專利名稱：無線傳感器網關設備的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種基于無線傳感器網絡的無線傳感器網關設備，主要用于無線傳感
器網絡與Internet網的連接。
技術背景
隨著傳感技術、嵌入式計算技術、現代網絡技術、無線通信技術和分布式智能信息處 理技術的飛速發展和日益成熟，將功能相同或不同的無線智能傳感器構成網絡化、智能化 的無線傳感器網絡，能大大提高了傳感器的監測能力。
基于智能無線傳感器網絡的實用監控系統采用中短距離、低功耗無線網絡，射頻傳輸 成本低；靈活實現快速組網和自動配置，擴展性好；任意傳感器之間可相互協調實現數據 通信；能支持多種不同類型的傳感器，適應性強。可廣泛應用于水、電、氣計量自動監測、 環境監控、交通管理、災害預測、醫療衛生、生產制造、城市信息化建設等領域。 發明內容
本實用新型所要解決的技術問題是提供一種無線傳感器網關設備，可實現遠程服務器 及移動用戶終端與無線傳感器網絡建立可靠的連接，實現數據的雙向傳輸，具有實時時鐘、 用戶參數的管理、較大的數據存儲區和一定的數據分析處理功能，實現數據傳輸的智能化 管理，滿足無線傳感器網絡在實際應用中的需求。
本實用新型解決上述問題所采用的技術方案是該無線傳感器網關設備，包括殼體、
電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設置有GPRS無 線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央 處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS 無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設置有GPRS天線， 短距離RF無線射頻通信單元設置有RF天線。
本實用新型所述GPRS無線通訊單元包括GPRS芯片、GPRS天線、SIM卡、I/O 口保護 電路、GPRS接口、 GPRS電源管理、網絡指示，GPRS接口與I/O 口保護電路、GPRS電源 管理連接，GPRS電源管理與1/0 口保護電路、GPRS芯片連接，GPRS芯片與GPRS天線、 SIM卡、網絡指示連接。
本實用新型所述短距離RF無線射頻通信單元包括收發芯片、高頻切換開關、高頻濾 波器、射頻微處理器、RF接口和RF天線，射頻微處理器與RF接口、收發芯片、高頻切 換開關、高頻濾波器連接，RF天線與高頻切換開關連接。本實用新型所述的中央處理器單元設置有中央處理器、外部存儲器接口、外部暫存、 掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關、 數據備份電池、實時SPI監控端口、備用擴展端口、串口通訊端口和看門狗，電源管理與 中央處理器、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充 電管理、電源切換開關均連接，電源切換開關與數據備份電池連接，中央處理器與外部存 儲器接口、外部暫存、中央處理器單元時鐘、實時SPI監控端口、備用擴展端口、看門狗 均連接，串口通訊端口與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接。
本實用新型所述殼體包括上蓋、模塊盒、底板、電池盒，電路板安裝在模塊盒中，模 塊盒、電池盒安裝在上蓋內，上蓋與底板配合連接。
本實用新型可實現遠程服務器及移動用戶終端與無線傳感器網絡建立可靠的連接，實 現數據的雙向傳輸，具有實時時鐘、用戶參數的管理、較大的數據存儲區和一定的數據分 析處理功能，實現數據傳輸的智能化管理，滿足無線傳感器網絡在實際應用中的需求。
圖1是本實用新型實施例的結構示意圖； 圖2是本實用新型實施例的電路原理圖； 圖3是本實用新型實施例GPRS無線通訊單元的結構示意圖； 圖4是本實用新型實施例短距離RF無線射頻通信單元的結構示意圖； 圖5是本實用新型實施例中央處理器單元的結構示意圖。
具體實施方式
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參見圖1 圖5，本實用新型實施例是一種基于微處理器控制的無線傳感器網關設備， 包括殼體、GPRS無線通訊單元4、短距離RF無線射頻通信單元5、中央處理器單元6、 GPRS 天線41、 RF天線51、電源7及GPRS接口42、 RF接口52。總體的結構框架如圖1，電路 原理如圖2，殼體包括上蓋ll、模塊盒12、底板13、電池盒14， GPRS無線通訊單元4、 短距離RF無線射頻通信單元5、中央處理器單元6、天線及相應的信息處理電路均采用模 塊化的設計做在電路板2中，模塊的銜接采用統一標準接口，對不同的應用場合，可以通 過更換具有統一標準接口的功能模塊來快速實現，減小二次開發的周期和成本，為產品的 多領域使用提供了前提條件。電路板2安裝在模塊盒i2中，電池3安裝在電池盒14中， 模塊盒12、電池盒14安裝在上蓋11內，上蓋11與底板13配合連接。殼體結構使用內 置天線的方式，這樣避免由于天線外置容易產生的損壞，殼體使用的是PC材料，這種材 料的使用可以減小對RF信號的衰減，相對提高整機的發射功率和整機的接收靈敏度。在 殼體的形狀設計上，使用雙層構造，加強了整機設計的密封性，對網關的防潮、防水提供有力的保障。
功能單元的設計構架
參見圖3， GPRS無線通訊單元4用于實現網關設備與Internet網絡之間的通信，包 括GPRS芯片43 (采用WAVC0M的Q24PLUS芯片)、GPRS天線41、 SIM卡44、 I/O 口保護電 路45、 GPRS接口 42、 GPRS電源管理46、網絡指示47。
由于WAVCOM收購了索愛的模塊部，使WAVCOM的模塊性能在原有的基礎上大大提升， Q24PLUS芯片支持SM900/DCS1800/PCS1900三頻，電路交換數據傳輸最高速率為 1152。0Kbit/s，支持GPRS ClasslO多時隙功能，內嵌TCP/IP協議棧，支持GSM07. 07增強 型AT指令集，短消息收發和GPRS無線數據傳輸功能。整體設計中由于加入了 I/O 口保護 電路45，使GPRS無線通訊單元4的安全可靠性大大提高。
參見圖4，短距離RF無線射頻通信單元5用于實現網關設備與無線傳感器網絡之間 的通信，包括收發芯片53 (SEMTECH XE1205)、高頻切換開關54 (AT213_92)、高頻濾波 器55 (NDF4035)、射頻微處理器56 (ATmega48V)、 RF接口 52和RF天線51。
SEMTECH的XE1205收發芯片53有較高的靈敏度，最高可達-121dbm，較低的待機功 耗，休眠的時候能夠達到2uA左右，采用頻移鍵控FSK載波技術，載波頻段為300至 IOOOMHZ，支持315MHZ、 433MHZ、 868MHZ和915MHZ基本調制頻率，最大數據傳輸速率為 315kbps.具有RSSI的檢測功能和信號強度的檢測功能，在設計上由于采用了 Atmega48 的管理，使無線射頻模塊的使用更為容易方便。另一方面也為整機模塊的一致性提供了保 障。
參見圖5，中央處理器單元6用于控制GPRS無線通訊單元4與Internet網絡或無線 通信網絡、短距離RF無線射頻通信單元5與無線傳感器網絡之間的通信。中央處理器61 采用的NXP的LPC22M,這款CPU是基于32位ARM7TDMI-S內核的低功耗ARM處理器，處 理器時鐘高達60M/75MHz，片內集成128KB高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口 和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。具有外部存儲器接口62，可 以擴展64MB的異步靜態存儲器設備。外部暫存63 (SRAM)采用的是ISSI的 1S62WV51216BBL，這個片子的最大的特點是在靜態待機的時候有很低的掉電低功耗，平均 只有12uW，這就為數據掉電保護提供了前提條件。
掉電數據管理是由SP690和ADG841配合來完成，保證在外部掉電的情況下，數據備 份電池70和外部的供電(+5V)能夠做到無縫切換，保證數據不會丟失。考慮到遠程網 關的掉電現象，在設計中引入掉電檢測64和掉電報警電池65，掉電檢測64使用LPC2214 內置10位AD來完成，掉電報警電池65使用價廉的可重復使用的鎳氫電池。保證掉電后網關還能正常工作一段時間，將重要的數據發送回主站。電源管理67通過充電管理68 控制掉電報警電池65的充電，電源切換開關69與電源管理67、數據備份電池70均連接， 數據備份電池70使用ABLE的ER14250 1. 2AH Li電池，保證數據能夠在掉電的情況下保 存IO年以上。
考慮到網關的部分實時功能，在核心單元的設計中引入獨立的高精度中央處理器單元 時鐘66，中央處理器單元時鐘66采用的是NXP8563， 32. 768K的鐘振，使用的是SII的 5ppm的晶振，確保日誤差在0.5S以內，而且具備GPRS遠程對時的功能，網關和遠程服 務器的時鐘可以與中央處理器單元時鐘66保持一致。
中央處理器單元6上還提供了實時SPI監控端口 71、備用擴展端口 72、串口通訊端口 73和看門狗74，這樣對網關設備的現場維護帶來十分便利。
軟件系統的構架設計
考慮到維護和今后的可持續開發，軟件的設計也基本上采用分層模塊化設計，包括應 用層、任務管理層、接口層和驅動層。
應用層主要是根據用戶的需求，開發相應的協議文件，然后將接口函數掛接到相應的 文件中，應用層軟件的開發可以脫離對底層驅動開發的依賴，通過PC上位機模擬開發的 方法來實現，可以保證系統開發的相對的穩定性。
任務管理層是對應用層下發的各種任務的分類管理和調度的處理,簡化了用戶應用程 的任務管理機制，充分利用現有的CPU資源。
接口層主要是對現有的底層驅動進行相應的封裝，輸出相應標準統一的調用函數接 口，使軟件的上下成完全分離，便于團體軟件的開發和維護。也提高軟件今后的復用率， 相對提高整體軟件的開發效率。
具體的驅動層，這是整個系統的最下層，也是和硬件關系最為密切的部分。
目前主要實現的功能
實現遠程集中器抄表；可以依據主站下發短消息的要求，選擇GPRS方式或SMS的方 式返回相應的數據；避免由于GPRS網絡出現堵塞而造成數據無法回傳的問題。
1、 采集器、計量表、集中器能夠通過RF433靜態路由的方式組網，匯總采集數據，定 時上傳給遠程主站，或通過主站召喚的方式回傳數據。
2、 定時上送相應數據 依據主站的要求，定時上傳主站定制的數據。
3、 對集中器的主要參數能夠通過遠程主站設置。 可以通過遠程主站對網關配置相關通訊參數。
64、 能夠通過主站遠程對網關對時。
5、 具備網關掉電短消息報警的功能。
6、 預留今后和流量計工業大表通訊功能的相應接口，便于擴展。 本實用新型是短距離無線網絡和Internet連接的一個無線網關設備，220V的交流
電供電，通過無線掌機啟動使用，本實用新型在收到啟用命令后自動向主站上發注冊命令， 并上傳系統的初始狀態的相關數據。可以通過遠方主站或無線掌機現場配置相關的運行狀 態信息，如系統時鐘、抄表日、相關的報警配置、定時任務、工作頻點等，本實用新型在 默認的狀態下工作在GSM狀態下，遠方主站可以通過短消息的方式通知要求本實用新型以 SMS方式或GPRS方式回傳相關的數據，本實用新型在傳輸完數據后自動掉線恢復到GSM 的運行狀態，從而降低整機的運行成本，當本實用新型檢測到異常發生時，會以短消息或 GPRS (通過配置)的方式上報異常信息，并報存相應的異常日志以備調用。在外部220V 掉電時，本實用新型自動上報掉電報警信息，并上傳相應的系統重要數據。
系統上電后首先上發一條上電信息通知主站。本實用新型由于使用了兩個內置天線， 安裝的過程應當注意外部不能使用金屬的密閉外殼，盡量不要于較大的金屬器件安裝在一 起，避免接收信號的衰減。
權利要求1、一種無線傳感器網關設備，包括殼體、電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設置有GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設置有GPRS天線，短距離RF無線射頻通信單元設置有RF天線。
2、 根據權利要求1所述的無線傳感器網關設備，其特征在于所述GPRS無線通訊單元 包括GPRS芯片、GPRS天線、SIM卡、1/0口保護電路、GPRS接口、 GPRS電源管理、網絡指 示，GPRS接口與I/O 口保護電路、GPRS電源管理連接，GPRS電源管理與I/O 口保護電路、 GPRS芯片連接，GPRS芯片與GPRS天線、SIM卡、網絡指示連接。
3、 根據權利要求1所述的無線傳感器網關設備，其特征在于所述短距離RF無線射頻 通信單元包括收發芯片、高頻切換開關、高頻濾波器、射頻微處理器、RF接口和RF天線， 射頻微處理器與RF接口、收發芯片、高頻切換開關、高頻濾波器連接，RF天線與高頻切換 開關連接。
4、 根據權利要求1所述的無線傳感器網關設備，其特征在于所述的中央處理器單元設 置有中央處理器、外部存儲器接口、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電池、中央處理器單元 時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關、數據備份電池、實時SPI監控端口、備用擴展 端口、串口通訊端口和看門狗，電源管理與中央處理器、外部暫存、掉電檢測、掉電報警電 池、中央處理器單元時鐘、電源管理、充電管理、電源切換開關均連接，電源切換開關與數 據備份電池連接，中央處理器與外部存儲器接口、外部暫存、中央處理器單元時鐘、實時SPI 監控端口、備用擴展端口、看門狗均連接，串口通訊端口與GPRS無線通訊單元、短距離RF 無線射頻通信單元連接。
5、 根據權利要求1所述的無線傳感器網關設備，其特征在于所述殼體包括上蓋、模塊 盒、底板、電池盒，電路板安裝在模塊盒中，模塊盒、電池盒安裝在上蓋內，上蓋與底板配 合連接。
專利摘要本實用新型公開了一種無線傳感器網關設備，包括殼體、電路板和電源，電路板安裝在殼體中并與電源連接，其特征在于電路板上設置有GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元、中央處理器單元、GPRS天線、RF天線，中央處理器單元與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元和電源連接，電源與GPRS無線通訊單元、短距離RF無線射頻通信單元連接，GPRS無線通訊單元設置有GPRS天線，短距離RF無線射頻通信單元設置有RF天線。本實用新型可實現遠程服務器及移動用戶終端與無線傳感器網絡建立可靠的連接，實現數據的雙向傳輸，具有實時時鐘、用戶參數管理、較大的數據存儲區和一定的數據分析處理功能，實現數據傳輸的智能化管理，滿足無線傳感器網絡在實際應用中的需求。
文檔編號H04W88/16GK201323659SQ20082016905
公開日2009年10月7日 申請日期2008年12月4日 優先權日2008年12月4日
發明者建 周, 應致標, 江為陽, 章國良, 許康金 申請人:杭州鴻鵠電子有限公司