专利名称：室内光传感器无线网络的嵌入式网关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种室内光环境无线传感器网络的计算机接入方案，尤其涉及一种基于室内光传感器无线网络的嵌入式网关。
背景技术：
光环境是室内环境的重要指标之一，需要满足人们工作、生活、审美和保护视力等 要求。常用的光环境参数包括照度，亮度，空间照度，紫外辐照度，年曝光量，色度等。准确的 测试数据可以提供真实的光环境信息对室内照明的评估、规划和设计提供基础，同时可以 预防不合理照明或是灯具故障带来的危害。目前的光度测量技术作为独立技术，已比较完 善，但是在光环境测试评估中就显得缺乏系统性和通用性，主要表现为(1)集中在一个时 段内对某些关键部分进行测量，无法长期实施监测；(2)测量参数单一，通用性差，可扩展 性差；(3)各个传感器独立测量，相互之间缺乏联系，不能将位置信息与光环境信息统一； (4)缺乏有效的网络管理，自动化程度不高。如果将不同种类的光传感器连成无线网络，建立传感器位置信息和采样信息之间 的联系，实现数据的统一汇集处理，就能在现有光度测量技术的基础上实现光环境的分布 式实时系统监测。Zigbee技术因其近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率的特征，能够很好 地应用在室内光传感器无线网络中；其无线通信的优势省去了布线的麻烦，节省安装和改 造费用，并大大降低了火灾隐患。随着计算机技术、网络通讯技术、自动控制技术的发展，对 光传感器网络的智能化要求也越来越高，用户希望可以通过计算机对传感器采样结果进行 可视化显示，并利用离线处理结果对光传感器无线网络进行重新配置。
发明内容
针对上述需求，本发明的目的是提供一种室内光传感器无线网络的嵌入式网关， 以提高光传感器无线网络的数据处理能力。为达到上述目的，本发明的技术解决方案是该室内光传感器无线网络的嵌入式 网关主要包括无线网络通信控制装置和信息管理控制装置，所述无线网络通信控制装置包 括第一主控模块、通用光传感器接口模块、无线网络通讯模块和网关接入模块；所述信息管 理控制装置包括第二主控模块、人机交互模块、信息配置模块、电源管理模块和时钟管理模 块；所述第一主控模块分别与通用光传感器接口模块、无线网络通讯模块和网关接入模块 相连；第二主控模块分别与人机交互模块、信息配置模块、电源管理模块和时钟管理模块相 连，电源管理模块与通用光传感器接口模块连接；第一主控模块与第二主控模块连接。进一步地，本发明所述通用光传感器接口模块的电路为电阻Rl的一端与超低阻 抗模拟开关Sl的NO脚连接，电阻Rl的另一端分别与放大器Al的负端、超低阻抗模拟开关 Sl的COM脚和数字电位器U2的RL脚连接；数字电位器U2的RH脚分别与放大器Al的输 出端和A/D转换器的输入端连接；放大器Al的正端接地。进一步地，本发明所述无线网络通讯模块连接有网络状态监测器。
进一步地，本发明所述网关接入模块连接有通信质量指示器。可见，本发明室内光传感器无线网络的嵌入式网关采用的是双核控制结构，第一 主控模块为无线网络通信控制器，集成了无线网络通讯模块，扩展通用光传感器接口模块， 网关接入模块；第二主控模块为信息管理控制器，扩展人机交互模块，信息配置模块，电源 管理模块和时钟管理模块。两组控制器并行工作，能够实现任务独立运行，也可以通过数据 传递以及外部接口实现协同工作。与现有技术相比，本发明的优点是
1)两组控制器并行处理各自任务，数据传输和运算速度快，由此光传感器无线网 络的数据处理能力得到提高；2)控制模块采用低功耗片上系统芯片，成本低，可靠性好，便携性强；3)采用通用光传感器接口模块，可扩展性强；4)利用Zigbee无线通信技术可方便的对光传感器进行远程控制，大大降低网络 布线带来的风险和成本，方便安装和改造；5)本发明嵌入式网关既可连接于光传感器无线网络和上位机之间，也可以脱离上 位机独立工作。当连接于光传感器无线网络和上位机之间时，用户可以方便地通过上位机 从远端对分布式的光传感器无线网络进行监控和管理，同时也使得智能管理、集中控制成 为可能。当脱离上位机独立工作时，通过人机接口获得采样信息或下达调整指令。
图1是本发明嵌入式网关的结构示意框图；图2是本发明的无线网络通信控制装置的结构示意框图；图3是本发明的通用光传感器接口模块的电路原理图；图4是本发明的信息管理控制装置的结构示意框图；图5是本发明的嵌入式网关的双核并行结构原理图；图6是在上位机作用下本发明的嵌入式网关与光传感器无线网络通信的流程图。
具体实施例方式本发明的室内光传感器无线网络的嵌入式网关提供人机接口，实现光传感器网络 的计算机接入功能；网关采用双核控制结构，分别处理无线网络通信和信息管理任务；扩 展通用光传感器接口，支持标准USB接入方式；通过上位机使用图形用户界面以实现可视 化的监测与控制，与光传感器无线网络中的传感器节点建立快速可靠的连接，实时检测网 络状态。参照图1，本发明的室内光传感器无线网络的嵌入式网关，包括无线网络通信控制 装置和信息管理控制装置。其中，无线网络通信控制装置包括第一主控模块1、通用光传感 器接口模块2、无线网络通讯模块3、网关接入模块4、网络状态监测器10和通信质量指示 器11 ；信息管理控制装置包括第二主控模块5、人机交互模块6、信息配置模块7、电源管理 模块8和时钟管理模块9 ；第一主控模块1分别与通用光传感器接口模块2、无线网络通讯 模块3和网关接入模块4相连；无线网络通讯模块3连接网络状态监测器10 ；网关接入模 块4连接通信质量指示器11 ；第二主控模块5分别与人机交互模块6、信息配置模块7、电源管理模块8和时钟管理模块9相连，电源管理模块8与通用光传感器接口模块2连接；第 一主控模块1与第二主控模块5连接。其中，通用光传感器接口模块2与第一主控模块1的I/O 口相连；网关接入模块4 与第一主控模块1的数据总线相连；第一主控模块1与第二主控模块5通过串口相连；人机 交互模块6和信息配置模块7分别与第二主控模块5的I/O 口相连；电源管理模块8与第 二主控模块5的SPI总线相连；时钟管理模块9与第二主控模块5的I/O接口相连。图2示出了无线网络通信控制装置的一种具体实施方式
。其中，第一主控模块1 采用Chipcon公司生产的CC2430芯片。通用光传感器接口模块2为光传感器通用接口，该 通用光传感器接口模块2可与色度传感器、照度传感器和亮度传感器等连接，由此将不同 类型的光信号转换成相应的数字信号，并依据信号特征进行数据处理，实现多路复用。通用 光传感器接口模块2的电路原理图如图3所示。其中，电阻Rl的一端分别接光传感器的输 入信号和超低阻抗模拟开关Sl的NO脚，电阻Rl的另一端分别接放大器Al的负端、超低阻 抗模拟开关Sl的COM脚和数字电位器U2的RL脚；数字电位器U2的RH脚分别接放大器 Al的的输出端和A/D转换器的输入端；放大器Al的正端接地。工作时，超低阻抗模拟开关 Sl的IN脚接CC2430芯片的IO 口，NC脚悬空；数字电位器U2的RW脚接CC2430芯片的IO 口。超低阻抗模拟开关Sl采用Intersil公司生产的ISL84780芯片。电阻Rl和超低阻抗 模拟开关Sl的并联结构可程控切换输入的电流或电压信号，实现传感器的通用接入。数字 电位器U2的型号为X9241AWP，可由程序控制电阻的大小。放大器Al采用AD公司生产的 0P27芯片。A/D转换器采用AD公司生产的AD9225芯片。放大器Al和A/D转换器都由电 源管理器模块8分配电压。无线网络通讯模块3集成于第一主控模块1中。如图2所示，无线网络通讯模块 3与外界的子节点通过无线射频传输进行通信。进一步地，在第一主控模块1中还集成有 网络状态监测器10，以利用无线通信过程中数据包携带的相关信息确定传输链路质量，判 断传感器节点工作区域及故障信息，实时监控网络状态。网关接入模块4采用USB接口，具 体可以是PDIUSBD12芯片，进行高速批量数据传输。通信质量指示器11利用PDIUSBD12芯 片的GL引脚外接的LED指示灯，实现网关接入的通信状态的指示作用，能够判定USB接口 的物理连接是否正常以及和计算机通信的阶段状态在枚举阶段，LED间歇闪烁，USB正确 识别，则LED保持点亮状态。此外，如图2所示，第一主控模块1通过串口与第二主控模块 5连接。信息管理控制装置的其中一种实施方式可参见图4。第二主控模块5采用TI公 司生产的MSP430F449芯片；人机交互模块6采用240*160黑白液晶屏和ATMEL公司型号为 ATA2526S338的红外接收头。液晶屏和红外接收头分别与MSP430F449芯片连接。信息配置 模块7采用ISSI公司的静态RAM型号为IS61WV20488芯片，可贮存待处理数据。电源管理 模块8采用ETC公司型号为FS1610的芯片，该芯片的多源输出可以满足系统各模块的不同 电压需求。时钟管理模块9采用MAXIM公司型号为DS1307芯片，该芯片不受CPU主晶振及 电容的影响，计时准确。本发明的室内光传感器无线网络的嵌入式网关，采用双核控制结构，两组控制器(即无线网络通信控制器和信息管理控制器，分别对应于第一主控模块1和第二主控模块 5)并行，各控制器能够独立处理数据任务，也可以利用两组控制器之间数据传递实现协同工作，从而提高光传感器无线网络的数据处理能力。图5是嵌入式网关的双核并行结构原 理图。第一主控模块即为无线网络通信控制器，通过其内部集成的射频收发器与光传感器 无线网络节点进行有效的数据通信，各个检测点传感器单元的采集数据沿着其他传感器节 点逐跳进行传输，数据经多跳路由后到网关节点，网关节点接收普通节点数据，对数据进行 分析融合后通过网关接入模块4发送到上位机；无线网络通信控制器需要对传感器网络进 行管理和设置，包括扫描并选定物理信道，分配无线传感器网络内的网络地址，初始化网络 设置；配合网络所采用的MAC算法和路由协议，协助其他网络节点建立路由；同时接收上位 机的控制指令，完成用户需求。第一主控模块1还扩展了通用光传感器接口模块，可以实现 照度，亮度，空间照度，紫外辐照度，色度等多种光度色度传感器的统一接入，可对多种光环 境参数进行本地测量，增强其通用性及可扩展性；通过在软件设计上对不同种类参数设置 与之对应的数据格式，采样数据进入网络通信控制器后，控制器依据不同的数据格式进行 相应的转换处理成统一数据格式并加以标记，以方便数据的分类上传和存储。本发明嵌入式网关按如下方式实现双核控制一、经第一主控模块1 (即无线网络通信控制器)处理完成的数据通过串口向第二 主控模块5传送，第二主控模块5首先对所接收数据物理信息类别(如照度，亮度，空间照 度，紫外辐照度等参数)依据其数据帧格式进行分析，然后进行相应的处理，并将处理后的 数据存储到信息配置模块7。同样上位机下达的控制指令也可以从第一主控模块1通过串 行接口传送到第二主控模块5，对其扩展的信息配置模块7进行重新设置，调整数据存储位 置和方式；依据用户需求对电源管理模块8和时钟管理模块9进行相应调整，以及通过对人 机交互模块的内部设置进行控制，改变人机界面的显示内容和格式，转换按键功能。二、同样，第二主控模块5(即信息管理控制器)外接信息配置模块7内部的存储 数据也通过串口向第一主控模块1传送，经USB接口至上位机进行显示、处理和存储；也可 以向第一主控模块1传送人机界面的控制信息，实现光传感器无线网络配置，调整网络结 构，添加、删除节点，改变通用光传感器接口所外接的传感器的采样频率和休眠周期等，并 将调整信息同步上传到上位机；在脱离上位机时可以通过扩展人机接口对光传感器无线网 络进行在线数据处理和监控，实现嵌入式网关独立工作。图6示出了在上位机作用下，本发明嵌入式网关与光传感器无线网络通信的流程 图。系统上电后进行初始化，处理USB事件，监听上位机控制指令，当PDIUSBD12接收到上 位机发来的数据包后，将数据从PDIUSBD12的内部FIFO取回到CPU存储器并根据中断寄存 器判断USB数据包的类型从而建立正确的事件标志以通知主循环程序进行处理。接收到正 确的采样控制信息时，对消息进行处理，存放数据到EpBuf，前台进入无线接收状态，等待接 收子节点的醒来告知信息。若等待周期20s内未接收到任何数据包信息，则同样通过USB 传输相应错误报告到上位机；接收到数据包时需判断该数据包是否为相关节点的醒来信 息。成功接收到相关子节点的醒来信息后向对应的子节点无线发送采样控制命令并进入无 线接收状态，等待接收采样数据，若在规定时间内接收到正确的光信息采样数据包，则发送 数据包到上位机并清除相应控制位重新进入循环；规定时间内没有收到正确的数据包时进 行循环重发，重发次数超过3次时退出循环向上位机报错。整个通信过程可分成两个部分， 上位机通信以及与传感器网络节点通信。与上位机通讯过程中，嵌入式网关中主要控制程 序的功能是采用中断驱动实现主控制器运行前台任务独立于USB传输的后台执行，在主循环程序处理中利用事件标志串接各分层功能的子程序，以此建立全局联系，最后数据由 PDIUSBD12的端点2通过批量传输方式传至上位机。与传感器节点的通信协议由两部分组 成，上层通讯协议和下层通讯协议上层的通讯协议利用握手、重发等机制对相邻节点之间 的通信进行管理，发送节点收到一个数据分组之后，通过对数据加预先设置好的首部和一 个校验和构造一个链路层分组，然后将该分组发送给接收机，接收机利用校验和来检测分 组的完整性，并提供反馈信息给发射机以表示分组接收的成功，完成合理的信息交换过程， 降低信号波形的反射、衍射和散射之类的现象以及路径消耗和障碍物存在所造成的无线信 道不稳定，保证可靠、高效率的数据传输。下层的无线通讯协议是负责将上层的数据流通过 无线的方式在无线射频模块之间进行交换，数据缓冲区通过先进先出的方式来接收数据， 使用特殊功能寄存器接口读取先进先出数据，内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方 式来实现。上层协议之间以数据帧为单位进行通讯，而对于下层无线通讯则只是以数据字 节为单位进行通讯，即将每一帧数据都分解成数据字节，然后根据协议格式，将数据字节作 为有用数据重新组成数据帧进行传输。数据帧格式包括IEEE301. 15. 4的协议自动加上的 长度标志位及RSSI、LQI位，源\目标地址位，保留容错位以及有效数据位。RSSI (Receive signal StrengthIndicator)是接受数据强度的指示器，LQI (Link Quality Indicator)即 链路质量指示器，这两个是反映通讯质量的重要参数，由硬件自动生成，可以通过对这两个 参数的采集确定传输链路质量，判断传感器节点工作区域及故障信息，实时监控网络状态。
权利要求
一种室内光传感器无线网络的嵌入式网关，其特征是包括无线网络通信控制装置和信息管理控制装置，所述无线网络通信控制装置包括第一主控模块(1)、通用光传感器接口模块(2)、无线网络通讯模块(3)和网关接入模块(4)；所述信息管理控制装置包括第二主控模块(5)、人机交互模块(6)、信息配置模块(7)、电源管理模块(8)和时钟管理模块(9)；所述第一主控模块(1)分别与通用光传感器接口模块(2)、无线网络通讯模块(3)和网关接入模块(4)相连；第二主控模块(5)分别与人机交互模块(6)、信息配置模块(7)、电源管理模块(8)和时钟管理模块(9)相连，电源管理模块(8)与通用光传感器接口模块(2)连接；第一主控模块(1)与第二主控模块(5)连接。
2.根据权利要求1所述的室内光传感器无线网络的嵌入式网关，其特征是所述通用光 传感器接口模块(2)的电路为电阻Rl的一端与超低阻抗模拟开关Sl的NO脚连接，电阻 Rl的另一端分别与放大器Al的负端、超低阻抗模拟开关Sl的COM脚和数字电位器U2的 RL脚连接；数字电位器U2的RH脚分别与放大器Al的输出端和A/D转换器的输入端连接； 放大器Al的正端接地。
3.根据权利要求1所述的基于室内光传感器无线网络的嵌入式网关，其特征是所述 无线网络通讯模块(3)连接有网络状态监测器(10)。
4.根据权利要求1所述的基于室内光传感器无线网络的嵌入式网关，其特征是所述 网关接入模块(4)连接有通信质量指示器(11)。
全文摘要
本发明公开了一种室内光传感器无线网络的嵌入式网关，主要包括无线网络通信控制装置和信息管理控制装置，无线网络通信控制装置包括第一主控模块、通用光传感器接口模块、无线网络通讯模块和网关接入模块；信息管理控制装置包括第二主控模块、人机交互模块、信息配置模块、电源管理模块和时钟管理模块；第一主控模块分别与通用光传感器接口模块、无线网络通讯模块和网关接入模块相连；第二主控模块分别与人机交互模块、信息配置模块、电源管理模块和时钟管理模块相连，电源管理模块与通用光传感器接口模块连接；第一主控模块与第二主控模块连接。本发明通过双核控制结构提高了光传感器无线网络的数据处理能力。
文档编号H04W84/18GK101820695SQ20101010828
公开日2010年9月1日 申请日期2010年2月9日 优先权日2010年2月9日
发明者叶炜, 张钰唯, 汪丽, 许煜 申请人:浙江大学