一种基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统，包括微控制器模组，存储器模组，无线自组网射频收发模组，以太网接口模组，RFID射频识别模组，蜂鸣器预警模组，语音通信模组，以及人机接口模组。其中微控制器模组是网关核心，按照一定算法实现数据处理和任务调度控制，无线自组网射频收发模组完成与无线自组网络各个节点的数据收发，以太网接口模组提供网关与Internet网络通信的接口，RFID射频识别模组为数据采集设备的定位提供服务，蜂鸣器预警模组和语音通信模组实现能耗数据信息情况下的网关本地报警、网关与远程服务器IP语音通话的服务。本发明的网关设备体积小、重量轻、功能强大，能可靠地实现自适应组网和异构网络的协议转换功能，并提供多种实用性辅助服务，为能耗数据信息采集提供全面保证。
【专利说明】-种基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及无线自组网络技术的应用领域，尤其涉及一种用于实现基于无线微蜂 窝组网技术的多功能异构网络协议转换网关系统。
【背景技术】
[0002] 在众多的无线网络通信【技术领域】，无线自组网络以其低功耗、低成本、布网及使用 灵活、可靠性高等特点，在工业企业能耗数据信息采集领域展现出了良好的应用前景。但无 线自组网一般不以孤立网络的形式存在，而是需要通过一定的方式与其他外部网络互联， 以便众多远程设备方便地对其进行管理、控制与访问。这就要求有一种安全可靠的协议转 换装置完成异构网络中不同类型网络设备之间的通信。
[0003] 目前已公开的一些专利信息也存在一些不足，具体表现在：（1)现有网关设备大 多处理能力较差，存储资源过于有限，无法满足高速数据处理，大容量的本地数据库存储以 及多功能服务的要求；（2)现有网关设备大多不提供本地预警系统，这大大增加了能耗数 据信息能耗数据信息导致重大事故的危险。（3)现有网关设备大多不具有嵌入式音频通 信系统，使得现场生产人员无法方便地与企业管理人员随时随地建立语音通信，这给异常 事件发生时的能耗数据信息协调工作带来不便；（4)现有网关设备大多不具备本地人机接 口，对于网关设备众多环境变量的重新设置以及现场生产人员实时了解能耗数据信息制造 了极大的障碍； 鉴于目前能耗数据采集对无线自组网络网关功能多元化的应用需求，结合无线自组网 络的自身特点，本发明提升了网关系统的性能，增加了众多实用的服务功能，使网关系统更 适合工业企业能耗数据信息采集的需求。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服上述现有同类技术产品的众多不足，提供一种无线传感器 监测网络与远程安全监控管理中心所在的Internet网络之间互联的理想解决方案，而且 实现众多实用性功能，如本地预警，语音通信以及智能人机接口的基于无线微蜂窝组网技 术的能耗数据采集网关系统。
[0005] 为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案为： 存储器模组：包括2M的NOR FLASH、64M的NAND FLASH和64M的SDRAM。其中N0R FLASH用于存储网关系统的备用引导装载程序，可以在系统崩溃时完成系统的正常引导，并 能够重新烧写Linux嵌入式操作系统和文件系统；NAND FLASH作为大容量非易失性存储 器，用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的yaffs文件系统，用户 程序和数据，为操作系统与应用程序的高效运行提供支持。
[0006] 无线自组网射频收发模组：是网关设备与无线自组网络的接口模组，采用 470-510MHZ的工业通信频段与无线自组网络汇聚点进行无线射频通信，并通过通用异步串 行接口与微控制器模组直连；用于提供网关设备的空中接口，与无线自组网络的数据汇聚 点进行数据的无线双向收发，同时通过通用异步串行口与微控制器进行数据交互。
[0007] 以太网接口模组：是网关设备与Internet的接口模组，通过16位数据总线与微控 制器模组连接，并通过网络隔离变压器与RJ45接口相连；用于提供网关设备与Internet网 络的通信接口，保证无线自组网络采集的数据能够上行传输至Internet远程服务器，现时 能够接收远程服务器的下行指令数据。
[0008] RFID射频识别模组：与微控制器模组通过标准串口连接，采用2. 4GHz的工业通信 频段进行通信，用于现场人员的考勤以及模糊定位，通过主动方式检测进入其识别范围的 RFID卡，并通过对某个目标的ID自动识别得到对象的个体信息，并获取相关数据。
[0009] 蜂鸣器预警模组：采用压电式有源蜂鸣器，并与微控制器模组通过通用10 口相 连；用于能耗数据信息情况下的网关本地报警。通过将网关接收到的无线自组网络采集数 据与相应系统预设报警临界值对比，当某一能耗数据信息值异常时，系统驱动蜂鸣器工作， 达到本地预警功能。
[0010] 语音通信模组：采用专业音频编解码器构建网关的嵌入式音频系统，并与微控制 器模组通过I2S音频总线相连；用于网关与网关之间以及网关与远程服务器之间的IP语音 通信。语音通信模组能够对MIC接口输入的模拟音频信号进行采样、量化，并将得到的数字 音频信号存储于预设缓存中，并将缓存数据打包发送到目的主机；同时语音通信模组能够 将网关接收到的数字音频数据进行解包，并通过DA转换恢复得到目的主机；同时语音通信 模组能够将网关接收到的数字音频数据进行解包，并通过DA转换恢复得到目的主机端的 原始模拟音频信号，由SPK接口输出。
[0011] 人机接口模组采用TFT-IXD模块，并通过四线电阻式触摸屏接口与微控制器模组 相连；用于为本地智能的人机交互操作提供服务，主要实现本地IP地址和远程服务器IP地 址的配置，网络通信状况的在线测试，无线自组网络环境数据的本地实时显示，语音通信的 拨号、接听、振铃显示等操作。
[0012] 其中，微控制器模组采用ATMEL9260控制器，主频达400MHz，运算能力强大，通过 移植嵌入式Linux操作系统可以可靠地完成传感数据接收、转发处理，实时语音通信，智能 人机交互等多任务并行操作。
[0013] 其中，存储器模组中，NAND FLASH通过8位数据总线与微控制器相连，NOR FLASH 通过16位数据总线与微控制器相连，SDRAM通过32位数据总线与微控制器相连。
[0014] 其中，无线自组网射频收发模组采用CC1110射频芯片，工作于470-510MHZ的工业 通信频段。由于CC1110与ATMEL9260工作电压同为3. 3V，无线自组网射频收发模组与微控 制器模组之间通过三线串行接口 RX、TX、GND直连。
[0015] 其中，以太网接口模组采用CS8900作为网络控制芯片，通过16位数据总线与微控 制器模组连接，并通过GTS FC-518LS网络隔离变压器与RJ45接口相连接。
[0016] 其中，RFID射频识别模组采用基于NRF2401的成熟工作级模块，使用2. 4GHz的频 段进行通信，覆盖范围0-50米，ATMEL9260的通用异步收发器UART2通过MAX3232芯片实 现TTL/CM0S电平到TIA/EIA-232-F电平的转换，为RFID射频识别模组提供标准串口接入。
[0017] 其中，蜂鸣器预警模组采用压电式有源蜂鸣器HYD-2319,并与微控制器的通用10 口 GPB0相连接。
[0018] 其中，语音通信模组采用UDA1341音频编解码器构建网关设备的嵌入式音频系 统，并与微控制器模组通过I2S音频总线相连。
[0019] 其中，人机接口模组采用TFT-IXD模块，通过四线电阻式触摸屏接口与微控制器 相连，利用四线电阻式触摸屏提供人机交互界面。
[0020] 相比现有同类技术产品，本发明具有以下有益效果： (1) 本发明的网关设备中央控制器采用ATMEL9260芯片，主频高达400MHz，处理能力十 分强大，能够运行嵌入式Linux操作系统，为网关设备的多任务并行操作以及系统资源的 有效1?度提供稳定可罪的硬件保证； (2) 本发明的网关设备存储资源丰富，64M的NAND FLASH提供了大容量的存储空间， 不但可以存放大量用户程序、数据，而且可以保证无线自组网络数据的长期存储，64M的 SDRAM则为网关设备提供了足够的内存空间，使得网关设备的性能不会因多任务的并发执 行而受到影响； (3) 本发明的网关设备引入了本地预警功能，能够实时根据无线自组网络采集的数据 判断能耗数据是否出现能耗数据信息，并发此为依据决定是否由Linux操作系统驱动蜂鸣 器工作。通过本地预警功能，现场人员能够在能耗数据信息能耗数据信息出现的第一时间 得到通知，这为企业正常生产提供了进一步的保障； (4) 本发明的网关设备具有与其他网关设备以及远程服务器语音通话的功能，通过音 频编解码器构建的嵌入式音频通信系统，能够保证任意时刻现场人员方便地与企业管理人 员建立语音通信，为企业正常生产提供了又一层保障； (5) 本发明的网关设备具有智能的人机接口，实现了网关设备各种功能的一体化管理， 通过人机交互接口，可以方便地配置本地IP地址、远程服务器IP地址，实时显示传感器网 络采集的能耗数据信息值，并能够对语音通信进行拨号、接听、挂断等操作，这避免了通常 情况下采用大型PC设备通过超级终端对网关设备进行逐个操作所带来的不便。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的硬件原理框图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的描述，以便于更清楚的理解本 发明要求保护的技术思想。
[0023] 由于本系统的目标是将工业企业生产所需的众多能耗数据信息(如电、水、蒸汽、 空压气和燃烧油等等）以及采集设备定位信息等相应数据进行实时监测，并周期性向远程 服务器传输，保证企业管理人员能够通过访问服务器随时了解现场生产情况并能够针对能 耗数据信息事件做出快速有效地调整。系统总体框架可分为三个部分，分别是现场无线自 组网络网络数据采集部分、网关协议转换部分以及远程监控服务器部分。无线自组网络位 于整体系统的最底层，由一组传感器终端节点以及远程监控服务器部分。无线自组网络位 于整个系统的最底层，由一组传感器终端节点以自组织方式构成，分布于现场生产巷道的 感知区域，能够协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息。网关是监 控系统正常运行的核心一环，是实现异构网络协议转换的关键部分，主要实现两个功能： ①对无线自组网络数据的汇聚、处理和存储；@现Internet远程服务器的数据交互。除此 以外，网关还具有其他附加功能，增强了网关的人性化与实用性，比如采用RFID射频模块 实现现场采集设备的定位，网关与其他网关以及网关与远程服务器之间的实时语音通信， 本地人机交互等等。远程监控服务器位于整个系统的最上层，提供了强大的数据处理能力 和存储能力，通过访问该服务器，管理人员可以实时查询现场生产的各种能耗数据信息，调 取系统存储的历史记录，发送指令信息，控制无线自组网网络节点行为，进行网络管理。
[0024] 如图1所示，网关系统主要包括微控制器模组，存储器模组，无线自组网射频收发 模组，以太网接口模组，RFID射频识别模组，蜂鸣器预警模组，语音通信模组，以及人机接口 模组。其中，微控制器模组是网关设备的核心模组，与其他模组通过不同的接口电路相连， 以控制不同模组的协同工作并处理相关数据。微控制器采用ATMEL9260嵌入式芯片，该控 制器基于ARM920T内核，内含高性能32位RISC控制器，主频达400MHz，处理能力强大，通过 移植嵌入式Linux操作系统，有效地解决了网关与无线自组网络的射频收发、与Internet 网络的有线双工通信、本地实时预警、与远程服务器实时语音通信等多任务并发执行的调 度问题。
[0025] 本发明的存储器模组中NOR FLASH采用Am29LV160D，存储容量为2M，通过16位 数据总线与微控制器相连。由于采用16位数据模式，NOR FLASH的地址总线偏移一位与 微控制器相连，即NOR FLASH的ADDR(n)引脚与微控制器的SA (n+1)引脚相连，其中n的 取值范围是〇?19。NOR FLASH作为网关的后备资源，用于存储网关系统的备用引导装载 程序。NOR FLASH也可采用K9F1208D0A，存储容量为64M，通过8位数据总线与微控制器相 连，由微控制器内部的NAND FLASH控制器直接控制。NAND FLASH是网关设备的非易失性 存储器，主要用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的yaffs文件 系统，用户应用程序与数据等内容。SDRAM可采用HY57V561620,每片HY57V561620的存储 容量为32M，规格为48 &成8\411\168^8，通过两块芯片的数据总线串行连接方式组成641 的SDRAM，并通过32位数据总线与微控制器相连。由于采用32位数据模式，SDRAM的地址 总线偏移两位与微控制器相连，其中ACTA12为行地址线，ACTA8同时复用为列地址线，BA0 与BAI为Bank选择线。SDRAM是网关设备的内在，为操作系统与应用程序的高效运行提供 了支持。
[0026] 本发明的无线自组网射频收发模组以及以太网接口模组是完成协议转换，保证底 层传感数据在异构网络中传输的关键。
[0027] 无线自组网射频收发模组采用射频芯片，工作于470-510MHZ的工业通信频段，直 接与无线自组网络的传输汇聚节点进行通信，负责对底层周期性发送的采集数据进行无线 接收，其中传输汇聚节点负责对无线自组网络各个终端节点采集数据的接收、整理，并按照 预定协议所规定的格式打包数据，最后通过无线方式向网关的无线自组网射频收发模组转 发数据。无线自组网射频收发模组与微控制器模组之间采用串口接口方式连接，微控制器 模组在接收到无线自组网射频收发模组的传感器数据后对数据进行解析、处理，并将结果 存入缓存，发送给以太网接口模组。
[0028] 以太网接口模组采用以太网控制器CS8900,其内部集成了 4K字节的片上存储 器，lOBase-T的收发滤波器，并且提供8位和16位两种数据接口。本发明中，以太网接口 模组与微控制器模组通过20位的地址总线和16位的数据总线相连，与Internet则通过 GTSFC-518LS网络隔离变压器以及RJ45接口相连。以太网接口模组主要对经过微控制器模 组融合的底层传感数据以标准IP数据包格式直接发送到Internet远程服务器，同时也将 接收到的Internet服务器指令经过解包后通过数据总线送达微控制器模组执行，除此以 处，以太网接口模组也给网关的其他功能如IP语音通信等提供了硬件支持。
[0029] 本发明的RFID射频识别模组采用基于NRF2401的成熟工业级模块，使用2. 4GHz 的频段进行通信，覆盖范围0-50米。为便于应用扩展，RFID射频识别模组与微控制器模组 采用串口作为标准接口。微控制器模组的通用异步收发器UART2通过MAX3232芯片实现 TTL/CM0S电平到TIA/EIA-232-F电平的转换，从而为RFID射频识别模组提供标准串口接 入。
[0030] 本发明的蜂鸣器预警模组采用压电式有源蜂鸣器HYD-2319,并与微控制器模组的 通用10 口 GPB0相连接。网关接收到底层传感数据后，通过与系统中预设各种报警临界值 进行对比，判断各能耗数据信息是否异常。若存在能耗数据信息异常的情况，系统会通过将 GPB0引脚置高驱动蜂鸣器工作，警示本地现场工作人员进行处理。
[0031] 本发明的语音通信模组采用UDA1341音频编解码器，与微控制器模组通过I2S音 频总线相连。其中BCK为串行时钟，对应数字音频的每一位数据；WS为帧时钟，用于切换左 右声道的数据；SDATA0与SDATAI为串行数据，是用于二进制补码表示的音频数据，这三种 信号是语音通信模组与微控制器模组接口电路的核心。语音通信模组具有MIC和SPK接 口，其能够对MIC接口输入的模拟音频信号进行采样、量化，并将得到的数字音频信号存储 于预设缓存中，并将缓存数据打包发送到目的主机；同时能够将网关接收到的数字音频数 据进行解包，经DA转换恢复得到目的主机端的原始模拟音频信号，由SPK接口输出。
[0032] 本发明的人机接口模组采用3. 5英寸TFT-IXD模块，通过四线电阻式触摸屏接口 与微控制器相连。TSXM、TSXP、TSYM和TSYP为四线电阻式触摸屏接口，主要用于确定触摸 点坐标。此外为方便其他类型触摸屏的扩展应用，接口电路还提供了 3. 3V和5V电源选择 功能，可根据触摸屏电源电压正确选择跳线连接方式。人机接口模组在网关系统中扮演着 十分重要的角色，可实现本地IP地址的配置，远程服务器IP地址的设置，网络通信状况的 在线测试，无线自组网络环境数据的本地实时显示，语音通信的拨号、接听、振铃显示等等， 这大大降低了大型PC设备通过超级终端设置网关所带来的不便，同时也给现场人员随时 了解能耗数据状况提供了支持。
[0033] 本发明的语音通信模组在网关系统中作为独立进程存在，与异构网络数据交互并 发执行。程序启动后,创建监听线程监听网络信令，并可根据来电请求信令执行应答请求、 拒接来电等操作；同时，程序也可随时发送会话请求信令，请求目的终端进行通信。一旦网 关与目的终端建立起UDP通信链路，则可接收远程发送的语音数据包，并解析存入缓存，将 缓存信息写入DSP音频设备文件，则可从SPK接口输出语音信息，达到接听目的；同时，本地 人员的语音信息也会通过MIC接口存入DSP音频设备文件，通过读取该文件可获得音频数 据信息，打包后通过UDP协议可发送语音信息到目的终端。除此以处，程序还可通过查询本 地语音通话数据为库，获取历史来电记录和去电记录。
[0034] 本发明的异构网络数据交互方法具体为，程序启动后依次执行以下几个步骤： (1)设置串口，用于微控制器模组与无线自组网射频收发模组以及RFID射频识别模组进行 通信，主要包括串口波特率、数据位、停止位、奇偶校验位、串口最大读取时间、串口最大读 取长度的设置；（2)初始化网络，用于微控制器模组与以太网接口模组进行通信，主要包括 设定网络通信端口，设置远程服务器IP地址等操作；（3)连接服务，通过发送连接请求与远 程服务器建立UDP连接；（4)通过Fork函数创建子进程，子进程是对父进程的复制，二者 并行工作；（5)父进程监听串口，实时接收无线自组网络发送的底层数据，并进行有效性校 验，对有效数据计算、分类、比较后打包发送至远程服务器，在此过程一旦发现能耗数据信 息值异常，立即进行本地报警；（6)子进程监听网络端口，与远程服务器进行实时通信，接 收到远程发送的指令信息后，进行指令解析，并执行相应操作，实时管理人员对网关的远程 控制。
[0035] 对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各 种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范 围之内。
【权利要求】
1. 一种基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统，其特征在于，包括微控制 器模组，存储器模组，无线自组网射频收发模组，以太网接口模组，RFID射频识别模组，蜂鸣 器预警模组，语音通信模组，以及人机接口模组； 所述徽控制器模组是网关设备的核心模组，与其他模组通过不同的接口电路相连，以 控制不同模组的协同工作并处理相关数据；所述微控制器采用ATMEL9260嵌入式芯片， 该控制器基于ARM920T内核，内含高性能32位RISC控制器，主频达400MHz，处理能力强 大，通过移植嵌入式Linux操作系统，有效地解决了网关与无线自组网络的射频收发、与 Internet网络的有线双工通信、本地实时预警、与远程服务器实时语音通信的多任务并发 执行的调度问题； 所述存储器模组包括64M的NANDFLASH，2M的NORFLASD和64M的同步动态随机存储 器SDRAM，并通过数据总线与微控制器模组相连接； 所述无线自组网射频收发模组是网关设备与无线自组网络的接口模组，采用 470-510MHZ的工业通信频段与无线自组网络汇聚节点进行无线射频通信，并通过通用异步 串行接口与微控制器模组直连； 所述以太网接口模组是网关设备与Internet的接口模组，通过16位数据总线与微控 制器模组连接，并通过网络隔离变压器与RJ45接口相连；用于提供网关设备与Internet网 络的通信接口，保证无线自组网络采集的数据能够上行传输至Internet远程服务器，同时 能够接收远程服务器的下行指令数据； 所述RFID射频识别模组与微控制器模组通过标准串口连接，采用2. 4GHZ的工业通信 频段进行通信； 所述蜂鸣器预警模组采用压电式有源蜂鸣器，并与微控制器模组通过通用10 口相连； 所述语音通信模组采用专业音频编解码器构建网关的嵌入式音频系统，并与微控制器 模组通过I2S音频总线相连； 所述人机接口模组采用TFT-IXD模块，并通过四线电阻式触摸屏接口与微控制器模组 相连。
2. 根据权利要求1所述的基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统，其特 征在于，所述存储器模组中的NANDFLASH通过8位数据总线与微控制器模组相连，做为 大容量非易失性存储器，用于存放Linux系统引导装载程序、操作系统内核镜像、可读写的 yaffs文件系统，用户应用程序和数据；所述SDRAM通过32位数据总线与微控制器模组相 连，用于系统启动后加载运行操作系统、用户应用程序和数据，为操作系统与应用程序的高 效运行提供支持。
3. 根据权利要求1所述的基于无线微蜂窝组网技术的能耗数据采集网关系统，其特 征在于，无线自组网射频收发模组提供网关设备的空中接口，与无线自组网络的数据汇聚 节点进行数据的无线双向收发，同时通过通用异步串行口与微控制器进行数据交互。
【文档编号】H04L12/66GK104378285SQ201410509054
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年9月28日 优先权日:2014年9月28日
【发明者】黎声零, 黎宇, 李平, 陈德成, 乐立强, 宋金骥, 张毅荣, 王来, 李燕珊 申请人:广东斯灵通科技有限公司