CN202488762U - 多协议多接口无线传感网网关 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多协议多接口无线传感网网关，涉及无线传感器网络技术领域。该网关主要由嵌入式处理器、SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块组成，操作系统用网络化的操作系统Linux，兼容TCP/IP协议IPv6。优点是：通过设计协议转换程序处理完成多种协议之间的转换，可以用来组建多种架构的网络，以及多种架构网络之间的互联和数据的转发，为无线传感网提供了多种网络接入方案，抗干扰能力强、功耗低、体积小巧，为将来多种架构网络之间的互联和综合网络的建设提供了一种便捷的设备。
Description
技术领域
本实用新型涉及无线传感器网络技术领域，具体是一种多协议多接口无线传感网网关。
背景技术
无线传感器网络被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一，目前已在各个国家引起了广泛的关注。传感器技术、微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的产生和发展。无线传感器网络将各种传感器纳入网络，构成了Internet的神经末梢，将网络终端由原来的PC机延伸到各种微小的传感器，被视为下一代互联网络。无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，将客观世界的物理信息同传输网络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络潜在的应用非常多，现今已被视为环境监测、建筑监测、公用事业、工业控制、家庭、船舶和运输系统自动化中的下一个发展方向。
ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的低功耗个域网协议，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，是无线传感器网络首选的组网技术之一，大量传感器节点之间通过ZigBee协议进行自组网。其主要优点为协议实现简单低复杂度、投资成本低、网络接入容量大、短时延、安全性高、特别适合低功耗场合。WiFi是建立在IEEE 802.11a、802.11b、802.11g协议之上的一种短距离无线通信技术，其特点是无线电波的覆盖范围广、传输速率快。Mesh网络即无线网格网络，它是一个无线多跳网络。在向下一代网络演进的过程中，无线是一个不可或缺的技术，无线mesh可以实现与其他网络协同通信。Bluetooth是一种支持设备短距离通信的无线电技术，能在包括移动电话、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。GPRS,通用无线分组业务，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，其传输速率可提升到115Kbps。GPS，全球定位系统，利用卫星可以在全球范围内实时进行定位、导航的系统，现今GPS技术已经融入到社会发展的各个应用领域。
传统的无线传感器网络网关设备结构功能单一，连接的网络受到一定的限制，不能够用于多种架构网络之间的互联和综合网络的建设，并且存在功耗高、抗干扰能力低、成本昂贵等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本实用新型提供一种多协议多接口无线传感网网关，支持WiFi、GPRS、Bluetooth、ZigBee和TCP/IP等多种协议，并可以通过协议转换程序处理完成多种协议之间的转换，组建多种架构的网络，实现多种架构网络之间的互联和数据的转发。
本实用新型是以如下技术方案实现的：多协议多接口无线传感网网关，包括嵌入式处理器，分别与嵌入式处理器连接的SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块；操作系统采用网络化的操作系统Linux，由嵌入式处理器统一对各控制模块的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输，实现该网关功能。
其进一步是：所有的外围模块通过总线的方式与嵌入式处理器相连，利用协议转换程序处理实现多种协议之间的转换和数据的转发。
在嵌入式处理器上同时配置WiFi 2.4GHz、WiFi 5GHz、GPRS、Bluetooth和ZigBee5个不同的无线接口，以及一个以太网有线接口，支持WiFi、GPRS、Bluetooth、ZigBee和TCP/IP等多种协议，并可以通过协议转换程序处理完成ZigBee协议与TCP/IP协议、ZigBee协议与WiFi协议、ZigBee协议与GPRS协议、ZigBee协议与Bluetooth协议等多种协议之间的转换，用于组建多种架构的网络，以及实现多种架构网络的互联和数据的转发；网关通过以太网有线接口与路由器相连，通过无线接口连接到各种架构的无线网络中。
网关设备采用物理层、互联层、控制层和应用层四个层次模型；网关获取的通过对TCP/IP网络协议进行改进，满足数据通信的要求，支持信道预分配和实时优先级技术；优先级高的数据通过同步序列数据传输方式传送，优先级低的数据通过非同步序列数据传输方式发送，且在MAC层支持紧急情况下实时数据处理。
本实用新型型的有益效果是：在网关设备上同时配置WiFi 2.4GHz、WiFi 5GHz、GPRS、Bluetooth和ZigBee5个不同的无线接口，以及一个以太网有线接口，支持WiFi、GPRS、Bluetooth、ZigBee和TCP/IP等多种协议，并可以通过协议转换程序处理完成多种协议之间的转换，可以用来组建多种架构的网络，以及多种架构网络之间的互联和数据的转发，为无线传感网提供了多种网络接入方案，该网关设备还具有抗干扰能力强、功耗低、体积小巧等优点，为将来多种架构网络之间的互联和综合网络的建设提供了一种便捷的设备，具有广阔的市场前景。
附图说明
下面结合附图对本实用新型作进一步说明。
图1为本实用新型的硬件框图；
图2为本实用新型的硬件连接关系图；
图3为本实用新型的协议层次原理图。
具体实施方式
如图1所示，多协议多接口无线传感网网关由嵌入式处理器、SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块组成。嵌入式处理器统一对各控制模块的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输，实现该网关功能。系统将所有的外围模块通过总线的方式与处理器相连，并利用协议转换程序处理实现多种协议之间的转换和数据的转发。
如图2所示，U1表示本网关设备的嵌入式处理器，是网关的核心部分。嵌入式处理器采用基于ARM11内核的S3C6410微处理器，而不是传统的ARM7、ARM9处理器，这样可改变网关接入单一的缺点。ARM11处理器具有比传统ARM7、ARM9处理器的优越性，其在提供高性能的同时，还保证了低功耗及面积的有限性。ARM11处理器的流水线与以前的ARM内核不同，其由8级流水线组成，比以前的ARM内核提高了至少40%的吞吐量，8级流水线可使8条指令同时被执行。ARM11处理器通过forwarding来避免流水线中的数据冲突，且通过实现跳转预测技术来保持最佳流水线效率。ARM11处理器通过这些特殊技术的使用来使其处理优化到更高的流水线吞吐量的同时，还能保持和8级流水线（ARM9处理器）一样的有效性，ARM11内核的很多特性使它能充分适应高端嵌入式实时应用系统。
S3C6410嵌入式微处理器作为电路的核心部分，实现对数据的采集与处理，并控制其他外围模块根据需要协同工作。S3C6410 集成了硬件功能外设，包括：1个集成的MFC，4个DMA控制器，4个UART接口，1个SPI接口，1个I2C接口（多主支持），2个USB主机端口和1个USB高速OTG接口，4个PWM定时器和1个内部看门狗定时器，1个具有日历功能的RTC，188个可灵活配置的通用I/O口，具有PLL片上时钟发生器。总之，无论是其优异的性能、较低的功耗，还是其丰富的外部接口都能够达到嵌入式网关开发的要求。
U2表示本网关设备的外围模块，本实用新型需要接有SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块以配合ARM11微处理器完成本网关的功能。
在嵌入式处理器上同时配置WiFi 2.4GHz、WiFi 5GHz、GPRS、Bluetooth和ZigBee5个不同的无线接口，以及一个以太网有线接口，支持WiFi、GPRS、Bluetooth、ZigBee和TCP/IP等多种协议，并可以通过协议转换程序处理完成ZigBee协议与TCP/IP协议、ZigBee协议与WiFi协议、ZigBee协议与GPRS协议、ZigBee协议与Bluetooth协议等多种协议之间的转换，可以用于组建多种架构的网络，以及实现多种架构网络的互联和数据的转发；网关通过以太网有线接口与路由器相连，通过无线接口连接到各种架构的无线网络中。
WiFi 2.4GHz、WiFi 5GHz两个无线接口，可以通过本网关设备来组建WiFi网络和WiFi Mesh网络。在组建的WiFi网络中本网关设备作为WiFi AP使用，在组建的WiFi Mesh网络中本网关设备作为WiFi Mesh AP使用。对于作为WiFi Mesh AP的本网关设备，除了具有传统的无线路由器的网关功能外，还具有支持Mesh网络互联的路由功能，并且和有线的互联网相连时还可为WiFi Mesh网络中的用户终端提供多跳的无线互联网连接。
无线传感网网关还具有一个鲜明的特点功能，即网关设备集成了GPS数据采集模块，支持GPS定位跟踪功能，可以为监控终端实时的提供本网关设备的经度、纬度等相关地理位置信息。
WiFi无线射频收发模块的主芯片可以选用AR5414芯片，采用了全新的信号处理技术，能根据系统和网络活动的程度，动态调整功耗，可以工作在2.4GHz和5GHz两个不同频段，支持802.11 a/b/g无线协议以及TCP/IP网络协议。WiFi无线射频收发模块的主芯片通过USB接口与ARM11微处理器相连接，实现本网关设备连接到WiFi网络。
ZigBee无线射频收发模块可以选用DIGI公司的XBee模块，无需配置射频模块，可兼容802.15.4协议，以2.4GHz为主要频段，同时也支持工作于868MHz和915MHz两种不同频段，模块是内置协议栈，可通过X-CTU以及ZigBee Operator这两款软件进行调试。ZigBee无线射频收发模块通过UART连接到ARM11微处理器，实现网关设备与ZigBee网络的连接。
GPRS模块可以选用Sagem公司的Hilo模块，通过UART连接到ARM11微处理器，实现网关设备与GPRS网络的连接。
Bluetooth模块可以选用BT100模块，通过USB接口与ARM11微处理器相连接，实现网关设备搜索周围的蓝牙设备并与其进行数据传输。
GPS数据采集模块可以选用Tyco A1037-A模块，遵循NMEA协议标准，GPS数据采集模块通过UART连接到ARM11微处理器，实现对网关设备地理位置信息的采集。
以太网接口控制模块主芯片可以选用DM9000芯片，能够自行完成介质访问控制、CRC校验以及以太网数据帧的发送和接收。
FLASH存储器分为Nand Flash和 Nor Flash，本实用新型的Flash存储器选择Nand Flash。Nand Flash存储器选用Samsung公司的K9F1216U0A，K9F1216U0A是32M*16bit的Nand Flash。
SDRAM具有非常高的读写速度，但是掉电数据会丢失，采用Nand Flash与SDRAM的组合，将SDRAM作为ARM11微处理器的内存使用。本实用新型中，在Nand Flash中存储系统程序需要保存的数据，在系统启动了以后将需要运行的程序调入SDRAM中运行，加快了系统的运行速度。SDRAM主芯片采用HYNIX公司的HY57V561620。
如图3所示，无线传感器网络处理的事件一般分为两类：一类是定时事件，如监测数据的定时采集；另一类是随机事件，如事故报警。根据无线传感器网络数据通信特点，在TCP/IP层次模型的基础上，通过增加一些必要的措施，使之具有实时通信能力，保证控制的可靠性和时延的确定性。网关设备采用物理层、互联层、控制层和应用层四个层次模型；通过对TCP/IP网络协议进行改进，满足数据通信的要求，支持信道预分配和实时优先级技术；优先级高的数据通过同步序列数据传输方式传送，优先级低的数据通过非同步序列数据传输方式发送，且在MAC层支持紧急情况下实时数据处理。在物理层主要就是数据传输的媒介和各种架构网络的接口；在互联层主要就是各种传感器、设备终端以及其他各种网络系统的数据汇接；在控制层主要就是将I/O网络的功能和对等信息传输网络结合起来，控制数据流的传输，保障数据通信质量；在应用层主要就是提供上层计算机系统，以便通过网络访问无线传感器网络中各个节点的数据，支持标准的TCP/IP。通信数据划分为实时和非实时两类。监测监控的事故报警满足硬实时要求，通过SDIP（Synchronous Data IP，同步序列数据传输）传送，一般的监测数据通过ADIP（Asynchronous Data IP,非同步序列数据传输）传递。在MAC层支持紧急情况下实时数据处理。在网络层完成协议之间的转换，建立通信隧道，实现各种数据的透明传输。
本实用新型型网关设备的操作系统采用网络化的操作系统Linux，兼容TCP/IP协议IPv6，以满足实时性与稳定性要求。Linux操作系统因其独有的特性广泛应用于嵌入式领域。通过Linux操作系统能很好地实现整个系统硬件资源和软件资源的管理，以及各个任务的调度。协议转换程序作为网关的上层应用程序而存在，完成对数据的解析与转发。协议转换程序与网关硬件相结合，通过无线网络接口与无线传感器网络内的节点设备进行通信，协议转换程序获得无线传感网中节点发送的数据信息和附加信息后，能对数据报文的目的地作出判断，对其进行正确的解析、处理和转发，使网关有能力与远程监控终端通过不同方式途径进行通信。
工作原理：多协议多接口无线传感网网关将各种架构网络系统的数据汇集，通过核心控制板进行协议转换。当无线传感器网络中的传感器节点将采集到的数据（如定时采样数据或报警信息）要传输到监控终端时，将数据封装成ZigBee协议格式的数据帧，向外发送，本网关设备中的ZigBee无线射频收发模块接收到数据帧后，提取数据并将此数据通过数据总线传输给处理器，通过相应的协议转换程序进行处理后将数据写入以太网接口控制模块，由以太网接口控制模块将数据包封装TCP/IP协议格式发送到以太网的监控计算机上。反之，以太网通过相反的方向将控制和配置数据发送给传感节点。另一方面，由于本网关设备上还集成有WiFi无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块，所以对于网关获得的ZigBee网络的数据还可以根据需要通过相应的协议转换程序处理后，将数据写入不同的无线模块封装成适合在不同架构网络中传输的协议格式，而最终通过无线接口发送给授权的用户终端。
Claims (3)
1.一种多协议多接口无线传感网网关，其特征在于：包括嵌入式处理器，分别与嵌入式处理器连接的SDRAM、Flash存储器、WiFi无线射频收发模块、ZigBee无线射频收发模块、GPRS模块、Bluetooth模块、GPS数据采集模块和以太网接口控制模块；嵌入式处理器统一对各控制模块的片选及读写控制，完成数据在地址数据总线上的有效传输，实现该网关功能。
2.根据权利要求1所述的多协议多接口无线传感网网关，其特征在于：在嵌入式处理器上同时配置WiFi 2.4GHz、WiFi 5GHz、GPRS、Bluetooth和ZigBee5个不同的无线接口，以及一个以太网有线接口，支持WiFi、GPRS、Bluetooth、ZigBee和TCP/IP协议，网关通过以太网有线接口与路由器相连，通过无线接口连接到各种架构的无线网络中。
3.根据权利要求1所述的多协议多接口无线传感网网关，其特征在于：所述的嵌入式处理器采用基于ARM11内核的S3C6410微处理器。
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