CN1521647A - 一种无线数据传输方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种由一个可随身携带的或任意安放的终端，实现从数据源头到数据即时压缩，处理及无线传输全自动化处理，从而实现点对点，是对多点或与互联网任意主机或终端对各种数据进行交互的一种无线数据传输方法及其设备，它是通过由一块模数转换芯片，一块采集芯片，构成的采集接口，一块数据链路模块和SIM卡构成的数据链路接口，由数据处理器、存储器、扩充接口、键盘、显示屏构成的数据处理部分集成在一块集成线路板上构成的无线数据处理器，GPRS或卫星来实现的。本方法广泛应用在所有需要即时处理和无线数据通讯的场合，如：医疗、交通、水利、移动定位、监控、移动POS、移动商物、物流等领域。

Description

一种无线数据传输方法及其设备

技术领域：

本发明涉及一种采用先进的单片机及无线传输与网络通讯技术，在一个可随身携带或任意安放的终端上，实现从数据源头到数据即时压缩、处理及无线传输的全自动化智能处理，从而实现了点对点，点对多点或与互联网任意主机或终端对各种的数据进行交互的无线数据传输方法及其设备。

背景技术：

目前在信息处理领域与数据采集领域的现状是：对于信息的采集和处理，主要通过台式电脑，工作站，服务器等来完成。由于这些电脑体积庞大，无法实现对信息的移动处理，使得对很多需要在无电脑现场采集或处理的数据束手无策。虽然原来已有很多的单片机处理芯片，但是由于受到体积小的限制，其处理速度和能力无法和真正的台式电脑相提并论，无法满足很多场合的处理需要。所以只能应用在一些简单的数据采集和简单控制的工业场合。而对于当前越来越多的各种海量数据和多媒体信息无法处理。数据通讯领域中，大部分应用还是采用传统的有线解决方案，线缆铺设的成本不说，日常更换维护非常麻烦，随着结点数的增多，复杂程度直线上升。而以前的无线解决方案当中，需要架设价格昂贵的中继站，这使得无线方案的应用大为受限，而且速度也十分缓慢。第一代的无线数据连接主要是SMS或电路交换数据。如今大多数的WAP应用都是通过电路交换接入WAP服务器。这实际需要占用大量的带宽，数据速度十分低，只能达到4.8kbps、9.6kbps或14.4kbps。这对终端用户和无线服务供应商来说都没有太多益处。被称作GPRS(通用无线分组业务)的下一代数据服务，将无线数据服务定位在超过100kbps的数据高速路上。在蜂窝移动电话上实现GPRS功能增强了手机的无线互联网接入能力。它将互联网与无线通信连结起来，把电子商务模式扩展到移动通信领域。移动设备是连接无线互联网和终端用户的主要连接设备。移动设备的性能将直接影响到无线互联网商务模式的成功与否。原有的单片机系统由于受到处理速度的限制，只能以串口等简单连接方式进行通讯，并且通讯的对象仅限于其他专用的控制设备，采集设备等等，所以至今只能应用在控制终端，采集终端等地方，仅能替代一些数字电路完成简单的逻辑功能。如果要对信息进行即时处理，及时反馈，或者对海量数据进行处理，统计，决策，对其他用户进行传送等等，是无法办到的。而要与INTERNET进行连接更是不可能的。随着ARM系列嵌入式单片处理系统的出现，其处理速度有了飞跃性的提升，完全可以和台式电脑相比；与此同时，其体积得到了更多的缩小，集成度得到了大幅提升，使得很多原来无法想象的处理要求变成了可能。GSM嵌入式模块进一步将无线设备和ARM紧密联系在一起。伴随着GPRS技术的产生，它将传统电路交换数据连接速度由14.4kbps提高到100kbps。GPRS的高吞吐量促使人们在ARM上实现各种无线应用，用户无论何时何地都可以更快地接入数据、获得服务。将高集成的GSM解决方案应用到无线ARM中，从而提高了产品的便携性。

发明内容：

本发明的目的就是将单片机及无线传输与网络通讯技术相结合，在一个可随身携带或任意安放的终端上，实现从数据源头到数据即时压缩、处理及无线传输的全自动化智能处理，并遵循标准的TCPIP协议，从而实现了点对点，点对多点或与互联网任意主机或终端对各种的数据进行交互。

本发明的目的是由以下硬件和软件两大部分实现的。整个方案由数据源采集部分，无线数据处理器，数据链路，三大硬件组成，无线数据处理器是方案的核心，它包括：数据源接口，数据链路接口，数据处理系统。整个系统统一做在一块线路板上，并且可由电池供电，可以随身携带或任意安放。具体介绍如下：数据源接口部分采用了一块模数转换芯片和一块采集芯片，模数转换芯片可以与众多的数据源进行连接，如传统的物理量的测量，像温度湿度，流速压力等。其主要作用是将各种外接的传感器输出的模拟信号转换成为处理器所能识别的数字信号。采集芯片，主要负责的就是将摄像头和拾音器产生的音频视频信号转换成数字信号。然后交给处理器。对于数字摄像头，可以直接连到系统的USB接口上，这样视频信号可以通过USB接口后直接交由处理器进行处理。对于裸片的CCD或CMOS感光元件的总线数字接口的摄像头，这种摄像头需要和系统安装在同一块主板上。很多数据源设备，不少是数字接口的型号。例如数字型的水文标尺，数字型的温度计等等，这些设备因为本身就是数字接口，所以可以直接连接到系统提供的接口上，包括总线接口，串行端口，红外端口，USB端口等。少数格式不兼容的模式也可以通过处理器进行模式转换。对于未来出现的数字接口设备，都可以直接和系统相连，通过编写一些接口程序，就可以直接应用到系统当中。模数采集芯片直接输入电压变量，电阻量与电流量可以通过简单的电路转换成为电压量。与处理器的连接同样采用了总线的连接方式。系统能够外接动作设备，使得系统不仅仅是一个采集装置而已，同时还可以完成复杂的控制功能。通过用处理器的端口引脚，可以直接控制步进电机，可控硅等设备。或连接一个8路或更多的达林顿管，从而实现对设备的控制。若连接数模转换芯片，则可以对需要连续变化信号控制的复杂设备进行控制。对于数字设备，如果整合度比较高的芯片级的数字接口设备，可以在系统线路板上预留空间，采用紧耦合的总线连接方式，进行一体化集成。对于其他一些标准接口类型的设备，可以直接连接到系统提供的标准端口上。视频采集芯片直接输入复合视频信号与音频信号，而与核心部分的处理器的连接方法是总线连接方式，总线宽度根据系统采用的CPU的位宽不同而有所不同，包含了数据总线以及控制信号等。

数字链路接口部分采用GPRS或CDMA1X系统现有的蜂窝移动通讯网数据链路模块，安放在系统主板上，来进行数据传输，由于GPRS与CDMA1X系统采用现有的手机网络，所以，在偏远的地方可能没有手机信号覆盖，而这些地区仍然会有很多外野作业需要数据传输的支持。这种情况下，系统可搭配卫星通讯模块，采用卫星作为数据链路，这样在全球范围内，本系统都是可以进行无线数据传输。GPRS、CDMA1X和卫星等不同的硬件链路模块为统一的软件接口，这样使得核心部分的处理器可以一样的对待数据链路模块。就算是换上普通的点对点或中继站类型的无线数据通讯模块，以及有线的解决方案，系统同样可以进行数据传输。系统核心部分包括了一颗嵌入式的单芯片处理器以及存储器和交互设备，存储器包含了存储核心软件的程序存储器(CODEROM)和随机数据存储器(RAM)。容量视要处理的数据量而定。为了满足其他应用对内存的需求，在系统中预留有扩展的存储器接口。交互部分，包括输出和输入部分。系统的输出部分采用了一块LCD液晶屏，声音方面采用了通过一个IIS接口芯片连接一个小型内置扬声器。可以播放各种音效，同时也可以配合系统自带的麦克风实现标准的GSM手机语音通话功能。输入部分采用了手机标准的数字键盘，在系统板上设有标准的PS/2键盘接口。为了满足用户对其他输入输出设备的连接需要，本系统预留了多种标准人机设备扩充接口。其中包括串行端口，USB端口，红外线端口。软件部分主要分为三大部分：预处理主数据压缩部分；数据处理，存储，交互部分；以及数据链路的协议封装和链路控制部分。数据压缩部分，系统软件需要控制各个接口部分的硬件芯片，包括视频采集芯片，模数转换芯片及其他接口芯片，控制它们将各种原始的，模拟的或数字的信号转换成为数字信号。但是对于视频和音频信号而言，数字化以后的信息量是非常庞大的，远远超出现在的数据链路的传输能力和存储器的存储能力，所以必须要对其进行压缩；同时对于有些特殊的实时海量数据监测应用来说，其产生的数据量也是非常巨大的，而且对传输的延迟要求非常严格，这样也要求同样对数据进行压缩以后才能满足实时传输的需要。所以在数据预处理阶段，对不同的数据类型采用了不同的解决方案。对于视频信号，采用了连续静态JPEG格式对图象进行压缩，使得图象的数据量有效的减小，能够在50Kbps的GPRS或CDMA1X信道上得到可接受的图象。对于那些对图象的质量要求非常高的需要，提供了采用专用MPEG4编码芯片的硬件解决方案，并编写了对芯片的驱动程序，使得编码芯片可以和系统紧密的工作在一起，实时转送高质量的视频图象。对于音频信号，经由音频模数转换芯片转换成为数字信号之后，直接传送到处理器，处理器通过软件，采用MPEG1-LAYER3格式进行压缩。对于那些需要对多媒体信号需要进行回放的应用，同样可以通过对传输过来的，或者是存储在存储器上的多媒体音频视频数据分别进行解码以后输出到LCD屏幕和系统扬声器。音频解码通过处理器采用软件的方式进行解码。普通的视频信号也可以通过处理器进行软件解码，而对于那些同样采用MPEG4编码芯片所压缩的视频数据，为了获得更好的响应速度和视觉效果，采用硬件芯片的解决方案。如果经过处理过滤后数据量仍然很大的话，则采用处理器进行软件压缩。压缩的格式从简单的压缩到高压缩比的LZW压缩算法均可。同样，可以通过软件对对方传输过来的压缩数据进行还原，从而进行显示，或者控制动作机构执行。另外，对需要进行加密传输的数据，系统在这里对其进行加密。由于本身具备强大的处理功能，所以可以采用各种标准的加密算法，保证了用户数据的安全。中心控制部分主要完成的作用是对整个系统各个部分进行协调控制。首先是控制接口部分进行模数转换，并进行数据压缩；然后管理数据存储系统，对需要存储的数据写入文件系统保存；同时控制LCD屏幕显示和键盘输入，同用户进行信息交互；最后将要发送的数据汇总送入链路控制部分。存储系统，系统配备了一个大容量的FLASH存储芯片，当作固体磁盘使用。并在上面建立了FAT格式的文件系统，用于对文件的存储。系统存储的内容包括了系统本身进行汉字显示所需要的汉字字库，以及用户对系统各项参数的设置，包括LCD屏幕对比度，通讯用系统识别地址等信息。用户区存储的文件则根据应用的不同需要而有所不同。例如对于那些数据量不大，实时性要求不高的数据，可以先暂时存储到FLASH存储器上，然后一天汇总一次，统一发送，这样无须实时占用数据链路，节省了费用。再比如某些需要印章识别或者密码核对的应用，需要把预先的正确数据储存在FLASH存储器内，然后使用的时候调出进行核对。当然我们采用了加密的算法进行存储，因为系统有足够强的处理能力，所以可靠性得到了很大的保障。如果用户要求，还可以采用远程存储的方式，即在要求核对密码的时候，从远程计算机系统的密码库中提取相应加密数据，通过数据链路即时传送到本系统上进行解密，然后核对。这样一来，本系统内不会存有任何密码数据，就不会发生被破解的现象了。人机界面交互程序，主要的人机交互界面就是LCD显示屏和键盘。系统提供了对所有常用LCD显示芯片(如EPSON系列)的软件驱动，使得他们都可以很好的和系统工作在一起。对于普通应用，我们采用了和普通手机屏幕大小类似的LCD屏幕，同样可以显示四到五行汉字或英文字符和数字。以及一些点阵方式的图标和图象。如果采用大一些的彩色LCD屏幕，则可以实现对多媒体视频数据的实时回放。输入部分负责动态扫描键盘，接收用户的输入信息。并且系统在类似手机的数字键盘上提供了英文和汉字拼音输入法，使得用户在有限的键盘上能够方便的输入各种信息。同时系统也为外接的标准PS/2端口的计算机键盘提供了驱动软件，使得用户可以在标准的计算机英文键盘上输入信息，和使用标准计算机的信息录入速度一样。除此之外，还有对扩展端口的控制。包含了对USB接口芯片的软件驱动，对串口数据的收发处理，以及对红外线端口数据的二进制编码。链路控制部分，编写了协议封装和链路控制部分，使得本系统可以和互联网或企业网上的任何一台或多台设备进行互连通讯，而且通讯方式接口界面多种多样。协议封装部分，简单的串行数据链路虽然使用起来简单，但也造成了其应用范围狭窄的问题。在系统中开发了一套应用于各种串行数据链路(包括GPRS、CDMA1X、卫星通讯模块等)的TCPIP协议栈，使得在简单的串行链路上能够实现复杂的TCPIP协议，从而实现了与互联网的连接，与各种计算机，各种应用程序进行通讯。对于一些简单的采集监测应用，提供了WWW主页浏览和TELNET的方式，是使用最为方便的方式。即系统中提供了一个小型的HTML主页和TELNET服务程序，可以接受客户对主页浏览的需求。同时将采集到的监控信号转换为数字量后直接动态显示在主页当中。这样，用户只要在任何一个能够上网的地方，不用任何其他附加的应用软件，直接通过计算机内的IE或者其他浏览器，敲入本监控系统的网址，即可浏览到包含动态数据的网页，同时也可以提供一些简单的控制动作，用户直接在网页上点选开关，或者设置控制参数，再点提交即可将控制信息传回给服务器。TELNET方式与主页方式类似，只不过内容仅限为字符而已。对于那些数据量较大，内容复杂，实时性要求较高的应用，主页浏览方式可能过于简单，不能满足需要。为此开发了运行于网络服务器端的数据库程序，这样无线传输系统就可以将数据统一发送到网络服务器的后台数据库当中。网络服务器可以由普通个人计算机或专用工作站构成，地理位置可以位于任何有互联网接入的地方，而且一台网络服务器的数据库可以接收多个无线传输终端的数据。同时我们还开发了相应的数据库管理程序，使得用户可以方便的浏览，管理由各个无线终端发送过来的数据。对于多媒体数据，也开发了相应的浏览程序，用户在任何一台互联网上的计算机上安装了该软件以后，即可以浏览由无线终端采集过来的音频视频多媒体信号。如果采集装置附带有云台的话，还可以实现对云台角度的动态控制。数据链路控制部分，对于数据链路连接的建立来说，首先要通过各个相关ISP的用户接口，采用的一般来说是PPP方式。而PPP方式是一个很复杂的协议，其中包含了一个很多项的自动机状态转换过程。编写了相应的软件，使得对链路的控制能够严格按照自动机状态转换的要求进行，从而能够和各个不同ISP的用户接口均能够顺利握手连接。同时，对于不同的链路模块还有很多独有的地方需要控制，例如GPRS或CDMA1X模块。系统需要控制SIM卡的各种状态，GPRS与普通GSM数据方式或者语音方式的切换与管理，都是通过复杂的AT命令集来完成。本系统的软件涵盖了标准的AT命令集和扩展的AT命令集，从而能够对GPRS与CDMA1X模块进行控制，完成链路的连接，数据传输和状态监测等等。当然对于不同的应用，这些构成都是可以裁减的，以满足用户对成本的考虑的需要。例如用于无人监测环境的时候，那么人机交互部分的设备就可以去掉；不需要对数据进行存储的应用，FLASH存储器就可以省略；相应的，软件也可以根据硬件的变动进行裁减。

将ARM单芯片计算机同最新的包括GPRS与CDMA1X通信方式结合在一起，并且开发了内置的专用系统，将GPRS与CDMA1X简单的数据链路应用到INTERNET当中，开发了完整的PPP/TCP/IP通讯协议栈，完全符合INTERNET协议，并且24小时实时在线，将其信息处理与通讯功能提升到了与台式机相当的水平。而且具备了即时的信息处理能力，能够对各种实时采集或输入的信息进行复杂的运算和处理，从而提取有价值的信息进行存储或传输。同时也使得随身移动中，对多媒体信息进行处理变成了可能，使得嵌入式系统从简单的，孤立的功能单元，变成了互联的，实时在线的，功能强大的信息结点，而且成本低廉，可以大量分布应用。

系统除了可以和GPRS与CDMA1X模块应用在一起以外，还开发了很多其他现有的通讯模块接口。比如卫星通讯模块等，从而使得该系统在全球范围内都是可以使用的。

本系统应用十分广泛，所有需要即时处理和无线数据通讯的场合均可使用，如：交通管理系统、医疗自动监护系统、水利、移动定位、移动POS、监控、移动商务、物流等。

附图说明：

图1无线数据处理器结构框图。

图2无线数据处理器软件功能示意图

图3无线数据传输方法应用示意图

图4无线数据处理器线路示意图

具体实施方式：

如图1，4所示无线数据处理器核心部分是由一颗嵌入式单芯片处理器ARM(对于高端的，要求处理性能高的采用32位的单芯片处理器)，或motorola8位单芯片处理器(对于低端的，要求处理性能地的)，存储核心软件的程序存储器(CODE ROM)，采用FLASH闪存作为媒介(如SST的39VF040)，容量视系统完成功能的复杂程度而定，从128Kb到32Mb以上等，是可以裁减的，随机数据存储器(RAM，WINBOND的W24258)，容量从16Kb到64Mb以上不等，视应用做要处理的数据量而定。在系统中预留扩展存储器接口。可以采用SmartCard，CF Card或MMC Card等标准的存储卡进行扩充，或者进行数据交换。对于那些不光有数据传输，同时还有大量数据存储的应用，还提供了在系统主板上集成大容量FLASHROM存储器的解决方案，容量可以达到128Mb或者更大，交互部分，包括输出和输入部分，系统的输出部分采用了一块LCD液晶屏，对于便挟的手持终端，采用了96*64的小型单色液晶屏，并且带有背光显示。对于显示信息比较多的应用，或者是需要进行视频显示的应用，可以采用320*240或更大的彩色液晶屏幕，声音方面采用了通过一个IIS接口芯片(CS4334或同类芯片)，连接一个小型内置扬声器，同时配合系统自带麦克风，输入部分采用了手机标准的数字键盘，在系统板上附带了标准的PS/2键盘接口，人机设备扩充接口，系统预留了多种标准接口。其中包括串行端口，是由一块MAX232来负责完成将处理器的信号转换成标准RS-232格式的信号，与其他串口设备进行通讯；USB端口，由一块USBN9603来完成所有USB协议栈的处理，红外线端口，由一个红外线接收发射模块组成，直接由CPU控制信号的发射和接收，从而和其他众多的红外线接口设备进行通讯。数据源接口部分采用一块模数转换心片(ADC0809，ADC752)，一块采集心片BT848，数字链路接口部分采用GPRS无线分组通讯协议的MC35(也有其他型号的替代产品)和手机SIM卡组成的数字链路模块，或motorola的卫星通讯模块，安放在系统主板上。根据用户的需求编程(如图2所示)，数据压缩部分系统软件控制各个接口部分的硬件芯片，包括视频采集芯片，模数转换芯片及其他接口芯片，控制它们将各种原始的，模拟的或数字的信号转换成为数字信号。中心控制部分系统程序主要完成对整个系统各个部分进行协调控制。首先是控制接口部分进行模数转换，并进行数据压缩；然后管理数据存储系统，对需要存储的数据写入文件系统保存；同时控制LCD屏幕显示和键盘输入，同用户进行信息交互；最后将要发送的数据汇总送入链路控制部分。链路控制部分，编写了协议封装和链路控制部分，使得本系统可以和互联网或企业网上的任何一台或多台设备进行互连通讯，而且通讯方式接口界面多种多样。将编好的程序输入程序存储器。将设备安装在所需采集的数据源设备上，即可通过GPRS或卫星完成数据收集。同时在处理器端口引脚上连接一个8路或更多的达林顿管，再与设备相连。

Claims (10)

1、一种无线数据传输方法，其特征在于：它是由一个随身携带的或任意安放的终端，实现从数据源头到数据即时压缩、处理及无线传输全自动化处理，从而实现点对点、点对多点或与互联网任意主机或终端对各种数据进行交互。

2、根据权利要求1所述的一种无线数据传输方法，其特征在于：它的数据无线传输是通过GPRS或CDMA1X蜂窝移动通讯网或卫星传输。

3、根据权利要求1所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：所用的可随身携带的或任意安放的终端是由数据采集接口，数据处理部分，数据链路接口，设备动作控制四部分构成，数据采集接口包括一块采集芯片，一块模数转换芯片，它们与处理器输入端相连接，数据链路接口包括一块数据链路模块，它们与处理器输出端相连接，数据处理部分包括一块数据处理器，随机数据存储器，程序存储器、键盘、显示屏、存储器扩充接口，人机设备扩充接口，它们采用总线连接方式被集成在一块集成线路板上。

4、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：数据链路模块是由MC35和SIM卡构成。

5、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：处理器为ARM芯片或51系列或motorola 8位单芯片处理器。

6、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：模数转换芯片是ADC0809或ADC752，采集芯片是BT848。

7、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：程序存储器为CODEROM，采用FLASH闪存作为媒介，容量为128Kb-32Mb。

8、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：随机存储器是W24258，容量16Kb-64Mb。

9、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：存储扩充接口为Smald CF Cald或MMC Cald存储卡。

10、根据权利要求3所述的一种无线数据传输设备，其特征在于：采用处理器端口引脚与一个8路或更多的达林顿管与需要控制的设备相连。

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