CN1953378A - 无线传感器网络通信基站用的通信装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于无线传感器网络通信技术领域，其特征在于，所述通信装置是由天线单元、射频单元、8位微控制器单元、BDM接口单元以及串口/USB口转换单元依次互相串接而成，其中，串口/USB口转换单元与检测主机相连。所述通信装置支持sMAC、IEEE802.15.4和ZigBee通信协议中的任何一种，同时具有BDM接口，借助Multilink工具，支持向微控制器单元进行程序的上载和删除。本发明所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置可以应用于家用保安机器人产品中，可以用于监测家庭温度、湿度、煤气泄漏、烟雾火灾和非法人员侵入。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器网络通信技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络中使用的通信装置。
背景技术
近年来，随着嵌入式软硬件技术和无线通信技术的快速发展，无线传感器网络已成为新兴的高新技术领域，目前已引起全世界的普遍关注与强烈兴趣，有可能推动一场新的技术革命。作为一种动态配置的自组织网络，结合不同类型的传感器，可广泛应用于环境与建筑物监控、智能交通系统、智能家居、增强现实与虚拟现实、新一代普适计算、多机器人系统等诸多领域，具有极其广阔的应用前景。无线传感器网络包含大量的传感器节点和至少一个通信基站，传感器节点通过传感器获取环境信息并通过智能单元进行简单的数据处理，节点间通过无线方式，以多跳的形式交换数据信息，最终将信息传递给通信基站，通信基站可以和监控主机或Internet进行有线/无线通信，并完成数据包转发。通信基站应当具有较强的数据处理能力、稳定的通信能力和持续的工作能力。它将传感器节点收集到的信息进行简单处理并转发给监控主机，同时也可以通过通信基站向传感器网络发送查询、收集信息等指令。所以无线传感器网络通信基站应当包含微处理器单元和通信单元。同时，无线传感器网络还要求基站应具备持续稳定的工作能力，这就对无线传感器网络通信基站的电源模块提出了更高的要求。作为无线传感器网络信息的汇聚点，通信基站应当和监控主机具有方便的通信接口。USB接口作为当前普遍采用的通用接口方式，能满足这一要求，利用USB接口，同时也解决了通信基站的稳定电源供应问题。
目前，包含微控制器单元与射频单元、具备USB接口的、一体化的无线传感器网络通信基站用的通信装置尚未出现。在无线传感器网络产品中，已出现了类似上述部分功能的芯片、模块以及参考实现装置，但都不能满足上述基站设备要求，IC厂商Chipcon公司生产的CC2430的芯片，Freescale公司的MC9S08GT60和MC1319X芯片，Atmel公司的ATMega 128L芯片是支持无线传感器网络基站开发的核心芯片。专注于无线传感器产品的美国Crossbow公司在这些芯片的基础上生产的MICAz OEM EditionModules以及MIB510系列参考实现产品是最接近上述无线传感器网络通信基站要求的产品。MICAz OEM Edition Modules是一个64pin封装的开发模块，支持数字和模拟输入输出接口。在我国，具有类似MICAz OEM Edition Modules功能的产品还有Helicomm公司生产的IP-Link1270产品，这些模块尚不能作为独立的基站设备应用于无线传感器网络，需要二次开发才能形成产品，参考实现产品价格昂贵，不能大规模应用于无线传感器网络开发中。其次，类似Crossbow公司的MIB510系列产品，只支持与该公司的MICA系列节点配套使用，还不具备上述无线传感器网络基站的通用要求，并且紧紧支持串口连接，不具有USB接口，即插即用性能较差。第三，当前还有些无线传感器网络节点被作为基站使用，但是存在的问题是，大部分节点都是电池供电，这样就不能满足基站持续稳定工作的要求，一旦节点能量出现问题，会导致基站失效而影响整个无线传感器网络的稳定性。
发明内容
本发明的无线传感器网络通信基站用的通信装置是鉴于上述问题而研发的，装置具有计算能力、数据存储能力、低速率无线通信收发能力，能通过USB接口作为从设备和其它主机相连。
本发明的特征在于，含有天线单元、射频单元、微控制器单元、BDM接口单元以及串口/USB口转换单元，其中：
射频单元和该天线单元互连，微控制器单元通过SPI接口与该射频单元互连，支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三种通信协议中的任何一种，支持点对点、星型、mesh等多种无线传感器网络拓扑结构。
串口/USB口转换单元通过RXD接口与所连微控制器单元的相应输入端相连，并通过TXD接口与所连微控制器单元的相应输出端相连，而该串口/USB口转换单元通过USB接口与监控主机相连，作为汇聚节点与无线传感器网络节点进行无线通信。
还有，如前所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，微控制器单元通过一个BDM接口与对该微控制器单元进行应用程序擦写的设备相连。
还有，如前所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述微控制器是一个8位微控制器。
本发明的其它技术方案，是装有上述的无线传感器网络基站为特征的设备装置。在2.4GHz免特许频段支持最高250Kb/s传输速率，传输距离可达100m左右，微控制器单元具有64Kb存储能力，并具有全信道自适应动态切换功能。
本发明所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置可以应用于家用保安机器人产品中。无线传感器网络通信基站通过USB口与保安机器人本体主机相连，接收并处理由无线传感器网络节点组成的家庭监测单元所采集的数据信息。普通型保安机器人通信基站与两个红外节点、四个温湿度节点、一个煤气节点和一个烟雾节点进行通信，用于监测家庭温度、湿度、煤气泄漏、烟雾火灾和非法人员侵入。通过家用保安机器人产品性能测试，结果表明本发明运行稳定，无线通信在2.4GHz免特许频段支持最高250Kb/s传输速率，空旷环境传输距离可达100m左右，在50m范围内，可穿透两座家居水泥墙结构，发射功率输出为0dB，接收灵敏度为-87～-92dBm，具有3.6～16dBm的输出，2.5到3.4V操作电压。无线通信具有全信道自适应动态切换功能，误码率低，抗直接干扰和多径干扰能力强。
附图说明
图1表示本发明的通信基站在无线传感器网络中的连接框图。
图2表示本发明的构成单元连接框图。
图3表示8位微控制器单元所支持的协议栈框图。
图4表示本发明的通信基站串口/USB口转换单元电路和BDM接口单元原理图。
图5表示本发明的射频单元、8位微控制器单元单元原理图。
具体实施方式
以下根据图1-5说明本发明实施例的无线传感器网络通信基站用的通信装置。
图1表示本发明的通信基站在无线传感器网络中的连接框图。无线传感器网络包含大量的传感器节点和至少一个通信基站，传感器节点通过传感器获取环境信息并通过智能单元进行简单的数据处理，节点间通过无线方式，以多跳的形式交换数据信息，最终将信息传递给通信基站，通信基站可以和监控主机或Internet进行有线/无线通信，并完成数据包转发。通信基站应当具有较强的数据处理能力、稳定的通信能力和持续的工作能力。它将传感器节点收集到的信息进行简单处理并转发给监控主机，同时也可以通过通信基站向传感器网络发送查询、收集信息等指令，是监控主机和各传感器节点的连接枢纽，监控主机可以是PC设备或者嵌入式处理设备，如ARM主机等。监控主机可进行多传感器信息数据融合与智能信息处理。
图2表示第1实施例的构成。该第1实施例是本发明的各单元连接框图。无线传感器网络基站主要由8位微控制器单元、射频单元、串口/USB口转换单元组成。另外还包括天线单元和BDM接口单元。其中，8微处理器采用Freescale公司的MC9S08GT60芯片，射频单元的核心芯片为Freescale的MC13193芯片，串口/USB口转换单元核心芯片型号为PL2303。该发明通过USB接口与监控主机相连。其中8位微控制器单元和射频单元由SPI接口(Serial Peripheral Interface)连接。SPI接口是近年来新发展的一种高速同步串行通讯接口。通讯分为主控方(Master)和从方(Slave)。整个通讯由主方控制，包括SPISTE-SPI Strob、SPICLK-Clock、SIMO(Slave Input/MasterOut)、SOMI(Slave Output/Master In)等通信信号。8位微控制器单元和串口/USB口转换单元，通过RXD(Received data)、TXD(Transmit Data)接口相连。BDM接口单元连接到8位微控制器芯片的BDM管脚。BDM接口与Multilink设备相连，可以实现对微控制器单元应用程序的擦写。收发天线单元直接与射频单元相连。
图3表示8位微控制器单元MCU(Micro-controller Unit)所支持的协议栈框图。本发明的MCU单元，核心芯片MC9S08GT60具有4K大小的RAM，64K的FLASH。不仅具有8个数字通道接口，还有8个10比特的ADC(Analog to Digital Converter)接口，同时具有SPI接口。图3(a)表示基站所支持的sMAC协议栈框图。图3(b)表示基站所支持的IEEE 802.15.4协议栈框图。图3(c)表示基站所支持的ZigBee协议栈框图。在这些网络协议基础上，本发明的无线传感器网络基站支持点对点、星型、mesh等多种无线传感器网络拓扑结构。作为无线传感器网络节点，无线传感器应用(Sensor App)程序可以直接写入MCU，通过Sensor Interface，MCU可与温度、湿度、红外、烟雾等不同类型的传感器相连，信号连接可以是模拟量或者数字信号。
本发明的天线单元和射频单元，MC13193芯片具有3.6to-16dBm的输出，2.0到3.4V操作电压。-92dBm的灵敏度。电路采用多层PCB设计，设计精巧，成本较低。天线收发距离为100m左右，具有砖墙、水泥墙体的穿透能力。
图4表示本发明的通信基站串口/USB口转换单元电路原理图。本单元主要实现通信基站和监控主机的USB接口功能。主要包括PL2303接口转换芯片、USB接口电路、BDM接口电路，以及外围电路等部分。
图5表示本发明的射频单元、微控制器单元单元原理图。
其中，MCU为MC9S0SGT60，射频芯片为MC13193，两芯片通过SPI接口相连，射频单元是本发明的核心技术，直接影响到发明的性能。因MC13193的Tx差分输出脚(第5，6脚)需要高频扼流后接VDDA，所以PCB天线与两根蛇形线相连，两根蛇形线作高频扼流电感用，即对高频信号产生较高的阻抗，从而抑制高频信号的通过。线长理论上应取需抑制频率对应波长的四分之一，但考虑到线阻抗非50欧姆，以及蛇形线首尾处的其他引线，长度减少为八分之一，也可以对2.4G射频信号起到较好的抑制作用。为降低收发天线的耦合，以及对收发天线各自谐振点的影响，减少收发天线回波损耗，本发明在设计时尽可能增加了两天线的隔离度，并保持一定的线宽。MC13193电路有一16M四角晶体。C3和C4电容值为6.8pF才能匹配。同时，为提高性能，去耦电容靠近管脚，电源和时钟线做加粗处理。其它外围电路为常用电子元器件。
如上所述，按照本发明就能获得应用于无线传感器网络的、支持sMAC、IEEE802.15.4和ZigBee通信协议的、具有64Kb存储能力、传输距离可达100m左右、在2.4GHz免特许频段支持最高250Kb/s数据传输速率、具有USB接口的无线传感器网络通信基站用的通信装置。通信基站装置具有较强的数据处理能力、稳定的通信能力和持续的工作能力。将本发明的无线传感器网络通信基站作用在通信装置中，可以获得通信质量佳、可靠性高的通信装置。
Claims (7)
1、无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于：含有天线单元、射频单元、微控制器单元、BDM接口单元以及串口/USB口转换单元，其中：
射频单元和该天线单元互连，微控制器单元通过SPI接口与该射频单元互连，支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三种通信协议中的任何一种，支持点对点、星型、mesh等多种无线传感器网络拓扑结构。
串口/USB口转换单元通过RXD接口与所连微控制器单元的相应输入端相连，并通过TXD接口与所连微控制器单元的相应输出端相连，而该串口/USB口转换单元通过USB接口与监控主机相连。
2、根据权利要求1所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述微控制器单元通过一个BDM接口与对该微控制器单元进行应用程序擦写的设备相连。
3、根据权利要求1所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述微控制器是一个8位微控制器。
4、根据权利要求1所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述微控制器单元具有8个数字通道接口，8个10比特的ADC接口，以及SPI接口。
5、根据权利要求1所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述天线单元和射频单元为MC13193芯片，其具有3.6to-16dBm的输出，2.0到3.4V操作电压，-92dBm的灵敏度。
6、根据权利要求1所述的无线传感器网络通信基站用的通信装置，其特征在于，所述串口/USB口转换单元主要包括PL2303接口转换芯片、USB接口电路、BDM接口电路，以及外围电路。
7、一种具有无线传感器网络通信基站用的通信装置的家用保安机器人装置，其特征在于，无线传感器网络通信基站通过USB口与保安机器人本体主机相连，接收并处理由无线传感器网络节点组成的家庭监测单元所采集的数据信息。
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