技术方案有，单片机通过数据线路分别与该网络平台的有线通信电路和操作与指示电路连接；该网络平台还设有多种通过数据线路与单片机连接的硬件扩展接口；该网络平台还设有与电源自动切换电路连接的供电线路。
本发明为了提高无线通信模块的兼容性和工作性能，增强无线通信模块的数据传输速度，较佳的技术方案还有，射频接口为15针、2.54mm标准脚距的3排座接口，该射频接口设置有14个有效引脚和一个防呆空引脚；射频接口的14个有效引脚中，其中4个有效引脚从单片机串行外设接口引出，该4个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块连接；另有8个有效引脚从单片机I/O引脚引出，该8个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块的控制信号引脚连接；另外两个引脚分别是为无线通信模块提供电能的3.3V电源引脚和接地引脚。
本发明为了保护供电线路和提高电池电源盒的安全性，较佳的技术方案还有，电源自动切换电路通过电源线路分别与外接电路电源接口和电池电源盒连接；电池电源盒的回路中串联有防倒充开关二极管；硬件扩展接口包括用于连接传感器和扩展设备的扩展I/O接口和模数转换接口。
本发明为了提高网络平台的工作性能，满足不同条件下的工作要求，较佳的技术方案还有，单片机为1T时钟周期不分频工作的高性能增强型纯51核心单片机，该单片机为适用于固定环境中的5V电压单片机或适用于移动环境中的3.3V电压单片机；该单片机设有串行口和串行外设接口。
本发明为了实现该网络平台与计算机的数据交换，使用计算机对网络平台进行监控和调试，较佳的技术方案还有，有线通信电路设有RS-232串行口和通用串行总线USB接口；RS-232串行口通过SP232电平转换电路与单片机的一个串行口连接；通用串行总线USB接口通过CH340时序转换电路与单片机的另一个串行口连接。
本发明为了便于切换本网络平台数据接收与发送的端口，实现不同方式的数据传输方式，较佳的技术方案还有，有线通信电路设有发送数据端和接收数据端两个跳线组，发送数据端和接收数据端分别与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接，该跳线组设有用于切换单片机两个串行口与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接方式的跳线帽，使用时可通过移动跳线帽转换使用不同的串行口。
本发明为了将传感器信号转变为数字信号以便于信号传输和处理，较佳的技术方案还有，单片机设置有8个模数转换引脚，其中2个模数转换引脚为外部晶振复用引脚；另外5个模数转换引脚与模数转换电路连接，每个模数转换电路设有模数转换接口，该模数转换接口设置有限流电阻和滤波电容；另外一个模数转换引脚为2.5V高精度参考电压引脚。
本发明为了实现对于网络平台的人工控制和电源供给，较佳的技术方案还有，硬件扩展接口设有用于给传感器供电的5V电源供给引脚和3.3V电源供给引脚；操作与指示电路设有用于控制设备的用户按键电路和用于显示设备运行状态的发光二级管指示电路；电源自动切换电路通过供电线路分别与单片机、无线通信转接板、无线通信模块、操作与指示电路、有线通信电路和硬件扩展接口连接。
本发明为了提高网络平台的工作性能，较佳的技术方案还有，单片机为具有在系统可编程和在应用可编程特性的型号为IAP15F2K61S2或IAP15L2K61S2的高性能纯51核心单片机，该单片机支持在线仿真功能。
本发明的优点和有益效果为：本无线传感器网络平台采用高性能微处理器，故具有运行速度很快、硬件资源丰富的特点；本网络平台增添了独有的无线射频模块转接功能，使得用户可以随时根据需要更换不同射频核心的无线模块而无需更换主控板硬件部分；本平台充分利用主控单片机提供的在系统可编程及串行口仿真功能，用户只需购置一条串口电缆即可完成如程序下载联机仿真等操作，大幅度节约了应用开发成本；本平台程序开发全部采用目前主流的C51单片机编程语言和KeilC51编译环境，使程序开发变得快捷方便，方便使用者进行二次开发及应用拓展；本平台设有电源自动切换电路，能够保证供电线路的安全。
附图说明
图1为本发明基于单片机的多用无线传感器网络平台结构图。
图中：1、供电线路；2、数据线路；3、电源线路；4、转接口；5、射频接口。
具体实施方式
下列实施例将进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示，本发明采用技术方案为一种基于单片机的多用无线传感器网络平台，该网络平台包括单片机和无线通信模块，为了便于转接不同的无线通信模块，该网络平台还设有与单片机连接的射频接口5，该射频接口5通过数据线路与无线通信转接板连接，该无线通信转接板设有两种用于与不同的无线通信模块连接的转接口4；为了保护供电电路和电池电源盒，该网络平台设有用于切换电池电源盒和外接电路电源的电源自动切换电路；单片机通过数据线路2分别与该网络平台的有线通信电路和操作与指示电路连接；为了扩展本网络平台的功能和实用性，该网络平台还设有通过数据线路2与单片机连接的硬件扩展接口，该硬件扩展接口包括18个扩展I/O接口，5个模数转换接口，所述扩展I/O接口和模数转换接口均作为传感器接口及设备扩展接口使用；该网络平台还设有与电源自动切换电路连接的供电线路1。
实施例2
在实施例1的基础上，本发明为了提高无线通信模块的兼容性和工作性能，较佳的实施方式还有，射频接口5为15针、2.54mm标准脚距的3排座接口，该射频接口5设置有14个有效引脚和一个防呆空引脚；为了提高无线通信模块的性能，增强无线通信模块的数据传输速度，射频接口5的14个有效引脚中，其中4个有效引脚从单片机串行外设接口引出，该4个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块连接；另有8个有效引脚从单片机I/O引脚引出，该8个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块的控制信号引脚连接；另外两个引脚分别是为无线通信模块提供电能的3.3V电源引脚和接地引脚，其他部分与实施例1完全相同。
实施例3
在实施例2的基础上，本发明为了保护供电线路和提高电池电源盒的安全性，较佳的实施方式还有，电源自动切换电路通过电源线路3分别与外接电路电源接口和电池电源盒连接；电池电源盒的回路中串联有防倒充开关二极管；为了提高网络平台的工作性能，满足不同条件下的工作要求，本发明的单片机为1T时钟周期不分频工作的高性能增强型纯51核心单片机，该单片机为适用于固定环境中的5V电压单片机，该单片机设有2个串行口和1个串行外设接口，其他部分与实施例2完全相同。
实施例4
在实施例3的基础上，本发明为了实现该网络平台与计算机的数据交换，使用计算机对网络平台进行监控和调试，较佳的实施方式还有，有线通信电路设有RS-232串行口和通用串行总线USB接口；RS-232串行口通过SP232电平转换电路与单片机的一个串行口连接；通用串行总线USB接口通过CH340时序转换电路与单片机的另一个串行口连接。为了便于切换本网络平台数据接收与发送的端口，实现不同方式的数据传输方式，有线通信电路设有发送数据端和接收数据端两个跳线组，发送数据端和接收数据端分别与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接；该跳线组设有用于切换单片机两个串行口与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接方式的跳线帽，使用时可通过移动跳线帽转换使用不同的串行口；单片机为适用于移动环境中的3.3V电压单片机，其他部分与实施例3完全相同。
实施例5
在实施例4的基础上，本发明为了将传感器信号转变为数字信号以便于信号传输和处理，较佳的实施方式还有，单片机设置有8个模数转换引脚，其中2个模数转换引脚为外部晶振复用引脚；另外5个模数转换引脚与模数转换电路连接，每个模数转换电路设有模数转换接口，该模数转换接口设置有限流电阻和滤波电容；另外一个模数转换引脚为2.5V高精度参考电压引脚；为了实现对于网络平台的人工控制和电源供给，硬件扩展接口设有用于给传感器及其他扩展硬件设备供电的5V电源供给引脚和3.3V电源供给引脚；操作与指示电路设有用于控制设备的用户按键电路和用于显示设备运行状态的发光二级管指示电路；电源自动切换电路通过供电线路分别与单片机、无线通信转接板、无线通信模块、操作与指示电路、有线通信电路、硬件扩展接口和模数转换接口连接；单片机是型号为IAP15L2K61S2的高性能纯51核心单片机，其他部分与实施例4完全相同。
实施例6
在实施例5的基础上，本发明为了提高网络平台的工作性能，较佳的实施方式还有，单片机为具有在系统可编程和在应用可编程特性的型号为IAP15F2K61S2的高性能纯51核心单片机，该单片机支持在线仿真功能，其他部分与实施例5完全相同。
最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。
Claims (8)
1.一种基于单片机的多用无线传感器网络平台，该网络平台包括单片机和无线通信模块，其特征在于，该网络平台还设有与单片机连接的射频接口，该射频接口通过数据线路与多种无线通信转接板中的一个无线通信转接板连接，每种无线通信转接板设有一种以上用于与不同的无线通信模块连接的转接口；该网络平台设有用于切换电池电源和外接电路电源的电源自动切换电路；
单片机通过数据线路分别与该网络平台的有线通信电路和操作与指示电路连接；该网络平台还设有多种通过数据线路与单片机连接的硬件扩展接口；该网络平台还设有与电源自动切换电路连接的供电线路；
射频接口为15针、2.54mm标准脚距的3排座接口，该射频接口设置有14个有效引脚和一个防呆空引脚；该射频接口的14个有效引脚中，其中4个有效引脚从单片机串行外设接口引出，该4个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块连接；另有8个有效引脚从单片机I/O引脚引出，该8个有效引脚通过无线通信转接板与无线通信模块的控制信号引脚连接；另外两个引脚分别是为无线通信模块提供电能的3.3V电源引脚和接地引脚。
2.如权利要求1所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，电源自动切换电路通过电源线路分别与外接电路电源接口和电池电源盒连接；电池电源盒的回路中串联有防倒充开关二极管；硬件扩展接口包括用于连接传感器和扩展设备的扩展I/O接口和模数转换接口。
3.如权利要求2所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，单片机为1T时钟周期不分频工作的高性能增强型纯51核心单片机，该单片机为适用于固定环境中的5V电压单片机或适用于移动环境中的3.3V电压单片机；该单片机设有串行口和串行外设接口。
4.如权利要求3所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，有线通信电路设有RS-232串行口和通用串行总线USB接口；RS-232串行口通过SP232电平转换电路与单片机的一个串行口连接；通用串行总线USB接口通过CH340时序转换电路与单片机的另一个串行口连接。
5.如权利要求4所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，有线通信电路设有发送数据端和接收数据端两个跳线组，发送数据端和接收数据端分别与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接；该跳线组设有用于切换单片机两个串行口与RS-232串行口和通用串行总线USB接口连接方式的跳线帽。
6.如权利要求5所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，单片机设置有8个模数转换引脚，其中2个模数转换引脚为外部晶振复用引脚；另外5个模数转换引脚与模数转换电路连接，每个模数转换电路设有模数转换接口，该模数转换接口设置有限流电阻和滤波电容；另外一个模数转换引脚为2.5V高精度参考电压引脚。
7.如权利要求6所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，硬件扩展接口设有用于给传感器供电的5V电源供给引脚和3.3V电源供给引脚；操作与指示电路设有用于控制设备的用户按键电路和用于显示设备运行状态的发光二级管指示电路；电源自动切换电路通过供电线路分别与单片机、无线通信转接板、无线通信模块、操作与指示电路、有线通信电路、硬件扩展接口连接。
8.如权利要求7所述的基于单片机的多用无线传感器网络平台，其特征在于，单片机为具有在系统可编程和在应用可编程特性的型号为IAP15F2K61S2或IAP15L2K61S2的高性能单片机。
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