一种6LoWPAN无线传感网络研发平台的制作方法

本发明涉及一种6LoWPAN无线传感网络研发平台，属于通信技术领域。

背景技术：

近年来物联网的飞速发展得到了社会各界的广泛关注，并将在不远的将来彻底改变我们的生活。低成本、低功耗和低速率的无线传感网络是物联网的一个重要组成部分和关键推动者，能够很好地解决成本和能源消耗这两个阻碍大规模部署物联网的关键问题。而TCP/IPv6 提供了实现能无缝接入互联网的大规模传感监测及控制服务的最佳解决方案。因此支持TCP/IPv6的无线传感网络研发平台是各大科研机构和实验室研究物联网技术的基本工具，也是各物联网设备及应用开发生产厂商进行设备或应用原型开发的必备工具。

现有的支持IPv6的无线传感网络研发平台主要存在功能有限、开发不便、价格高昂、软硬件配套实验条件苛刻的不足，对研究开发物联网应用形成了较高的行业门槛。另外，现有的研发平台也没有考虑附件板的兼容性，导致缺乏易用的附件。

技术实现要素：

基于上述现有技术中存在的不足，本发明提供一种6LoWPAN无线传感网络研发平台，具有功能完善、使用便捷以及成本低廉的优点，能够满足业界对此类研发平台的迫切需求。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种6LoWPAN无线传感网络研发平台，包括网络嗅探器、网关板、节点板、传感器附件板、LCD附件板以及编程转接口；所述网络嗅探器采用开源网络协议分析软件，所述研发平台采用开源嵌入式操作系统，所述网关板和节点板采用相同的开源开发环境；所述网关板和节点板均包括电源模块、微处理器模块、数据获取模块以及数据传输模块；所述电源模块给各单元供电，所述数据获取模块包括数模/模数转换模块以及多个兼容Arduino的IO接口，网关板及节点板的数据传输模块均包括无线收发模块和USB转串口模块，网关板的数据传输模块还包括以太网模块；网关板和节点板均通过IO接口与LCD附件板以及传感器附件板连接；网关板和节点板上均设有多个自定义按键模块以及多个LED指示灯；所述网关板和节点板均采用相同的微处理器模块，网关板和节点板上均包括SWD编程接口，网关板和节点板采用相同的编程器进行编程。

所述开源网络协议分析软件采用Wireshark。

所述开源嵌入式操作系统采用Contiki。

所述开源开发环境采用Eclipse。

所述网关板和节点板上的编程接口均为6针编程口，6针编程口与编程转接口板连接，通过编程转接口板连接J-Link编程器。

所述传感器附件板和LCD附件板上均设计了编程接口桥接，传感器附件板和LCD附件板直接安装在网关板和节点板上使用，并且多块附件板可以堆叠使用；所述传感器附件板上设有光传感器、温度传感器以及湿度传感器。

所述网关板的微处理器模块和无线收发模块与节点板的微处理器模块和无线收发模块均采用独立的硬件芯片及电路实现；所述网络嗅探器包括微处理器与无线收发一体的集成芯片。

所述网关板和节点板的电源模块均包括电池供电模块和USB电源模块；所述网关板和节点板的电路板上均包括外接天线接口；所述网关板和节点板的电路板上均包括带有全球唯一的MAC地址的EEPROM。

所述网关板和节点板的电路板上均包括启动顺序切换电路。

所述研发平台具有例程，例程涵盖端到端的应用框架，从节点到云服务器到用户终端设备，包括双向通信——监测及控制；平台例程包括传感及控制应用程序、节点及网关固件程序、云服务器、云端数据库，Web服务器及用户界面的实现，并与端到端的应用框架契合。

本发明提供的研发平台通过多个兼容Arduino的IO接口能够与多种类型、多个附件板进行连接，并且设有多个可供用户自由编程控制的LED指示灯以及自定义按键，相比于现有的研发平台具有更丰富的使用功能；研发平台统一了网关板和节点板的开发环境及所用编程器，并且采用免费的开源软件降低了开发难度的同时，也大幅度降低了开发成本，为无线传感网络的设计研发提供了便利。

以下通过附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

附图说明：

图1为网关板的主要架构框图；

图2为网关板或节点板上兼容Arduino的IO接口线路图；

图3为网关板或节点板上SWD编程接口线路图；

图4为网关板或节点板上按键模块的线路图；

图5为网关板的以太网模块线路图；

图6为网络嗅探器中微处理器模块与无线收发模块集成电路图；

图7为编程转接口的线路图；

图8为具有光、温湿度传感器的附件板电路图；

图9为LCD附件板的电路图。

具体实施方式：

本发明提供的一种6LoWPAN无线传感网络研发平台，硬件上主要包括网关板、节点板、网络嗅探器、编程转接口板以及附件板。

其中，网关板的原理框图如图1所示，节点板的结构框图与图1类似，只需将图1中的以太网模块去除即可，附图中省略了节点板的原理框图。网关板和节点板均包括电源模块、微处理器模块、数据获取模块以及数据传输模块。电源模块用于给各单元供电，提供3.3V稳压功能。为了提供多种供电方式，本实施例中的电源模块包括电池供电模块和USB电源模块，可以实现电池供电或USB供电灵活的选择方式。数据获取模块包括数模/模数转换模块以及可兼容Arduino的IO接口（见图2），可以按照客户要求自定义，定制各种测量不同物理量的传感器接口，也可以对各种不同的执行器及伺服器进行控制。网关板和节点板分别采用多个可兼容Arduino的IO接口，可以大大增加与之连接的可用附件板种类和数目。网关板和节点板的数据传输模块均包括无线收发模块，网关板的微处理器模块与无线收发模块分别采用独立的硬件芯片及电路实现，节点板的微处理器模块与无线收发模块也分别采用独立的硬件芯片及电路实现，这样方便用户根据使用环境、地理位置及传输距离等个性化通信需求而灵活定制调整。网关板和节点板的数据传输模块还包括USB转串口模块，可以将采集的数据通过USB接口传输到相连的计算机上，计算机也可以通过USB发送数据到网关板或节点板。网关板的数据传输模块还包括以太网模块（见图5），可以通过以太网连接路由器或以太网交换机进行数据转发。网关板可根据需要扩展接入3G/4G模块、蓝牙模块和Wi-Fi模块等。

研发平台中的网络嗅探器主要用于捕捉网络数据包，并输送给相应的网络协议分析软件进行观察分析，因此对相应的无线收发模块进行灵活定制基本没有要求。故，本实施例中将网络嗅探器中的微处理器与无线收发模块采用一体化集成芯片设计（见图6），可以令嗅探器的成本降低、体积减小，可以方便插在计算机的USB接口上使用。同时，由于无需应用软件的频繁刷写，编程接口无需引出针位，但设计了编程接口的触点方便大规模生产。为了降低开发成本，网络嗅探器采用Wireshark开源网络协议分析软件，而研发平台采用主流的免费开源嵌入式操作系统Contiki。

为降低无线传感网络开发的难度，本实施例中将网关板的微处理器模块设计的与节点板的微处理器模块相同，均采用高速率、低功耗的ARM芯片，还将网关板和节点板上的编程接口均设计成简洁的SWD编程接口（见图3），可以供J-Link编程器对电路板进行编程调试，同时在物理上兼容了Arduino的6针ISP编程接口。为了方便J-Link编程器的接入，本发明的研发平台还设计了20针到6针的编程转接口板（见图7），J-Link编程器通过编程转接口板与网关板或节点板进行连接。通过上述结构的设计，使得网关板和节点板可以使用相同的开发环境和相同的编程器，可以降低学习和开发的复杂度。为进一步降低开发成本，网关板和节点板的开发环境采用免费开源开发环境Eclipse。

网关板和节点板上均设有EEPROM，保证网关板拥有全球唯一的MAC地址及IPv6地址。网关板和节点板上还分别设计了启动顺序切换电路，以便电路板可以选择从系统内存、用户闪存或者嵌入式SRAM中启动。为方便程序的调试，还在网关板和节点板上各自设计了四个用户自定义按键模块（见图4）以及五个LED指示灯，用户可以将四个按键对应上下左右进行操作，也可以自定义其他功能使用。五个LED指示灯中除了一个作为电源指示灯以外，其余四个可以通过编程设定用于数据收发、电路板工作状态以及控制状态等的指示。

本发明提供的网关板和节点板分别通过IO接口与传感器附件板（见图8）以及LCD附件板连接（见图9），上述附件板直接架设安装在网关板和节点板上使用。其中，传感器附件板上设有温度传感器、湿度传感器和光传感器。通过附带的LCD附件板，可以无需连接计算机就可实时通过LCD显示查看网关板或节点板上的传感/控制数据或其他可定制显示的信息。上述附件板上均设计了开口以方便可以使用网关板和节点板上的按键以及LED指示灯。当上述附件板安装在网关板和节点板上时，为了在不拆卸附件板的情况下仍能连接编程器进行编程调试，便于观察程序的运行情况，本实施例中的传感器附件板以及LCD附件板上还设计了编程接口的桥接。网关板和节点板上还分别设有外接天线接口。

本发明提供的无线网络研发平台支持IEEE802.15.4、6LoWPAN、IPv6、TCP及UDP协议，并有相应例程。平台的例程涵盖端到端的应用框架，即从节点到云服务器到用户终端设备，包括双向通信——监测及控制。平台例程包括传感及控制应用程序、节点及网关固件程序、云服务器、云端数据库，Web服务器及用户界面的实现，并与端到端的应用框架契合。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。