一种支持多频段和多通信方式的WSN网关
阅读：432发布：2024-01-25
专利汇可以提供一种支持多频段和多通信方式的WSN网关专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，属于无线通信技术领域。该网关包括外网接入单元、主控制单元、WSN射频接入单元和电源管理单元；所述外网接入单元包括3G、WiFi和以太网，用于将无线传感网的数据通过这三种不同的传输路径上传到上位机，实现对无线传感网内部 节点 的远程监控，同时上位机也能直接 访问 并控制无线传感网内的节点；所述主控制单元用于处理网关中各种协议类型的数据包，完成系统调度、管理和控制；所述WSN射频接入单元由433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz频段无线射频模 块 构成，负责四种频段的组网，以及对节点设备的管理与数据交互；所述电源管理单元负责为整个网关系统提供工作电源。该网关能够稳定地将各种类型的网络设备接入互联网，从而实现对各种网络体系的集中控制与管理。，下面是一种支持多频段和多通信方式的WSN网关专利的具体信息内容。
1.一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，其特征在于：该网关下行链路支持四种频段上行链路支持三种通信方式，所述四种频段包括433MHz、470MHz、780MHz、2.4G,所述三种通信方式包括3G、WiFi和以太网；
所述网关的硬件平台包括四个单元：外网接入单元、主控制单元、WSN射频接入单元和电源管理单元；所述外网接入单元主要包括3G、WiFi和以太网，作用是将无线传感网的数据通过这三种不同的传输路径上传到上位机，实现对无线传感网内部节点的远程监控，同时上位机也能直接访问并控制无线传感网内的节点；所述主控制单元作为网关里核心单元，处理网关中各种协议类型的数据包，完成系统调度、管理和控制；所述WSN射频接入单元由
433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz频段无线射频模块构成，负责四种频段的组网，以及对节点设备的管理与数据交互；所述电源管理单元负责为整个网关系统提供可持续、稳定的工作电源。
2.根据权利要求1所述的一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，其特征在于：所述WSN射频接入单元中的无线射频模块接入采用两种方式：一种是单射频芯片方式，其采用主控单元S3C2440A的SPI 1口直接与射频芯片相连，由S3C2440A芯片直接对射频芯片进行驱动；另一种是由微控制器与射频芯片构成的射频模块以串口形式接入主控单元。
3.根据权利要求2所述的一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，其特征在于：所述WSN射频接入单元包括433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz四种频段,所述433MHz射频接收模块通过主控模块的UART1与其建立数据通信，所述470MHz、780MHz两频段射频接收模块通过串口扩展芯片GM8142将主控单元的SPI0扩展成两路串口建立数据通信，所述2.4G射频接收模块通过主控模块的SPI 1口建立数据通信。
4.根据权利要求2所述的一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，其特征在于：所述多种通信方式包括3G通信、WiFi通信和以太网通信，所述3G通信和WiFi通信，其建立通信方式是将主控模块的一路USB接口通过USB扩展芯片扩展四路接口，选择其中两路与3G和WiFi建立通信连接；所述以太网通信模块其构成包括DM9000AE网口芯片、HS9016网络变压器、RJ45通用接口以及滤波隔离电路，信号线采用差分信号。
一种支持多频段和多通信方式的WSN网关
技术领域
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，涉及一种支持多种频段和多种通信方式的WSN网关，特别是一种下行链路支持四种频段上行链路支持三种通信方式的WSN网关。
背景技术
[0002] 网关在无线通信通信技术发展中扮演着重要角色，无线数据采集与信息传输过程中涉及到不同结构类型协议栈的现场总线，而网关就是在采用不同协议的现场总线之间进行互相通信时提供数据交换和协议转换功能的设备。传统的控制设备可以通过网关与以太网以及其他网络设备相连，而无需考虑与其余异构网络间的兼容问题。它实现不同网络间数据的透传，同时网关也为整个网络通信提供了有效的安全保护措施，从而保证信息传递的安全性。目前国内外对无线网关做了大量研究，并且随着通信技术不断发展，各个行业领域对网关的需求也在逐年增大。
[0003] 日本Yokogawa电子有限公司设计了一种支持HART和Modbus协议的ISA100.a无线适配器网关，由于该网关的设备类型管理器使用FDT技术，在不进行协议修改的条件下可以实现常规设备间通信，并能在FDT应用程序框架中配置这些设备。
[0004] 英国Warwick大学设计了一款用于无线车载网路的网关设备，该网关实现了蓝牙与CAN总线之间的协议转换，由于采用了无线通信技术，车辆中日益增加的传感器数量所带来的复杂性问题得到了有效解决。
[0005] 重庆邮电学大学给出了EPA工业现场总线与基于WIA-PA协议的无线传感网的协议转换模型，并设计了EPA与WIA-PA互联的网关装置，既可以保留现场总线控制网络，又实现了无线传感网的接入，并通过减少网络数据传输量从而延长无线传感网设备节点的电池使用寿命。
[0007] 以上这些典型网关都满足具体的试用场合，但随着网关适用领域不断增加和发展，现场的通信网络种类将变得更繁杂，监测环境会更加复杂，上述网关通信方式比较单一，或是面向特定场合的专用品，并不能同时满足更多种类的异构网络之间的相互通信和更多场合的使用。
发明内容
[0008] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，该网关下行链路支持433MHz、470MHz、780MHz、2.4G频段，上行通信方式支持3G、WiFi和以太网；该网关能够稳定地将各种类型的网络设备接入互联网，从而实现对各种网络体系的集中控制与管理。
[0009] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0010] 一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，该网关下行链路支持四种频段上行链路支持三种通信方式，所述四种频段包括433MHz、470MHz、780MHz、2.4G,所述三种通信方式包括3G、WiFi和以太网；
[0011] 所述网关的硬件平台包括四个单元：外网接入单元、主控制单元、WSN射频接入单元和电源管理单元；所述外网接入单元主要包括3G、WiFi和以太网，作用是将无线传感网的数据通过这三种不同的传输路径上传到上位机，实现对无线传感网内部节点的远程监控，同时上位机也能直接访问并控制无线传感网内的节点；所述主控制单元作为网关里核心单元，处理网关中各种协议类型的数据包，完成系统调度、管理和控制；所述WSN射频接入单元由433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz频段无线射频模块构成，负责四种频段的组网，以及对节点设备的管理与数据交互；所述电源管理单元负责为整个网关系统提供可持续、稳定的工作电源。
[0012] 进一步，所述WSN射频接入单元中的无线射频模块接入采用两种方式：一种是单射频芯片方式，其采用主控单元S3C2440A的SPI1口直接与射频芯片相连，由S3C2440A芯片直接对射频芯片进行驱动；另一种是由微控制器与射频芯片构成的射频模块以串口形式接入主控单元。
[0013] 进一步，所述WSN射频接入单元包括433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz四种频段,所述433MHz射频接收模块通过主控模块的UART1与其建立数据通信，所述470MHz、780MHz两频段射频接收模块通过串口扩展芯片GM8142将主控单元的SPI0扩展成两路串口建立数据通信，所述2.4G射频接收模块通过主控模块的SPI1口建立数据通信。
[0014] 进一步，所述多种通信方式包括3G通信、WiFi通信和以太网通信，所述3G通信和WiFi通信，其建立通信方式是将主控模块的一路USB接口通过USB扩展芯片扩展四路接口，选择其中两路与3G和WiFi建立通信连接；所述以太网通信模块其构成包括DM9000AE网口芯片、HS9016网络变压器、RJ45通用接口以及滤波隔离电路，信号线采用差分信号。
[0015] 本发明的有益效果在于：本发明针对目前大多数网关信息监控能力较弱、通信方式单一、交互性不强等问题，提供一种支持多频段和多通信方式的WSN网关，该网关下行链路支持433MHz、470MHz、780MHz、2.4G频段，上行通信方式支持3G、WiFi和以太网；该网关能够稳定地将各种类型的网络设备接入互联网，从而实现对各种网络体系的集中控制与管理。附图说明
[0016] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0017] 图1为无线网关的总体硬件结构图；
[0018] 图2为主控单元；
[0019] 图3为电源供电模块电路；
[0021] 图5为射频模块发送数据流程；
[0022] 图6为射频模块接收数据流程：
[0023] 图7为微处理串口接口读取数据流程；
[0025] 图9为该网关的单元结构框图。
具体实施方式
[0026] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0027] 图9为该网关的单元结构框图，如图所示，该网关的硬件平台包括四个单元：外网接入单元、主控制单元、WSN射频接入单元和电源管理单元；所述外网接入单元主要包括3G、WiFi和以太网，作用是将无线传感网的数据通过这三种不同的传输路径上传到上位机，实现对无线传感网内部节点的远程监控，同时上位机也能直接访问并控制无线传感网内的节点；所述主控制单元作为网关里核心单元，处理网关中各种协议类型的数据包，完成系统调度、管理和控制；所述WSN射频接入单元由433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz频段无线射频模块构成，负责四种频段的组网，以及对节点设备的管理与数据交互；所述电源管理单元负责为整个网关系统提供可持续、稳定的工作电源。
[0028] 图1为无线网关的总体硬件结构图，如图所示，多频段多种通信方式的无线智能网口模块，其硬件结构包括JTAG电路单元、串口调试接口电路单元、433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz射频模块的接入电路单元、3G模块接入电路单元、以太网电路单元、串口扩展电路单元、USB扩展电路单元和电源管理电路单元。
[0029] JTAG接口电路设计：JTAG的基本原理是利用器件内部的测试工具使外部程序通过S3C2440A微处理器里的嵌入式ICE单元对该处理器进行调试。本设计中JTAG调试小板的5、7、9和11引脚分别接JTAG的TCK、TDI、TMS和TDO管脚。
[0030] 串口电路单元设计：本网关除了使用JTAG对网关进行调试外，也支持通过RS323串口对网关进行调试。在通过串口与网关通信时，需设置串口通信的波特率、停止位和奇偶校验位。RS232接口标准主要有DB9和DB25两种，本发明采用DB9接口，另外，网关不能与直接计算机进行串口通信，网关的串口通信电平类型为TTL，电压范围是0～3.3V，而计算机串口使用RS232电平，电压范围为-12V～+12V，因此需使用电平转换芯片将RS232电平与TTL电平进行转换，在本实施例中，电平转换芯片采用美信公司生产的MAX3232CSE串口芯片。
[0031] 以太网通信电路单元设计：本发明中以太网电路的控制芯片采用DM9000AE以太网芯片，并配备网络电压隔离芯片HS9016和标准的RJ45通信接口及其外围电路构成网关的以太网电路。RJ45以太网接口采用两对差分线来承载信号，分别用于发送和接收数据。
[0032] USB接口电路单位设计：本设计中USB接口电路用作WiFi无线模块和3G模块接入接口以及两路备用USB接口。S3C2440A微处理器内部支持USB1.1协议规范的主设备控制器，主控单元只引出一组支持USB从设备接入的USB差分信号线，因此设计中用一枚USB集线器芯片来扩展USB接口，保证3G模块与WiFi无线模块同时接入。本发明中采用型号为AU9254A21的USB集线器用于网关USB接口扩展，它将一组支持USB从设备的接口扩展为四个完全符合USB1.1协议规范的USB接口，任何兼容USB1.1规范的USB设备都能通过其接口接入网关，发明中采用5V电压为其芯片和USB接口供电。
[0033] 433MHz、470MHz、780MH无线射频模块接口设计：本发明中射频模块由主控制器STM32F103与射频芯片组成，主控制器与射频芯片组之间以SPI总线通信，通过主控制器对射频芯片的控制命令寄存器发送读写命令来设置射频芯片的相关参数，实现射频模块的发送接收和存储处理数据的功能，本发明中采用重庆邮电大学开发的433MHz、470MHz、780MH无线射频模块。
[0034] 串口扩展电路设计：GM8142串口扩展芯片外围电路设计包括频率为7.3728MHz晶振的芯片工作时钟源电路、芯片RC复位电路以及上拉电路。
[0035] 3G模块外围电路设计：本发明中选用了三种不同制式的3G模块。其中，TD-SCDMA制式的3G模块型号为EM560，CDMA2000的3G模块型号为EM660，WCDMA的3G模块型号为EM770。三种模块全为华为公司的产品，均支持标准的AT指令集和华为扩展的AT指令集，硬件技术规格为统一的mini-pci接口，具有完全相同的功能引脚，因此三种模块在外围电路设计上一致。3G模块外围电路包括mini-pci接口U28、SIM卡U29、电源滤波部分和信号控制电路部分。
[0036] 图2为网关主控单位部分：网关主控单元由32位微处理器S3C2440A、网口芯片DM9000AE、电源管理模块、64Mbytes Nand-Flash、64Mbytes SDRAM、I/O接口以及其他外围电路组成。S3C2440A基于ARM920T核心，其最高工作频率可以达到400MHz，0.13um的CMOS标准宏单元和存储单元，其核心实现了内存管理、控制总线架构AMBA和哈佛结构的高速缓冲体系架构。S3C2440微处理器集成了丰富外设，本发明中利用其3通道UART、2通道SPI、1通道的USB、以及网口接口等外部设备。
[0037] 图3为电源管理电路设计：在设计网关的电源管理电路时，充分考虑各个模块的功耗。网关中的功能单元有主控单元、以太网模块、串口扩展模块、四个频段的无线射频模块、USB扩展模块、3G模块和WiFi模块；供电模式有三种，分别是WiFi模块需要通过USB接口向其提供5V电源供电、USB扩展模块需要5V电源和3.3V电源供电；主控单元的微处理器S3C2440A需要3.3V和1.3V电源，剩余其他模块需要3.3V的电源供电。因此，根据网关上各个功能模块对电压的要求，这里外接5V直流电源，并采用电源转换芯片将5V转为3.3V、将3.3V转1.3V。考虑到网关中各个功能模块的功耗电流，为保证网关上各个功能模块能够正常工作，提高系统的稳定性，本发明中使用了三枚电源芯片为网关提供两路3.3V电源和一路1.3V电源：
其中一路3.3V电源为4个频段的射频模块、串口扩展模块供电；另一路3.3V电源为主控单元、3G模块、USB扩展芯片、和以太网模块供电；一路1.3V电源为主控单元的微处理芯片S3C2440A提供1.3V的电源，各个模块的需要的功耗如下：
其中一路3.3V电源为4个频段的射频模块、串口扩展模块供电；另一路3.3V电源为主控单元、3G模块、USB扩展芯片、和以太网模块供电；一路1.3V电源为主控单元的微处理芯片S3C2440A提供1.3V的电源，各个模块的需要的功耗如下：
[0038]
[0039] 根据表格中各个模块所需的功耗电流，本发明中选用型号为AS2830线性电源芯片将5V直流电源转换成3.3V直流电源，选用RT8059线性电源芯片将3.3V直流转换成1.3V直流电源，并采用5V/3A直流电源供电，考虑到设备的安全性，在电源输入端加入了保险丝和亚敏电阻分别作过流保护和过压保护。此外，电源输入端的电解电容、钽电容和陶瓷电容以及输出端的钽电容和陶瓷电容构成了电源转换芯片电流输入端的电源滤波电路和输出端的滤波电路，能依次滤出电路中的低频和高频噪声。
[0040] 图4为网关总体软件设计：网关软件设计是实现网关通信功能的关键，网关里的参数配置、信息处理和通信协议的实现等都需要靠软件实现。
[0041] 本网关的软件设计需实现一下三部分：
[0042] 1.网关嵌入式Linux系统的实现；
[0043] 2.网关硬件底层驱动的设计与移植，其中包括嵌入式Linux系统下串口扩展芯片和2.4G单射频芯片驱动的设计、WiFi模块驱动的移植、3G模块的配置和433MHz、470MHz和780MHz三种频段射频模块的驱动设计；3.网关的应用程序的设计，其中包括Linu35x串口编程和网络编程。
[0045] 无线网关硬件底层驱动设计与移植：网关底层硬件驱动设计包含两大部分：第一部分是嵌入式Linux下的驱动程序，这里包括以太网芯片驱动、串口驱动、串口扩展芯片驱动、USB驱动、WiFi驱动和2.4G射频芯片驱动；第二部分是无操作系统的驱动程序，包括433MHz、470MHz和780MHz三个无线射频模块的单片机底层驱动。本发明中使用的Linux内核源码已经包含了除串口扩展芯片驱动、UZ2400射频芯片驱动和WiFi驱动以外的所有驱动源码，因此在嵌入式Linux环境下只需要设计串口扩展芯片驱动、UZ2400芯片驱动和移植WiFi驱动，以及设计433MHz、470MHz和780MHz三个无线射频模块的单片机底层驱动。
[0046] 本发明中需要设计GM8142串口扩展芯片驱动和UZ2400射频驱动这两种字符设备驱动，包括open、close、read、write等接口函数。在Linux下设计驱动就是实现上面所描述的接口函数，并且在编写时需符合Linux内核接口规范。位于Linux内核源代码include/linux/目录下的头文件fs.h中定义了一个名为file_operation类型的数据结构。当应用程序调用open、close等函数操作设备时,file_operation中的open、close等成员就会被调用。
[0047] 3G通信建立：本设计中的无线网关分别采用TD-SCDMA、CDMA2000和WCDMA三种不同制式3G网络来实现3G通信功能，建立通信系统上应满足内核对PPP协议的支持和对拨号脚本功能的支持。
[0048] WiFi通信建立：WiFi网络的拓扑结构主要有两种，一种是基于基础模式的网络结构，另一种是基于Ad-Hoc模式的网络结构，本网关搭建的WiFi网络拓扑基于基础模式，在该模式下，热点AP能广播ESSID信号，处于该ESSID信号范围内的WiFi节点都能与AP建立连接关系，本发明选用的WiFi模块采用雷凌公司RT3070芯片。
[0049] 图5为射频模块发送数据流程：首先将射频芯片进行初始化，使能发送中断。当无线射频模块发送数据时，射频芯片会自动将前导码、位同步字节和CRC检验字节填入到要发送的数据包中，并把发送数据包的长度写入到对应的寄存器中。接着清空射频芯片内发送数据寄存器，然后写入要发送的数据，此时发送寄存器会自动将写入的数据通过无线射频单元发送出去。当数据发送完成时，射频芯片的中断引脚会产生一个低电平通知射频模块主控制器，此时射频模块主控制器判断产生的中断类型后再将中断引脚拉高，整个数据发送过程结束。
[0050] 图6为射频模块接收数据流程：射频模块在接收数据前同样需将射频芯片初始化，并清空接收寄存器和使能中断使射频处于接收状态。当射频芯片接收到数据时，射频芯片的中断引脚产生一个低电平通知射频模块主控制器数据包已经到来，射频模块主控制器通过SPI从射频芯片对应的寄存器中读出数据包的长度，再将接收数据寄存器中的数据读出，并拉高中断引脚上的电平，完成一次数据接收。
[0051] 图7主控单元串口接口读取数据流程：本设计中，网关应用程序将实现433MHz、470MHz、780MHz和2.4GHz这四种不同频段的无线传感网分别与3G、WiFi和以太网相互通信。
433MHz射频接收模块通过主控单元的UART1建立数据通信，780MHz射频接收模块通过主控单元的UART2建立数据通信，470MHz射频接收模块通过串口扩展芯片GM8142将主控单元的SPI0扩展成串口建立数据通信，2.4G射频接收模块通过主控单元的SPI1口建立数据通信。
433MHz射频接收模块通过主控单元的UART1建立数据通信，780MHz射频接收模块通过主控单元的UART2建立数据通信，470MHz射频接收模块通过串口扩展芯片GM8142将主控单元的SPI0扩展成串口建立数据通信，2.4G射频接收模块通过主控单元的SPI1口建立数据通信。
[0052] 图8为进程通信与套接字之间的联系：四种频段的无线传感网与以太网采用套接口通信。
[0053] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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