专利名称：：自主式智能射频控制网络的制作方法
技术领域：
：本发明创造属于涉及一种自主式智能射频控制网络，属于无线低功率射频网络的控制。
背景技术：
：为了能协同工作和进行控制，家用办公、矿山等危险工业现场、智能楼宇和交通都有广泛的应用，如矿山的瓦斯测控报警应急系统等，通常都是至少部分地通过连接电缆互连。为了形成一个综合而很好的操纵的网络系统，并为了将各种设备结合在同一系统中，在各设备之间需要大量的线缆。此外，有限的连接可能性使它常常难以建立这种系统，特别是那些危险的矿井，有毒的工业现场，维护量将大大增加。近来，各种便携式的信息技术(IT)设备和电信设备的数量大量地增加，并且用户比以前更大程度地利用便携式设备增加的应用，因此，这些便携式设备应当能很容易与网络系统连接，但它会要求更多不方便的限制移动性的连接电缆。对于各种便携式设备，如移动电话和便携式计算机的无线连接，最近已研制出了基于红外链路的各种连接，应用最多的连接是按照红外数据协会(IrDA)规范所述的连接。然而，红外连接具有许多缺点链路的范围通常很短，大约两米，红外链路要求精确对准，在发射机和接收机之间不允许有障碍，并且除此之外，红外连接只能点对点连接建立，即只有两个设备可以相互通信。红外连接的局限性可以通过基于无线电发射机，尤其是所谓的低功率射频(LPRF)技术的解决方案而避开。射频连接具有比红外连接更长的范围，根据发射功率有约10100m，并且在传输线路上的实际障碍将不是问题。此外，射频连接能在许多设备之间设备，并且可以控制无线电发射机在没有用户指令或者设备与正确目标没有对准情况下，独立地操作，系统庞大，费用高及维护难等特点。关于基于低功率射频技术的解决方案，已经制定了许多工业标准，其中至少蓝牙(Bluetooth)和家庭无线链路(HomeRF)是已知的。此外，已经指定出基于无线局域网(WLAN)的各种解决方案，尤其是IEEE802.ll标准，用于现场设备的无线互连。至今，已证明射频技术上是最成熟的，并且也是这些解决方案中最流行的。各种设备和便携式设备相互形成一个无线网络，通过一个射频模块建立连接。射频模块是一种包括一个无线电发射机的微电路，该微电路可以与设备集成在一起，也可以作为一个分开的附件后安装，在特定的空间，如办公室，在无线电发射机范围内连接到网络上的设备可以相互通信，因而一台便携式计算机。例如，一个移动站和一个便携式接收机/话筒头戴式受送话器可以在车辆中形成一个相互的射频网络，形成一个移动的车载系统，通过该射频网络发送话音呼叫。在射频网络工作时，重要的是，在每个时刻，任何一个连接到网络上的设备都可以起一个主设备的作用，该主设备控制其它的作为其从属设备的工作。例如，一台便携式计算机可以作为主设备，把一个指令输送给打印机打印出一个特定的文件。此后，能够做这样的改变，使一个希望把存储的电话号码清单发送到用于编辑的计算机上的移动站变成主设备。这样，呼叫和指令可以从连接到网络上的每个现有的射频设备发送到任何所希望的设备上。上述安排具有一个问题，即控制网络工作的主设备必须在网络服务范围内使用。这限制了使用基于射频技术的无线网络扩大到各种监测和控制任务，尤其是，如各种空间的安全安排或有危险的工业场所，如矿山或锻造厂的控制措施。集中控制若干射频网络，例如，在大办公室也是不可能的。这就限制了，例如，在办公室内利用射频网络大规模控制呼叫。
发明内容本发明的目的是提供一种自主式智能射频控制网络，以便可以克服上述缺点。这个目的通过其特征在独立权利要求中所公开的方法和设备来实现，本发明的优选实施在从属权利要求中公开。利用射频和单片机技术对各种工业现场实现自动化传输管理是比较热门的课题之一，由于射频技术和单片机价格低廉，抗干扰性能强，功耗小等优点，如在分布式测控系统，工业控制现场，楼宇自控和智能交通等中广泛应用。射频技术和单片机技术构成的智能射频控制网络，可以节省大量的人力物里，还可以及时分析现场和节点等故障情况，在工业现场、各种楼宇和智能交通中广泛应用，具有巨大的经济效益，受到普遍关注。目前节点与节点是通信是点对点的通信，而且现场的每个设备都需要大量的线缆连接，不仅需要大量的布线费用，而且给维护人员造成了很大的不便；而且所有的线路都在同一条总线上，总线的某一个节点或线路遭到破坏，整个系统将处于瘫痪状态，将会造成巨大的经济损失，严重的将导致人员伤亡；而且有时由于节点规模扩大，需要重新调整程序和线路等弊端。本发明的发明在于避免现有技术中的不足之处，而提供一种可防止数据、扩充性好的自适应智能的射频控制网络。可采用以下的技术方案实现目的。本发明用到了三个关键技术，第一、用射频技术进行通信，可以点对多点通信，在射频范围外的信号，可以通过节点传送达到目的节点；第二、动态管理路由表，通过接入设备发送动态表，主动与节点和主机通信，动态管理信号的路由，实现节点设备即插即用，当系统某一节点遭破坏时，可以通过其他节点进行通信，系统具有自愈功能；第三、上位机使用JAVA技术，使信息的能在任何系统上运行，跨平台，大大提高了信息的综合处理能力。此外系统抗干扰性强，系统外围系统少，成本低、兼容性强等优点，可以接入其他网络，实现数据通信，如车载系统，可以实现车载自主智能控制网络。本技术方案相对现有技术具有如下优点和效果系统干扰强性强，功耗低，系统能在恶劣环境下正常运行；节点遭破坏，可以通过其他节点路由，有很强的自愈功能；方便快速有效对接入设备进行识别，接入主动与其他节点和主机通信，并建立路由表，时有利于快速方便扩容；解决数据传输误码率；提高了网络的工作性能，实用性提高，取得了良好的效果，本技术成功运用于全数字测控系统中，取得了可观经济效益和社会效益。图1射频控制网络主框图图2系统网络路由图图3射频收发模块图4系统指示模块图5单片机系统图图6存储模块图7电源模块图8强电控制模块图9电源取电模块图10软件流程图图11上位机软件演示平台具体实施例方式实施例l、自主式智能射频控制网络，电路中采用nRF犯5是NordicVLSI公司推出的系统级RF芯片，内置增强型8051兼容微控制器、433/868/915MHz的nRF905射频收发器和4路输入10位80kbpsA/D转换器，另外还有CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTD，以及一些特殊功能寄存器。芯片嵌入了电压调整模块，最大限度地抑制噪声，可工作在1.9V3.6V的单电源上，待机功耗为2uA。单片机采用lMHz的晶振(图中M),建议Cl二C2&22pf(Cl:相位调节电容；C2:增益调节电容)。如附图5所示，选用此芯片可以降低节点芯片的功耗和外围短路，增加节点的系统的抗干扰和降低成本。实施例2、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，实现点对点和点对多点的通信；其核心是nRF9E5收发器通过内部SPI口与其他模块进行通信，具有同单片射频收发器nRF905相同的功能载波监测输出CD，可避免空间无线通信碰撞；地址匹配输出AR，易于实现点对多点无线通信设计；数据接收就绪DR，便于节能设计，满足低功耗设计要求。内置完整的通信协议和CRC效验，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO(OxAO)编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗为llmA，接收模式下为12.5mAnRF犯5使用SPI接口进行内置微处理器与无线模块间的数据传输。nRF9E5的收发器有3种工作方式ShockBurst接收(RX)方式、ShockBurst发送(TX)方式和空闲方式。nRF9E5收发器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN决定，详见表1。表1nRF犯5工作模式<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>如附图1所示，其它均与实施例1同。实施例3、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，实现动态建立路由表，实现系统的通信;其核心是建表时，主芯片有载波监测输出CD，可避免空间无线通信碰撞；对每一个节点的通信帧格式进行定义，实现一对多的功能。各节点的控制数据通信帧格式如下<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>弓I导码和校验码由节点自动加载，其他都由内置的微控制器程序产生。识别码为本接收机代号，与其他的接收机区分开来。状态字为i位，值为o时，表示后面的数据为命令字，反之为数据字。数据1…N根据实际情况设置字数。填充码表示本帧在不够规定的长度时，填若干个0到达规定的帧长度。接收控制数据时，节点先接收一帧数据包，分别验证引导码、接收机地址和校验码，正确后再将有效负载数据送入微控制器处理；当微控制器判断有效负载中的识别码和本机识别码号一致时，继续处理后继数据，否则放弃该数据包，并要求重发。当节点处于发射模式时，接收机地址和有效负载由微控制器按顺序送入射频模块节点，引导码和校验码由节点自动加载。地址匹配输出AR，易于实现点对多点无线通信设计，当系统节点在路有表中有匹配的话，就发一个确认信号，当系统在路由表中没有的话，把节点的地址保留在路由表中，并转发给节点的信号，直至找到相匹配的节点信号；单片机内置完整的通信协议和CRC效验，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。具体处理步骤是1)节点为了防止信号碰撞，采用节点表中断是方式，所有的接收打开，初始化后发出自己节点地址，采用"穷举法"依次发出1n(本例n二256，可以扩充)的地址；2)若在规定时间Tl内接收到回应帧，表示具有此地址值的节点在管辖区段，则在管理表中相应的位置进行登记；3)若等待T1段时间后，未接收到回应帧，表示具有此地址值的节点在管理范围之外，则发下一地址帧。依次类推处理n个。在这里，T1时间的选取必须由节点与主机之间的协议确定。如附图2所示，当系统在通信时三条路由都可以达到目的地，当其中通信一条线路中断时候，信号可以通过其它的线路路由到目的地，例如节点12向传输节点39时，举其中的三种路由方式，第一种12-15-18-28-38-39;第二种12-22-32-35-38-39;第三种12-15-16-26-36-39，将路由表保存，即使某一个节点出现故障了，系统也会找最近的路由，使通信重新建立。其它均与实施例l同。实施例4、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，实现动态的数据存储；其核心在处理器增加外围的储藏芯片。节点的处理器由于容量不够，外加了一片25XX320EEPR0M电路，从EEPR0M加载到4KB的RAM中。如果应用中不用内含ROM的单片机，则程序代码必须从外部加载，比较常见的是通过SPI接口连接型号为25320的EEPR0M。而SPI接口引脚是MIS0、SCK、M0SI和EECSN，其中MSIO、SCK和M0SI与Pl口的低3位复用，通过寄存器SPI_CTRL来控制功能间的切换，电源需要接上一个10K的上拉电阻，在_『尸—端需要接上一个10K的下拉电阻。其它均与实施例1同实施例5、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，实现数据信号的实时动态反应，其核心在动态实现数据的信号。如图4所示，受控源信号由节点处理器的P0.1来控制，开关工作状态红绿指示灯则由P0.5、P0.6提供。图8中的电阻Rl输出AIN0经10nF电容滤波后，一方面作为模拟电压送到节点处理器的AINO输入端，经A/D转换为数据Data。绿指示灯闪烁频率f二Data求Pre(Pre为取样取整参数，使f二O.5Hz16Hz)，表示被控电器的负载轻重；另一方面当负载过重或有短路现象时，Rl输出AINO使IV稳压管击穿，Q6饱和，Q8、Q9截止，Jl切断；同时使PO.3触发INT0中断，P0.2输出lkHz方波使蜂鸣器报警，绿指示灯灭，红指示灯以16Hz(最高)闪烁。实施例6、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，实现系统供电。其核心在不同的地方实现两种电源的相互切换，在没有电源供电的情况下，可使用干电池做电源，在有市电的情况，如图9所示，市网电压220V经过D3半波整流，R2降压，经Q4与Q5组成一个串联型稳压电源，提供6V电压。由于整个系统功耗较小，经过计算，金属膜电阻R2的阻值为20kQ，功率为1/4W，可为控制系统提供在继电器断开时的主要压降。如图6所示，接一个10uf的滤波电容，在输出端需要接上一个47uf和一个33pf，主要实现大电压和小电压二级滤波的作用，保证单片机系统运行稳定。在此环境下，建议不使用开关电源。开关电源电路复杂，输出电压波纹系数大，电路干扰大，而且容易使节点接收数据时发生混乱。实施例7、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，其特征在于将强电信号转化为弱电信号，通过执行机构实现控制控制。在此举一个强电方面应用的例子，在其他系统和控制中也可以做相应的应用。如图8为了简化电路的设计，火线开通和切断选用5V直流控制继电器，最大通过15A的220V交流电压即可。在继电器开通时，选用IRL3803S大功率场效应管，其内置的稳压二极管，既可为系统提供电源，也可为负载提供通路。因其额定工作电流ID=140A，故可以不带散热片直接使用。在继电器断开时，市网电压主要落在控制系统上，而控制系统只需6V直流电源，因控制系统功耗低，故主要压降可由1/4W的金属膜电阻来承担；同时，选用BVCB0^600V的硅NPN大功率晶体管13002作为控制系统电源的调整管。如图9，当要求被控电器工作时，微控制器提供开通信号，使J1合上，并使220V市网电压主要落在被控电器上，不影响被控电器的正常工作。控制系统的取电由IRL3803S来提供，其内置一个30V的单向稳压管，在IRL3803S未开通时，可提供最大30V的单向交流电压。经D1整流，Zl、Z2为不同的稳压值，Ql、Q2、Q3配合下组成不同的控制信号，使IRL3803S导通或断开；一为负载提供通路，二为控制系统提供续流6V的稳压电源。实施例8、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，其特征在于实现信号的发送和接收功能。如图3所示，外围电路——9.5誦X9.5mm环形天线电路(868MHz)，分别使用，3.9pf，4.7pf和5.6pf的电容和一个18K的电阻组成震荡电路。环形电路需要接上一个33pf的滤波电容。节点收发器通过内部SPI口与其他模块进行通信，具有同单片射频收发器节点相同的功能载波监测输出CD，可避免空间无线通信碰撞；地址匹配输出AR，易于实现点对多点无线通信设计；数据接收就绪DR，便于节能设计，满足低功耗设计要求。内置完整的通信协议和CRC效验，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO(OxAO)编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗为llmA，接收模式下为12.5mA。实施例9、自主式智能射频控制网络，在实施例l的基础上，其特征在于用上位机实现节点状态的显示、执行和控制。如图11所示，上位机利用节点接收到子节点传输的信息，通过串口传输到上位机上，根据通信协议，用图形界面把信息显示出来。例如，如果节点是路灯控制器，则节点可以显示，路灯的开关状态，及温度和故障报警等。此外，虽然如上所述的实施例强电控制作为本发明的自主式智能射频控制网络可能适合实施的一个目标，并且本发明被实施为在强电开关的控制系统中。但是应当理解为，本发明的应用领域和执行部分电路并不仅限于上述优选实施例。本发明可以作为在各种其它领域的控制系统予以实施，这些领域包括诸如利用射频控制网络如智能楼宇、矿山等危险工业现场、智能车载系统等。虽然本发明在其优选形式中以某些具体特征进行了描述，但是显然可能作出许多改变、变化、组合和分组合。因此，应当理解为在不脱离本发明的范围的情况下，可以按不同于在本说明书中具体描述的方式实现。权利要求1、自主式智能射频控制网络一种用于控制一种无线低功率射频网络的装置，它由收发射控制部分，单片机电路部分和上位机处理软件部分组成。收发部分包括路由表设置模块、收发射频通信模块和震荡器电路；单片机电路部分包括系统状态指示模块、存储芯片、单片机执行控制模块和电源模块；上位机处理软件部分包括设备地址表解析模块、收发射频通信模块、单片机控制模块和信息处理模块；其特征在于用于将程序自主的根据采集的信号设定程序执行动作；用于并将信号传输至相近接点和主机，此每个节点即可以做从节点接收也可以做主节点发射；用于并能够定时自主智能的搜寻接入网络的新节点。2、如权利要求1所述要求之一的方法，如图1所示，其特征在于用于可以进行点对点的通信，将信号传输到目的点；用于节点与主机通信，当节点A与主机通信超出了射频通信的范围时候，节点A可以通过节点B，传输到主机，实现全网通信。用于的在某一传输节点出现故障也不影响节点的传输，通过其他路由，将信号传输至主机，实现系统的自愈功能。3.如权利要求2所述中的方法，其特征在于用于动态建立路由表，实现节点信号的动态路由。自主式智能射频控制网络如何去动态地建立起一张正确的路由管理表。使用的方法是在包括主机、各从机在内的整个系统统一上电复位时,在主机作系统初始化的同时，各节点进行建表。用于每当节点的位置改变时，只要主机发出一个复位命令就能使节点自动建立正确的管理表。需要说明的一点是，当主机发出复位命令后，会接收到节点在建表过程中发出的地址帧，此时主机应将它丢弃。另外，主机必须给予足够长的时间让节点能顺利地建表，然后才对节点进行操作。4、如权利要求l所述的方法，其特征在于用于实现信号的发送和接收功能。节点使用环形天线电路，分别使用电容和电阻组成震荡电路。用于节点收发器通过内部SPI口与其他模块进行通信，载波监测输出CD，可避免空间无线通信碰撞；用于地址匹配输出AR，易于实现点对多点无线通信设计；用于数据接收就绪DR，便于节能设计，满足低功耗设计要求；用于通过内置完整的通信协议和CRC效验，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO(0xA0)编程进行控制。用于节点使用SPI接口进行内置微处理器与无线模块间的数据传输。节点收发器的工作方式由特殊功能寄存器TRX—CE和TX_EN决定。5、如权利要求1所述的方法，其特征在于用于数据的存储和处理。节点的处理器由于容量不够，外加了一片EEPR0M电路。程序代码必须从外部加载，比较常见的是通过SPI接口连接的EEPR0M。6、如权利要求l所述的方法，其特征在于用于实现数据信号的实时动态反应。如图4所示，受控源信号由节点处理器的PO.l来控制，开关工作状态红绿指示灯则由P0.5、P0.6提供。用于作为模拟电压送到节点处理器的AINO输入端，经A/D转换为数据Data。绿指示灯闪烁频率f=Data*Pre(Pre为取样取整参数，使f二O.5Hz16Hz)，表示被控电器的负载轻重；用于当负载过重或有短路现象时，Rl输出AINO使稳压管击穿，Q6饱和，Q8、Q9截止，J1切断；同时使触发INT0中断，P0.2输出方波使蜂鸣器报警，绿指示灯灭，红指示灯以(最高)闪烁。7、如权利要求l所述的方法，其特征在于实现电源的两种切换。用于在没有电源供电的情况下，可使用干电池做电源，用于有市电的情况，市网电压经过D3半波整流，R2降压，经Q4与Q5组成一个串联型稳压电源，提供6V电压。接一个的滤波电容主要实现大电压和小电压二级纹波滤波的作用，保证系统运行稳定。8、如权利要求l所述的方法，其特征在于用于将强电信号转化为弱电信号，并做控制实现对执行机构的控制。用于火线开通和切断选用直流控制继电器，最大通过的交流电压即可。用于选用的硅NPN大功率晶体管作为控制系统电源的调整管。用于当要求被控电器工作时，微控制器提供开通信号，使Jl合上，并使市网电压主要落在被控电器上，不影响被控电器的正常工作。9、如权利要求4所述的方法，其特征在于用于数据帧流程控制。要实现上述控制数据帧通信功能，需要对节点进行初始化配置和用户程序设计。用于程序采用中断接收，按需发送。用于有两个中断服务程序一个是当取样电阻压降过大时，引起Q6反转，表明负载过重，切断继电器，同时触发INTO中断服务程序，蜂鸣器报警，绿灯灭，红灯以频率闪烁，微控制器读开关相应的工作数据，把过载的情况发送出去，随后进入死循环；另一个中断服务程序是手动开关Kl(或K2、K3)引起的触发INT1中断，相当于射频接收到了遥控数据，完成射频接收一样的工作流程。用于由WDT溢出强制系统复位；10、如权利要求l所述的方法，其特征在于用于上位机能时时监控节点的状态，并进行显示，报警和控制等功能。节点的通信状态可以通过上位机査询得到，显示界面能顺利时时的显示节点的状态，如节点如果是温度传感，则能显示温度的状态，根据状态可以进行报警，显示等功能。如节点是路灯控制器，可以现在路灯的状态等信息。全文摘要本发明公开了一种自主式智能射频控制网络，系统由节点和主机组成，节点由收发射控制部分，单片机电路部分和上位机处理软件部分组成。收发部分包括路由表设置模块、收发射频通信模块；单片机电路部分包括系统状态指示模块、存储芯片、单片机控制模块和电源模块；上位机处理软件部分包括设备地址表解析模块、收发射频通信模块、单片机控制模块和信息处理模块。整个系统控制使用了单片机技术，具有载波监测输出CD，可避免空间无线通信碰撞；地址匹配输出AR，易于实现点对多点无线通信设计；数据接收就绪DR，便于节能设计，满足低功耗设计要求。内置完整的通信协议和CRC效验，可完成所有的无线收发传输。与现有技术比较，本发明由于采用单片机控制的射频信号系统，因此具有抗干扰性强、不会误动作、不受阻挡物体影响、功耗低、智能路由和通信距离较远的特点。本系统可用于矿山等危险的工业控制现场，自动楼宇控制和智能车载交通等领域有广泛的应用，具有较高的经济效益和社会效益。文档编号H04L12/02GK101471786SQ200710164639公开日2009年7月1日申请日期2007年12月27日优先权日2007年12月27日发明者展金申请人:展金