一種支持多頻段和多通信方式的wsn網(wǎng)關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種支持多種頻段和多種通信方式的WSN網(wǎng) 關(guān)，特別是一種下行鏈路支持四種頻段上行鏈路支持S種通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)。
【背景技術(shù)】
[0002] 網(wǎng)關(guān)在無(wú)線通信通信技術(shù)發(fā)展中扮演著重要角色，無(wú)線數(shù)據(jù)采集與信息傳輸過(guò)程 中設(shè)及到不同結(jié)構(gòu)類型協(xié)議找的現(xiàn)場(chǎng)總線，而網(wǎng)關(guān)就是在采用不同協(xié)議的現(xiàn)場(chǎng)總線之間進(jìn) 行互相通信時(shí)提供數(shù)據(jù)交換和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能的設(shè)備。傳統(tǒng)的控制設(shè)備可W通過(guò)網(wǎng)關(guān)與W太 網(wǎng)W及其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相連，而無(wú)需考慮與其余異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的兼容問(wèn)題。它實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)間 數(shù)據(jù)的透?jìng)?，同時(shí)網(wǎng)關(guān)也為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信提供了有效的安全保護(hù)措施，從而保證信息傳遞 的安全性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線網(wǎng)關(guān)做了大量研究，并且隨著通信技術(shù)不斷發(fā)展，各個(gè)行業(yè)領(lǐng) 域?qū)W(wǎng)關(guān)的需求也在逐年增大。
[0003] 日本化kogawa電子有限公司設(shè)計(jì)了一種支持HART和Mo化US協(xié)議的ISAlOO.a無(wú)線 適配器網(wǎng)關(guān)，由于該網(wǎng)關(guān)的設(shè)備類型管理器使用FDT技術(shù)，在不進(jìn)行協(xié)議修改的條件下可W 實(shí)現(xiàn)常規(guī)設(shè)備間通信，并能在抑T應(yīng)用程序框架中配置運(yùn)些設(shè)備。
[0004] 英國(guó)Warwick大學(xué)設(shè)計(jì)了一款用于無(wú)線車載網(wǎng)路的網(wǎng)關(guān)設(shè)備，該網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙 與CAN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，由于采用了無(wú)線通信技術(shù)，車輛中日益增加的傳感器數(shù)量所帶 來(lái)的復(fù)雜性問(wèn)題得到了有效解決。
[0005] 重慶郵電學(xué)大學(xué)給出了 EPA工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線與基于WIA-PA協(xié)議的無(wú)線傳感網(wǎng)的協(xié)議 轉(zhuǎn)換模型，并設(shè)計(jì)了EPA與WIA-PA互聯(lián)的網(wǎng)關(guān)裝置，既可W保留現(xiàn)場(chǎng)總線控制網(wǎng)絡(luò)，又實(shí)現(xiàn) 了無(wú)線傳感網(wǎng)的接入，并通過(guò)減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量從而延長(zhǎng)無(wú)線傳感網(wǎng)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的電池使 用壽命。
[0006] 中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所設(shè)計(jì)一款用于工業(yè)廢水處理的網(wǎng)關(guān)，它能將WIA-PA傳感 網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的廢水處理信息通過(guò)W太網(wǎng)上傳至監(jiān)控室，并且還具有低功耗優(yōu)勢(shì)。
[0007] W上運(yùn)些典型網(wǎng)關(guān)都滿足具體的試用場(chǎng)合，但隨著網(wǎng)關(guān)適用領(lǐng)域不斷增加和發(fā) 展，現(xiàn)場(chǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)種類將變得更繁雜，監(jiān)測(cè)環(huán)境會(huì)更加復(fù)雜，上述網(wǎng)關(guān)通信方式比較單 一，或是面向特定場(chǎng)合的專用品，并不能同時(shí)滿足更多種類的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的相互通信和 更多場(chǎng)合的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[000引有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng) 關(guān)下行鏈路支持433MHz、470MHz、780MHz、2.4G頻段，上行通信方式支持3G、WiFi和W太網(wǎng)； 該網(wǎng)關(guān)能夠穩(wěn)定地將各種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)體系的集中控 制與管理。
[0009] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0010] -種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)下行鏈路支持四種頻段上行鏈 路支持=種通信方式，所述四種頻段包括433MHz、470MHz、780MHz、2.4G，所述=種通信方式 包括3G、WiFi和W太網(wǎng)；
[0011] 所述網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)包括四個(gè)單元:外網(wǎng)接入單元、主控制單元、WSN射頻接入單 元和電源管理單元;所述外網(wǎng)接入單元主要包括3G、WiFi和W太網(wǎng)，作用是將無(wú)線傳感網(wǎng)的 數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)=種不同的傳輸路徑上傳到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控， 同時(shí)上位機(jī)也能直接訪問(wèn)并控制無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn);所述主控制單元作為網(wǎng)關(guān)里核屯、單 元，處理網(wǎng)關(guān)中各種協(xié)議類型的數(shù)據(jù)包，完成系統(tǒng)調(diào)度、管理和控制;所述WSN射頻接入單元 由433MHz、470MHz、780MHz和2.4G化頻段無(wú)線射頻模塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)四種頻段的組網(wǎng)，W及對(duì) 節(jié)點(diǎn)設(shè)備的管理與數(shù)據(jù)交互;所述電源管理單元負(fù)責(zé)為整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供可持續(xù)、穩(wěn)定的 工作電源。
[0012] 進(jìn)一步，所述WSN射頻接入單元中的無(wú)線射頻模塊接入采用兩種方式:一種是單射 頻忍片方式，其采用主控單元S3C2440A的SPI1 口直接與射頻忍片相連，由S3C2440A忍片直 接對(duì)射頻忍片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；另一種是由微控制器與射頻忍片構(gòu)成的射頻模塊W串口形式接入 主控單元。
[0013] 進(jìn)一步，所述WSN射頻接入單元包括433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz四種頻段，所 述433MHz射頻接收模塊通過(guò)主控模塊的UARTl與其建立數(shù)據(jù)通信，所述470MHz、780MHz兩頻 段射頻接收模塊通過(guò)串口擴(kuò)展忍片GM8142將主控單元的SPIO擴(kuò)展成兩路串口建立數(shù)據(jù)通 信，所述2.4G射頻接收模塊通過(guò)主控模塊的SPI1 口建立數(shù)據(jù)通信。
[0014] 進(jìn)一步，所述多種通信方式包括3G通信、WiFi通信和W太網(wǎng)通信，所述3G通信和 WiFi通信，其建立通信方式是將主控模塊的一路USB接口通過(guò)USB擴(kuò)展忍片擴(kuò)展四路接口， 選擇其中兩路與3G和WiFi建立通信連接;所述W太網(wǎng)通信模塊其構(gòu)成包括DM9000AE網(wǎng)口忍 片、HS9016網(wǎng)絡(luò)變壓器、RJ45通用接口 W及濾波隔離電路，信號(hào)線采用差分信號(hào)。
[0015] 本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明針對(duì)目前大多數(shù)網(wǎng)關(guān)信息監(jiān)控能力較弱、通信方 式單一、交互性不強(qiáng)等問(wèn)題，提供一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)下行鏈 路支持433MHz、470MHz、780MHz、2.4G頻段，上行通信方式支持3G、WiFi和W太網(wǎng)；該網(wǎng)關(guān)能 夠穩(wěn)定地將各種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)體系的集中控制與管 理。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行 說(shuō)明：
[0017] 圖1為無(wú)線網(wǎng)關(guān)的總體硬件結(jié)構(gòu)圖；
[001引圖2為主控單元；
[0019] 圖3為電源供電模塊電路；
[0020] 圖4為網(wǎng)關(guān)總體軟件設(shè)計(jì)；
[0021 ]圖5為射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程；
[0022] 圖6為射頻模塊接收數(shù)據(jù)流程：
[0023] 圖7為微處理串口接口讀取數(shù)據(jù)流程；
[0024] 圖8為進(jìn)程通信與套接字之間的聯(lián)系；
[0025] 圖9為該網(wǎng)關(guān)的單元結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0027] 圖9為該網(wǎng)關(guān)的單元結(jié)構(gòu)框圖，如圖所示，該網(wǎng)關(guān)的硬件平臺(tái)包括四個(gè)單元:外網(wǎng) 接入單元、主控制單元、WSN射頻接入單元和電源管理單元;所述外網(wǎng)接入單元主要包括3G、 WiFi和W太網(wǎng)，作用是將無(wú)線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)運(yùn)=種不同的傳輸路徑上傳到上位機(jī)，實(shí) 現(xiàn)對(duì)無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)上位機(jī)也能直接訪問(wèn)并控制無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)的節(jié) 點(diǎn);所述主控制單元作為網(wǎng)關(guān)里核屯、單元，處理網(wǎng)關(guān)中各種協(xié)議類型的數(shù)據(jù)包，完成系統(tǒng)調(diào) 度、管理和控制;所述WSN射頻接入單元由433MHz、470MHz、780MHz和2.4G化頻段無(wú)線射頻模 塊構(gòu)成，負(fù)責(zé)四種頻段的組網(wǎng)，W及對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的管理與數(shù)據(jù)交互;所述電源管理單元負(fù)責(zé) 為整個(gè)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供可持續(xù)、穩(wěn)定的工作電源。
[0028] 圖1為無(wú)線網(wǎng)關(guān)的總體硬件結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，多頻段多種通信方式的無(wú)線智能網(wǎng) 口模塊，其硬件結(jié)構(gòu)包括JTAG電路單元、串口調(diào)試接口電路單元、433MHz、470MHz、780MHz和 2.4G化射頻模塊的接入電路單元、3G模塊接入電路單元、W太網(wǎng)電路單元、串口擴(kuò)展電路單 元、USB擴(kuò)展電路單元和電源管理電路單元。
[0029] JTAG接口電路設(shè)計(jì):JTAG的基本原理是利用器件內(nèi)部的測(cè)試工具使外部程序通過(guò) S3C2440A微處理器里的嵌入式ICE單元對(duì)該處理器進(jìn)行調(diào)試。本設(shè)計(jì)中JTAG調(diào)試小板的5、 7、9和11引腳分別接JTAG的TCK、TDI、TMS和TDO管腳。
[0030] 串口電路單元設(shè)計(jì):本網(wǎng)關(guān)除了使用JTAG對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)試外，也支持通過(guò)RS323串 口對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行調(diào)試。在通過(guò)串口與網(wǎng)關(guān)通信時(shí)，需設(shè)置串口通信的波特率、停止位和奇偶校 驗(yàn)位。RS232接口標(biāo)準(zhǔn)主要有DB9和DB25兩種，本發(fā)明采用DB9接口，另外，網(wǎng)關(guān)不能與直接計(jì) 算機(jī)進(jìn)行串口通信，網(wǎng)關(guān)的串口通信電平類型為TTL，電壓范圍是0~3.3V，而計(jì)算機(jī)串口使 用RS232電平，電壓范圍為-12V~+12V，因此需使用電平轉(zhuǎn)換忍片將RS232電平與TTL電平進(jìn) 行轉(zhuǎn)換，在本實(shí)施例中，電平轉(zhuǎn)換忍片采用美信公司生產(chǎn)的MAX3232CSE串口忍片。
[0031] W太網(wǎng)通信電路單元設(shè)計(jì):本發(fā)明中W太網(wǎng)電路的控制忍片采用DM9000AEW太網(wǎng) 忍片，并配備網(wǎng)絡(luò)電壓隔離忍片服9016和標(biāo)準(zhǔn)的RJ45通信接口及其外圍電路構(gòu)成網(wǎng)關(guān)的W 太網(wǎng)電路。RJ45W太網(wǎng)接口采用兩對(duì)差分線來(lái)承載信號(hào)，分別用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
[0032] USB接口電路單位設(shè)計(jì):本設(shè)計(jì)中USB接口電路用作WiFi無(wú)線模塊和3G模塊接入接 口 W及兩路備用USB接口。S3C2440A微處理器內(nèi)部支持USBl. 1協(xié)議規(guī)范的主設(shè)備控制器，主 控單元只引出一組支持USB從設(shè)備接入的USB差分信號(hào)線，因此設(shè)計(jì)中用一枚USB集線器忍 片來(lái)擴(kuò)展USB接口，保證3G模塊與WiFi無(wú)線模塊同時(shí)接入。本發(fā)明中采用型號(hào)為AU9254A21 的USB集線器用于網(wǎng)關(guān)USB接口擴(kuò)展，它將一組支持USB從設(shè)備的接口擴(kuò)展為四個(gè)完全符合 USBl. 1協(xié)議規(guī)范的USB接口，任何兼容USBl. 1規(guī)范的USB設(shè)備都能通過(guò)其接口接入網(wǎng)關(guān)，發(fā) 明中采用5V電壓為其忍片和USB接口供電。
[0033] 433MHz、470M化、780MH無(wú)線射頻模塊接口設(shè)計(jì)：本發(fā)明中射頻模塊由主控制器 STM32F103與射頻忍片組成，主控制器與射頻忍片組之間WSPI總線通信，通過(guò)主控制器對(duì) 射頻忍片的控制命令寄存器發(fā)送讀寫命令來(lái)設(shè)置射頻忍片的相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)射頻模塊的發(fā) 送接收和存儲(chǔ)處理數(shù)據(jù)的功能，本發(fā)明中采用重慶郵電大學(xué)開發(fā)的433MHz、470MHz、780MH 無(wú)線射頻模塊。
[0034] 串口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì):GM8142串口擴(kuò)展忍片外圍電路設(shè)計(jì)包括頻率為7.3728MHz晶 振的忍片工作時(shí)鐘源電路、忍片RC復(fù)位電路W及上拉電路。
[0035] 3G模塊外圍電路設(shè)計(jì):本發(fā)明中選用了S種不同制式的3G模塊。其中，TD-SCDMA制 式的3G模塊型號(hào)為EM560，CDMA2000的3G模塊型號(hào)為EM660，WCDMA的3G模塊型號(hào)為EM770dS 種模塊全為華為公司的產(chǎn)品，均支持標(biāo)準(zhǔn)的A巧旨令集和華為擴(kuò)展的A巧旨令集，硬件技術(shù)規(guī) 格為統(tǒng)一的mini-pci接口，具有完全相同的功能引腳，因此=種模塊在外圍電路設(shè)計(jì)上一 致。3G模塊外圍電路包括mini-pci接口 U28、SIM卡U29、電源濾波部分和信號(hào)控制電路部分。
[0036] 圖2為網(wǎng)關(guān)主控單位部分：網(wǎng)關(guān)主控單元由32位微處理器S3C2440A、網(wǎng)口忍片 01900046、電源管理模塊、6