專利名稱：用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種能夠完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置。
背景技術(shù)：
目前，公知的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)裝置主要有以下兩種 第一種是實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和傳遞的無線網(wǎng)關(guān)裝置，由 微程序控制器(MCU)電路、電源電路、無線通信芯片、RF電路、天線連接件、接口電路等構(gòu) 成。通過MCU編程實現(xiàn)IEEE 802. 15. 4(LR_WPAN，低速率無線個人區(qū)域網(wǎng))上的Zigbee協(xié) 議，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)通訊安全性、可靠性較 高，適用于短程無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸體系的構(gòu)建。但它不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，不利 于不同監(jiān)測區(qū)域的傳感器信息的遠(yuǎn)程管理、控制。 第二種是完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施(如Internet、 GPRS等)的 數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換傳遞的無線網(wǎng)關(guān)裝置，由微程序控制器(MCU)電路、電源電路、無線通信芯片、 RF電路、天線連接件、GPRS通訊模塊、以太網(wǎng)接口、接口電路等構(gòu)成。通過MCU編程實現(xiàn)無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)與公眾網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換連接，完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳 輸。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)能夠方便的實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的廣范圍信息共享，適用于無線 傳感器感測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理、控制網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建。但需要采用公眾網(wǎng)絡(luò)資源，需要數(shù)據(jù)傳輸費 用，成本較高；同時要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采集地點有公眾網(wǎng)絡(luò)覆蓋，不適合于一些采集 節(jié)點密集、流量較大、公眾網(wǎng)絡(luò)沒有覆蓋的地區(qū)。針對上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，研究 設(shè)計一種新型的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置，從而克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的 問題是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本實用新型的目的是研究設(shè)計一種新型的用 于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置，從而解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)短程網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā) 和傳遞的無線網(wǎng)關(guān)裝置，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，不利于不同監(jiān)測區(qū)域的傳感器信息的 遠(yuǎn)程管理、控制和為了克服無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)僅用于局域網(wǎng)或需借助公眾網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸或轉(zhuǎn)換的缺點，本實用新型的目的是設(shè)計一種可以通過網(wǎng)關(guān)裝置自身電路和協(xié)議完成 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的線性組網(wǎng)、可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包快速有效的延伸接力傳輸?shù)目蛇h(yuǎn)程管理控制 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)裝置。 本實用新型所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置是由CPU微控制器 (U104) 、 Zigbee無線通訊模塊(U103)、電源模塊(U101、 U102)、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試單元 (U107) 、 Flash存儲模i央(U105) 、 USB驅(qū)動電路和USB接口 (U106) 、 UART驅(qū)動電路和UART 接口 (U108)所組成；電源模塊提供+5V、 +3.3￥兩種直流電壓；復(fù)位模塊輸出一個低電平 脈沖，驅(qū)動CPU微控制器進(jìn)行初始化開始工作；CPU微控制器首先配置Zigbee無線通訊模 塊，進(jìn)行各功能寄存器初始化，并在2. 4GHz頻率選擇自己工作信道，通過Zigbee無線通訊模塊的天線接口發(fā)出入網(wǎng)申請信息，進(jìn)行臨近無線網(wǎng)絡(luò)的搜尋，搜到后進(jìn)行入網(wǎng)登記；然后 CPU微控制器不停監(jiān)聽Zigbee無線通訊模塊的接收信道是否有信息從天線接口進(jìn)來，當(dāng)有 信息進(jìn)來，首先判斷是否要將信息保存到Flash模塊還是需要轉(zhuǎn)發(fā)，如果要保存，則CPU微 控制器將接收到的信息保存到Flash模塊，如果需要轉(zhuǎn)發(fā)，則CPU微控制器將接收到的信息 通過Zigbee無線通訊模塊的發(fā)送信道將信息轉(zhuǎn)發(fā)給ID號臨近的Zigbee無線通訊模塊； 同時，CPU微控制器采用中斷方式通過USB驅(qū)動電路和UART驅(qū)動電路監(jiān)聽USB接口模塊與 UART接口模塊是否需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果需要，則通過CPU微控制器控制各自的驅(qū)動電 路完成數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)整個無線網(wǎng)卡裝置需要進(jìn)行軟件程序升級，則通過JTAG調(diào)試單元完成 代碼的升級和調(diào)試； 所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置的連接關(guān)系如下； CPU微控制器芯片U104，管腳38、39、40分別連接到Zigbee無線通訊模塊U103的 管腳10、8、7上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，U104管腳37連接到Zigbee 無線通訊模塊U103的管腳14提供RESET復(fù)位信號電平； CPU微控制器芯片U104的管腳36、35、34分別連接到Flash存儲模塊U105的管腳 8、1、2上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)存儲的控制，U104管腳33連接到U105的管腳 4提供片選電平，U104管腳32連接到U105的管腳5提供讀寫控制電平； CPU微控制器芯片U104的管腳7、8、9、12分別連接到USB驅(qū)動接口芯片U106的管 腳4、3、2、 1上，其中管腳8、9分別為USB數(shù)據(jù)信號線D+和D_，采用芯片內(nèi)部程序控制實現(xiàn) USB通信接口的驅(qū)動； CPU微控制器芯片的管腳5、6分別連接到UART串行通信驅(qū)動接口芯片U108的管 腳15、 13上，然后經(jīng)U108的管腳9、16連接到串行接口 DB9排針的管腳2、3上實現(xiàn)UART的 通信驅(qū)動； CPU微控制器芯片U104的管腳47、48連接晶體振蕩器； U107為CPU微控制器芯片程序在線調(diào)試JTAG接口電路，U107管腳4連接到CPU微 控制器芯片U104的管腳14提供掃描數(shù)據(jù)傳輸，U107管腳7連接到CPU微控制器芯片U104 的管腳13提供掃描數(shù)據(jù)的讀取時鐘； R106、C113構(gòu)成RC低通復(fù)位電路，S101為手動復(fù)位按鍵， 一端連接到地端， 一端連 接到CPU微控制器芯片U104的管腳13提供上電低電平復(fù)位信號； 電源模塊芯片U102的管腳1連接到微控制器U104管腳41輸出端，進(jìn)行電源輸出 管理控制，管腳5給U103、U104、U105、U107、U108芯片供電。 本實用新型所述的CPU微控制器采用與8051兼容的CIP-51內(nèi)核芯片C8051F340， 3. 3供電、Zigbee無線通訊模塊采用DTD243A芯片、電源模塊采用LM2576. 5和LP3966-ADJ 芯片、JTAG調(diào)試單元采用HEADER5X2芯片、Flash存儲模塊采用AT45DB161D芯片、USB驅(qū)動 電路和USB接口采用CH374芯片、UART驅(qū)動電路和UART接口采用SP3223芯片。 本實用新型所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置是采用如下的技術(shù) 方案實現(xiàn)的本實用新型的硬件部分主要由電源電路、微處理器電路、ZIGBEE無線通訊電 路、數(shù)據(jù)存儲電路、接口電路、其它外圍電路構(gòu)成；軟件部分包括ZIGBEE/802. 15. 4協(xié)議 棧程序、主控制程序、數(shù)據(jù)包處理程序、線性組網(wǎng)協(xié)議、接口檢測程序。所述硬件部分采用 C8051F340微處理器，內(nèi)嵌USB與SPI接口 ，完成對整個網(wǎng)關(guān)電路的控制；所述軟件部分采用標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧完成無線通訊模塊的網(wǎng)絡(luò)鏈接，并采用自己完全自主設(shè)計的組網(wǎng)協(xié) 議完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的線性組網(wǎng)，并在此協(xié)議上完成兩個或多個傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)包的傳 輸及轉(zhuǎn)換。 本實用新型所述的電源電路包括5V、3.3V兩種直流電壓的輸出電路，在電路中設(shè) 計了防浪涌電壓擊穿保護電路、LED電源指示電路、可控制電源輸出電源管理電路。 本實用新型所述的微處理器電路主芯片采用與8051兼容的CIP-51內(nèi)核芯片 C8051F340 ， 3. 3供電，采用內(nèi)部看門狗監(jiān)控及RC復(fù)位電路，并設(shè)計了手動復(fù)位電路。 本實用新型所述的ZIGBEE無線通訊電路采用符合IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的片上 ZigBee產(chǎn)品無線收發(fā)器CC2430，自帶天線接口電路，采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口與MCU連接。 本實用新型所述的數(shù)據(jù)存儲電路由Flash存儲芯片、與MCU的標(biāo)準(zhǔn)SPI接口電路 組成，F(xiàn)lash存儲芯片防掉電數(shù)據(jù)易失功能。 本實用新型所述的接口電路包括主控芯片程序在線調(diào)試C2接口電路，并設(shè)計了 監(jiān)控用的串行接口及USB接口 。 本實用新型所述的其它外圍電路包括LED指示電路，設(shè)計了登陸網(wǎng)絡(luò)指示、網(wǎng)絡(luò) 狀態(tài)指示、數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)指示等指示電路。 本實用新型所述的軟件部分設(shè)計了主控程序完成標(biāo)準(zhǔn)ZigBee協(xié)議棧的調(diào)用與實 現(xiàn)，完成數(shù)據(jù)包的無線傳輸；并設(shè)計了自動檢測網(wǎng)絡(luò)、登錄網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換的線性組網(wǎng) 協(xié)議。

本實用新型共有三張附圖，其中 圖1是本實用新型的總體功能框圖； 圖2是本實用新型的電路原理圖； 圖3是本實用新型的軟件控制流程圖。
具體實施方式本實用新型的具體實施例如附圖所示，附圖l所示為本實用新型的結(jié)構(gòu)框圖，是 由CPU微控制器(U104) 、 Zigbee無線通訊模塊(U103)、電源模塊(UIOI、 U102)、復(fù)位模塊、 JTAG調(diào)試單元(U107) 、Flash存儲模塊(U105) 、USB驅(qū)動電路和USB接口 (U106) 、UART驅(qū)動 電路和UART接口 (U108)所組成；電源模塊提供+5V、+3. 3V兩種直流電壓；復(fù)位模塊輸出一 個低電平脈沖，驅(qū)動CPU微控制器進(jìn)行初始化開始工作；CPU微控制器首先配置Zigbee無 線通訊模塊，進(jìn)行各功能寄存器初始化，并在2. 4GHz頻率選擇自己工作信道，通過Zigbee 無線通訊模塊的天線接口發(fā)出入網(wǎng)申請信息，進(jìn)行臨近無線網(wǎng)絡(luò)的搜尋，搜到后進(jìn)行入網(wǎng) 登記；然后CPU微控制器不停監(jiān)聽Zigbee無線通訊模塊的接收信道是否有信息從天線接 口進(jìn)來，當(dāng)有信息進(jìn)來，首先判斷是否要將信息保存到Flash模塊還是需要轉(zhuǎn)發(fā)，如果要保 存，則CPU微控制器將接收到的信息保存到Flash模塊，如果需要轉(zhuǎn)發(fā)，則CPU微控制器將 接收到的信息通過Zigbee無線通訊模塊的發(fā)送信道將信息轉(zhuǎn)發(fā)給ID號臨近的Zigbee無 線通訊模塊洞時，CPU微控制器采用中斷方式通過USB驅(qū)動電路和UART驅(qū)動電路監(jiān)聽USB 接口模塊與UART接口模塊是否需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，如果需要，則通過CPU微控制器控制各自的驅(qū)動電路完成數(shù)據(jù)傳輸；當(dāng)整個無線網(wǎng)卡裝置需要進(jìn)行軟件程序升級，則通過JTAG調(diào) 試單元完成代碼的升級和調(diào)試； 附圖2是本實用新型整體電路原理圖，所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng) 關(guān)裝置的連接關(guān)系如下； CPU微控制器芯片U104，管腳38、39、40分別連接到Zigbee無線通訊模塊U103的 管腳10、8、7上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，U104管腳37連接到Zigbee 無線通訊模塊U103的管腳14提供RESET復(fù)位信號電平； CPU微控制器芯片U104的管腳36、35、34分別連接到Flash存儲模塊U105的管腳 8、1、2上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)存儲的控制，U104管腳33連接到U105的管腳 4提供片選電平，U104管腳32連接到U105的管腳5提供讀寫控制電平； CPU微控制器芯片U104的管腳7、8、9、12分別連接到USB驅(qū)動接口芯片U106的管 腳4、3、2、 1上，其中管腳8、9分別為USB數(shù)據(jù)信號線D+和D-，采用芯片內(nèi)部程序控制實現(xiàn) USB通信接口的驅(qū)動； CPU微控制器芯片的管腳5、6分別連接到UART串行通信驅(qū)動接口芯片U108的管 腳15、13上，然后經(jīng)U108的管腳9、16連接到串行接口 DB9排針的管腳2、3上實現(xiàn)UART的 通信驅(qū)動； CPU微控制器芯片U104的管腳47、48連接晶體振蕩器； U107為CPU微控制器芯片程序在線調(diào)試JTAG接口電路，U107管腳4連接到CPU微 控制器芯片U104的管腳14提供掃描數(shù)據(jù)傳輸，U107管腳7連接到CPU微控制器芯片U104 的管腳13提供掃描數(shù)據(jù)的讀取時鐘； R106、C113構(gòu)成RC低通復(fù)位電路，S101為手動復(fù)位按鍵， 一端連接到地端， 一端連 接到CPU微控制器芯片U104的管腳13提供上電低電平復(fù)位信號； 電源模塊芯片U102的管腳1連接到微控制器U104管腳41輸出端，進(jìn)行電源輸出 管理控制，管腳5給U103、U104、U105、U107、U108芯片供電。 本實用新型所述的CPU微控制器采用與8051兼容的CIP-51內(nèi)核芯片C8051F340， 3. 3供電、Zigbee無線通訊模塊采用DTD243A芯片，Zigbee無線通訊電路采用符合 IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品無線收發(fā)器CC2430，自帶天線接口電路、電源模塊采 用LM2576. 5和LP3966-ADJ芯片、JTAG調(diào)試單元采用HEADER5X2芯片、Flash存儲模塊采用 AT45DB161D芯片、USB驅(qū)動電路和USB接口采用CH374芯片、UART驅(qū)動電路和UART接口采 用SP3223芯片，，采用標(biāo)準(zhǔn)UART接口與MCU連接。 附圖3是軟件控制流程圖。本實用新型的硬件電路的整體控制思路通過軟件流程 體現(xiàn)，主要完成無線網(wǎng)關(guān)裝置的入網(wǎng)登陸、退網(wǎng)，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收、轉(zhuǎn)發(fā)功能，同時完成局域 網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)延伸功能，使得整個網(wǎng)絡(luò)線性擴展，實現(xiàn)基于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)局域 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)關(guān)完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理和采集。 其工作過程為，首先上電后開始執(zhí)行初始化程序，完成各功能模塊的狀態(tài)初始化； 然后檢測整個網(wǎng)關(guān)裝置的電池電量，如果電量低于臨界值，保存采集的傳感器數(shù)據(jù)，并關(guān)閉 Zigbee無線通訊模塊進(jìn)行電量不足聲光報警。如果電量大于臨界值，則繼續(xù)進(jìn)行工作。 接著開始判斷是否登陸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志，沒有登陸則向ID號加1或減1的臨近模塊請求 入網(wǎng)，并保存采集的傳感器數(shù)據(jù)準(zhǔn)備處理。當(dāng)判斷到采集的傳感器數(shù)據(jù)緩存滿或有數(shù)據(jù)需
6要轉(zhuǎn)發(fā)，則向ID號加1或減1的臨近模塊請求數(shù)據(jù)傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送成功后返回繼續(xù)判斷網(wǎng) 絡(luò)狀態(tài)和采集傳感器數(shù)據(jù)，未成功設(shè)置錯誤發(fā)送標(biāo)志等待向臨近模塊再次發(fā)送。
權(quán)利要求一種用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置，其特征在于是由CPU微控制器(U104)、Zigbee無線通訊模塊(U103)、電源模塊(U101、U102)、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試單元(U107)、Flash存儲模塊(U105)、USB驅(qū)動電路和USB接口(U106)、UART驅(qū)動電路和UART接口(U108)所組成；電源模塊提供+5V、+3.3V兩種直流電壓；所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置的連接關(guān)系如下；CPU微控制器芯片U104，管腳38、39、40分別連接到Zigbee無線通訊模塊U103的管腳10、8、7上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)收發(fā)的控制，U104管腳37連接到Zigbee無線通訊模塊U103的管腳14提供RESET復(fù)位信號電平；CPU微控制器芯片U104的管腳36、35、34分別連接到Flash存儲模塊U105的管腳8、1、2上，采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)存儲的控制，U104管腳33連接到U105的管腳4提供片選電平，U104管腳32連接到U105的管腳5提供讀寫控制電平；CPU微控制器芯片U104的管腳7、8、9、12分別連接到USB驅(qū)動接口芯片U106的管腳4、3、2、1上，其中管腳8、9分別為USB數(shù)據(jù)信號線D+和D-，采用芯片內(nèi)部程序控制實現(xiàn)USB通信接口的驅(qū)動；CPU微控制器芯片的管腳5、6分別連接到UART串行通信驅(qū)動接口芯片U108的管腳15、13上，然后經(jīng)U108的管腳9、16連接到串行接口DB9排針的管腳2、3上實現(xiàn)UART的通信驅(qū)動；CPU微控制器芯片U104的管腳47、48連接晶體振蕩器；U107為CPU微控制器芯片程序在線調(diào)試JTAG接口電路，U107管腳4連接到CPU微控制器芯片U104的管腳14提供掃描數(shù)據(jù)傳輸，U107管腳7連接到CPU微控制器芯片U104的管腳13提供掃描數(shù)據(jù)的讀取時鐘；R106、C113構(gòu)成RC低通復(fù)位電路，S101為手動復(fù)位按鍵，一端連接到地端，一端連接到CPU微控制器芯片U104的管腳13提供上電低電平復(fù)位信號；電源模塊芯片U102的管腳1連接到微控制器U104管腳41輸出端，進(jìn)行電 源輸出管理控制，管腳5給U103、U104、U105、U107、U108芯片供電。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置，其特征在于所述 的CPU微控制器采用與8051兼容的CIP-51內(nèi)核芯片C8051F340，3. 3供電、Zigbee無線通 訊模塊采用DTD243A芯片、電源模塊采用LM2576. 5和LP3966-ADJ芯片、JTAG調(diào)試單元采 用HEADER5X2芯片、Flash存儲模塊采用AT45DB161D芯片、USB驅(qū)動電路和USB接口采用 CH374芯片、UART驅(qū)動電路和UART接口采用SP3223芯片。
專利摘要本實用新型所述的用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)線性組網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)裝置，是由CPU微控制器、Zigbee無線通訊模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、JTAG調(diào)試單元、Flash存儲模塊、USB驅(qū)動電路和USB接口、UART驅(qū)動電路和UART接口所組成。本實用新型的目的是設(shè)計一種可以通過網(wǎng)關(guān)裝置自身電路和協(xié)議完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的線性組網(wǎng)、可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)包快速有效的延伸接力傳輸?shù)目蛇h(yuǎn)程管理控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)裝置。
文檔編號H04W88/16GK201550285SQ20092001457
公開日2010年8月11日 申請日期2009年6月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月11日
發(fā)明者張麗艷, 曾潔, 李桂林, 鄒娟, 陳少華 申請人:大連交通大學(xué)