4]\^7168化11(1斗1曰311、64]\^八63 501?41、1/0接口^及其他外圍 電路組成。S3C2440A基于ARM920T粉。，其最高工作頻率可W達到400MHz，0.13um的CMOS標 準宏單元和存儲單元，其核屯、實現(xiàn)了內(nèi)存管理、控制總線架構(gòu)AMBA和哈佛結(jié)構(gòu)的高速緩沖 體系架構(gòu)。S3C2440微處理器集成了豐富外設(shè)，本發(fā)明中利用其3通道UART、2通道SPI、1通道 的USB、W及網(wǎng)口接口等外部設(shè)備。
[0037] 圖3為電源管理電路設(shè)計:在設(shè)計網(wǎng)關(guān)的電源管理電路時，充分考慮各個模塊的功 耗。網(wǎng)關(guān)中的功能單元有主控單元、W太網(wǎng)模塊、串口擴展模塊、四個頻段的無線射頻模塊、 USB擴展模塊、3G模塊和WiFi模塊;供電模式有S種，分別是WiFi模塊需要通過USB接口向其 提供5V電源供電、USB擴展模塊需要5V電源和3.3V電源供電；主控單元的微處理器S3C2440A 需要3.3V和1.3V電源，剩余其他模塊需要3.3V的電源供電。因此，根據(jù)網(wǎng)關(guān)上各個功能模塊 對電壓的要求，運里外接5V直流電源，并采用電源轉(zhuǎn)換忍片將5V轉(zhuǎn)為3.3V、將3.3V轉(zhuǎn)1.3V。 考慮到網(wǎng)關(guān)中各個功能模塊的功耗電流，為保證網(wǎng)關(guān)上各個功能模塊能夠正常工作，提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本發(fā)明中使用了 S枚電源忍片為網(wǎng)關(guān)提供兩路3.3V電源和一路1.3V電源： 其中一路3.3V電源為4個頻段的射頻模塊、串口擴展模塊供電；另一路3.3V電源為主控單 元、3G模塊、USB擴展忍片、和W太網(wǎng)模塊供電；一路1.3V電源為主控單元的微處理忍片 S3C2440A提供1.3V的電源，各個模塊的需要的功耗如下：
[0039]根據(jù)表格中各個模塊所需的功耗電流，本發(fā)明中選用型號為AS2830線性電源忍片 將5V直流電源轉(zhuǎn)換成3.3V直流電源，選用RT8059線性電源忍片將3.3V直流轉(zhuǎn)換成1.3V直流 電源，并采用5V/3A直流電源供電，考慮到設(shè)備的安全性，在電源輸入端加入了保險絲和亞 敏電阻分別作過流保護和過壓保護。此外，電源輸入端的電解電容、粗電容和陶瓷電容W及 輸出端的粗電容和陶瓷電容構(gòu)成了電源轉(zhuǎn)換忍片電流輸入端的電源濾波電路和輸出端的 濾波電路，能依次濾出電路中的低頻和高頻噪聲。
[0040]圖4為網(wǎng)關(guān)總體軟件設(shè)計：網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計是實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)通信功能的關(guān)鍵，網(wǎng)關(guān)里的參 數(shù)配置、信息處理和通信協(xié)議的實現(xiàn)等都需要靠軟件實現(xiàn)。
[0041 ]本網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計需實現(xiàn)一下=部分：
[0042] 1.網(wǎng)關(guān)嵌入式Linux系統(tǒng)的實現(xiàn)；
[0043] 2.網(wǎng)關(guān)硬件底層驅(qū)動的設(shè)計與移植，其中包括嵌入式Linux系統(tǒng)下串口擴展忍片 和2.4G單射頻忍片驅(qū)動的設(shè)計、WiFi模塊驅(qū)動的移植、3G模塊的配置和433MHz、470MHz和 780MHZS種頻段射頻模塊的驅(qū)動設(shè)計;3.網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用程序的設(shè)計，其中包括Linu35x串口編 程和網(wǎng)絡(luò)編程。
[0044] 操作系統(tǒng)嵌入式Linux系統(tǒng)實現(xiàn):嵌入式Linux的實現(xiàn)需要建立交叉編譯環(huán)境、移 植化OOt、移植Linux內(nèi)核、移植文件系統(tǒng)和配置調(diào)試工具運五個步驟。
[0045] 無線網(wǎng)關(guān)硬件底層驅(qū)動設(shè)計與移植：網(wǎng)關(guān)底層硬件驅(qū)動設(shè)計包含兩大部分:第一 部分是嵌入式Linux下的驅(qū)動程序，運里包括W太網(wǎng)忍片驅(qū)動、串口驅(qū)動、串口擴展忍片驅(qū) 動、USB驅(qū)動、WiFi驅(qū)動和2.4G射頻忍片驅(qū)動；第二部分是無操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序，包括 433MHz、470MHz和780MHZS個無線射頻模塊的單片機底層驅(qū)動。本發(fā)明中使用的Linux內(nèi)核 源碼已經(jīng)包含了除串口擴展忍片驅(qū)動、UZ2400射頻忍片驅(qū)動和WiF巧E動W外的所有驅(qū)動源 碼，因此在嵌入式Linux環(huán)境下只需要設(shè)計串口擴展忍片驅(qū)動、UZ2400忍片驅(qū)動和移植WiFi 驅(qū)動，W及設(shè)計433MHz、470MHz和780MHz=個無線射頻模塊的單片機底層驅(qū)動。
[0046] 本發(fā)明中需要設(shè)計GM8142串口擴展忍片驅(qū)動和UZ2400射頻驅(qū)動運兩種字符設(shè)備 驅(qū)動，包括open、close、read ,write等接口函數(shù)。在Linux下設(shè)計驅(qū)動就是實現(xiàn)上面所描述 的接口函數(shù)，并且在編寫時需符合Linux內(nèi)核接口規(guī)范。位于Linux內(nèi)核源代碼include/ Iinux/目錄下的頭文件fs.h中定義了一個名為file_operation類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。當應(yīng)用程 序調(diào)用〇pen、close等函數(shù)操作設(shè)備時，f ile_operation中的open、close等成員就會被調(diào) 用。
[0047] 3G通信建立:本設(shè)計中的無線網(wǎng)關(guān)分別采用TD-SCDMA、CDMA2000和WCDMAS種不同 制式3G網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)3G通信功能，建立通信系統(tǒng)上應(yīng)滿足內(nèi)核對PPP協(xié)議的支持和對撥號腳 本功能的支持。
[004引 WiFi通信建立:WiFi網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是基于基礎(chǔ)模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)，另一種是基于Ad-化C模式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，本網(wǎng)關(guān)搭建的WiFi網(wǎng)絡(luò)拓撲基于基礎(chǔ)模式，在該 模式下，熱點AP能廣播ESSID信號，處于該ESSID信號范圍內(nèi)的WiFi節(jié)點都能與AP建立連接 關(guān)系，本發(fā)明選用的WiFi模塊采用雷凌公司RT3070忍片。
[0049]圖5為射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)流程:首先將射頻忍片進行初始化，使能發(fā)送中斷。當無 線射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時，射頻忍片會自動將前導(dǎo)碼、位同步字節(jié)和CRC檢驗字節(jié)填入到要發(fā) 送的數(shù)據(jù)包中，并把發(fā)送數(shù)據(jù)包的長度寫入到對應(yīng)的寄存器中。接著清空射頻忍片內(nèi)發(fā)送 數(shù)據(jù)寄存器，然后寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，此時發(fā)送寄存器會自動將寫入的數(shù)據(jù)通過無線射頻 單元發(fā)送出去。當數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，射頻忍片的中斷引腳會產(chǎn)生一個低電平通知射頻模塊 主控制器，此時射頻模塊主控制器判斷產(chǎn)生的中斷類型后再將中斷引腳拉高，整個數(shù)據(jù)發(fā) 送過程結(jié)束。
[0050] 圖6為射頻模塊接收數(shù)據(jù)流程:射頻模塊在接收數(shù)據(jù)前同樣需將射頻忍片初始化， 并清空接收寄存器和使能中斷使射頻處于接收狀態(tài)。當射頻忍片接收到數(shù)據(jù)時，射頻忍片 的中斷引腳產(chǎn)生一個低電平通知射頻模塊主控制器數(shù)據(jù)包已經(jīng)到來，射頻模塊主控制器通 過SPI從射頻忍片對應(yīng)的寄存器中讀出數(shù)據(jù)包的長度，再將接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)讀出， 并拉高中斷引腳上的電平，完成一次數(shù)據(jù)接收。
[0051] 圖7主控單元串口接口讀取數(shù)據(jù)流程：本設(shè)計中，網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)433M化、 470MHz、780MHz和2.4G化運四種不同頻段的無線傳感網(wǎng)分別與3G、WiFi和W太網(wǎng)相互通信。 433MHz射頻接收模塊通過主控單元的UARTl建立數(shù)據(jù)通信，780MHz射頻接收模塊通過主控 單元的UART2建立數(shù)據(jù)通信，470MHz射頻接收模塊通過串口擴展忍片GM8142將主控單元的 SPIO擴展成串口建立數(shù)據(jù)通信，2.4G射頻接收模塊通過主控單元的SPI1 口建立數(shù)據(jù)通信。
[0052] 圖8為進程通信與套接字之間的聯(lián)系：四種頻段的無線傳感網(wǎng)與W太網(wǎng)采用套接 口通信。
[0053] 最后說明的是，W上優(yōu)選實施例僅用W說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通 過上述優(yōu)選實施例已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，可W在 形式上和細節(jié)上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，其特征在于:該網(wǎng)關(guān)下行鏈路支持四種頻 段上行鏈路支持三種通信方式，所述四種頻段包括433MHz、470MHz、780MHz、2.4G，所述三種 通信方式包括3G、WiFi和以太網(wǎng)； 所述網(wǎng)關(guān)的硬件平臺包括四個單元: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和以太網(wǎng)，作用是將無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù) 通過這三種不同的傳輸路徑上傳到上位機，實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點的遠程監(jiān)控，同時 上位機也能直接訪問并控制無線傳感網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點；所述主控制單元作為網(wǎng)關(guān)里核心單元， 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2.4GHz頻段無線射頻模塊構(gòu)成，負責(zé)四種頻段的組網(wǎng)，以及對節(jié) 點設(shè)備的管理與數(shù)據(jù)交互;所述電源管理單元負責(zé)為整個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供可持續(xù)、穩(wěn)定的工 作電源。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，其特征在于:所述 WSN射頻接入單元中的無線射頻模塊接入采用兩種方式:一種是單射頻芯片方式，其采用主 控單元S3C2440A的SPI 1 口直接與射頻芯片相連，由S3C2440A芯片直接對射頻芯片進行驅(qū) 動;另一種是由微控制器與射頻芯片構(gòu)成的射頻模塊以串口形式接入主控單元。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，其特征在于: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 塊通過主控模塊的UART1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 串口擴展芯片GM8142將主控單元的SPI0擴展成兩路串口建立數(shù)據(jù)通信，所述2.4G射頻接收 模塊通過主控模塊的SPI 1 口建立數(shù)據(jù)通信。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，其特征在于:所述 多種通信方式包括3G通信、WiFi通信和以太網(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USB擴展芯片擴展四路接口，選擇其中兩路與3G和WiFi 建立通信連接;所述以太網(wǎng)通信模塊其構(gòu)成包括DM9000AE網(wǎng)口芯片、HS9016網(wǎng)絡(luò)變壓器、 RJ45通用接口以及濾波隔離電路，信號線采用差分信號。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種支持多頻段和多通信方式的WSN網(wǎng)關(guān)，屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域。該網(wǎng)關(guān)包括外網(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)接入單元包括3G、WiFi和以太網(wǎng)，用于將無線傳感網(wǎng)的數(shù)據(jù)通過這三種不同的傳輸路徑上傳到上位機，實現(xiàn)對無線傳感網(wǎng)內(nèi)部節(jié)點的遠程監(jiān)控，同時上位機也能直接訪問并控制無線傳感網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點；所述主控制單元用于處理網(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2.4GHz頻段無線射頻模塊構(gòu)成，負責(zé)四種頻段的組網(wǎng)，以及對節(jié)點設(shè)備的管理與數(shù)據(jù)交互；所述電源管理單元負責(zé)為整個網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)提供工作電源。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)，從而實現(xiàn)對各種網(wǎng)絡(luò)體系的集中控制與管理。
【IPC分類】H04L12/66, H04W88/16
【公開號】CN105634934
【申請?zhí)枴緾N201510991540
【發(fā)明人】嚴冬, 趙小龍, 王平, 李帥永, 周秋峰, 李玉良, 王鵬飛, 黃心成
【申請人】重慶郵電大學(xué)
【公開日】2016年6月1日
【申請日】2015年12月25日