CN206698445U

CN206698445U - 一种多源信息融合网关装置

Info

Publication number: CN206698445U
Application number: CN201720450804.0U
Authority: CN
Inventors: 谭德坤; 罗文海; 赵兴艳; 叶军; 金秋子; 戚成杰; 胡宾宾
Original assignee: Nanchang Institute of Technology
Current assignee: Nanchang Institute of Technology
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2017-12-01
Anticipated expiration: 2027-04-26

Abstract

本实用新型公开一种多源信息融合网关装置，包括微处理器模块以及与其连接的多源信息采集模块、GPRS通信模块、电源模块、键盘及LCD显示器。多源信息采集模块通过标准异步串口UART与微处理器模块连接，与无线传感器网络各子节点之间采用Zigbee协议进行通信，多源信息采集模块接收各子节点采集的环境数据，并将其汇聚到微处理器模块进行多源信息融合处理；GPRS通过RS232串口与微处理器模块连接，实现移动通信网络的接入，负责网关装置与远程监控中心的无线通信。本实用新型结构简单，性能可靠、通用性强，可广泛应用于交通监控、工业控制、水情监测、森林防火等各种领域。

Description

一种多源信息融合网关装置

技术领域

本实用新型涉及网络通信领域，尤其是涉及一种基于异常数据驱动方式的多传感器信息融合物联网网关系统。

背景技术

无线传感器网络是由大量低成本、低功耗的具有感知、计算和通信能力的微型传感器节点组成的自治网络系统，各节点之间通过无线方式传输信息。无线传感网络作为一种全新的信息获取和处理技术，在国防军事、环境监测、智能交通、工业控制等领域得到了越来越广泛的应用。在传感网中，各种传感器所采集的信息以多跳的方式传送到汇聚节点，然后转发到远端的控制中心，最终提供给用户观察使用。为了扩大传感网的应用范围，需要融合各种异构网络，而无线网关是实现各种异构网络互连互通的关键设备。

无线传感器网络为资源受限的网络。数据融合技术能有效去除冗余数据的传输，减少通信开销及大量数据处理所带来的能量消耗，从而延长网络寿命。在无线传感网中，无线网关需要对各种传感器所采集和监测到的数据进行信息融合处理，从而获得比单一传感器更为准确和可靠的结果。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种结构简单、性能可靠、通用性强的多源信息融合的网关装置。

本实用新型采用如下技术方案:

一种多源信息融合网关装置，包括微处理器模块以及与其连接的多源信息采集模块、GPRS通信模块、电源模块、键盘和LCD显示器，其特征在于：

所述微处理器模块采用S5PV210芯片；

所述多源信息采集模块采用CC2530芯片，通过标准异步串口UART与微处理器模块连接，与无线传感器网络各子节点之间采用Zigbee协议进行通信，多源信息采集模块接收各子节点采集的环境数据，并将其汇聚到微处理器模块进行多源信息融合处理；

所述GPRS模块由SIM900A芯片、高频天线接线端子及外围电路组成，通过RS232串口与微处理器模块连接，实现移动通信网络的接入，负责网关装置与远程监控中心的无线通信；

所述电源模块采用市电电源、锂电池双电源供电。

其中，S5PV210芯片的串口UART1的数据信号输入RXD1端口与数据信号输出TXD1端口分别与CC2530芯片的P0_2引脚与P0_3引脚连接，串口UART1的请求发送RTS1端口与清除发送CTS1端口分别与CC2530芯片的P0_4引脚与P0_5引脚连接，实现标准异步串口UART通信。

S5PV210芯片的串口UART0的数据信号输入RXD0端口与数据信号输出端口TXD0通过一TTL-RS232电平转换模块分别与SIM900A芯片的串行数据输入TXD端口和串行数据输出RXD端口连接，实现RS232串口通信。

本实用新型中，微处理器模块采用S5PV210芯片实现多源信息融合处理，运算能力强，支持多种操作系统。多源信息采集模块采用CC2530作为协处理器，是一款理想的Zigbee专业应用芯片，负责接收各传感器子节点所采集的环境数据，实现与无线传感器网络的通信和控制。GPRS通信模块以SIM900A芯片为核心，实现移动通信网络的接入，负责与远程监控中心的无线通信，可以低功耗实现数据信息的传输，性能稳定，性价比高。电源模块为网关系统提供能量支持，由于网关能耗较大，采用双电源设计，主电源采用市电电源供电，后备电源采用锂电池供电方式，主电源和后备电源通过简单的电路结构实现自动切换。微处理器与多源信息采集模块之间采用标准异步串口UART进行通信，GPRS通信模块与微处理器采用RS232串口进行通信，线路简单，成本低。多源信息采集模块与各传感器子节点之间采用Zigbee协议进行通信连接，功耗低，成本低。本实用新型的网关装置还设置了键盘和LCD显示器，实现人机互动。

本实用新型的有益效果是：

1、利用多传感器的监测信息进行数据融合，采集的数据多，抗干扰能力强，提高了测量结果的可靠性；

2、利用微处理器芯片进行多源信息融合，各数据接口为标准接口，结构简单，通用性强，成本低，可广泛应用于交通监控、工业控制、水情监测、森林防火等各种领域。

附图说明

图1为融合网关装置在无线传感网系统中的作用示意图。

图2为本实用新型网关装置的功能方框图。

图3为本实用新型网关装置基于异常数据驱动的多源数据融合处理过程流程图。

图4为GPRS模块硬件电路图。

图5为多源信息采集模块接口电路图。

图6为电源模块电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方案进行进一步说明。

图1为本实用新型所述融合网关装置在整个无线传感网中的作用示意图。融合网关接收监测子网中各传感器节点采集的数据信息，进行数据融合处理，并将融合结果向上通过GPRS移动通信网络发送给远程监控中心。融合网关装置作为异构网络融合中的核心部件，还具有Zigbee网络自组建、仲裁请求、路由选择以及协议转换等功能。

如图2所示，本实用新型融合网关装置，包括：微处理器模块、多源信息采集模块、GPRS通信模块、电源模块、键盘及LCD显示器。多源信息采集模块负责与监测子网传感器节点建立Zigbee无线连接，实现各节点监测数据的接收并将数据汇聚到微处理器模块进行融合处理。微处理器模块采用32位S5PV210芯片，其主要性能指标有：主频高达1GHz，能够进行复杂的数字信号处理，运算能力高达2亿条指令集/秒，而功耗约为11mW，支持Android 4.0、Linux2.6和Wince6.0等高级嵌入式操作系统。微处理器模块分别与多源信息采集模块、GPRS通信模块、电源模块、键盘及LCD显示器进行连接,可以根据需要扩展外部存储器。GPRS模块实现网关与监控中心间的远程数据通信，采用SIM900A实现GPRS通信，其工作电压为3.2-4.8V，通过RS232串口与微处理器模块连接，提供短信、GPRS数据传输功能。电源模块采用双电源设计，主电源采用市电电源供电，后备电源采用锂电池的供电方式，电源模块负责给微处理器模块、多源信息采集模块、GPRS通信模块、键盘及LCD显示器等提供稳压电源。

本实用新型采用微处理器芯片S5PV210对监测子网各传感器采集的多源信息进行融合处理。本实施例提供一种在异常数据驱动下，本网关装置的融合处理方法。

在具体讲述融合处理方法之前，有必要对涉及到的某些概念进行详细说明。

(1)异常数据

设a_i为传感器节点i采集的当前数据，p_i为传感器节点i在采集a_i之前向网关发送的最近一次采集数据。若|a_i-p_i|≥ε，则称a_i为异常数据，其中ε为异常数据判定阈值。

(2)网关融合处理阈值

设监测子网内传感器节点个数为n，根据简单多数原则，网关融合处理阈值γ设为0.5n，若一个采集周期内网关接收到的异常数据节点个数l≥γ，网关需进行数据融合处理；否则，忽略本周期采集数据，不予处理。

在每个采集周期内，网关接收监测子网内各传感器节点发送过来的多源信息数据。若发送异常数据的节点个数大于网关融合处理阈值γ，本融合网关装置采用自适应加权方法进行信息融合，设网关收到n个传感器节点发送的数据信息，若被测目标的实际值为X，各传感器测量值分别为x₁，x₂，…，x_n，方差分别为各测量值自适应加权因子分别为w₁，w₂，…，w_n，则加权融合结果为

其中

加权融合结果的总均方误差为

式中，总均方误差σ²是关于自适应加权因子w_i的二次函数，因此，σ²一定存在极小值σ_min ²。根据多元函数极值求解理论，可求出加权融合结果总均方误差最小时各传感器测量值的加权因子为

可以看出，融合结果的均方误差满足σ_min ²<σ_i ²，即多源信息融合结果的数据精度优于任一单一传感器测量值，所以采用自适应加权融合法进行数据融合，一定程度上可以提高数据的可靠度，并且任一测量值方差越小则其在融合结果计算中所占的权重越大，从而使得融合结果更接近实际值，提高了融合结果的精度。

图3给出了本网关装置中基于异常数据驱动的多源数据融合处理过程流程图，包括如下详细步骤：

步骤1初始化参数。包括数据采集周期T，传感器节点个数n。

步骤2融合网关多源信息采集模块接收传感器节点发送过来的n个多源信息。

步骤3统计产生异常数据的节点个数l，若l大于等于网关融合处理阈值γ，则网关需进行数据融合处理，转步骤4；否则，不进行融合处理，转步骤6。

步骤4进行数据融合处理。基于自适应加权理论，首先计算各测量值方差，由方差计算自适应加权因子，然后根据公式计算融合结果。

步骤5将融合结果发送给GPRS通信模块，由其向上转发给远程监控中心。

步骤6更新存储数据。更新网关存储的各节点数据为当前最新值。

步骤7返回步骤2，重新开始下一轮融合处理过程。

图4为GPRS模块硬件电路图。其核心芯片为SIM900A，主要负责实现与远程监控中心的数据传输功能，它属于双频GSM/GPRS模块，工作频段为900/1800MHZ，支持多种编码方式，完全采用SMT封装，尺寸紧凑，内置TCP/IP协议，可以低功耗实现数据信息的传输，其性能稳定，外观精巧，性价比高。GPRS模块与主控制器MCU间通过串口进行通信，主要是通过SIM900A的TXD、RXD及主控芯片S5PV210的TXD0、RXD0端口完成数据传输，主控制器MCU提供的是TTL电平，而SIM900A串行口是属于RS232电平标准的，二者不能直接相连，需要设计TTL-RS232电平转换模块，采用MAX3232E芯片实现电平转换功能。SIM900A的第52引脚连接了LED指示灯，用于指示当前网络状态，30～33引脚为SIM卡控制接口，分别与SIM卡的VCC、DATA、CLK、RST引脚相连，从而实现GPRS数据传输。第1引脚连接主控制器开关机电路。第60引脚连接SMA天线座。

图5为多源信息采集模块接口电路图。其核心芯片为CC2530，它负责汇聚各节点所采集数据并发送给网关核心进行融合处理。CC2530内部集成了8051微处理器以及高性能的2.4GHz RF收发器，是一款理想的Zigbee专业应用芯片。其P0与P1端口为功能复用端口，由相应的寄存器控制功能模式选择。当模式选择作为连接外设I/O接口时，P0_2引脚与P0_3引脚分别与主控芯片S5PV210串口UART1的数据信号输入RXD1与数据信号输出TXD1相连，P0_4引脚与P0_5引脚分别与串口UART1的请求发送RTS1与清除发送CTS1相连。晶振Y1和电容C3、C4组成32.768kHz晶振电路，晶振Y2和电容C17、C18组成32MHz晶振电路，其中32MHz无源晶振为主时钟晶振，以保证串口波特率的准确性，偏置电阻为R1。天线连接端口为第25和第26引脚，无线RF模块接口电路采用阻抗匹配网络，其射频信号的收发采用差分方式传送，而天线为单端口，采用巴伦电路完成差分到单端口的匹配。天线匹配输入/输出电阻为50欧姆，巴伦电路由电感(L2、L3)和电容(C11、C12、C13、C14、C15)及微波传输线组成，从而满足天线电阻要求。电容C1和C19为去耦电容，起电源滤波作用，从而保证芯片工作的稳定性。为了指示网络节点的工作状态，在模块硬件设计中加入2个LED指示灯，使用1k限流电阻，并分别与芯片引脚P1_0和P1_1相连，LED1用于指示数据发送给SIM900A时的状态，LED2用于指示Zigbee网络是否建立成功的状态。

图6为本实用新型装置电源模块电路图。在网关装置中不同部分有不同的供电要求，系统核心S5PV210的工作电压为3.3V，CC2530射频芯片的工作电压也为3.3V，而SIM900A采用的电压范围为3.2-4.8V，采用4V标准电压为芯片供电。为了保证网关装置工作时的稳定性和可靠性，采用双电源设计，正常情况下采用市电电源供电，当市电断开时则自动切换到后备锂电池电源进行供电。电源模块外接电源采用12V进行供电，主供电输入电压为220V市电电压，经过AC/DC开关电源后，转换为12V直流电源，后备电源为3节4V锂电池。采用AMS1117-3.3稳压芯片将12V转换为3.3V稳压电源，为系统核心及多源信息采集模块供电。由于SIM900A信号发射的突发性会导致电压跌落，这时电流损耗的峰值会达到2A，因此，稳压电源的供电能力不能低于2A，采用Mic29302高电流低压差稳压芯片提供4V稳定电压给GPRS模块使用，稳压芯片具有提供3A电流的能力。系统通过N沟道MOSFET场效应管Q1、三极管Q2以及二极管D1和D4实现主供电与后备电源之间的快速自动切换，从而实现网关供电不间断的目的。N沟道MOSFET场效应管Q1的漏极连接锂电池的正极，源极连接二极管D1的正极，栅极连接三极管Q2的集电极，三极管Q2的基极连接AC/DC开关电源和二极管D4的正极，发射极接地，二极管D1的和二极管D4的负极连接稳压芯片。当市电正常供电时，Q2导通，Q1的栅极无电压，源极与漏极之间不会有电流流过，场效应管截止，切断锂电池供电；当市电中断时，Q2截止，而Q1的栅极有高电平，Q1导通，D1导通，D4截止，从而由锂电池实现供电。二极管D1和D4可防止市电电源和电池电源之间相互干扰。发光二极管LED3和LED4分别用于指示3.3V稳压电源以及4V稳压电源的供电状态，灯亮时表示各稳压电源正常供电。

Claims

1.一种多源信息融合网关装置，包括微处理器模块以及与其连接的多源信息采集模块、GPRS通信模块、电源模块、键盘和LCD显示器，其特征在于：

所述微处理器模块采用S5PV210芯片；

所述电源模块采用主电源市电电源、后备电源锂电池双电源供电。

2.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于：

所述S5PV210芯片的串口UART1的数据信号输入RXD1端口与数据信号输出TXD1端口分别与CC2530芯片的P0_2引脚与P0_3引脚连接，串口UART1的请求发送RTS1端口与清除发送CTS1端口分别与CC2530芯片的P0_4引脚与P0_5引脚连接，实现标准异步串口UART通信。

3.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于：所述S5PV210芯片的串口UART0的数据信号输入RXD0端口与数据信号输出端口TXD0通过一TTL-RS232电平转换模块分别与SIM900A芯片的串行数据输入TXD端口和串行数据输出RXD端口连接，实现RS232串口通信。

4.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于所述CC2530芯片的25脚和第26引脚连接天线，其无线RF模块接口电路采用阻抗匹配网络，其射频信号的收发采用差分方式传送，天线为单端口，采用巴伦电路完成差分到单端口的匹配。

5.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于所述SIM900A芯片的第52引脚连接一LED指示灯。

6.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于所述SIM900A芯片的30~33引脚为SIM卡控制接口，分别与SIM卡的VCC、DATA、CLK、RST引脚相连。

7.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于所述CC2530芯片的引脚P1_0、P1_1分别连接一LED指示灯。

8.如权利要求1所述的多源信息融合网关装置，其特征在于所述电源模块包括N沟道MOSFET场效应管Q1、三极管Q2以及二极管D1和二极管D4，所述N沟道MOSFET场效应管Q1的漏极连接锂电池的正极，源极连接二极管D1的正极，栅极连接三极管Q2的集电极，所述三极管Q2的基极连接AC/DC开关电源和二极管D4的正极，发射极接地，所述二极管D1的和二极管D4的负极连接稳压芯片。