CN201323659Y - 无线传感器网关设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线传感器网关设备，包括壳体、电路板和电源，电路板安装在壳体中并与电源连接，其特征在于电路板上设置有GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元、中央处理器单元、GPRS天线、RF天线，中央处理器单元与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元和电源连接，电源与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元连接，GPRS无线通讯单元设置有GPRS天线，短距离RF无线射频通信单元设置有RF天线。本实用新型可实现远程服务器及移动用户终端与无线传感器网络建立可靠的连接，实现数据的双向传输，具有实时时钟、用户参数管理、较大的数据存储区和一定的数据分析处理功能，实现数据传输的智能化管理，满足无线传感器网络在实际应用中的需求。

Description

无线传感器网关设备

技术领域：

本实用新型涉及一种基于无线传感器网络的无线传感器网关设备，主要用于无线传感器网络与Internet网的连接。

背景技术：

随着传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式智能信息处理技术的飞速发展和日益成熟，将功能相同或不同的无线智能传感器构成网络化、智能化的无线传感器网络，能大大提高了传感器的监测能力。

基于智能无线传感器网络的实用监控系统采用中短距离、低功耗无线网络，射频传输成本低；灵活实现快速组网和自动配置，扩展性好；任意传感器之间可相互协调实现数据通信；能支持多种不同类型的传感器，适应性强。可广泛应用于水、电、气计量自动监测、环境监控、交通管理、灾害预测、医疗卫生、生产制造、城市信息化建设等领域。

发明内容：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网关设备，可实现远程服务器及移动用户终端与无线传感器网络建立可靠的连接，实现数据的双向传输，具有实时时钟、用户参数的管理、较大的数据存储区和一定的数据分析处理功能，实现数据传输的智能化管理，满足无线传感器网络在实际应用中的需求。

本实用新型解决上述问题所采用的技术方案是：该无线传感器网关设备，包括壳体、电路板和电源，电路板安装在壳体中并与电源连接，其特征在于电路板上设置有GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元、中央处理器单元、GPRS天线、RF天线，中央处理器单元与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元和电源连接，电源与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元连接，GPRS无线通讯单元设置有GPRS天线，短距离RF无线射频通信单元设置有RF天线。

本实用新型所述GPRS无线通讯单元包括GPRS芯片、GPRS天线、SIM卡、I/O口保护电路、GPRS接口、GPRS电源管理、网络指示，GPRS接口与I/O口保护电路、GPRS电源管理连接，GPRS电源管理与I/O口保护电路、GPRS芯片连接，GPRS芯片与GPRS天线、SIM卡、网络指示连接。

本实用新型所述短距离RF无线射频通信单元包括收发芯片、高频切换开关、高频滤波器、射频微处理器、RF接口和RF天线，射频微处理器与RF接口、收发芯片、高频切换开关、高频滤波器连接，RF天线与高频切换开关连接。

本实用新型所述的中央处理器单元设置有中央处理器、外部存储器接口、外部暂存、掉电检测、掉电报警电池、中央处理器单元时钟、电源管理、充电管理、电源切换开关、数据备份电池、实时SPI监控端口、备用扩展端口、串口通讯端口和看门狗，电源管理与中央处理器、外部暂存、掉电检测、掉电报警电池、中央处理器单元时钟、电源管理、充电管理、电源切换开关均连接，电源切换开关与数据备份电池连接，中央处理器与外部存储器接口、外部暂存、中央处理器单元时钟、实时SPI监控端口、备用扩展端口、看门狗均连接，串口通讯端口与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元连接。

本实用新型所述壳体包括上盖、模块盒、底板、电池盒，电路板安装在模块盒中，模块盒、电池盒安装在上盖内，上盖与底板配合连接。

本实用新型可实现远程服务器及移动用户终端与无线传感器网络建立可靠的连接，实现数据的双向传输，具有实时时钟、用户参数的管理、较大的数据存储区和一定的数据分析处理功能，实现数据传输的智能化管理，满足无线传感器网络在实际应用中的需求。

附图说明：

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的电路原理图；

图3是本实用新型实施例GPRS无线通讯单元的结构示意图；

图4是本实用新型实施例短距离RF无线射频通信单元的结构示意图；

图5是本实用新型实施例中央处理器单元的结构示意图。

具体实施方式：

参见图1～图5，本实用新型实施例是一种基于微处理器控制的无线传感器网关设备，包括壳体、GPRS无线通讯单元4、短距离RF无线射频通信单元5、中央处理器单元6、GPRS天线41、RF天线51、电源7及GPRS接口42、RF接口52。总体的结构框架如图1，电路原理如图2，壳体包括上盖11、模块盒12、底板13、电池盒14，GPRS无线通讯单元4、短距离RF无线射频通信单元5、中央处理器单元6、天线及相应的信息处理电路均采用模块化的设计做在电路板2中，模块的衔接采用统一标准接口，对不同的应用场合，可以通过更换具有统一标准接口的功能模块来快速实现，减小二次开发的周期和成本，为产品的多领域使用提供了前提条件。电路板2安装在模块盒12中，电池3安装在电池盒14中，模块盒12、电池盒14安装在上盖11内，上盖11与底板13配合连接。壳体结构使用内置天线的方式，这样避免由于天线外置容易产生的损坏，壳体使用的是PC材料，这种材料的使用可以减小对RF信号的衰减，相对提高整机的发射功率和整机的接收灵敏度。在壳体的形状设计上，使用双层构造，加强了整机设计的密封性，对网关的防潮、防水提供有力的保障。

功能单元的设计构架：

参见图3，GPRS无线通讯单元4用于实现网关设备与Internet网络之间的通信，包括GPRS芯片43(采用WAVCOM的Q24PLUS芯片)、GPRS天线41、SIM卡44、I/O口保护电路45、GPRS接口42、GPRS电源管理46、网络指示47。

由于WAVCOM收购了索爱的模块部，使WAVCOM的模块性能在原有的基础上大大提升，Q24PLUS芯片支持SM900/DCS1800/PCS1900三频，电路交换数据传输最高速率为115200Kbit/s，支持GPRS Class10多时隙功能，内嵌TCP/IP协议栈，支持GSM07.07增强型AT指令集，短消息收发和GPRS无线数据传输功能。整体设计中由于加入了I/O口保护电路45，使GPRS无线通讯单元4的安全可靠性大大提高。

参见图4，短距离RF无线射频通信单元5用于实现网关设备与无线传感器网络之间的通信，包括收发芯片53(SEMTECH XE1205)、高频切换开关54(AT213-92)、高频滤波器55(NDF4035)、射频微处理器56(ATmega48V)、RF接口52和RF天线51。

SEMTECH的XE1205收发芯片53有较高的灵敏度，最高可达-121dbm，较低的待机功耗，休眠的时候能够达到2uA左右，采用频移键控FSK载波技术，载波频段为300至1000MHZ，支持315MHZ、433MHZ、868MHZ和915MHZ基本调制频率，最大数据传输速率为315kbps.具有RSSI的检测功能和信号强度的检测功能，在设计上由于采用了Atmega48的管理，使无线射频模块的使用更为容易方便。另一方面也为整机模块的一致性提供了保障。

参见图5，中央处理器单元6用于控制GPRS无线通讯单元4与Internet网络或无线通信网络、短距离RF无线射频通信单元5与无线传感器网络之间的通信。中央处理器61采用的NXP的LPC2214，这款CPU是基于32位ARM7TDMI-S内核的低功耗ARM处理器，处理器时钟高达60M/75MHz，片内集成128KB高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。具有外部存储器接口62，可以扩展64MB的异步静态存储器设备。外部暂存63(SRAM)采用的是ISSI的IS62WV51216BBL，这个片子的最大的特点是在静态待机的时候有很低的掉电低功耗，平均只有12uW，这就为数据掉电保护提供了前提条件。

掉电数据管理是由SP690和ADG841配合来完成，保证在外部掉电的情况下，数据备份电池70和外部的供电(+5V)能够做到无缝切换，保证数据不会丢失。考虑到远程网关的掉电现象，在设计中引入掉电检测64和掉电报警电池65，掉电检测64使用LPC2214内置10位AD来完成，掉电报警电池65使用价廉的可重复使用的镍氢电池。保证掉电后网关还能正常工作一段时间，将重要的数据发送回主站。电源管理67通过充电管理68控制掉电报警电池65的充电，电源切换开关69与电源管理67、数据备份电池70均连接，数据备份电池70使用ABLE的ER142501.2AH Li电池，保证数据能够在掉电的情况下保存10年以上。

考虑到网关的部分实时功能，在核心单元的设计中引入独立的高精度中央处理器单元时钟66，中央处理器单元时钟66采用的是NXP8563，32.768K的钟振，使用的是SII的5ppm的晶振，确保日误差在0.5S以内，而且具备GPRS远程对时的功能，网关和远程服务器的时钟可以与中央处理器单元时钟66保持一致。

中央处理器单元6上还提供了实时SPI监控端口71、备用扩展端口72、串口通讯端口73和看门狗74，这样对网关设备的现场维护带来十分便利。

软件系统的构架设计：

考虑到维护和今后的可持续开发，软件的设计也基本上采用分层模块化设计，包括应用层、任务管理层、接口层和驱动层。

应用层主要是根据用户的需求，开发相应的协议文件，然后将接口函数挂接到相应的文件中，应用层软件的开发可以脱离对底层驱动开发的依赖，通过PC上位机模拟开发的方法来实现，可以保证系统开发的相对的稳定性。

任务管理层是对应用层下发的各种任务的分类管理和调度的处理，简化了用户应用程的任务管理机制，充分利用现有的CPU资源。

接口层主要是对现有的底层驱动进行相应的封装，输出相应标准统一的调用函数接口，使软件的上下成完全分离，便于团体软件的开发和维护。也提高软件今后的复用率，相对提高整体软件的开发效率。

具体的驱动层，这是整个系统的最下层，也是和硬件关系最为密切的部分。

目前主要实现的功能：

实现远程集中器抄表；可以依据主站下发短消息的要求，选择GPRS方式或SMS的方式返回相应的数据；避免由于GPRS网络出现堵塞而造成数据无法回传的问题。

1、采集器、计量表、集中器能够通过RF433静态路由的方式组网，汇总采集数据，定时上传给远程主站，或通过主站召唤的方式回传数据。

2、定时上送相应数据：

依据主站的要求，定时上传主站定制的数据。

3、对集中器的主要参数能够通过远程主站设置。

可以通过远程主站对网关配置相关通讯参数。

4、能够通过主站远程对网关对时。

5、具备网关掉电短消息报警的功能。

6、预留今后和流量计工业大表通讯功能的相应接口，便于扩展。

本实用新型是短距离无线网络和Internet连接的一个无线网关设备，220V的交流电供电，通过无线掌机启动使用，本实用新型在收到启用命令后自动向主站上发注册命令，并上传系统的初始状态的相关数据。可以通过远方主站或无线掌机现场配置相关的运行状态信息，如系统时钟、抄表日、相关的报警配置、定时任务、工作频点等，本实用新型在默认的状态下工作在GSM状态下，远方主站可以通过短消息的方式通知要求本实用新型以SMS方式或GPRS方式回传相关的数据，本实用新型在传输完数据后自动掉线恢复到GSM的运行状态，从而降低整机的运行成本，当本实用新型检测到异常发生时，会以短消息或GPRS(通过配置)的方式上报异常信息，并报存相应的异常日志以备调用。在外部220V掉电时，本实用新型自动上报掉电报警信息，并上传相应的系统重要数据。

系统上电后首先上发一条上电信息通知主站。本实用新型由于使用了两个内置天线，安装的过程应当注意外部不能使用金属的密闭外壳，尽量不要于较大的金属器件安装在一起，避免接收信号的衰减。

Claims (5)

1、一种无线传感器网关设备，包括壳体、电路板和电源，电路板安装在壳体中并与电源连接，其特征在于：电路板上设置有GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元、中央处理器单元、GPRS天线、RF天线，中央处理器单元与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元和电源连接，电源与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元连接，GPRS无线通讯单元设置有GPRS天线，短距离RF无线射频通信单元设置有RF天线。

2、根据权利要求1所述的无线传感器网关设备，其特征在于：所述GPRS无线通讯单元包括GPRS芯片、GPRS天线、SIM卡、I/O口保护电路、GPRS接口、GPRS电源管理、网络指示，GPRS接口与I/O口保护电路、GPRS电源管理连接，GPRS电源管理与I/O口保护电路、GPRS芯片连接，GPRS芯片与GPRS天线、SIM卡、网络指示连接。

3、根据权利要求1所述的无线传感器网关设备，其特征在于：所述短距离RF无线射频通信单元包括收发芯片、高频切换开关、高频滤波器、射频微处理器、RF接口和RF天线，射频微处理器与RF接口、收发芯片、高频切换开关、高频滤波器连接，RF天线与高频切换开关连接。

4、根据权利要求1所述的无线传感器网关设备，其特征在于：所述的中央处理器单元设置有中央处理器、外部存储器接口、外部暂存、掉电检测、掉电报警电池、中央处理器单元时钟、电源管理、充电管理、电源切换开关、数据备份电池、实时SPI监控端口、备用扩展端口、串口通讯端口和看门狗，电源管理与中央处理器、外部暂存、掉电检测、掉电报警电池、中央处理器单元时钟、电源管理、充电管理、电源切换开关均连接，电源切换开关与数据备份电池连接，中央处理器与外部存储器接口、外部暂存、中央处理器单元时钟、实时SPI监控端口、备用扩展端口、看门狗均连接，串口通讯端口与GPRS无线通讯单元、短距离RF无线射频通信单元连接。

5、根据权利要求1所述的无线传感器网关设备，其特征在于：所述壳体包括上盖、模块盒、底板、电池盒，电路板安装在模块盒中，模块盒、电池盒安装在上盖内，上盖与底板配合连接。

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