专利名称：基于wsn、gprs和gps的无线数据传输设备的制作方法
技术领域：
本发明属于通信技术领域，涉及一种基于WSN、GPRS和GPS网络相融合的无线数据传输设备，主要用于远程WSN监测数据的传输。
背景技术：
随着通信技术的发展，无线通信以其廉价、方便、覆盖范围广和扩展性强等优点， 弥补了有线通信的不足。传统的数据传输大多是以铺设电缆、光纤等有线方式实现，具有传输稳定可靠，数据传输速率高等优点。但是在环境恶劣、位置偏僻、监测点数目较多的地区， 采用有线传输方式显然不合适。移动通信技术是当前发展最快、应用最广泛和最前沿的通信领域之一，随着移动通信技术在国内的迅速发展，移动通信网络除了提供基本的语音业务服务之外，还提供了丰富的数据业务服务。目前，利用覆盖良好的GPRS网络进行远程无线数据传输已经成为许多行业进行远程信息监测的重要手段。GPRS (General Packet Radio Service)，即通用无线分组服务业务，在原有的 GSM 网络的基础上增加 GGSN(Gateway GPRS Supporting Node)禾口 SGSN(Serving GPRS Supporting Node)等实体，是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，提供端到端的、广域的无线IP连接。GPRS介于第二代QG)和第三代(3G)移动通讯技术之间，通常被称为 2. 5G，它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS网络的主要特点有(1)覆盖范围广，GPRS是在现有的GSM网络的基础上改造升级的，可以充分利用全国范围的电信网，提供方便、低成本的远程网络接入方案。(2)永远在线，一旦与指定中心建立通信连接后，随时可以收发数据，当没有数据传输时，终端仍然与网络保持连接状态。(3)接入时间短，分组交换接入时间小于1秒，能提供快速及时的连接，可以大幅度提高一些事物(如远程监控)的实时性。(4)按流量计费，只有在GPRS用户发送和接收数据时才计费，而没有数据发送与接收，仅保持在线状态时不计费。(5)采用分组交换技术，仅在实际发送和接收时才占用网络资源，可以实现信道的共享，提高了网络资源利用率。(6)支持标准通信协议，可以与IP网和X. 25网互联。随着WSN应用的逐渐成熟，对于地理位置偏僻、采用有线方式施工困难、监测点数目较多的对象的监测，往往采用WSN的形式实现。由于WSN采用短距离通信技术，因此，单纯的无线传感器网络只能够实现局部区域数据的采集和传输。要想实现监控中心对监测对象的远程监控，还需要通过GPRS网络实现无线传感器网络与hternet网络之间的数据转发。 同时，为了能够保证WSN各个节点采集的信息在时间上能够保持一致，还需要通过从GPS模块中提取时间信息对节点统一设置。
发明内容
本发明为了弥补有线远程监控系统的不足，提供了一种基于GPRS、WSN和GPS的无线数据传输设备。该设备主要通过GPRS网络将WSN监测到的数据传输到远程监控中心，同时，实现把远程监控中心发出的控制命令传送给WSN监测区域中的监测节点，从而实现监控中心对监测对象实时、有效的监控。本发明为了实现上述目的，采用以下技术方案一种基于GPRS、WSN和GPS的无线数据传输设备，系统主要包括GPRS射频模块， ZigBee射频模块，GPS模块，32位ARM处理器和电源管理模块。其中，ARM处理器成为各模块之间相连的纽带，ARM处理器通过UARTl与GPRS射频模块相连，通过SPI与ZigBee射频模块相连，通过UARTO与GPS模块相连。为了提高设备的可靠性，保证大数据量的可靠转发， 系统中还包括NAND FLASH存储器，它通过并行I/O接口直接与ARM处理器相连。其中，ARM处理器主要完成数据和命令的转发，其外围电路主要包括时钟电路、复位电路、UART接口电路和存储电路。GPRS模块要实现数据和命令的传输功能，其外围电路主要包括启动电路、SIM卡电路、通信接口电路和状态指示灯电路。ZigBee模块要实现与监测节点的短距离通信，其外围电路主要包括下载电路、指示灯电路。GPS模块则要实现时间校准功能。电源管理模块要为各模块提供所需要的电压和电流。整个系统采用二级降压的方式设计，一级压降采用开关电源转换芯片输出5V电压，为GPRS模块提供驱动电压和电流， 模块有规定的电压波动范围和尖峰电流，所以要求一级输出电压波动在规定范围内，且电流要大于尖峰电流，二级压降采用线性电源转换芯片，分别输出3. 3V和1.8V电压，主要为 ARM处理器和ZigBee模块提供驱动电压，这两个模块也有规定的电压波动范围，所以要求二级输出电压波动要在规定的范围内。本发明的有益效果是本发明采用公众移动网络与短距离无线自组织网络相结合的方式，实现了无线长距离大数据量传输，为环境恶劣、位置偏僻、监测点数目较多的地区监测信息的传输提供了一种低成本，可靠的传输方式；同时，通过GPS模块获取时间信息， 很好地解决了监测数据信息的时间同步问题。
图1是本发明的应用系统网络示意图。图2是本发明的硬件结构连接图。图3是本发明的处理器管脚分配图。图4是本发明的数据上行和下行传递的示意图。图5是本发明的电源管理模块电路原理图。
具体实施例方式下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例，但本发明的实施方式不限于此。图1所示为本发明的应用系统网络示意图。主要由WSN监测节点，基于WSN、GPRS 和GPS的无线数据传输设备和监控中心组成。WSN监测节点把采集到的数据通过WSN网络以多跳的方式传递给无线数据传输设备，无线数据传输设备主要负责连接WSN网络和 hternet网络，实现信息在两个不同的网络之间有效、无差错的传递。无线数据传输设备通过GPRS网络，把接收到的数据发送到具有独立IP地址和端口号的远程监控中心，监控中心对接收到的数据进行计算、分析和显示，从而实现对节点的监测；同时，监控中心还可以对远程监测节点进行数据采集参数的设置和查询。图2是本发明的硬件结构结构图。从图中可以很容易看出各模块之间的连结关系，简单介绍一下各模块的选用原则(1)处理器选择由于GPRS无线数据终端需要运行较为复杂的操作系统和协议栈，因此对于处理器的性能要求较高。同时为了任务能实时处理，处理器中要移植有μ C/ OS-II操作系统，处理器的运算速度要求至少达到ARM7的水平，而操作系统和协议栈的代码容量较大，要选择FLASH程序存储器的容量要大，例如实验的代码容量为80KB左右，选择 FLASH程序存储器要至少U8KB，有利于以后功能的扩展。为了能较好的运行操作系统和协议栈，需要的片内RAM也不能太小，且在GPRS无线带宽允许的情况下，发送的速度越快，所需要的缓存越大，要选用32KB以上的RAM。处理器的GPIO 口的数量至少为32个，操作电压为3. 3V，并要求串口和SPI以及SSP的总数量要大于等于3。目前，32位的ARM处理器在市场上已经非常流行，具有高性能和低功耗等特点，具有较高的性价比。可以选用PHILIPS公司生产的32位ARM处理器LPC2106作为系统的主控单元。(2)存储器选择由于GPRS数据终端需要发送的数据量较大，并且GPRS网络不稳定，所以需要一个较大的数据存储空间，即使在GPRS数据终端掉线或者断电的情况下，数据也能够被完整的保存下来，从而保证数据传输的可靠性。目前主流的外部存储器有NOR 型FLASH和NAND型FLASH。但NOR型FLASH相对于NAND型FLASH存在存储容量小、写入速度慢、价格昂贵等缺点，所以选用NAND型FLASH，但NAND型FLASH中存在坏块，编程时要先定义坏块映射表，这是使用此种FLASH必须注意的事项。可以选用SAMSUNG公司生产的 NAND FLASH K9F1G08U0B，其容量为132MB，分为IOM块，每块64页，每页大小为(2K+64)字节。页编程时间为200us，块擦除时间为1. 5ms，字节读取时间为25ns，满足了应用要求。(3) GPRS模块选择现在运行的通信网络主要有GSM、GPRS、EDGE、CDMA、3G，但3G 网络和覆盖范围还不足，但GPRS网络则是基本成熟，而且现在GPRS射频模块主要分为2. 5G 和3G两种，为了保持通用性，最好选用2. 5G(GPRS)，但要求高传输速度可以选用3G射频模块，前提是要在3G网的覆盖范围内，传输速率则是决定于模块注册入哪个网络，现在应用中2. 5G的模块在GPRS网络中传输速度下载最大速度为SOlcbps左右，上载最大速度为 40kbps左右。GPRS模块有的内部集成TCP/IP协议栈，也有不集成协议栈的，集成协议栈的模块开发较容易，用AT指令来控制非常方便，但价格较贵；不集成协议栈的模块开发较难， 需要自己编写TCP/IP协议栈，但价格相对便宜。可以选用SIEMENS公司生产的工业级射频模块MC55，其内部集成协议栈，开发容易，运行稳定，价格也相对适中。(4)ZigBee模块选择为了能形成ZigBee网络，要求模块支持IEEE802. 15. 4协议，同时为以后软件升级，则需要模块最好能支持到ZigBee PRO协议；为了便于开发和二次开发，编程语言选择现行普遍熟悉的C语言；为了方便使用，要求模块的集成度要高，外部接口要有常用的接口如SPI、UART、I2C、A/D、D/A、定时器等。考虑到内部处理器中要运行操作系统，选用32位的内部处理器，而且需要的程序FLASH要大于128K，以满足大程序的
5存储要求，同时为了处理器运行程序流畅，则其内部RAM要在64K以上。可以选用Jermic 公司生产的工业级JN5148模块。(5)GPS模块选择GPS模块主要用来校准时间，并不完成其它功能，所以要求模块必需具有时间功能，且要求有一个串口或者SPI 口，供处理器与其通信。可以选用台湾鼎天 RoyalTek 的 GPS 模块 REB-3571LP。图3是本发明的处理器管脚分配图。主要分成四部分MC55、JN5148、GPS和FLASH。 MC55分配有7个I/O 口，通过串口 1与LPC2106进行通信，R)(D和T)(D分别为串口的数据接收和发送信号线，负责数据的传输，硬件握手CTS和RTS实现数据的校验和错误重发功能； 由于R)(D，CTS, RING引脚在POWER DOWN模式处于高阻状态，因此使用150k的下拉电阻保证MC55模块的安全性。JN5148分配有4个I/O 口，通过SPI与LPC2106通信，且4个I/O 口是连续的，便于程序编写，MISO和MOSI负责数据的传输，SPICLK控制数据传送的同步时钟。FLASH分配有14个I/O 口，通过并行I/O 口与LPC2106相连，共有6个控制口和8个数据口，为了方便程序的编写，LPC2106使用连续的8个GPIO 口与K9F1G08U0B的100 107 通信。由于GPS模块只是定时读取时间信息，所以分配的I/O 口较少，仅有2个I/O 口，只需要通过串口 0的T)(D0和RXDO来传递时间信息。图4是本发明的数据上行和下行传递的示意图。主要是数据和命令传输，分为上行和下行两个过程作简要介绍上行过程就是各节点把采集的数据上传给上位机的过程。各节点采集的数据，经过节点的分组，并按数据帧的格式进行打包处理，依照ZigBee网络协议传递到网关上的 ZigBee模块(JN5148)，传来的数据直接通过SPI 口传到处理器的缓存中，ARM处理器对传来的数据包进行校验，如果校验正确则存入并口 FLASH(K9F1G08U0B)中，如果不正确则丢弃此数据包，等数据包累计处理10个后，处理器会从FLASH中读取数据，并通过串口 1发送到GPRS模块(MC55)，GPRS模块要把来自处理器的数据按照TCP/IP协议进行整体打包，然后才能发送出去；另外有一些命令的回应帧，处理器会自动分辨，且在校验完成后立即发给 GPRS模块，经GPRS模块发送出去。由于在各模块正常工作之前，监控中心和GPRS模块已经建立了一条通路(为了确保此通路一直处于连通状，监控中心会定时发送查询命令给GPRS 模块，GPRS模块会对此命令作出回应，则可以说明线路处于连通状态，否则不连通)，每个数据包按照TCP/IP协议可以准确找到监控中心，数据就可以顺利的传到监控中心中，并保存于数据库中，方便随时查看数据。下行过程就是上位机给节点发送命令的过程。监控中心将要发送的命令打包成命令帧格式，发送给GPRS模块，GPRS模块接收到数据立即传送给处理器，处理器将命令帧做简单处理，就发送给ZigBee模块，ZigBee模块对命令帧进行解析，找出命令帧发送的目的地址和命令，依照ZigBee协议将命令传送给相应的节点。同时如果上位机发送的是时间校准命令，处理器就会读取GPS模块的时间信息，并将其加到命令帧中再发给ZigBee模块，然后ZigBee模块解析出时间信息再发送给节点，接收到命令的节点会立即做出相应的回应。图5是本发明的电源管理模块电路原理图。LM2576-5. OHVS是NS公司生产的开关电源转换芯片，它具有可靠的工作性能，较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力。它的输入电压范围为7V 60V，最大稳压误差为4%，最大输出电流达3A，震荡频率为52KHz， 工作温度_40°C +125°C，电源转换效率在75% 88%之间。LPC2106需要双电压供电内核电源为1. 8V，专门针对该器件的内部逻辑电路供电；I/O电源为3. 3V，这样可以很方便的与外部低压器件连接，无需添加电平转换器件。由于二级压降较小，同时考虑波纹干扰和设计复杂度等因素，所以，二级压降采用线性电源转换芯片。系统分别采用TI公司生产的 REGl 117-3. 3和REGl 117-1. 8将5V电压降为3. 3V和1. 8V，二者的最大电压输出误差均为 1%, REGl 117-3. 3的最大输出电流为800mA, REGl 117—1. 8的最大输出电流为IA0
权利要求
1. 一种基于GPRS、WSN和GPS的无线数据传输设备，其特征在在于，该设备包括GPRS射频模块，ZigBee射频模块，GPS模块，32位ARM处理器和电源管理模块；其中，ARM处理器成为各模块之间相连的纽带，ARM处理器通过UARTl与GPRS射频模块相连，通过SPI与ZigBee 射频模块相连，通过UARTO与GPS模块相连；设备中还包括NAND FLASH存储器，它通过并行 I/O接口直接与ARM处理器相连；其中，ARM处理器主要完成数据和命令的转发，其外围电路主要包括时钟电路、复位电路、UART接口电路和存储电路；GPRS模块要实现数据和命令的传输功能，其外围电路主要包括启动电路、SIM卡电路、 通信接口电路和状态指示灯电路；ZigBee模块要实现与监测节点的短距离通信，其外围电路主要包括下载电路、指示灯电路；GPS模块则要实现时间校准功能；电源管理模块要为各模块提供所需要的电压和电流，整个系统采用二级降压的方式设计，一级压降采用开关电源转换芯片输出5V电压，为GPRS模块提供驱动电压和电流，电流要大于尖峰电流，二级压降采用线性电源转换芯片，分别输出3. 3V和1. 8V电压。
全文摘要
本发明公开了一种基于WSN、GPRS和GPS的无线数据传输设备，系统主要包括GPRS射频模块，ZigBee射频模块，GPS模块，32位ARM处理器和电源管理模块。其中，ARM处理器成为各模块之间相连的纽带，ARM处理器通过UART1与GPRS射频模块相连，通过SPI与ZigBee射频模块相连，通过UART0与GPS模块相连。另外，为了提高设备的可靠性，保证大数据量的可靠转发，系统中还可以包括NAND FLASH存储器，它通过并行I/O接口直接与ARM处理器相连。该设备方便了远程WSN监测数据的传输，提高了WSN数据传输的可靠性，节约了设计成本，提高了系统的抗干扰性，同时利用GPS模块保证了数据信息的时间同步。
文档编号H04L29/08GK102196601SQ20111007299
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月24日 优先权日2011年3月24日
发明者刘万禄, 吴建星, 王则陆, 王立鼎, 金仁成 申请人:大连理工大学