CN206470567U - 一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种开关控制系统的汇聚节点，尤其是涉及一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点。包括处理器，以及与处理器连接的以太网传输单元、存储单元、无线传输单元、以及用于汇聚节点的供电以及数据传输的外围电路。因此，本实用新型具有如下优点：处理能力、存储能力和通信能力都很强，其主要是负责通信的转换，由于无线通信受距离的限制，随着距离的延长其通信质量随之下降，而汇聚节点将这种无线通信转换成有线的形式，不仅通信距离不受限制，而且通信质量稳定可靠。同时汇聚节点还要对数据进行储存和必要的处理。

Description

一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点

技术领域

本实用新型涉及一种开关控制系统的汇聚节点，尤其是涉及一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点。

背景技术

通过对学校目前的教学需求进行系统分析，结合当前高校教学信息化的发展趋势和学院的发展规划，整合学院现有的资源，充分利用移动技术、传感技术、人工智能技术、网络技术、多媒体技术来装备教室和改善学习环境，重构一个适合学生学习和教师教学新型教室环境，使得教学内容进一步优化、学习资源获取更加便利、课堂教学互动进一步加强、教室布局与电气管理更加智能，使得教学过程实时反应学生学习状态，并能够根据学习者的学习情况调节教学节奏，最终提升专业人才培养质量。基于这以目标，智慧教室应运而生，智慧教室正是基于移动技术、传感器技术和人工智能技术、以及网络技术。智慧教室包含教室的管理、学生的管理和老师管理，其中对教室电器的控制是一直以来研究的课题，本申请正是基于这一点出发，申请一套对教室开关的智能控制。

教室开关的智能控制主要包括开关控制，无线传输技术，汇聚节点的研究。本申请将开关控制与无线传输技术合成一起构成开关控制的无线传感技术。传统的传感器大多数采用有线的形式，这样在安装布置传感器的时候，有很多线路连接，不仅要考虑其布线的成本，而且还要考虑其信号之间的干扰。因此传统的传感器网络会造成经济成本高，信号不稳定等许多的困难。随着计算机技术，传感器技术，通讯技术以及工业控制技术的发展，无线传感器网络便应运而生。无线传感器网络不仅大大的减少了线路，而且信号稳定，安装方便。并且维护容易，经济成本比较低，而且可以安装在环境恶劣的场合。

实用新型内容

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点，其特征在于，包括处理器，以及与处理器连接的以太网传输单元、存储单元、无线传输单元、以及用于汇聚节点的供电以及数据传输的外围电路。

在上述的一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点，所述处理器型号为LPC2214；以太网传输单元型号为RTL8019；无线传输单元型号为CC2530；存储单元包括SDRAM和FLASH；处理器通过串口和JTAG端口与服务器连接。

因此，本实用新型具有如下优点：处理能力、存储能力和通信能力都很强，其主要是负责通信的转换，由于无线通信受距离的限制，随着距离的延长其通信质量随之下降，而汇聚节点将这种无线通信转换成有线的形式，不仅通信距离不受限制，而且通信质量稳定可靠。同时汇聚节点还要对数据进行储存和必要的处理。

附图说明

附图1是本实用新型的无线传感器网络结构图。

附图2是本实用新型的汇聚节点硬件图。

附图3是本实用新型的处理器LPC2214结构框图。

附图4是本实用新型的电源电路图。

附图5是本实用新型的硬件复位电路图。

附图6是本实用新型的JTAG接口电路图。

附图7是本实用新型的Flash与LPC2214接线图。

附图8是本实用新型的ISSIS61LV25616AL与LPC2214连接图。

附图9是本实用新型的网络变压器接线图。

附图10是本实用新型的串口连接示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

1.总体结构。

2.1无线传感器结构。

无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术。布设在特定区域的大量的具有无线通信能力和感知能力的传感器节点是无线传感器网络的最为重要和基本的构成要素。它能够根据环境情况而完成特定的任务，通过通信技术传输到监控中心尽心分析处理，达到监视与控制的目标。有规模大、成本低、节点硬件简单、功耗低、自组织等是无线传感器网络的主要特点，对周围环境参数，如温度，光照强度，特殊气体进行感知和分析，是连接计算机世界与真实物理世界的重要桥梁。

无线传感器网络其总体由传感器节点、汇聚节点和远程客户端构成的三级网络系统，如图1所示。

传感器节点通常是以8051等系列单片机为内核的系统，由于传感器安装在监测区域，要求体积小，节能，因此它的处理能力、存储能力和通信能力都受到限制，并且相对很弱。但是传感器节点在整个网络中起着非常重要的作用，它直接与监测区域的对象相联系，将一些人为难以感知的物理量转化成电量，因此节点的好坏直接影响着监测的准确性。每个传感器节点具有两种功能，一个是终端节点功能，另一个是路由器的功能。不仅要感知对象参数的变化，而且还要对数据进行储存、管理、融合和传输。

汇聚节点由于不受电源和体积的限制，直接采用市电进行供电，一般来说都是安装在远离监测的区域，体积不受限制，因此汇聚节点的的处理能力、存储能力和通信能力都很强，其主要是负责通信的转换，由于无线通信受距离的限制，随着距离的延长其通信质量随之下降，而汇聚节点将这种无线通信转换成有线的形式，不仅通信距离不受限制，而且通信质量稳定可靠。同时汇聚节点还要对数据进行储存和必要的处理。

管理节点是人机交换的窗口，用来监视无线传感器传送的物理量，同时根据网络和系统的要求发布监视的命令，使传感器节点按照人们的要求实时的采集数据，管理节点还要负责大量的数据存储工作，建立必要的数据库，对大量的数据进行管理，方便以后的查阅和校对。本申请采用联想System x3650 M4(7915I51)作为服务器进行管理。

2 汇聚节点的总体方案。

2.1 无线通信协议的选择。

802.15.4协议(即ZigBee协议)能很好的满足无线传感器网络的通信，因为它定义了250kbps的低复杂度，具有超低功耗。并且超低价格的无线数据通信协议的物理层和MAC层，而且满足无线安全通信。这个标准在申请时，很大程度上考虑了无线传感器网络的要求。尤其是在功耗方面、安全问题方面和同步技术上都作了充分的考虑。另外，ZigBee还支持多个频段的通信，分别有2.4GHz的载波频段、868MHz和915MHz两个频段，并且数据通信速率是可以选择的，不是一个固定值，这样更有利于无线传感器网络的应用。综合Zigbee的优点和我们实际应用的需要，在我们将采用IEEE 802.15.4协议作为无线通信的协议标准。

2.2处理器的选择。

ARM7系列微控制器包含多种微处理器，有如下一些类型：ARM7TDMI，ARM720T，ARM7TDMI-S，ARM7EJ。在这五种类型中，以ARM7TDMI为内核的处理器使用最多。本申请使用的LPC2214芯片就是采用ARM7TDMI-S为内核，LPC2214支持16位和32位的指令代码，有利于开发人员对LPC2214程序的开发，内部含有丰富的存储设备，为程序和数据的存储提供了极大的保障，有高速的Flash 存储器,存储速度快，提高了代码的执行效率，这样实时性就很高。支持16位的Thumb指令，16位的指令不仅所需的存储空间小，相同空间下，可以存储更多的代码，而且指令的执行更快，性能确实一样的。内含多个定时器和计数器，可同时进行定时和计数的中断响应。含有PWM通道，为对电机的控制提供了极大的方便，能够实现电机的稳定平滑的调速。因此在大型工业控制，现代医疗器件，现代商业领域都采用LPC2214作为其主要的控制芯片。由于LPC2214内部集成了内串行通信接口，在通信领域也有很好的应用，像在通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器等场合都有很好的应用。综合无线传感器网络汇聚节点的要求，本申请采用LPC2214作为处理器。

2.3.操作系统的选择。

计算机系统由硬件和软件组成，在发展初期没有操作系统这个概念，用户使用监控程序来使用计算机。随着计算机技术的发展，计算机系统的硬件、软件资源也愈来愈丰富，监控程序已不能适应计算机应用的要求。于是在六十年代中期监控程序又进一步发展形成了操作系统(Operating System)。发展到现在，广泛使用的有三种操作系统即多道批处理操作系统、分时操作系统以及实时操作系统。

嵌入式操作系统的选择是前期申请过程的一项重要工作，这将影响到工程后期的发布以及软件的维护，由于μC/OS-II具有其独特的性质，结合ARM7处理器的要求，本申请选择μC/OS-II作为无线传感器网络的操作系统。

2.4汇聚节点的总体申请方案。

根据前面对汇聚节点的应用分析，结合嵌入式系统的开发申请流程，在选择了合适的无线传感器协议、处理器、嵌入式操作系统后，从而得出汇聚节点的具体硬件和软件申请方案，图2是详细的软、硬件结构图。后面几章将按照这一思路进行详细的介绍和具体的实现。

3、详细硬件申请。

3.1 LPC2214处理器概述。

LPC2214有一个很好的功能，那就是能实现“零等待访问”高速闪存功能，这主要是由于片上存储器加载模块实现的，因此指令执行的效率就很高。在满足高性能低功耗的基础上，提高了增强的通信功能和片上代码保护机制。由于其串行通信接口的范围很宽，因此在通信网关、协议转换器、嵌入式软调制解调器等领域有很广阔的应用。6通道的PWM更能用于复杂的电机调速等控制领域。

LPC2214的CPU是一个支持实时仿真和跟踪的16/32 位ARM7TDMI-S处理器，该款处理器主要用于对功耗和成本要求比较苛刻的应用。由于使用了三级流水线技术，即取指、译码、执行，实现了指令的高效执行。ARM7TDMI-S处理器除了支持标准32位 ARM指令集，也支持16位的THUMB指令集，THUMB 代码仅为ARM 代码规模的65%，但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160%。

外部振荡器经过锁相环倍频产生片山系统时钟，其最高工作频率高达60MHZ。片内存储器控制器是通过单独的局部总线与CPU接口，这样做的目的是为了避免总线仲裁的不确定性、总线获得的延迟和总线上的等待周期，从而获得更高的实时性能。中断控制器和外部总线控制器是通过AMBA 高性能总线（AHB）实现与CPU接口的，外部总线控制器支持8/16/32位外部存储器。

LPC2214片内外设通过VPB总线，AHB 到VPB 的桥与AHB 总线相连。LPC2214微处理器的结构框图如图3.

3.2基本外围电路。

3.2.1 电源电路。

由于LPC2214内核所需电压为1.8V，I/O口电压为3.3V，ATR8019AS的供电电压为5V，CC2530无线收发单元也需要提供5V的电压，SST39VF1601、JTAG、74AC125D等芯片均需要提供3.3V的电压，则整个系统要提供3钟等级的电压。考虑到实际的应用环境和供电的稳定性，外部供电采用通过220VAC，50Hz到+5VDc的开关电源来供电。外部电源的连接通过JP1电源接口来进行。经过LM1084和LM1117变换成3.3V和1.8V的电压向各个芯片供电。其电源接线图如图4。

3.2.2复位电路。

硬件复位由汇聚节点电路板上的复位键产生，位于电路板的右侧，连续按下复位键三秒后，LPC2214的硬件复位信号RESET有效，其为低电平有效，从而使系统进入复位状态。这时，只有振荡器处于工作状态，所有芯片和引脚处于复位状态，从RESET输出低电平。其汇聚节点的硬件复位电路申请如图5所示。

3.2.3 JTAG接口电路。

JTAG接口并不是简单的只是含有几个接线口，其内部接线也是很复杂的，但是其主要包括两部分，一是JTAG连接端口，另一部分是内部的核心控制器。一般符合IEEE1149.1规范的芯片都能够与JTAG 接口兼容，这是因为满足这个规范的芯片都含有边界扫描单元BSC。

综合以上对JTAG接口性能的讨论，知道其具有很好的优越性，本申请采用20针引脚的JTAG接口，以实现边界扫描、硬件测试和编程等功能。其具体接线如图6所示。

3.3存储器电路。

3.3.1FLASH接口电路。

在本系统申请中，由于汇聚节点要存储和处理大量的数据，而且程序复杂，为了便于数据和程序的存储，本系统选用两片16位的Flash存储器芯片构建32位的Flash储存系统。因此其存储容量为2*16Mb。处理器上电或复位后从Flash中获取指令并开始执行，为了便于系统的配置，本申请通过跳线JF实现Flash存储器配置到Bank0或Bank1上，即将LPC2214的CS0或CS1接至SST39VF1601的CE#端。

一片Flash的16位数据总线【DQ15---DQ0】与LPC2214的低16位数据总线【D0—D15】相连。另一片Flash的16位数据总线【DQ15---DQ0】与LPC2214的高16位数据总线【D16—D31】相连。SST39VF1601的OE#端接LPC2214的OE端；WE#端接LPC2214的WE端;地址总线【A19—A0】与LPC2214的地址总线【A2—A21】相连。其电路接线如图7所示。

3.3.2SRAM接口电路。

存储器是计算机的重要组成部分，其作用是用来存储程序和数据的部件，存储器的种类很多，本申请选用ISSIS61LV25616AL， ISSIS61LV25616AL是一种静态的随机存储器件，由于其具有存储速度快，容量大等优势，在嵌入式系统中经常采用这种器件。ISSIS61LV25616AL采用的是CMOS技术制造而成，结合了现代芯片的申请思想，因此其性能可靠，采用CMOS技术功耗低，通过对其管脚的控制，当芯片不使用的时候，能够让该芯片处于低功耗的状态，这样节约了整个电路板的资源和能量。

本申请采用两片ISSIS61LV25616AL构成32位的存储系统，通过JR跳线实现与Bank0或者Bank1的配置，ISSIS61LV25616AL与LPC2214的连接如图8所示。

3.4通信接口。

3.4.1以太网接口电路。

汇聚节点在整个系统中起着网关功能的作用，无线传感器网络传感器节点采用无线通信，由于随着传输距离的增加，其传输的信号会越来越来弱，为了保证信号的质量，必须转换成其他的传输方式，以太网通信稳定可靠，不受传输距离的限制，因此本系统的汇聚节点内置10M/100M以太网接口，这样传感器节点的数据将会传输的更远，从而实现远程的监视与控制。由于RTL8019有BROM接口，带有存储器，当系统复位时可以读取其内部数据，十分方便。而且不像CS8900A那样采用PacketPage结构，因此以太网驱动写起来更加容易，故本申请采用RTL8019作为以太网芯片。

LPC2214 通过16 位DMA 方式实现对RTL8019AS 双口RAM的访问，接线简单，控制灵活。另外使用P0.25控制RTL8019AS芯片复位，由于LPC2214的I/O电压为3.3V，而RTL8019AS的I/O电压为5V，为了实现电压的匹配，在其连接中串联470欧的电阻。

20F001N是RJ45接口连接器(带网络变压器／滤波器)，该连接器满足IEEES02.3和IEEE902.3ab标准，由于其具有隔离的功能，故能够较好地抑制电磁干扰。通过20F001N系统就可以挂接到以太网上，其具体的接线图如图9所示。

3.4.2串口电路。

串行接口几乎在所有的微控制器中都有，而通常使用电子工业协会(EIA)推荐的RS-232标准接口，这种串行标准接口是很常用的数据传输总线。早期主要是用在计算机和终端通过电话线和MODEM进行远距离的数据传输，伴随着微型计算机的发展和微控制器技术的不断提高，RS-232标准接口不仅是应用在远距离，许多近距离也开始采用这种通信方式。这样，在近距离通信系统中，电话线和MODEM不在使用，而直接进行端到端的连接，这样大大的减少了线路的成本。

完成一个最为基本的串行通信功能，在电路申请中只需要连接三根引线即可：RXD、TXD和GND。但由于RS-232标准所定义的高、低电平信号与LPC2214的UART接口的LVTTL接口电路所定义的高、低电平信号完全不同，TTL电平与RS-232电平之间连接时需要进行电平转换，常用的UART接口芯片为MAXIM公司生产的系列接口芯片，本申请采用MAX3232作为电平转换芯片。其具体接线如图10所示。

LPC2214处理器包含2个UART。一个UART提供一个完全的调制解调器控制握手接口，另一个UART只是发送和接收数据线。LPC2214的UART具有如下特点：16字节接受和发送FIFO；寄存器位置遵循550工业标准；接收器FIFO出发点为1、4、8和14个字节；内置波特率发生器；UART1包含标准调制解调器接口信号。

3.4.3无线收发模块。

由于无线传感器节点采用的是CC2530，为了实现通信的匹配和保证通信的稳定性，汇聚节点的无线收发单元也必须采用CC2530作为无线传输的芯片。由Chipcon 公司推出的CC2530能够用来实现嵌入式 ZigBee 应用的片上系统。它支持2.4GHz IEEE802.15.4/ZigBee 协议。其具有很多的优点。材料成本很低，这样就能以便宜的成本建立强大的网络节点；CC2530将领先的RF收发器性能融于其中，业界标准的增强型8051CUP，开发简单，系统集成8KB的RAM，具有多种版本，能够适应不同的场合；具有多种运行模式，能够满足超低功耗的需求，延长节点的使用寿命。

LPC2214包含2个SPI接口。SPI是一个全双工的串行接口，其申请成可以处理在一个给定总线上多个互联的主机和从机。由于SPI总线传输数据时只需要4跟线，接线简单，因此LPC2214与CC2530之间采用SPI总线进行数据传输，将LPC2214配置为主机，CC2530配置为从机，它们之间采用主从方式进行数据传输。

4、硬件电路测试与系统整体测试。

4、1 硬件电路测试。

系统上电后，电路板电源指示灯正常。1.8V和3.3V电源指示灯同时发亮，按下复位键后，复位指示灯亮，复位工作正常，电路板通过JTAG仿真器与电路相连接，能读到CPU类型。

当通过JTAG接口向目标板下载串口程序后，通过串口线将目标板与电脑相连接，借助串口调试助手，能正常的实现串口数据的收发。

4.2 系统整体测试。

整个系统的软件主要包括：操作系统μC/OS-II的移植，LPC2214启动代码的构成，基于TCP/IP的以太网的实现，以及LPC221与CC2530通信的实现。深入分析了μC/OS-II操作系统的优点，任务的状态，任务的调度，以及μC/OS-II运行机制，移植条件和具体移植的实现。从TCP/IP的结构分析和原理分析，实现以太网的通信。从zigbee协议，CC2530内核的结构和LPC2214的硬件结构，具体实现SPI的通信。系统整体测试达到了应用的要求。

本申请在分析目前大型航母甲板温度检测系统的一些情况后，提出了基于Zigbee的无线传感器网络光检测系统，以及基于c8051、继电器开关控制。申请出以LPC2214为内核的无线传感器网络汇聚节点，以实现以太网进行远程的实时监控。

本申请中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点，其特征在于，包括处理器，以及与处理器连接的以太网传输单元、存储单元、无线传输单元、以及用于汇聚节点的供电以及数据传输的外围电路。

2.根据权利要求1所述的一种用于智慧教室电器开关控制系统的汇聚节点，其特征在于，所述处理器型号为LPC2214；以太网传输单元型号为RTL8019；无线传输单元型号为CC2530；存储单元包括SDRAM和FLASH；处理器通过串口和JTAG端口与服务器连接。