一种模块化可重组无线网络测试节点系统及工作方法与流程

本发明属于物联网与嵌入式硬件设计的技术领域，尤其涉及一种模块化可重组无线网络测试节点系统，以及该模块化可重组无线网络测试节点系统的工作方法。

背景技术：

物联网中的数据采集需求日益增多，然而在物联网测试领域，数据采集任务碎片化、差异化严重，物联网测试节点往往涉及多种供电方式，测试多种物理量。传统的物联网测试节点需要针对每个测试任务进行重新定制开发，造成了硬件资源的浪费，增加了研究周期，不利于产品的快速交付。

为此，一部分无线网络测试节点提供了固件更新功能，从软件层面提高了节点的灵活性，但是仅软件的改变不能适应多种测试需求。

技术实现要素：

为克服现有技术的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供了一种模块化可重组无线网络测试节点系统，其能够提供多种可选模块，根据测试对象、测试环境和性能要求灵活选择模块类型，适应多种测试需求，避免重复开发，提高测试效率。

本发明的技术方案是：这种模块化可重组无线网络测试节点系统，包括信号调理模块、采集处理存储模块、无线发射模块、电源管理模块；

信号调理模块包括模拟量调理模块、数字量调理模块、总线信号调理模块；采集处理存储模块包括单片机和fpga；无线发射模块包括wifi协议模块、zigbee协议模块；电源管理模块根据无线网络测试节点的所处的测试位置，提供不同的能量供应方式，对于引线方便能耗较高的位置采取有线供电，对于引线困难功耗较低的可以采用锂电池供电；

模块之间使用标准的接口定义，采集处理存储模块和无线发射模块间采用同步和异步串行总线两种形式，采集处理存储模块和信号调理模块间定义固定接口连接数，电源管理模块与其他模块间都定义固定接口连接数。

本发明的信号调理模块包括模拟量调理模块、数字量调理模块、总线信号调理模块；采集处理存储模块包括单片机和fpga；无线发射模块包括wifi协议模块、zigbee协议模块；电源管理模块根据无线网络测试节点的所处的测试位置，提供不同的能量供应方式，对于引线方便能耗较高的位置采取有线供电，对于引线困难功耗较低的可以采用锂电池供电；模块之间使用标准的接口定义，采集处理存储模块和无线发射模块间采用同步和异步串行总线两种形式，采集处理存储模块和信号调理模块间定义固定接口连接数，电源管理模块与其他模块间都定义固定接口连接数；因此该系统能够提供多种可选模块，根据测试对象、测试环境和性能要求灵活选择模块类型，适应多种测试需求，避免重复开发，提高测试效率。

还提供了这种模块化可重组无线网络测试节点系统的工作方法，其包括以下步骤：

(i)通过信号调理模块对输入量进行调理；

(ii)采集处理存储模块对调理后的信号进行采集、处理、存储；

(iii)通过无线发射模块与外部进行通信；

(iv)根据无线网络测试节点的所处的测试位置，电源管理模块选择不同的能量供应方式：在光照较强的机翼部分提供太阳能获取模块并以超级电容作为储能元件，对于引线方便能耗较高的位置采取机载电源供电，对于引线困难功耗较低的采用锂电池供电。

附图说明

图1为根据本发明的模块化可重组无线网络测试节点系统的结构示意图。

图2为根据本发明的模块化可重组无线网络测试节点系统的设计示意图。

图3为采集处理存储模块的框架图。

图4为子网汇聚节点组成图。

图5为分布式测试节点组成图。

图6为无线发射模块的软件框架。

图7为dma软核二级缓冲机制示意图。

图8为能量获取模块的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

如图1、2所示，这种模块化可重组无线网络测试节点系统，包括信号调理模块、采集处理存储模块、无线发射模块、电源管理模块；

信号调理模块包括模拟量调理模块、数字量调理模块、总线信号调理模块；采集处理存储模块包括单片机和fpga；无线发射模块包括wifi协议模块、zigbee协议模块；电源管理模块根据无线网络测试节点的所处的测试位置，提供不同的能量供应方式，对于引线方便能耗较高的位置采取有线供电，对于引线困难功耗较低的可以采用锂电池供电；

模块之间使用标准的接口定义，采集处理存储模块和无线发射模块间采用同步和异步串行总线两种形式，采集处理存储模块和信号调理模块间定义固定接口连接数，电源管理模块与其他模块间都定义固定接口连接数。

本发明的信号调理模块包括模拟量调理模块、数字量调理模块、总线信号调理模块；采集处理存储模块包括单片机和fpga；无线发射模块包括wifi协议模块、zigbee协议模块；电源管理模块根据无线网络测试节点的所处的测试位置，提供不同的能量供应方式，对于引线方便能耗较高的位置采取有线供电，对于引线困难功耗较低的可以采用锂电池供电；模块之间使用标准的接口定义，采集处理存储模块和无线发射模块间采用同步和异步串行总线两种形式，采集处理存储模块和信号调理模块间定义固定接口连接数，电源管理模块与其他模块间都定义固定接口连接数；因此该系统能够提供多种可选模块，根据测试对象、测试环境和性能要求灵活选择模块类型，适应多种测试需求，避免重复开发，提高测试效率。

优选地，如图8所示，该系统还包括能量采集模块，其与电源管理模块相连而根据需要为系统提供能量，能量采集模块包括换能器、固定装置和能量存储器，能量存储器包括整流电路和超级电容，换能器将采集的振动能、光能转换后通过整流电路贮存在超级电容中。

优选地，换能器包括振动能换能器和光能换能器；振动能换能器为悬臂梁式压电振动采集装置，悬臂梁自由端顶部附有可调质量块，通过调节质量块的大小使振动片的固有频率与飞机主要振动源的频率相匹配，调节后的压电振子自由端受共振而上下振动，在压电效应的作用下产生电荷；光能换能器是光伏元件，通过串联多个光伏元件满足不同的功率需求。

优选地，如图3所示，fpga采用altera公司的cyclone系列的fpga芯片作为主控芯片，电源部分采用ti公司的tps54232芯片、alpha公司的as1117芯片、microchip微芯科技的mcp1525芯片，tps54232芯片输入端电压范围3.5v-28v，电流输出高达2a，降压稳压得到5v，给外部传感器供电，alpha公司的as1117芯片稳压得到3.3v，给芯片供电，microchip微芯科技的mcp1525芯片，降压得到2.5v，电压准确度小于1％，给ad供电。sdram采用hynix海力士公司的hy57v642561620f，16位数据线，12位地址线，1mx4bankx16i/o，一共256mb内存。sd卡采用标准的sd卡接插件。电源管理模块采用ti公司的bq34110，该芯片具有精准的放电结束确定功能，适用于放电型应用中的电池，最高支持65v电压，32a电流，具有补偿放电结束电压电池电量检测计以及精准的库伦计数器，能够提供充电状态(soc)、续航时间(tte)、健康状态(soh)，并且可以通过400khz的i2c总线与主机通讯，另外，该芯片提供了两个可配置的主机中断。电源管理模块接口包括电源正负、i2c的scl和sda、两个可配置中断信号。wifi模块采用锐迪科公司的rda5981c芯片，该芯片使用2.4ghz的ieee802.11b/g/n协议，数据传输速率高达150mbps，支持wps，wmv，wpa，wpa2，wep，tkip，ccmp加密模式，支持sta，softap，p2p，sta+softap，sta+p2p工作模式。内部集成了arm-cm4mcu，448kbytes内部的sram，32mbit的spi内部flash，该芯片与控制器之间可以通过spi，uart，usb2.0进行数据传输，可以通过uart使用at指令进行配置。zigbee模块采用ti公司的cc2530，集成了用于2.4ghzism频段的高数据速率收发器。无线发射模块接口包括spi通讯和uart通讯。传感器类型主要有三种，模拟量、数字量和开关量。信号调理模块接口中预留5v和3.3v电源，ad1和ad2是ad/io复用接口，如果为模拟量，使用ad1、ad2的ad采集两路模拟信号；如果是数字量，ad1、ad2和io用来实现i2c/spi总线、uart总线通讯；如果是开关量，ad1、ad2和io实现三路开关量的测量。

本发明还提供了这种模块化可重组无线网络测试节点系统的工作方法，其包括以下步骤：

(i)通过信号调理模块对输入量进行调理；

(ii)采集处理存储模块对调理后的信号进行采集、处理、存储；

(iii)通过无线发射模块与外部进行通信；

(iv)根据无线网络测试节点的所处的测试位置，电源管理模块选择不同的能量供应方式：在光照较强的机翼部分提供太阳能获取模块并以超级电容作为储能元件，对于引线方便能耗较高的位置采取机载电源供电，对于引线困难功耗较低的采用锂电池供电。

优选地，如图4、5所示，嵌入式机载无线网络测试系统包括子网汇聚节点和分布式测试节点；

子网汇聚节点的工作流程为：加入机载无线网络数据汇聚装置组建的网络；接收网络命令，组建测试子网；向子网内的分布式测试节点转发控制命令；实现子网内数据的汇总；将数据发送给机载无线网络数据汇聚装置；

分布式测试节点的工作流程为：加入子网汇聚节点组建的网络；采集测试信号；将测试信号进行存储；将测试信号发送到子网汇聚节点进行汇总。

优选地，分布式测试节点对不同信号进行采集、存储和传输，不同信号的数据量大小有较大差异，所以分别采用zigbee和wifi技术设计不同节点的无线模块。

zigbee无线通信技术是以ieee802.15.4的物理层和mac协议为基础，进行zigbee技术的网络层和应用层规范的制定，实现了两者的相互兼容。采用zigbee技术的测试节点单片机作为无线模块的主控制芯片，通过相应的开发软件进行分层，完成zigbee的各层系结构的搭建，各层实现具体的功能。

该无线模块的发送与接收的各层的具体功能如图6所示。在发送数据过程中，首先是发送机的应用层有发送数据的需求和对象，将兼容inet协议的数据包放入网络层数据请求队列中，网络层将该数据包封装成网络帧的格式传递给mac层，mac层根据该帧中的地址信息和id号选择最佳路由发送，最后将该帧传递给物理层发送出去。在接收数据过程则是相反的过程，物理层接收到数据帧后，传递给mac和网络层，解析该数据帧的目的地址是否是本地地址，若是本地地址，则将该帧配置成兼容inet协议的数据包，否则通知物理层将该帧转发出去。

wifi的工作方式与集线器连接下的以太网类似，一个wifi设备会向所有的wifi设备发送帧。在有wifi设备的多个测试节点间安置路由器构建覆盖网络，实现各测试节点接入wifi网络，完成数据传输。

优选地，在节点设计中，无线模块负责数据的发送与接收和上位机指令的接收与解析，传感器和ad模块负责数据的采集，数据的处理与存储由fpga内部搭建的niosii软核负责。fpga模块与无线模块之间通过spi总线进行通讯，与ad模块直接相连，由软核内部的ad控制器对其进行控制。

首先是传感器采集的数据通过ad转换后传递给fpga模块，都通过fifo缓冲后经软核控制缓存到sdram的堆中，再由软核控制着读取sdram堆中相应位置的数据，写入sd卡中进行缓存。数据采集完成后或者采集过程中进行数据的汇聚，无线模块通过spi总线发送读取sd卡数据的指令给fpga模块，将数据发送出去。在接收端，无线模块将接收到的数据通过总线将其传递给fpga模块，通过fifo缓冲后经软核控制缓存到sdram的堆中，再由软核控制着读取sdram堆中相应位置的数据，写入sd卡中进行缓存。路由节点要将所有测试节点发送过来的数据汇聚并传递给子网汇聚节点，各个子网汇聚节点将接收到数据发送到机载无线网络数据汇聚装置，实现所有的节点测试数据的汇聚并存储。

子网汇聚节点需要完成对子网络数据的备份，其可能需要较高的数据带宽，完成数据快速备份，且必须能保证及时的将数据转发给网关，防止数据的滞留和阻塞。为此，本发明利用fpga的并行处理的特点，设计了一种基于dma机制的hdl软核实现数据向微硬盘的快速备份，使主控芯片能够并行地完成数据处理转发及备份。

由于数据产生的速度不均匀，而sd卡存储的速度比较稳定，故需要在数据入口与sd卡存储接口中间加入缓存。该软核设计中为了使存储速度更快，存储更稳定，引入了二级缓存机制，如图7所示。一级缓冲的作用是对数据带宽进行同步，二级缓冲的作用是对数据存储格式进行同步。为防止丢包，一级缓冲采用读写方便，速度较快的fpga内部sram作为存储介质，实现fifo功能。由于微硬盘是以块作为最小存储单元，而数据是以字节为最小传送单元，故需要将输入的数据打包成块的大小进行备份，故设计使用sdram为存储介质的二级缓冲。

优选地，软核的dma工作流程分两部分：第一部分完成一级缓冲向二级缓冲的数据写入，并且监听fifo中是否有新的数据到达；第二部分完成二级缓冲向sd卡的数据写入；当二级缓冲装满sd卡最小存储单元的数据量后，cpu通知其向sd卡写入数据，当数据写入成功后，通过中断的形式通知主控芯片；cpu通过avalon总线对软核中的配置寄存器进行配置，并对其状态寄存器进行监听，完成中断响应；系统通过cpu对软核向sd卡的写入地址和内容控制，完成简易的fat32文件系统。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。