专利名称：用于无线传感器网络线性组网的网关装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能够完成无线传感器网络线性组网的网关装置。
背景技术：
目前，公知的无线传感器网络网关装置主要有以下两种 第一种是实现无线传感器网络短程网络节点数据转发和传递的无线网关装置，由 微程序控制器(MCU)电路、电源电路、无线通信芯片、RF电路、天线连接件、接口电路等构 成。通过MCU编程实现IEEE 802. 15. 4(LR_WPAN，低速率无线个人区域网)上的Zigbee协 议，完成无线传感器网络节点数据的传输。这种无线传感器网络网关通讯安全性、可靠性较 高，适用于短程无线传感器网络数据传输体系的构建。但它不能进行数据的远程传输，不利 于不同监测区域的传感器信息的远程管理、控制。 第二种是完成无线传感器网络与现有网络基础设施(如Internet、 GPRS等)的 数据包转换传递的无线网关装置，由微程序控制器(MCU)电路、电源电路、无线通信芯片、 RF电路、天线连接件、GPRS通讯模块、以太网接口、接口电路等构成。通过MCU编程实现无 线传感器网络数据与公众网络的数据包转换连接，完成无线传感器网络节点数据的远程传 输。这种无线传感器网络网关能够方便的实现传感器网络的广范围信息共享，适用于无线 传感器感测数据的远程管理、控制网络的构建。但需要采用公众网络资源，需要数据传输费 用，成本较高；同时要求无线传感器网络节点采集地点有公众网络覆盖，不适合于一些采集 节点密集、流量较大、公众网络没有覆盖的地区。针对上述现有技术中所存在的问题，研究 设计一种新型的用于无线传感器网络线性组网的网关装置，从而克服现有技术中所存在的 问题是十分必要的。
发明内容鉴于上述现有技术中所存在的问题，本实用新型的目的是研究设计一种新型的用 于无线传感器网络线性组网的网关装置，从而解决无线传感器网络短程网络节点数据转发 和传递的无线网关装置，不能进行数据的远程传输，不利于不同监测区域的传感器信息的 远程管理、控制和为了克服无线传感器网络网关仅用于局域网或需借助公众网络进行数据 传输或转换的缺点，本实用新型的目的是设计一种可以通过网关装置自身电路和协议完成 无线传感器网络的线性组网、可以实现数据包快速有效的延伸接力传输的可远程管理控制 无线传感器网络网关装置。 本实用新型所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置是由CPU微控制器 (U104) 、 Zigbee无线通讯模块(U103)、电源模块(U101、 U102)、复位模块、JTAG调试单元 (U107) 、 Flash存储模i央(U105) 、 USB驱动电路和USB接口 (U106) 、 UART驱动电路和UART 接口 (U108)所组成；电源模块提供+5V、 +3.3￥两种直流电压；复位模块输出一个低电平 脉冲，驱动CPU微控制器进行初始化开始工作；CPU微控制器首先配置Zigbee无线通讯模 块，进行各功能寄存器初始化，并在2. 4GHz频率选择自己工作信道，通过Zigbee无线通讯模块的天线接口发出入网申请信息，进行临近无线网络的搜寻，搜到后进行入网登记；然后 CPU微控制器不停监听Zigbee无线通讯模块的接收信道是否有信息从天线接口进来，当有 信息进来，首先判断是否要将信息保存到Flash模块还是需要转发，如果要保存，则CPU微 控制器将接收到的信息保存到Flash模块，如果需要转发，则CPU微控制器将接收到的信息 通过Zigbee无线通讯模块的发送信道将信息转发给ID号临近的Zigbee无线通讯模块； 同时，CPU微控制器采用中断方式通过USB驱动电路和UART驱动电路监听USB接口模块与 UART接口模块是否需要进行数据传输，如果需要，则通过CPU微控制器控制各自的驱动电 路完成数据传输；当整个无线网卡装置需要进行软件程序升级，则通过JTAG调试单元完成 代码的升级和调试； 所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置的连接关系如下； CPU微控制器芯片U104，管脚38、39、40分别连接到Zigbee无线通讯模块U103的 管脚10、8、7上，采用标准的SPI通信协议完成数据收发的控制，U104管脚37连接到Zigbee 无线通讯模块U103的管脚14提供RESET复位信号电平； CPU微控制器芯片U104的管脚36、35、34分别连接到Flash存储模块U105的管脚 8、1、2上，采用标准的SPI通信协议完成数据存储的控制，U104管脚33连接到U105的管脚 4提供片选电平，U104管脚32连接到U105的管脚5提供读写控制电平； CPU微控制器芯片U104的管脚7、8、9、12分别连接到USB驱动接口芯片U106的管 脚4、3、2、 1上，其中管脚8、9分别为USB数据信号线D+和D_，采用芯片内部程序控制实现 USB通信接口的驱动； CPU微控制器芯片的管脚5、6分别连接到UART串行通信驱动接口芯片U108的管 脚15、 13上，然后经U108的管脚9、16连接到串行接口 DB9排针的管脚2、3上实现UART的 通信驱动； CPU微控制器芯片U104的管脚47、48连接晶体振荡器； U107为CPU微控制器芯片程序在线调试JTAG接口电路，U107管脚4连接到CPU微 控制器芯片U104的管脚14提供扫描数据传输，U107管脚7连接到CPU微控制器芯片U104 的管脚13提供扫描数据的读取时钟； R106、C113构成RC低通复位电路，S101为手动复位按键， 一端连接到地端， 一端连 接到CPU微控制器芯片U104的管脚13提供上电低电平复位信号； 电源模块芯片U102的管脚1连接到微控制器U104管脚41输出端，进行电源输出 管理控制，管脚5给U103、U104、U105、U107、U108芯片供电。 本实用新型所述的CPU微控制器采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340， 3. 3供电、Zigbee无线通讯模块采用DTD243A芯片、电源模块采用LM2576. 5和LP3966-ADJ 芯片、JTAG调试单元采用HEADER5X2芯片、Flash存储模块采用AT45DB161D芯片、USB驱动 电路和USB接口采用CH374芯片、UART驱动电路和UART接口采用SP3223芯片。 本实用新型所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置是采用如下的技术 方案实现的本实用新型的硬件部分主要由电源电路、微处理器电路、ZIGBEE无线通讯电 路、数据存储电路、接口电路、其它外围电路构成；软件部分包括ZIGBEE/802. 15. 4协议 栈程序、主控制程序、数据包处理程序、线性组网协议、接口检测程序。所述硬件部分采用 C8051F340微处理器，内嵌USB与SPI接口 ，完成对整个网关电路的控制；所述软件部分采用标准ZigBee协议栈完成无线通讯模块的网络链接，并采用自己完全自主设计的组网协 议完成无线传感器网络的线性组网，并在此协议上完成两个或多个传感器节点数据包的传 输及转换。 本实用新型所述的电源电路包括5V、3.3V两种直流电压的输出电路，在电路中设 计了防浪涌电压击穿保护电路、LED电源指示电路、可控制电源输出电源管理电路。 本实用新型所述的微处理器电路主芯片采用与8051兼容的CIP-51内核芯片 C8051F340 ， 3. 3供电，采用内部看门狗监控及RC复位电路，并设计了手动复位电路。 本实用新型所述的ZIGBEE无线通讯电路采用符合IEEE802. 15. 4标准的片上 ZigBee产品无线收发器CC2430，自带天线接口电路，采用标准UART接口与MCU连接。 本实用新型所述的数据存储电路由Flash存储芯片、与MCU的标准SPI接口电路 组成，Flash存储芯片防掉电数据易失功能。 本实用新型所述的接口电路包括主控芯片程序在线调试C2接口电路，并设计了 监控用的串行接口及USB接口 。 本实用新型所述的其它外围电路包括LED指示电路，设计了登陆网络指示、网络 状态指示、数据传输状态指示等指示电路。 本实用新型所述的软件部分设计了主控程序完成标准ZigBee协议栈的调用与实 现，完成数据包的无线传输；并设计了自动检测网络、登录网络，数据传输转换的线性组网 协议。
本实用新型共有三张附图，其中 图1是本实用新型的总体功能框图； 图2是本实用新型的电路原理图； 图3是本实用新型的软件控制流程图。
具体实施方式本实用新型的具体实施例如附图所示，附图l所示为本实用新型的结构框图，是 由CPU微控制器(U104) 、 Zigbee无线通讯模块(U103)、电源模块(UIOI、 U102)、复位模块、 JTAG调试单元(U107) 、Flash存储模块(U105) 、USB驱动电路和USB接口 (U106) 、UART驱动 电路和UART接口 (U108)所组成；电源模块提供+5V、+3. 3V两种直流电压；复位模块输出一 个低电平脉冲，驱动CPU微控制器进行初始化开始工作；CPU微控制器首先配置Zigbee无 线通讯模块，进行各功能寄存器初始化，并在2. 4GHz频率选择自己工作信道，通过Zigbee 无线通讯模块的天线接口发出入网申请信息，进行临近无线网络的搜寻，搜到后进行入网 登记；然后CPU微控制器不停监听Zigbee无线通讯模块的接收信道是否有信息从天线接 口进来，当有信息进来，首先判断是否要将信息保存到Flash模块还是需要转发，如果要保 存，则CPU微控制器将接收到的信息保存到Flash模块，如果需要转发，则CPU微控制器将 接收到的信息通过Zigbee无线通讯模块的发送信道将信息转发给ID号临近的Zigbee无 线通讯模块洞时，CPU微控制器采用中断方式通过USB驱动电路和UART驱动电路监听USB 接口模块与UART接口模块是否需要进行数据传输，如果需要，则通过CPU微控制器控制各自的驱动电路完成数据传输；当整个无线网卡装置需要进行软件程序升级，则通过JTAG调 试单元完成代码的升级和调试； 附图2是本实用新型整体电路原理图，所述的用于无线传感器网络线性组网的网 关装置的连接关系如下； CPU微控制器芯片U104，管脚38、39、40分别连接到Zigbee无线通讯模块U103的 管脚10、8、7上，采用标准的SPI通信协议完成数据收发的控制，U104管脚37连接到Zigbee 无线通讯模块U103的管脚14提供RESET复位信号电平； CPU微控制器芯片U104的管脚36、35、34分别连接到Flash存储模块U105的管脚 8、1、2上，采用标准的SPI通信协议完成数据存储的控制，U104管脚33连接到U105的管脚 4提供片选电平，U104管脚32连接到U105的管脚5提供读写控制电平； CPU微控制器芯片U104的管脚7、8、9、12分别连接到USB驱动接口芯片U106的管 脚4、3、2、 1上，其中管脚8、9分别为USB数据信号线D+和D-，采用芯片内部程序控制实现 USB通信接口的驱动； CPU微控制器芯片的管脚5、6分别连接到UART串行通信驱动接口芯片U108的管 脚15、13上，然后经U108的管脚9、16连接到串行接口 DB9排针的管脚2、3上实现UART的 通信驱动； CPU微控制器芯片U104的管脚47、48连接晶体振荡器； U107为CPU微控制器芯片程序在线调试JTAG接口电路，U107管脚4连接到CPU微 控制器芯片U104的管脚14提供扫描数据传输，U107管脚7连接到CPU微控制器芯片U104 的管脚13提供扫描数据的读取时钟； R106、C113构成RC低通复位电路，S101为手动复位按键， 一端连接到地端， 一端连 接到CPU微控制器芯片U104的管脚13提供上电低电平复位信号； 电源模块芯片U102的管脚1连接到微控制器U104管脚41输出端，进行电源输出 管理控制，管脚5给U103、U104、U105、U107、U108芯片供电。 本实用新型所述的CPU微控制器采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340， 3. 3供电、Zigbee无线通讯模块采用DTD243A芯片，Zigbee无线通讯电路采用符合 IEEE802. 15. 4标准的片上ZigBee产品无线收发器CC2430，自带天线接口电路、电源模块采 用LM2576. 5和LP3966-ADJ芯片、JTAG调试单元采用HEADER5X2芯片、Flash存储模块采用 AT45DB161D芯片、USB驱动电路和USB接口采用CH374芯片、UART驱动电路和UART接口采 用SP3223芯片，，采用标准UART接口与MCU连接。 附图3是软件控制流程图。本实用新型的硬件电路的整体控制思路通过软件流程 体现，主要完成无线网关装置的入网登陆、退网，数据的发送接收、转发功能，同时完成局域 网络边缘节点的网络延伸功能，使得整个网络线性扩展，实现基于IEEE802. 15. 4标准局域 网络协议网关完成数据的远程监控管理和采集。 其工作过程为，首先上电后开始执行初始化程序，完成各功能模块的状态初始化； 然后检测整个网关装置的电池电量，如果电量低于临界值，保存采集的传感器数据，并关闭 Zigbee无线通讯模块进行电量不足声光报警。如果电量大于临界值，则继续进行工作。 接着开始判断是否登陆网络标志，没有登陆则向ID号加1或减1的临近模块请求 入网，并保存采集的传感器数据准备处理。当判断到采集的传感器数据缓存满或有数据需
6要转发，则向ID号加1或减1的临近模块请求数据传送，数据发送成功后返回继续判断网 络状态和采集传感器数据，未成功设置错误发送标志等待向临近模块再次发送。
权利要求一种用于无线传感器网络线性组网的网关装置，其特征在于是由CPU微控制器(U104)、Zigbee无线通讯模块(U103)、电源模块(U101、U102)、复位模块、JTAG调试单元(U107)、Flash存储模块(U105)、USB驱动电路和USB接口(U106)、UART驱动电路和UART接口(U108)所组成；电源模块提供+5V、+3.3V两种直流电压；所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置的连接关系如下；CPU微控制器芯片U104，管脚38、39、40分别连接到Zigbee无线通讯模块U103的管脚10、8、7上，采用标准的SPI通信协议完成数据收发的控制，U104管脚37连接到Zigbee无线通讯模块U103的管脚14提供RESET复位信号电平；CPU微控制器芯片U104的管脚36、35、34分别连接到Flash存储模块U105的管脚8、1、2上，采用标准的SPI通信协议完成数据存储的控制，U104管脚33连接到U105的管脚4提供片选电平，U104管脚32连接到U105的管脚5提供读写控制电平；CPU微控制器芯片U104的管脚7、8、9、12分别连接到USB驱动接口芯片U106的管脚4、3、2、1上，其中管脚8、9分别为USB数据信号线D+和D-，采用芯片内部程序控制实现USB通信接口的驱动；CPU微控制器芯片的管脚5、6分别连接到UART串行通信驱动接口芯片U108的管脚15、13上，然后经U108的管脚9、16连接到串行接口DB9排针的管脚2、3上实现UART的通信驱动；CPU微控制器芯片U104的管脚47、48连接晶体振荡器；U107为CPU微控制器芯片程序在线调试JTAG接口电路，U107管脚4连接到CPU微控制器芯片U104的管脚14提供扫描数据传输，U107管脚7连接到CPU微控制器芯片U104的管脚13提供扫描数据的读取时钟；R106、C113构成RC低通复位电路，S101为手动复位按键，一端连接到地端，一端连接到CPU微控制器芯片U104的管脚13提供上电低电平复位信号；电源模块芯片U102的管脚1连接到微控制器U104管脚41输出端，进行电 源输出管理控制，管脚5给U103、U104、U105、U107、U108芯片供电。
2. 根据权利要求1所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置，其特征在于所述 的CPU微控制器采用与8051兼容的CIP-51内核芯片C8051F340，3. 3供电、Zigbee无线通 讯模块采用DTD243A芯片、电源模块采用LM2576. 5和LP3966-ADJ芯片、JTAG调试单元采 用HEADER5X2芯片、Flash存储模块采用AT45DB161D芯片、USB驱动电路和USB接口采用 CH374芯片、UART驱动电路和UART接口采用SP3223芯片。
专利摘要本实用新型所述的用于无线传感器网络线性组网的网关装置，是由CPU微控制器、Zigbee无线通讯模块、电源模块、复位模块、JTAG调试单元、Flash存储模块、USB驱动电路和USB接口、UART驱动电路和UART接口所组成。本实用新型的目的是设计一种可以通过网关装置自身电路和协议完成无线传感器网络的线性组网、可以实现数据包快速有效的延伸接力传输的可远程管理控制无线传感器网络网关装置。
文档编号H04W88/16GK201550285SQ20092001457
公开日2010年8月11日 申请日期2009年6月11日 优先权日2009年6月11日
发明者张丽艳, 曾洁, 李桂林, 邹娟, 陈少华 申请人:大连交通大学