專利名稱：無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，主要用于無線傳感
器網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)的連接。
技術(shù)背景
隨著傳感技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)和分布式智能信息處 理技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，將功能相同或不同的無線智能傳感器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化、智能化 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能大大提高了傳感器的監(jiān)測能力。
基于智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實用監(jiān)控系統(tǒng)采用中短距離、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)，射頻傳輸 成本低；靈活實現(xiàn)快速組網(wǎng)和自動配置，擴展性好；任意傳感器之間可相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)數(shù)據(jù) 通信；能支持多種不同類型的傳感器，適應(yīng)性強。可廣泛應(yīng)用于水、電、氣計量自動監(jiān)測、 環(huán)境監(jiān)控、交通管理、災(zāi)害預(yù)測、醫(yī)療衛(wèi)生、生產(chǎn)制造、城市信息化建設(shè)等領(lǐng)域。 發(fā)明內(nèi)容
本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，可實現(xiàn)遠程服務(wù)器 及移動用戶終端與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立可靠的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有實時時鐘、 用戶參數(shù)的管理、較大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一定的數(shù)據(jù)分析處理功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑?管理，滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的需求。
本實用新型解決上述問題所采用的技術(shù)方案是該無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，包括殼體、
電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設(shè)置有GPRS無 線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央 處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS 無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設(shè)置有GPRS天線， 短距離RF無線射頻通信單元設(shè)置有RF天線。
本實用新型所述GPRS無線通訊單元包括GPRS芯片、GPRS天線、SIM卡、I/O 口保護 電路、GPRS接口、 GPRS電源管理、網(wǎng)絡(luò)指示，GPRS接口與I/O 口保護電路、GPRS電源 管理連接，GPRS電源管理與1/0 口保護電路、GPRS芯片連接，GPRS芯片與GPRS天線、 SIM卡、網(wǎng)絡(luò)指示連接。
本實用新型所述短距離RF無線射頻通信單元包括收發(fā)芯片、高頻切換開關(guān)、高頻濾 波器、射頻微處理器、RF接口和RF天線，射頻微處理器與RF接口、收發(fā)芯片、高頻切 換開關(guān)、高頻濾波器連接，RF天線與高頻切換開關(guān)連接。本實用新型所述的中央處理器單元設(shè)置有中央處理器、外部存儲器接口、外部暫存、 掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關(guān)、 數(shù)據(jù)備份電池、實時SPI監(jiān)控端口、備用擴展端口、串口通訊端口和看門狗，電源管理與 中央處理器、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充 電管理、電源切換開關(guān)均連接，電源切換開關(guān)與數(shù)據(jù)備份電池連接，中央處理器與外部存 儲器接口、外部暫存、中央處理器單元時鐘、實時SPI監(jiān)控端口、備用擴展端口、看門狗 均連接，串口通訊端口與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接。
本實用新型所述殼體包括上蓋、模塊盒、底板、電池盒，電路板安裝在模塊盒中，模 塊盒、電池盒安裝在上蓋內(nèi)，上蓋與底板配合連接。
本實用新型可實現(xiàn)遠程服務(wù)器及移動用戶終端與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立可靠的連接，實 現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有實時時鐘、用戶參數(shù)的管理、較大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一定的數(shù)據(jù)分 析處理功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑芾恚瑵M足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的需求。


圖1是本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型實施例的電路原理圖； 圖3是本實用新型實施例GPRS無線通訊單元的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本實用新型實施例短距離RF無線射頻通信單元的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本實用新型實施例中央處理器單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
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參見圖1 圖5，本實用新型實施例是一種基于微處理器控制的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備， 包括殼體、GPRS無線通訊單元4、短距離RF無線射頻通信單元5、中央處理器單元6、 GPRS 天線41、 RF天線51、電源7及GPRS接口42、 RF接口52。總體的結(jié)構(gòu)框架如圖1，電路 原理如圖2，殼體包括上蓋ll、模塊盒12、底板13、電池盒14， GPRS無線通訊單元4、 短距離RF無線射頻通信單元5、中央處理器單元6、天線及相應(yīng)的信息處理電路均采用模 塊化的設(shè)計做在電路板2中，模塊的銜接采用統(tǒng)一標準接口，對不同的應(yīng)用場合，可以通 過更換具有統(tǒng)一標準接口的功能模塊來快速實現(xiàn)，減小二次開發(fā)的周期和成本，為產(chǎn)品的 多領(lǐng)域使用提供了前提條件。電路板2安裝在模塊盒i2中，電池3安裝在電池盒14中， 模塊盒12、電池盒14安裝在上蓋11內(nèi)，上蓋11與底板13配合連接。殼體結(jié)構(gòu)使用內(nèi) 置天線的方式，這樣避免由于天線外置容易產(chǎn)生的損壞，殼體使用的是PC材料，這種材 料的使用可以減小對RF信號的衰減，相對提高整機的發(fā)射功率和整機的接收靈敏度。在 殼體的形狀設(shè)計上，使用雙層構(gòu)造，加強了整機設(shè)計的密封性，對網(wǎng)關(guān)的防潮、防水提供有力的保障。
功能單元的設(shè)計構(gòu)架
參見圖3， GPRS無線通訊單元4用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與Internet網(wǎng)絡(luò)之間的通信，包 括GPRS芯片43 (采用WAVC0M的Q24PLUS芯片)、GPRS天線41、 SIM卡44、 I/O 口保護電 路45、 GPRS接口 42、 GPRS電源管理46、網(wǎng)絡(luò)指示47。
由于WAVCOM收購了索愛的模塊部，使WAVCOM的模塊性能在原有的基礎(chǔ)上大大提升， Q24PLUS芯片支持SM900/DCS1800/PCS1900三頻，電路交換數(shù)據(jù)傳輸最高速率為 1152。0Kbit/s，支持GPRS ClasslO多時隙功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，支持GSM07. 07增強 型AT指令集，短消息收發(fā)和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸功能。整體設(shè)計中由于加入了 I/O 口保護 電路45，使GPRS無線通訊單元4的安全可靠性大大提高。
參見圖4，短距離RF無線射頻通信單元5用于實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間 的通信，包括收發(fā)芯片53 (SEMTECH XE1205)、高頻切換開關(guān)54 (AT213_92)、高頻濾波 器55 (NDF4035)、射頻微處理器56 (ATmega48V)、 RF接口 52和RF天線51。
SEMTECH的XE1205收發(fā)芯片53有較高的靈敏度，最高可達-121dbm，較低的待機功 耗，休眠的時候能夠達到2uA左右，采用頻移鍵控FSK載波技術(shù)，載波頻段為300至 IOOOMHZ，支持315MHZ、 433MHZ、 868MHZ和915MHZ基本調(diào)制頻率，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為 315kbps.具有RSSI的檢測功能和信號強度的檢測功能，在設(shè)計上由于采用了 Atmega48 的管理，使無線射頻模塊的使用更為容易方便。另一方面也為整機模塊的一致性提供了保 障。
參見圖5，中央處理器單元6用于控制GPRS無線通訊單元4與Internet網(wǎng)絡(luò)或無線 通信網(wǎng)絡(luò)、短距離RF無線射頻通信單元5與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的通信。中央處理器61 采用的NXP的LPC22M,這款CPU是基于32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的低功耗ARM處理器，處 理器時鐘高達60M/75MHz，片內(nèi)集成128KB高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口 和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。具有外部存儲器接口62，可 以擴展64MB的異步靜態(tài)存儲器設(shè)備。外部暫存63 (SRAM)采用的是ISSI的 1S62WV51216BBL，這個片子的最大的特點是在靜態(tài)待機的時候有很低的掉電低功耗，平均 只有12uW，這就為數(shù)據(jù)掉電保護提供了前提條件。
掉電數(shù)據(jù)管理是由SP690和ADG841配合來完成，保證在外部掉電的情況下，數(shù)據(jù)備 份電池70和外部的供電(+5V)能夠做到無縫切換，保證數(shù)據(jù)不會丟失。考慮到遠程網(wǎng) 關(guān)的掉電現(xiàn)象，在設(shè)計中引入掉電檢測64和掉電報警電池65，掉電檢測64使用LPC2214 內(nèi)置10位AD來完成，掉電報警電池65使用價廉的可重復(fù)使用的鎳氫電池。保證掉電后網(wǎng)關(guān)還能正常工作一段時間，將重要的數(shù)據(jù)發(fā)送回主站。電源管理67通過充電管理68 控制掉電報警電池65的充電，電源切換開關(guān)69與電源管理67、數(shù)據(jù)備份電池70均連接， 數(shù)據(jù)備份電池70使用ABLE的ER14250 1. 2AH Li電池，保證數(shù)據(jù)能夠在掉電的情況下保 存IO年以上。
考慮到網(wǎng)關(guān)的部分實時功能，在核心單元的設(shè)計中引入獨立的高精度中央處理器單元 時鐘66，中央處理器單元時鐘66采用的是NXP8563， 32. 768K的鐘振，使用的是SII的 5ppm的晶振，確保日誤差在0.5S以內(nèi)，而且具備GPRS遠程對時的功能，網(wǎng)關(guān)和遠程服 務(wù)器的時鐘可以與中央處理器單元時鐘66保持一致。
中央處理器單元6上還提供了實時SPI監(jiān)控端口 71、備用擴展端口 72、串口通訊端口 73和看門狗74，這樣對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的現(xiàn)場維護帶來十分便利。
軟件系統(tǒng)的構(gòu)架設(shè)計
考慮到維護和今后的可持續(xù)開發(fā)，軟件的設(shè)計也基本上采用分層模塊化設(shè)計，包括應(yīng) 用層、任務(wù)管理層、接口層和驅(qū)動層。
應(yīng)用層主要是根據(jù)用戶的需求，開發(fā)相應(yīng)的協(xié)議文件，然后將接口函數(shù)掛接到相應(yīng)的 文件中，應(yīng)用層軟件的開發(fā)可以脫離對底層驅(qū)動開發(fā)的依賴，通過PC上位機模擬開發(fā)的 方法來實現(xiàn)，可以保證系統(tǒng)開發(fā)的相對的穩(wěn)定性。
任務(wù)管理層是對應(yīng)用層下發(fā)的各種任務(wù)的分類管理和調(diào)度的處理,簡化了用戶應(yīng)用程 的任務(wù)管理機制，充分利用現(xiàn)有的CPU資源。
接口層主要是對現(xiàn)有的底層驅(qū)動進行相應(yīng)的封裝，輸出相應(yīng)標準統(tǒng)一的調(diào)用函數(shù)接 口，使軟件的上下成完全分離，便于團體軟件的開發(fā)和維護。也提高軟件今后的復(fù)用率， 相對提高整體軟件的開發(fā)效率。
具體的驅(qū)動層，這是整個系統(tǒng)的最下層，也是和硬件關(guān)系最為密切的部分。
目前主要實現(xiàn)的功能
實現(xiàn)遠程集中器抄表；可以依據(jù)主站下發(fā)短消息的要求，選擇GPRS方式或SMS的方 式返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)；避免由于GPRS網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)堵塞而造成數(shù)據(jù)無法回傳的問題。
1、 采集器、計量表、集中器能夠通過RF433靜態(tài)路由的方式組網(wǎng)，匯總采集數(shù)據(jù)，定 時上傳給遠程主站，或通過主站召喚的方式回傳數(shù)據(jù)。
2、 定時上送相應(yīng)數(shù)據(jù) 依據(jù)主站的要求，定時上傳主站定制的數(shù)據(jù)。
3、 對集中器的主要參數(shù)能夠通過遠程主站設(shè)置。 可以通過遠程主站對網(wǎng)關(guān)配置相關(guān)通訊參數(shù)。
64、 能夠通過主站遠程對網(wǎng)關(guān)對時。
5、 具備網(wǎng)關(guān)掉電短消息報警的功能。
6、 預(yù)留今后和流量計工業(yè)大表通訊功能的相應(yīng)接口，便于擴展。 本實用新型是短距離無線網(wǎng)絡(luò)和Internet連接的一個無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，220V的交流
電供電，通過無線掌機啟動使用，本實用新型在收到啟用命令后自動向主站上發(fā)注冊命令， 并上傳系統(tǒng)的初始狀態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)。可以通過遠方主站或無線掌機現(xiàn)場配置相關(guān)的運行狀 態(tài)信息，如系統(tǒng)時鐘、抄表日、相關(guān)的報警配置、定時任務(wù)、工作頻點等，本實用新型在 默認的狀態(tài)下工作在GSM狀態(tài)下，遠方主站可以通過短消息的方式通知要求本實用新型以 SMS方式或GPRS方式回傳相關(guān)的數(shù)據(jù)，本實用新型在傳輸完數(shù)據(jù)后自動掉線恢復(fù)到GSM 的運行狀態(tài)，從而降低整機的運行成本，當本實用新型檢測到異常發(fā)生時，會以短消息或 GPRS (通過配置)的方式上報異常信息，并報存相應(yīng)的異常日志以備調(diào)用。在外部220V 掉電時，本實用新型自動上報掉電報警信息，并上傳相應(yīng)的系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)。
系統(tǒng)上電后首先上發(fā)一條上電信息通知主站。本實用新型由于使用了兩個內(nèi)置天線， 安裝的過程應(yīng)當注意外部不能使用金屬的密閉外殼，盡量不要于較大的金屬器件安裝在一 起，避免接收信號的衰減。
權(quán)利要求1、一種無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，包括殼體、電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設(shè)置有GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設(shè)置有GPRS天線，短距離RF無線射頻通信單元設(shè)置有RF天線。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于所述GPRS無線通訊單元 包括GPRS芯片、GPRS天線、SIM卡、1/0口保護電路、GPRS接口、 GPRS電源管理、網(wǎng)絡(luò)指 示，GPRS接口與I/O 口保護電路、GPRS電源管理連接，GPRS電源管理與I/O 口保護電路、 GPRS芯片連接，GPRS芯片與GPRS天線、SIM卡、網(wǎng)絡(luò)指示連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于所述短距離RF無線射頻 通信單元包括收發(fā)芯片、高頻切換開關(guān)、高頻濾波器、射頻微處理器、RF接口和RF天線， 射頻微處理器與RF接口、收發(fā)芯片、高頻切換開關(guān)、高頻濾波器連接，RF天線與高頻切換 開關(guān)連接。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于所述的中央處理器單元設(shè) 置有中央處理器、外部存儲器接口、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元 時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關(guān)、數(shù)據(jù)備份電池、實時SPI監(jiān)控端口、備用擴展 端口、串口通訊端口和看門狗，電源管理與中央處理器、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電 池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關(guān)均連接，電源切換開關(guān)與數(shù) 據(jù)備份電池連接，中央處理器與外部存儲器接口、外部暫存、中央處理器單元時鐘、實時SPI 監(jiān)控端口、備用擴展端口、看門狗均連接，串口通訊端口與GPRS無線通訊單元、短距離RF 無線射頻通信單元連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，其特征在于所述殼體包括上蓋、模塊 盒、底板、電池盒，電路板安裝在模塊盒中，模塊盒、電池盒安裝在上蓋內(nèi)，上蓋與底板配 合連接。
專利摘要本實用新型公開了一種無線傳感器網(wǎng)關(guān)設(shè)備，包括殼體、電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設(shè)置有GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設(shè)置有GPRS天線，短距離RF無線射頻通信單元設(shè)置有RF天線。本實用新型可實現(xiàn)遠程服務(wù)器及移動用戶終端與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立可靠的連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有實時時鐘、用戶參數(shù)管理、較大的數(shù)據(jù)存儲區(qū)和一定的數(shù)據(jù)分析處理功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹悄芑芾恚瑵M足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實際應(yīng)用中的需求。
文檔編號H04W88/16GK201323659SQ20082016905
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月4日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月4日
發(fā)明者建 周, 應(yīng)致標, 江為陽, 章國良, 許康金 申請人:杭州鴻鵠電子有限公司