專利名稱：基于wsn、gprs和gps的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于WSN、GPRS和GPS網(wǎng)絡(luò)相融合的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，主要用于遠(yuǎn)程WSN監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸。
背景技術(shù)：
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信以其廉價、方便、覆蓋范圍廣和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)， 彌補(bǔ)了有線通信的不足。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸大多是以鋪設(shè)電纜、光纖等有線方式實(shí)現(xiàn)，具有傳輸穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸速率高等優(yōu)點(diǎn)。但是在環(huán)境惡劣、位置偏僻、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目較多的地區(qū)， 采用有線傳輸方式顯然不合適。移動通信技術(shù)是當(dāng)前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛和最前沿的通信領(lǐng)域之一，隨著移動通信技術(shù)在國內(nèi)的迅速發(fā)展，移動通信網(wǎng)絡(luò)除了提供基本的語音業(yè)務(wù)服務(wù)之外，還提供了豐富的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)。目前，利用覆蓋良好的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)成為許多行業(yè)進(jìn)行遠(yuǎn)程信息監(jiān)測的重要手段。GPRS (General Packet Radio Service)，即通用無線分組服務(wù)業(yè)務(wù)，在原有的 GSM 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上增加 GGSN(Gateway GPRS Supporting Node)禾口 SGSN(Serving GPRS Supporting Node)等實(shí)體，是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，提供端到端的、廣域的無線IP連接。GPRS介于第二代QG)和第三代(3G)移動通訊技術(shù)之間，通常被稱為 2. 5G，它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)有(1)覆蓋范圍廣，GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上改造升級的，可以充分利用全國范圍的電信網(wǎng)，提供方便、低成本的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)接入方案。(2)永遠(yuǎn)在線，一旦與指定中心建立通信連接后，隨時可以收發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，終端仍然與網(wǎng)絡(luò)保持連接狀態(tài)。(3)接入時間短，分組交換接入時間小于1秒，能提供快速及時的連接，可以大幅度提高一些事物(如遠(yuǎn)程監(jiān)控)的實(shí)時性。(4)按流量計(jì)費(fèi)，只有在GPRS用戶發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時才計(jì)費(fèi)，而沒有數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，僅保持在線狀態(tài)時不計(jì)費(fèi)。(5)采用分組交換技術(shù)，僅在實(shí)際發(fā)送和接收時才占用網(wǎng)絡(luò)資源，可以實(shí)現(xiàn)信道的共享，提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率。(6)支持標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，可以與IP網(wǎng)和X. 25網(wǎng)互聯(lián)。隨著WSN應(yīng)用的逐漸成熟，對于地理位置偏僻、采用有線方式施工困難、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目較多的對象的監(jiān)測，往往采用WSN的形式實(shí)現(xiàn)。由于WSN采用短距離通信技術(shù)，因此，單純的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)只能夠?qū)崿F(xiàn)局部區(qū)域數(shù)據(jù)的采集和傳輸。要想實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對監(jiān)測對象的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還需要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與hternet網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。 同時，為了能夠保證WSN各個節(jié)點(diǎn)采集的信息在時間上能夠保持一致，還需要通過從GPS模塊中提取時間信息對節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一設(shè)置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了彌補(bǔ)有線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的不足，提供了一種基于GPRS、WSN和GPS的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。該設(shè)備主要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將WSN監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時，實(shí)現(xiàn)把遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)出的控制命令傳送給WSN監(jiān)測區(qū)域中的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心對監(jiān)測對象實(shí)時、有效的監(jiān)控。本發(fā)明為了實(shí)現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案一種基于GPRS、WSN和GPS的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，系統(tǒng)主要包括GPRS射頻模塊， ZigBee射頻模塊，GPS模塊，32位ARM處理器和電源管理模塊。其中，ARM處理器成為各模塊之間相連的紐帶，ARM處理器通過UARTl與GPRS射頻模塊相連，通過SPI與ZigBee射頻模塊相連，通過UARTO與GPS模塊相連。為了提高設(shè)備的可靠性，保證大數(shù)據(jù)量的可靠轉(zhuǎn)發(fā)， 系統(tǒng)中還包括NAND FLASH存儲器，它通過并行I/O接口直接與ARM處理器相連。其中，ARM處理器主要完成數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，其外圍電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、UART接口電路和存儲電路。GPRS模塊要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳輸功能，其外圍電路主要包括啟動電路、SIM卡電路、通信接口電路和狀態(tài)指示燈電路。ZigBee模塊要實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的短距離通信，其外圍電路主要包括下載電路、指示燈電路。GPS模塊則要實(shí)現(xiàn)時間校準(zhǔn)功能。電源管理模塊要為各模塊提供所需要的電壓和電流。整個系統(tǒng)采用二級降壓的方式設(shè)計(jì)，一級壓降采用開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片輸出5V電壓，為GPRS模塊提供驅(qū)動電壓和電流， 模塊有規(guī)定的電壓波動范圍和尖峰電流，所以要求一級輸出電壓波動在規(guī)定范圍內(nèi)，且電流要大于尖峰電流，二級壓降采用線性電源轉(zhuǎn)換芯片，分別輸出3. 3V和1.8V電壓，主要為 ARM處理器和ZigBee模塊提供驅(qū)動電壓，這兩個模塊也有規(guī)定的電壓波動范圍，所以要求二級輸出電壓波動要在規(guī)定的范圍內(nèi)。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用公眾移動網(wǎng)絡(luò)與短距離無線自組織網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了無線長距離大數(shù)據(jù)量傳輸，為環(huán)境惡劣、位置偏僻、監(jiān)測點(diǎn)數(shù)目較多的地區(qū)監(jiān)測信息的傳輸提供了一種低成本，可靠的傳輸方式；同時，通過GPS模塊獲取時間信息， 很好地解決了監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的時間同步問題。


圖1是本發(fā)明的應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。圖2是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)連接圖。圖3是本發(fā)明的處理器管腳分配圖。圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)上行和下行傳遞的示意圖。圖5是本發(fā)明的電源管理模塊電路原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。圖1所示為本發(fā)明的應(yīng)用系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖。主要由WSN監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，基于WSN、GPRS 和GPS的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備和監(jiān)控中心組成。WSN監(jiān)測節(jié)點(diǎn)把采集到的數(shù)據(jù)通過WSN網(wǎng)絡(luò)以多跳的方式傳遞給無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備主要負(fù)責(zé)連接WSN網(wǎng)絡(luò)和 hternet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息在兩個不同的網(wǎng)絡(luò)之間有效、無差錯的傳遞。無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到具有獨(dú)立IP地址和端口號的遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析和顯示，從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測；同時，監(jiān)控中心還可以對遠(yuǎn)程監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集參數(shù)的設(shè)置和查詢。圖2是本發(fā)明的硬件結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖。從圖中可以很容易看出各模塊之間的連結(jié)關(guān)系，簡單介紹一下各模塊的選用原則(1)處理器選擇由于GPRS無線數(shù)據(jù)終端需要運(yùn)行較為復(fù)雜的操作系統(tǒng)和協(xié)議棧，因此對于處理器的性能要求較高。同時為了任務(wù)能實(shí)時處理，處理器中要移植有μ C/ OS-II操作系統(tǒng)，處理器的運(yùn)算速度要求至少達(dá)到ARM7的水平，而操作系統(tǒng)和協(xié)議棧的代碼容量較大，要選擇FLASH程序存儲器的容量要大，例如實(shí)驗(yàn)的代碼容量為80KB左右，選擇 FLASH程序存儲器要至少U8KB，有利于以后功能的擴(kuò)展。為了能較好的運(yùn)行操作系統(tǒng)和協(xié)議棧，需要的片內(nèi)RAM也不能太小，且在GPRS無線帶寬允許的情況下，發(fā)送的速度越快，所需要的緩存越大，要選用32KB以上的RAM。處理器的GPIO 口的數(shù)量至少為32個，操作電壓為3. 3V，并要求串口和SPI以及SSP的總數(shù)量要大于等于3。目前，32位的ARM處理器在市場上已經(jīng)非常流行，具有高性能和低功耗等特點(diǎn)，具有較高的性價比。可以選用PHILIPS公司生產(chǎn)的32位ARM處理器LPC2106作為系統(tǒng)的主控單元。(2)存儲器選擇由于GPRS數(shù)據(jù)終端需要發(fā)送的數(shù)據(jù)量較大，并且GPRS網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，所以需要一個較大的數(shù)據(jù)存儲空間，即使在GPRS數(shù)據(jù)終端掉線或者斷電的情況下，數(shù)據(jù)也能夠被完整的保存下來，從而保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。目前主流的外部存儲器有NOR 型FLASH和NAND型FLASH。但NOR型FLASH相對于NAND型FLASH存在存儲容量小、寫入速度慢、價格昂貴等缺點(diǎn)，所以選用NAND型FLASH，但NAND型FLASH中存在壞塊，編程時要先定義壞塊映射表，這是使用此種FLASH必須注意的事項(xiàng)。可以選用SAMSUNG公司生產(chǎn)的 NAND FLASH K9F1G08U0B，其容量為132MB，分為IOM塊，每塊64頁，每頁大小為(2K+64)字節(jié)。頁編程時間為200us，塊擦除時間為1. 5ms，字節(jié)讀取時間為25ns，滿足了應(yīng)用要求。(3) GPRS模塊選擇現(xiàn)在運(yùn)行的通信網(wǎng)絡(luò)主要有GSM、GPRS、EDGE、CDMA、3G，但3G 網(wǎng)絡(luò)和覆蓋范圍還不足，但GPRS網(wǎng)絡(luò)則是基本成熟，而且現(xiàn)在GPRS射頻模塊主要分為2. 5G 和3G兩種，為了保持通用性，最好選用2. 5G(GPRS)，但要求高傳輸速度可以選用3G射頻模塊，前提是要在3G網(wǎng)的覆蓋范圍內(nèi)，傳輸速率則是決定于模塊注冊入哪個網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在應(yīng)用中2. 5G的模塊在GPRS網(wǎng)絡(luò)中傳輸速度下載最大速度為SOlcbps左右，上載最大速度為 40kbps左右。GPRS模塊有的內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧，也有不集成協(xié)議棧的，集成協(xié)議棧的模塊開發(fā)較容易，用AT指令來控制非常方便，但價格較貴；不集成協(xié)議棧的模塊開發(fā)較難， 需要自己編寫TCP/IP協(xié)議棧，但價格相對便宜?？梢赃x用SIEMENS公司生產(chǎn)的工業(yè)級射頻模塊MC55，其內(nèi)部集成協(xié)議棧，開發(fā)容易，運(yùn)行穩(wěn)定，價格也相對適中。(4)ZigBee模塊選擇為了能形成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，要求模塊支持IEEE802. 15. 4協(xié)議，同時為以后軟件升級，則需要模塊最好能支持到ZigBee PRO協(xié)議；為了便于開發(fā)和二次開發(fā)，編程語言選擇現(xiàn)行普遍熟悉的C語言；為了方便使用，要求模塊的集成度要高，外部接口要有常用的接口如SPI、UART、I2C、A/D、D/A、定時器等?？紤]到內(nèi)部處理器中要運(yùn)行操作系統(tǒng)，選用32位的內(nèi)部處理器，而且需要的程序FLASH要大于128K，以滿足大程序的
5存儲要求，同時為了處理器運(yùn)行程序流暢，則其內(nèi)部RAM要在64K以上?？梢赃x用Jermic 公司生產(chǎn)的工業(yè)級JN5148模塊。(5)GPS模塊選擇GPS模塊主要用來校準(zhǔn)時間，并不完成其它功能，所以要求模塊必需具有時間功能，且要求有一個串口或者SPI 口，供處理器與其通信。可以選用臺灣鼎天 RoyalTek 的 GPS 模塊 REB-3571LP。圖3是本發(fā)明的處理器管腳分配圖。主要分成四部分MC55、JN5148、GPS和FLASH。 MC55分配有7個I/O 口，通過串口 1與LPC2106進(jìn)行通信，R)(D和T)(D分別為串口的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送信號線，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，硬件握手CTS和RTS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和錯誤重發(fā)功能； 由于R)(D，CTS, RING引腳在POWER DOWN模式處于高阻狀態(tài)，因此使用150k的下拉電阻保證MC55模塊的安全性。JN5148分配有4個I/O 口，通過SPI與LPC2106通信，且4個I/O 口是連續(xù)的，便于程序編寫，MISO和MOSI負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸，SPICLK控制數(shù)據(jù)傳送的同步時鐘。FLASH分配有14個I/O 口，通過并行I/O 口與LPC2106相連，共有6個控制口和8個數(shù)據(jù)口，為了方便程序的編寫，LPC2106使用連續(xù)的8個GPIO 口與K9F1G08U0B的100 107 通信。由于GPS模塊只是定時讀取時間信息，所以分配的I/O 口較少，僅有2個I/O 口，只需要通過串口 0的T)(D0和RXDO來傳遞時間信息。圖4是本發(fā)明的數(shù)據(jù)上行和下行傳遞的示意圖。主要是數(shù)據(jù)和命令傳輸，分為上行和下行兩個過程作簡要介紹上行過程就是各節(jié)點(diǎn)把采集的數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)的過程。各節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)的分組，并按數(shù)據(jù)幀的格式進(jìn)行打包處理，依照ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳遞到網(wǎng)關(guān)上的 ZigBee模塊(JN5148)，傳來的數(shù)據(jù)直接通過SPI 口傳到處理器的緩存中，ARM處理器對傳來的數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)正確則存入并口 FLASH(K9F1G08U0B)中，如果不正確則丟棄此數(shù)據(jù)包，等數(shù)據(jù)包累計(jì)處理10個后，處理器會從FLASH中讀取數(shù)據(jù)，并通過串口 1發(fā)送到GPRS模塊(MC55)，GPRS模塊要把來自處理器的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行整體打包，然后才能發(fā)送出去；另外有一些命令的回應(yīng)幀，處理器會自動分辨，且在校驗(yàn)完成后立即發(fā)給 GPRS模塊，經(jīng)GPRS模塊發(fā)送出去。由于在各模塊正常工作之前，監(jiān)控中心和GPRS模塊已經(jīng)建立了一條通路(為了確保此通路一直處于連通狀，監(jiān)控中心會定時發(fā)送查詢命令給GPRS 模塊，GPRS模塊會對此命令作出回應(yīng)，則可以說明線路處于連通狀態(tài)，否則不連通)，每個數(shù)據(jù)包按照TCP/IP協(xié)議可以準(zhǔn)確找到監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)就可以順利的傳到監(jiān)控中心中，并保存于數(shù)據(jù)庫中，方便隨時查看數(shù)據(jù)。下行過程就是上位機(jī)給節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令的過程。監(jiān)控中心將要發(fā)送的命令打包成命令幀格式，發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊接收到數(shù)據(jù)立即傳送給處理器，處理器將命令幀做簡單處理，就發(fā)送給ZigBee模塊，ZigBee模塊對命令幀進(jìn)行解析，找出命令幀發(fā)送的目的地址和命令，依照ZigBee協(xié)議將命令傳送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。同時如果上位機(jī)發(fā)送的是時間校準(zhǔn)命令，處理器就會讀取GPS模塊的時間信息，并將其加到命令幀中再發(fā)給ZigBee模塊，然后ZigBee模塊解析出時間信息再發(fā)送給節(jié)點(diǎn)，接收到命令的節(jié)點(diǎn)會立即做出相應(yīng)的回應(yīng)。圖5是本發(fā)明的電源管理模塊電路原理圖。LM2576-5. OHVS是NS公司生產(chǎn)的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片，它具有可靠的工作性能，較高的工作效率和較強(qiáng)的輸出電流驅(qū)動能力。它的輸入電壓范圍為7V 60V，最大穩(wěn)壓誤差為4%，最大輸出電流達(dá)3A，震蕩頻率為52KHz， 工作溫度_40°C +125°C，電源轉(zhuǎn)換效率在75% 88%之間。LPC2106需要雙電壓供電內(nèi)核電源為1. 8V，專門針對該器件的內(nèi)部邏輯電路供電；I/O電源為3. 3V，這樣可以很方便的與外部低壓器件連接，無需添加電平轉(zhuǎn)換器件。由于二級壓降較小，同時考慮波紋干擾和設(shè)計(jì)復(fù)雜度等因素，所以，二級壓降采用線性電源轉(zhuǎn)換芯片。系統(tǒng)分別采用TI公司生產(chǎn)的 REGl 117-3. 3和REGl 117-1. 8將5V電壓降為3. 3V和1. 8V，二者的最大電壓輸出誤差均為 1%, REGl 117-3. 3的最大輸出電流為800mA, REGl 117—1. 8的最大輸出電流為IA0
權(quán)利要求
1. 一種基于GPRS、WSN和GPS的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，其特征在在于，該設(shè)備包括GPRS射頻模塊，ZigBee射頻模塊，GPS模塊，32位ARM處理器和電源管理模塊；其中，ARM處理器成為各模塊之間相連的紐帶，ARM處理器通過UARTl與GPRS射頻模塊相連，通過SPI與ZigBee 射頻模塊相連，通過UARTO與GPS模塊相連；設(shè)備中還包括NAND FLASH存儲器，它通過并行 I/O接口直接與ARM處理器相連；其中，ARM處理器主要完成數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)，其外圍電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、UART接口電路和存儲電路；GPRS模塊要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)和命令的傳輸功能，其外圍電路主要包括啟動電路、SIM卡電路、 通信接口電路和狀態(tài)指示燈電路；ZigBee模塊要實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的短距離通信，其外圍電路主要包括下載電路、指示燈電路；GPS模塊則要實(shí)現(xiàn)時間校準(zhǔn)功能；電源管理模塊要為各模塊提供所需要的電壓和電流，整個系統(tǒng)采用二級降壓的方式設(shè)計(jì)，一級壓降采用開關(guān)電源轉(zhuǎn)換芯片輸出5V電壓，為GPRS模塊提供驅(qū)動電壓和電流，電流要大于尖峰電流，二級壓降采用線性電源轉(zhuǎn)換芯片，分別輸出3. 3V和1. 8V電壓。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于WSN、GPRS和GPS的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，系統(tǒng)主要包括GPRS射頻模塊，ZigBee射頻模塊，GPS模塊，32位ARM處理器和電源管理模塊。其中，ARM處理器成為各模塊之間相連的紐帶，ARM處理器通過UART1與GPRS射頻模塊相連，通過SPI與ZigBee射頻模塊相連，通過UART0與GPS模塊相連。另外，為了提高設(shè)備的可靠性，保證大數(shù)據(jù)量的可靠轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)中還可以包括NAND FLASH存儲器，它通過并行I/O接口直接與ARM處理器相連。該設(shè)備方便了遠(yuǎn)程WSN監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸，提高了WSN數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，?jié)約了設(shè)計(jì)成本，提高了系統(tǒng)的抗干擾性，同時利用GPS模塊保證了數(shù)據(jù)信息的時間同步。
文檔編號H04L29/08GK102196601SQ20111007299
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月24日
發(fā)明者劉萬祿, 吳建星, 王則陸, 王立鼎, 金仁成 申請人:大連理工大學(xué)