專利名稱：無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)整合中心節(jié)點的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，尤其涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)量實時收集用的將從多個信道中接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝后以更快的速度向監(jiān)控中心提交的多 信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是近十年逐步發(fā)展起來的新興技術(shù)，它綜合了傳感器技術(shù)、嵌入 式計算機技術(shù)、通信技術(shù)、電源技術(shù)等多項技術(shù)，可以使人們在任何時間、地點和環(huán)境下獲 得較為詳細(xì)、可靠的信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為實現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)試驗的測試系統(tǒng)提供了很好的智能化分布 式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，為實現(xiàn)高效率、高精度、低重量、智能化的結(jié)構(gòu)試驗系統(tǒng)提供了很好的手段。結(jié) 構(gòu)試驗是結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要組成部分。它的任務(wù)是通過有計劃地對結(jié)構(gòu)受載后的性能進(jìn) 行觀測和對測量參數(shù)(如應(yīng)力、位移、疲勞壽命、振幅、振頻等)進(jìn)行分析，達(dá)到對結(jié)構(gòu)的工 作性能和承載能力做出正確的評價和估計。由于工程結(jié)構(gòu)安全的重要性，人們對結(jié)構(gòu)試驗 給予了更大的重視。隨著科技和社會需求的發(fā)展，試驗對象由過去的單個構(gòu)件試驗向整體 結(jié)構(gòu)試驗和大尺寸試驗發(fā)展。以航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)為例，目前，航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)普遍存在測量點多、 規(guī)模大等特點，造成了其試驗測試系統(tǒng)引線復(fù)雜、附加重量大；此外，試驗測試系統(tǒng)整體的 智能化、網(wǎng)絡(luò)化程度不高，造成試驗測試效率不高。以構(gòu)建N路采集通道，每個通道每秒進(jìn) 行M次應(yīng)變采集的分布式數(shù)據(jù)采集，同時實時將采集數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心的航空結(jié)構(gòu)強度 試驗系統(tǒng)為例，通常每個采集節(jié)點有4路應(yīng)變采集通道，采用10位AD對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，每 個通道采集8次產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)段為8 X 4 X 16bits = 512bits的數(shù)據(jù)包，將該數(shù)據(jù)段加一些 必要信息且以IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行封裝后每個數(shù)據(jù)包有648bits，通過節(jié)點的射頻模塊 CC2420發(fā)送給基站節(jié)點。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量有(Ν/4) X (Μ/8 X 648) bits/s。取N為320滿 足航空結(jié)構(gòu)強度試驗應(yīng)變采集通道多的要求，取M為32滿足航空結(jié)構(gòu)強度試驗所需的應(yīng)變 采樣頻率要求，即整個系統(tǒng)需80個采集節(jié)點，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)達(dá)207. 36kbits/s?；趩涡诺绬位緹o線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建試驗系統(tǒng)。當(dāng)M為32時，每個采集節(jié) 點產(chǎn)生數(shù)據(jù)包的間隔為ls/32X8 = 0. 25s。采集節(jié)點同步采集導(dǎo)致采集節(jié)點同時產(chǎn)生數(shù) 據(jù)包，采用時分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)機制對采集節(jié)點產(chǎn)生 的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，即每個節(jié)點根據(jù)各自地址獲得一個獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙0. 25s/80 = 3. 125ms?；贗EEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)2. 4GHz頻段支持250kb/s的數(shù)據(jù)速率，該時隙很難實現(xiàn) 所有數(shù)據(jù)都得到成功發(fā)送。同時，由于串口最大速度只有256000波特率，采用單個基站很 難完成對207. 36kbits/s數(shù)據(jù)的傳輸。鑒于此，提出基于IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)的多信道多基站無線傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建 試驗系統(tǒng)。采用10個基站節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，每個基站完成8個采集節(jié)點的數(shù) 據(jù)包傳輸，每個基站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為20. 736kbits/s，可以采用57600波特率串口速度。為增加采集節(jié)點的發(fā)送時隙，采用10個數(shù)據(jù)信道，每個信道由8個采集節(jié)點和一個基站節(jié) 點構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)。由于不同信道中的數(shù)據(jù)不產(chǎn)生碰撞，此時每個采集節(jié)點的發(fā)送時隙為 0. 25S/8 = 31. 25ms，該時隙使數(shù)據(jù)包傳輸成功率得到較大提高。采集節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包可 以可靠傳輸給監(jiān)控中心，整個數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的吞吐量得到提升。同時，多信道多基站架構(gòu)需要對位于不同數(shù)據(jù)信道的采集節(jié)點進(jìn)行時間同步。本 文引入一個同步信道對位于不同信道的采集節(jié)點的同步采集提供支持；引入一個管理節(jié)點 負(fù)責(zé)在網(wǎng)絡(luò)初始時刻向同步信道發(fā)送監(jiān)控中心的命 令，并且在網(wǎng)絡(luò)工作過程中周期的切換 到不同的數(shù)據(jù)信道發(fā)送同步消息，對采集節(jié)點的同步采集提供支持。上述系統(tǒng)存在缺點目前，每個數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)都是通過該數(shù)據(jù)信道上的基站節(jié) 點通過串口傳輸給監(jiān)控中心的，串口數(shù)量和串口速度都是該系統(tǒng)的瓶頸，有必要開發(fā)多信 道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，該節(jié)點的功能是接收多個數(shù)據(jù)信道中的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 化封裝，并且以更快的速度向監(jiān)控中心提交數(shù)據(jù)。目前關(guān)于國內(nèi)外沒有涉及無線傳感網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)量實時收集用多信道數(shù)據(jù)接收中 心節(jié)點的相關(guān)專利。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明要解決的問題是開發(fā)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，該節(jié)點的功能是接收多個 數(shù)據(jù)信道中的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，并且以更快的速度向監(jiān)控中心提交數(shù)據(jù)， 能夠滿足分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中32-500個動態(tài)采集通道的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，實時數(shù)據(jù)收集 要求。技術(shù)方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本發(fā)明無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，其特征在于，包括N個獨立的射 頻模塊，可編程邏輯器件模塊，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送的總線控制芯片模塊，其中N個獨立的射 頻模塊的輸出端分別接可編程邏輯器件模塊的輸入端，可編程邏輯器件模塊與總線控制芯 片模塊輸入端連接，其中N為大于1的自然數(shù)。所述可編程邏輯器件模塊包括邏輯控制模塊以及由接口依次串接數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化封 裝模塊、FIFO構(gòu)成的N條傳輸鏈路，接口、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化封裝模塊和FIFO分別與邏輯控制模 塊通信，F(xiàn)IFO分別與本地總線連接，接口與射頻模塊的輸出端，本地總線與總線控制芯片模 塊的輸入端連接。N個獨立的射頻模塊被配置在多個不同的信道中，接收該信道中的數(shù)據(jù)。所述總線控制芯片模塊通過高速計算機總線將數(shù)據(jù)提交給監(jiān)控中心。有益效果采用本發(fā)明的多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組成的動態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)，滿足32-500 個動態(tài)采集通道的連續(xù)數(shù)據(jù)采集要求，可以取代現(xiàn)有的復(fù)雜龐大的通用監(jiān)測系統(tǒng)。多信道 數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點同時接收多個數(shù)據(jù)信道中的數(shù)據(jù)包，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，并且以 更快的速度向監(jiān)控中心提交數(shù)據(jù)。通過標(biāo)準(zhǔn)化封裝后的數(shù)據(jù)包可以便于監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)包 的解析。


圖1是采用PCI總線方案多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點的模塊示意圖；圖2是采用USB總線方案構(gòu)建的多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點的模塊示意圖；圖3是多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點的管腳中斷流程圖；圖4是基于多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組建的單跳航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)的示意 圖；圖5是基于多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組建的單跳航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)中管理 節(jié)點工作流程圖；圖6是基于多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組建的單跳航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)采集節(jié) 點工作流程圖；圖7是多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組建的單跳航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)采集節(jié)點的發(fā)送機制。
具體實施例方式本實施例的多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，將在多信道中接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝 后，通過高速計算機總線傳輸給監(jiān)控中心。如圖1、2所示，多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點包括多個數(shù)據(jù)接收射頻模塊和可編程邏 輯器件模塊以及總線控制芯片模塊。FPGA模擬15個SPI接口分別來完成對各CC2420的 配置，使它們進(jìn)入不同的工作模式。根據(jù)具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?，F(xiàn)PGA通過SPI接口將數(shù)據(jù) 接收射頻模塊配置在不同的信道上，使這些數(shù)據(jù)接收射頻模塊成為該信道上的數(shù)據(jù)接收射 頻模塊，接收該信道上所發(fā)送的數(shù)據(jù)包。FPGA為每個數(shù)據(jù)接收射頻模塊接收的數(shù)據(jù)包提供 了數(shù)據(jù)包標(biāo)準(zhǔn)化封裝模塊和一個先進(jìn)先出的隊列(FIFO)。邏輯控制模塊給每個FIFO分配 一個時隙，用于將該FIFO中的數(shù)據(jù)發(fā)送給總線控制芯片；邏輯控制模塊還負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊 的邏輯關(guān)系?？偩€控制芯片選擇PCI9054，PCI9054是美國PLX公司生產(chǎn)的一種功能強大、 使用靈活的PCI總線控制器專用芯片，它采用了先進(jìn)的PLX數(shù)據(jù)管道結(jié)構(gòu)技術(shù)，支持32位 33MHZ時鐘的PCI總線，可以更為快速的將數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。如圖2所示，總線控制芯 片選擇USB20D，DMA模式是USB20D模塊的最大優(yōu)點，USB20D模塊的DMA有效傳輸速度可以 達(dá)到35Mbyte/SeC?？梢愿鼮榭焖俚膶?shù)據(jù)傳輸給監(jiān)控中心。如圖3所示，當(dāng)數(shù)據(jù)接收射頻模塊接收到數(shù)據(jù)包的時候，F(xiàn)PGA將數(shù)據(jù)包通過SPI 口 讀入，同時FPGA將數(shù)據(jù)包通過高層數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(High-Level Data Link Control,HDLC) 協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，然后將封裝后的數(shù)據(jù)包投遞到相應(yīng)的FIFO進(jìn)行緩存。如圖4所示，基于多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點組建的單跳航空結(jié)構(gòu)強度試驗系統(tǒng)架 構(gòu)包括監(jiān)控中心、多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，管理節(jié)點以及分屬于不同信道的采集節(jié)點。同 步信道對管理節(jié)點的命令發(fā)送及晶振漂移消除機制提供支持；每個數(shù)據(jù)信道由8個采集節(jié) 點和多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點的一個數(shù)據(jù)接收射頻模塊構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)，每個采集節(jié)點上有 4路應(yīng)變采集通道，每個采集通道每秒完成32次的應(yīng)變數(shù)據(jù)采集。整個系統(tǒng)取80個采集節(jié) 點，每個采集節(jié)點上有4路應(yīng)變采集通道，共320路的應(yīng)變采集通道，每個應(yīng)變采集通道每 秒完成32次的應(yīng)變采集。多信道數(shù)據(jù)接收中心采用10個數(shù)據(jù)接收射頻模塊，完成對多個信道數(shù)據(jù)的接收，并且通過該節(jié)點將數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化封裝后提交給監(jiān)控中心。 如圖5所示，管理節(jié)點初始化時位于同步信道，當(dāng)接收到監(jiān)控中心的命令后，在同 步信道上通過命令的多次發(fā)送保證命令的可靠傳輸；系統(tǒng)正常運行時周期切換到不同數(shù)據(jù) 信道進(jìn)行時鐘同步，保證不同采集節(jié)點的同步采集。如圖6所示，網(wǎng)絡(luò)初始化時所有采集節(jié)點都位于同步信道，采集節(jié)點接收到采集 命令后切換到各自數(shù)據(jù)信道，然后啟動ADC采集時鐘進(jìn)行應(yīng)變數(shù)據(jù)采集，同時實時地將數(shù) 據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)信道中，并且在接收到管理節(jié)點發(fā)送的同步消息時完成晶振漂移的消除。如圖7所示，各采集節(jié)點進(jìn)行同步采集導(dǎo)致采集節(jié)點數(shù)據(jù)包產(chǎn)生的時刻相同，采 用基于節(jié)點地址的時分多址接入(Time Division Multiple Access, TDMA)機制對采集節(jié) 點產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送，即每個采集節(jié)點根據(jù)各自地址獲得一個獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送時隙， 使得數(shù)據(jù)包傳輸?shù)某晒β实玫捷^大提高。多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點上包含了 10個數(shù)據(jù)信道的數(shù)據(jù)接收射頻模塊，當(dāng)這些 數(shù)據(jù)接收射頻模塊接收到各自信道中的數(shù)據(jù)包時，多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點將這些數(shù)據(jù)包 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝后放入FIFO中，F(xiàn)PGA中的邏輯控制模塊將給每個FIFO分配一個USB總線 接入時隙將數(shù)據(jù)通過USB總線傳輸給監(jiān)控中心。本實施例的多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點將從多個信道中的接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn) 化封裝后以更快的速度向監(jiān)控中心提交，突破多信道多基站架構(gòu)中存在的串口數(shù)量和串口 速度瓶頸，同時，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化封裝后的數(shù)據(jù)包便于監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。
權(quán)利要求
一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，其特征在于，包括N個獨立的射頻模塊，可編程邏輯器件模塊，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送的總線控制芯片模塊，其中N個獨立的射頻模塊的輸出端分別接可編程邏輯器件模塊的輸入端，可編程邏輯器件模塊與總線控制芯片模塊輸入端連接，其中N為大于1的自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，其特征在于，所述可 編程邏輯器件模塊包括邏輯控制模塊以及由接口依次串接數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化封裝模塊、FIFO構(gòu)成 的N條傳輸鏈路，接口、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化封裝模塊和FIFO分別與邏輯控制模塊通信，F(xiàn)IFO分別 與本地總線連接，接口與射頻模塊的輸出端，本地總線與總線控制芯片模塊的輸入端連接。
3.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，其特征在于，N個獨立 的射頻模塊被配置在多個不同的信道中，接收該信道中的數(shù)據(jù)。
4.如權(quán)利要求1所述的無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，其特征在于，所述總 線控制芯片模塊通過高速計算機總線將數(shù)據(jù)提交給監(jiān)控中心。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)多信道數(shù)據(jù)接收中心節(jié)點，包括N個獨立的射頻模塊，可編程邏輯器件模塊，對數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送的總線控制芯片模塊，其中N個獨立的射頻模塊的輸出端分別接可編程邏輯器件模塊的輸入端，可編程邏輯器件模塊與總線控制芯片模塊輸入端連接，其中N為大于1的自然數(shù)。本發(fā)明能夠滿足分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中32-500個動態(tài)采集通道的連續(xù)數(shù)據(jù)采集，實時數(shù)據(jù)收集要求。
文檔編號H04W84/18GK101807953SQ20101010825
公開日2010年8月18日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月10日
發(fā)明者吳鍵, 張炳良, 王子龍, 王洋, 董晨華, 袁慎芳 申請人:南京航空航天大學(xué)