一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台，使上层物联网应用系统综合集成平台屏蔽了对硬件的开发，使用者在使用该平台时，只需根据项目功能要求，通过系统参数的设置，就能在线配制出合适的传感器节点，拼装出满足需求的物联网应用系统；并且移植性好，可平滑升级；当需要增加新的功能或采用不同类型的传感器时，不必修改外部硬件电路，利用在线可重构系统的特性，可以方便地为系统移植新的功能，实现更复杂的处理，实现平滑升级。
【专利说明】—种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及无线传感网领域，尤其是一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台。
【背景技术】
[0002]目前，物联网应用系统实训平台主要能够完成一些基础实验的验证，如跑马灯、串口通信、温湿度传感器实验等，这种实训平台偏向于底层开发的训练，需要学生对硬件开发有一定基础，具备一定的嵌入式开发能力，高职学生很难达到这一水平。
[0003]高职物联网实训教学要求能为学生了解和开发物联网应用系统提供了一个孵化平台，学生通过高级语言的学习和掌握必备的硬件知识后，不必对硬件有过深的了解，直接用高级语言来实现传感器节点间的通信，并通过封装，完成执行结构的控制函数，便可开发出物联网智能应用系统，这对物联网应用系统的教学和推广具有积极的意义。
实用新型内容
[0004]本实用新型要解决的技术问题是:提供一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台，可开发出通用性强、基于真实项目的二次开发平台。在教学过程中，基于二次开发平台可以设计不同领域的物联网应用系统来组织教学，学生只需设计好系统逻辑，选择合适的节点模块，通过参数配置、系统集成等步骤便可完成一个真实应用系统的开发。
[0005]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台，由处理单元、传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元、无线收发单元、电源单元组成；所述的传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元通过插槽与处理单元相连；
[0006]所述的处理单元由FPGA芯片完成，包括微处理器IP核；所述的传感器模拟量输入处理单元包括传感器、调理电路、A/D转换电路；所述的A/D转换电路通过A/D时序控制电路与微处理器IP核连接；
[0007]所述的模拟量输出控制单元包括机构职能控制电路以及D/A转换电路；所述的D/A转换电路通过D/A时序控制电路与微处理器IP核连接；所述的微处理器IP核连接有无线收发单元。
[0008]本实用新型所述的无线收发单元由无线射频电路和天线组成；所述的处理单元控制和协调整个传感器使采集节点工作；所述的传感器模拟量输入处理单元采集相应的信息；并根据所需采集信息的不同，灵活配置为温湿度传感器、气体传感器、光照强度传感器和/或烟感传感器；所述的传感器数字量输入单元采集相应的数字量输入信号。
[0009]本实用新型所述的处理单元可通过在线重配置相应的配置文件，完成某一特定领域智能应用系统的节点硬件平台处理单元功能。由于不同类型的应用需要采用不同类型的传感器、调理电路、A/D转换电路和D/A转换电路，因此每次对处理单元进行重配置时需配置不同的A/D时序控制和D/A时序控制功能单元。传感器模拟量输入处理单元和传感器数字量输入单元采集得到的数据被送到微处理器IP核进行处理，对于不同的应用需要配置微处理器IP核运行不同的程序，程序中设置阈值比较功能为不同的参数，完成相应应用所所需要的警告触发动作和数据展示方式等。
[0010]本实用新型的有益效果是，解决了【背景技术】中存在的缺陷，1.使上层物联网应用系统综合集成平台屏蔽了对硬件的开发，使用者在使用该平台时，只需根据项目功能要求，通过系统参数的设置，就能在线配制出合适的传感器节点，拼装出满足需求的物联网应用系统；2.移植性好，可平滑升级。当需要增加新的功能或采用不同类型的传感器时，不必修改外部硬件电路，利用在线可重构系统的特性，可以方便地为系统移植新的功能，实现更复杂的处理，实现平滑升级。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0012]图1是本实用新型的无线传感器网络节点硬件平台系统框图。
【具体实施方式】
[0013]现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。
[0014]如图1所示，无线传感器网络节点硬件平台由处理单元、传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元、无线收发单元、电源单元组成。
[0015]处理单元负责控制和协调整个传感器采集节点的工作；传感器模拟量输入处理单元用来采集相应的信息。根据所需采集信息的不同，可灵活配置为温湿度传感器、气体传感器、光照强度传感器、烟感传感器等不同种类；传感器数字量输入单元用来采集相应的数字量输入信号。模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元对外接的相关操作设备完成智能化的控制。无线收发单元由无线射频电路和天线组成，主要负责收发数据和交换控制信息；电源单元用于为整个节点提供电源，并监测节点电池电压来判断是否需要维护。
[0016]传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元通过插槽与处理单元相连。需要构造新的物联网应用系统时，可更换相应的的输入输出处理单元类型为所需的类型。处理单元由FPGA完成，可通过在线重配置相应的配置文件，完成某一特定领域智能应用系统的节点硬件平台处理单元功能。由于不同类型的应用需要采用不同类型的传感器、调理电路、A/D转换电路和D/A转换电路，因此每次对处理单元进行重配置时需配置不同的A/D时序控制和D/A时序控制功能单元。传感器模拟量输入处理单元和传感器数字量输入单元采集得到的数据被送到微处理器IP核进行处理，对于不同的应用需要配置微处理器IP核运行不同的程序，程序中设置阈值比较功能为不同的参数，完成相应应用所所需要的警告触发动作和数据展示方式等。
[0017]处理单元采用的IP核是采用硬件描述语言VHDL采用自顶向下的设计方法编写的。IP核主要包括:CPU、定时器、中断控制器、串口控制器、8KB的R0M、256B的内部RAM存储器、SPI接口这几个重要模块。CPU是整个微控制器的核心部件，对其余的模块起到控制作用。CPU由算术逻辑运算部件(ALU)、寄存器堆、乘除法器和译码器构成。从CPU模块中引出地址线、控制线和数据线，CPU通过这三组线来实现与其余模块的连接。内部RAM存储器用来存放数据，它由工作寄存器、位寻址区、缓冲区和特殊功能寄存器四部分构成。ROM存储器用来存放程序。中断是微控制器必不可少的一部分，中断可以让系统对突发事件做出实时处理。这里设计了具有两级优先级和12个中断源的中断接口。定时器也称计数器，在微控制器中的作用包括以下功能:为微控制器提供周期性的中断，进行任务调度；为需要定时的应用程序提供定时。在本微控制器中设计了三个定时器，其中定时器0、1有四种工作方式，定时器2有三种工作方式。SPI接口用来连接无线收发单元，SPI接口由时钟分频器、时钟控制逻辑、特殊功能寄存器和控制单元组成。
[0018]无线收发单元所选用的主器件为CC2530。CC2530是IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案，它结合了领先的RF收发器的优良性能，可确保短距离通信的有效性和可靠性。CC2530只需极少的外围元器件，外围电路包括晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路三部分。芯片本振信号既可由外部有源晶体提供，也可由内部电路提供，由内部电路提供时需外加晶体振荡器和两个负载电容，电容的大小取决于晶体频率及输入容抗等参数。射频I/O匹配电路主要用来匹配芯片的输入输出阻抗，使其输入输出阻抗为50Ω，同时为芯片内部的PA及LNA提供直流偏置。微处理器IP核与CC2530通过SPI接口相连。这里微处理器IP核是主控制器，微处理器IP核核的SPI工作在主机模式，它是SPI数据传输的控制方。CC2530是受控的，其SPI工作在从机模式。
[0019]系统软件程序包括CC2530的初始化、微处理器控制CC2530发送与接收数据、节点数据采集与汇总、外接设备控制、个性化智能应用等程序子模块。其中节点数据采集与汇总、外接设备控制、个性化智能应用子模块程序根据不同的项目应用需求，在线配置不同的程序，生成某一特定领域智能应用系统的运行平台。本设计的软件程序是在N1s II IDE中由C语言编写的，在N1s II IDE提供的工程管理器中完成所有的设计。程序结构包括底层驱动程序和上层应用程序设计。底层程序包括硬件驱动程序和基本的输入输出函数，用来供上层程序的调用。
[0020]本实施例中，在线配置模块采用基于ARM的嵌入式Linux系统中使用Jam Player和Jam配置文件，利用FPGA的JTAG接口对其进行在线配置的方法。配置文件由实训设备厂商在设计智能应用时生成，在配置时由用户通过系统机人机界面经以太网传送给在线配置模块的ARM进行在线配置。本实用新型中所使用的ARM型号为S3C2410。使用S3C2410的通用引脚 GPB7、GPB8、GPB9、GPB10 引脚分别与 FPGA 的 JTAG 接口 TMS、TD1、TCK 和 TDO 相连。
[0021 ] 在嵌入式Linux环境中使用JTAG接口配置FPGA，使用标准测试与编程语言STAPL0 Jam STAPL是Altera公司提供的支持STAPL的套件。使用Jam STAPL进行配置包含两部分，Jam Player和Jam配置文件。Jam Player读取Jam文件并解析Jam文件表达的内容，在JTAG接口上产生用于配置的二进制数据流并读取反馈数据，Jam配置文件可由Quartus II软件生成或由文件格式转换工具生成。
[0022]将Jam Player移植到嵌入式Linux中，需要进行下列定制:
[0023]1.更改平台预定义环境，添加预处理语句，去除不必要的源代码；
[0024]2.将JTAG信号映射到具体硬件引脚；
[0025]3.定制错误信息输出方式；
[0026]4.根据具体微处理器的处理能力，定制延时函数。
[0027]由于Jam Player运行在嵌入式Linux环境中，无法直接访问ARM芯片的引脚寄存器，也就无法直接操作引脚的输入输出。所以还必须为用于JTAG接口的引脚编写驱动程序，将它们封装成Jam Player可以读写的字符型文件。
[0028]Jam Player及相应驱动移植成功后，通过ARM对FPGA进行在线配置；系统无需重启就可动态更新应用。使用者在系统机通过以太网将配置文件传送到在线配置模块，根据业务规则和配置参数，可在线设置A/D时序控制和D/A时序控制功能单元，对于不同的应用配置微处理器IP核运行不同的程序，完成所需要的警告触发动作和数据展示方式等，来生成某一特定领域智能应用系统的节点硬件平台。
[0029]以上说明书中描述的只是本实用新型的【具体实施方式】，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属【技术领域】的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的【具体实施方式】做修改或变形，而不背离实用新型的实质和范围。
【权利要求】
1.一种可在线重配置的无线传感器网络节点硬件平台，由处理单元、传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元、无线收发单元、电源单元组成；其特征在于:所述的传感器模拟量输入处理单元、传感器数字量输入单元、模拟量输出控制单元、数字量输出控制单元通过插槽与处理单元相连； 所述的处理单元由FPGA芯片完成，包括微处理器IP核；所述的传感器模拟量输入处理单元包括传感器、调理电路、A/D转换电路；所述的A/D转换电路通过A/D时序控制电路与微处理器IP核连接； 所述的模拟量输出控制单元包括机构职能控制电路以及D/A转换电路；所述的D/A转换电路通过D/A时序控制电路与微处理器IP核连接；所述的微处理器IP核连接有无线收发单元。
【文档编号】G05B19/418GK203950176SQ201420113744
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年3月13日 优先权日:2014年3月13日
【发明者】顾卫杰, 乔宏哲 申请人:常州机电职业技术学院