一種通用型物聯網無線數據傳輸終端的製作方法

2023-05-29 20:05:51

本發明涉及一種通信技術領域，特別涉及一種通用型物聯網無線數據傳輸終端。

背景技術：

數據顯示，2017年全球物聯網市場規模將達到4500億美元，而我國物聯網市場規模則有望達到7500億元，物聯網產業發展前景廣闊。隨著物聯網的快速發展，從個人電子產品到工業機械和傳感器等相關應用逐漸的接入網絡。通信是網絡連接的基礎。沒有通信，物聯網感知的大量信息無法進行有效地交換和共享，從而也不能利用基於這些物理世界的數據產生豐富的多層次的物聯網應用。無線通信因其結構簡單、成本低、克服有線通信在某些情況下布線困難等優勢成為現階段研究的重點。

現有無線數傳方案有以下幾種：

其中採用Bluetooth、Zigbee和Wifi技術的無線數據傳輸終端工作頻段是2.4GHz，基於移動通信的4g頻段由於運營商不同，大致分布在1800MHz-1900MHz、2.3GHz和2.5GHz等專用頻段上。從現有無線通信方案可以看出，每種無線傳輸方案都有各自的優勢，比如採用Bluetooth技術的方案相較其他方案，功耗較低，基於跳頻技術可以實現安全傳輸，但數據傳輸率較低、通信距離較短；基於Zigbee技術的方案相比其他方案的優勢是可以實現局域內快速組網，同時功耗較低，缺點是隨著網絡節點的增多，無線數據在節點間傳輸延時較高，相應的數據傳輸率較低；WiFi技術與上述兩種方案相比，數據傳輸率較高，在物理層增加功率放大器模塊可以實現遠距離無線數據傳輸，同時與網關相連可以直接連接Internet。但是WiFi技術功耗較大，雖然可以基於Mesh組網，但其對應網絡拓撲結構對通信數據傳輸影響較大。基於WiFi技術的無線通信終端還具有數據安全性沒法保障的缺點；3G/4G或者GSM等基於蜂窩技術的無線通信方案可以使用現有基站實現遠距離無線傳輸，缺點是在基站沒法覆蓋的偏遠地區，無法使用。

現有無線通信方案的硬體結構如圖1示，主要由MCU電路和射頻晶片電路兩部分構成，MCU主要作用是運行相應協議棧，完成控制並把數據通過某種協議傳輸到射頻晶片，射頻晶片主要完成調製、解調，把調製好的無線電磁波信號傳到物理空間和從物理空間接受電磁波信。基於Bluetooth和WiFi的應用一般採用這種方案。

採用Zigbee技術的方案與與採用Bluetooth和WiFi技術方案不同點在於，有良好的自組網特性。如圖2所示，在採用Zigbee技術方案中，節點分為3種類型，分別為協調器節點、路由器節點和終端節點。協調器節點主要任務是構建網絡，一旦網絡構建完畢，退化為路由器節點。路由器節點主要完成數據路由功能，終端節點主要完成數據採集和發送。

從以上現有無線數據傳輸方案可以看出，現有方案只能應用於某些特定條件下。比如在低功耗方面，Bluetooth有天然的優勢，而當對數據傳輸率較大時，WiFi優勢明顯，Zigbee的優勢在於組網簡單方便。隨著物聯網技術的發展，物聯網市場對無線通信技術的需求越來越全面，尤其是權衡工作頻段、功耗、數據傳輸率、通信距離和能否自由組網等方面，現有無線通信方案無法同時滿足物聯網全方面發展。現階段，市場上尚未存在一種解決上述問題的物聯網通用無線數據傳輸終端。

技術實現要素：

本發明目的是：提供一種通用型物聯網無線數據傳輸終端，該無線數據傳輸終端具有可根據物聯網應用中實際通信條件自動切換通訊方式、安全保密通訊、組網方便等優勢。

本發明的技術方案是：

一種通用型物聯網無線數據傳輸終端，包括一個主MCU、外網連接部分、若干分MCU及與各分MCU分別相對應的射頻晶片；所述若干分MCU分別與各自對應的射頻晶片通信連接，構成各無線數傳子模塊，所述主MCU分別與各分MCU通信連接，用於對各無線數傳子模塊的片選，時鐘的同步和數據的處理，各無線數傳子模塊中的分MCU再控制對應射頻晶片完成無線數據收發，主MCU還通過外網連接部分實現與終端外的網絡連接。

優選的，所述主MCU為MCU0，各分MCU分別為MCU1、MCU2、MCU3和MCU4，MCU1、MCU2、MCU3和MCU4對應連接的射頻晶片分別為Bluetooth晶片、Zigbee晶片、WiFi晶片和特定頻率無線數傳晶片。

優選的，所述主MCU通過I2C協議分別連接四個分MCU，各分MCU分別通過SPI協議連接Bluetooth晶片、Zigbee晶片、WiFi晶片和特定頻率的無線數傳晶片。

優選的，所述MCU1和Bluetooth晶片連接構成低功耗無線傳輸模塊，用於處理對通信距離要求不高，數據傳輸速率較低和對數據安全性有苛刻要求的無線數傳。

優選的，所述MCU2和Zigbee晶片連接構成無線自組網傳輸模塊，當環境對組網有需求的時候，基於該子模塊進行組網。

優選的，所述MCU3和WiFi晶片連接構成大功率無線傳輸模塊，當對數據傳輸速率要求較高，通信距離較遠的時候，轉到該模塊進行無線數傳。

優選的，所述MCU3和WiFi晶片連接構成大功率無線傳輸模塊還增加有功率放大電路，滿足對通信距離的要求。

優選的，所述MCU4和特定頻率無線數傳晶片連接構成特定頻率的無線數傳模塊；當對無線數傳的傳輸頻段有要求時，修改和調整此無線數傳模塊的射頻晶片。

優選的，所述外網連接部分包括分別與主MCU連接的光纖接口、RJ45接口、WiFi無線接口和AC網橋接口。

優選的，所述主MCU採用STM32系列單片機，各分MCU採用STM8系列或者採用8051內核的單片機。

在物聯網應用中，當對組網有需求時，無線數據傳輸終端基於Zigbee晶片構成的無線自組網傳輸模塊形成自組網，無線通信數據在自組的區域網內通信；當對數據傳輸率和通信距離要求時較高，主MCU自動切換到WiFi晶片構成的大功率無線傳輸模塊進行通信；當對數據傳輸量較少，通信距離較近，同時對數據安全性有要求時，主MCU自動切換轉換到Bluetooth晶片構成的低功耗無線傳輸模塊通信；當對無線傳輸的頻段有要求時，可切換到特定頻率的無線數傳子模塊進行傳輸。

本發明的優點是：

本發明所提供的通用型物聯網無線數據傳輸終端，採用一個主MCU和若干不同類型的無線數傳子模塊，可根據物聯網應用中實際通信條件自動切換通訊方式，具有安全保密通訊、組網方便等優勢，比較全面的滿足物聯網技術對無線通信硬體的需求。

附圖說明

圖1為基於Bluetooth或者WiFi技術的無線數據傳輸模型；

圖2 為基於Zigbee技術的無線數據傳輸模型；

圖3為本發明所提出的的通用型物聯網無線數據傳輸終端的模型。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

如圖3所示，本發明所揭示的通用型物聯網無線數據傳輸終端，包括一個主MCU(MCU0)、四個分MCU（MCU1、MCU2、MCU3、MCU4）和相對應的4種不同類型的無線射頻晶片，以及外網連接部分。主MCU一般採用性能較為強勁的MCU晶片，如STM32系列單片機；分MCU採用性能一般的MCU晶片，如STM8系列或者採用8051內核的單片機，4種無線射頻晶片分別為Bluetooth晶片、Zigbee晶片、WiFi晶片和特定頻率無線數傳晶片，現階段也有不少廠商把MCU和單片射頻晶片做在一起，但本質上和本發明結構沒區別。主MCU通過I2C協議分別連接四個分MCU，四個分MCU通過SPI協議連接Bluetooth晶片、Zigbee晶片和WiFi晶片和特定頻率無線數傳晶片，特定頻率選為433MHz，實際可根據需求更改。

外網連接部分由4種不同類型接口組成，分為有線連接和無線連接。有線連接為光纖接口、RJ45接口和AC網橋接口，無線連接為WiFi無線接口。WiFi無線連接可選2.4GHz的802.11bgn和5.8GHz的802.11ac。主MCU根據不同情況或請求通過不同的接口實現與終端外的Internet連接。除了以上四種類型接口，根據不同需求還可以添加各種手段連接公網通訊，如GSM，北鬥短報文通訊模塊等。

MCU1和Bluetooth射頻晶片連接構成低功耗無線傳輸模塊，主要處理對通信距離要求不高，數據傳輸速率較低和對數據安全性有苛刻要求的無線數傳。MCU2和Zigbee射頻晶片連接構成無線自組網傳輸模塊，當環境對組網有需求的時候，基於該子模塊可以迅速組網，在該區域網內的所有無線終端可以自由無線數據傳輸。MCU3和WiFi模塊連接構成大功率無線傳輸模塊，當對數據傳輸速率要求較高，通信距離較遠的時候，可以轉到該模塊進行無線數傳；同時如果對通信距離有要求的話，可以在該模塊後方加功率放大電路。MCU4和433MHz無線數傳晶片連接構成在433MHz頻段傳輸的無線數傳模塊。當需要在433MHz頻段傳輸時，可調整主MCU切換到該分模塊。

MCU0通過I2C分別連接MCU1、MCU2、MCU3、MCU4，MCU0採用性能較為強勁的MCU晶片，MCU0的主要作用是基於某種機製片選各子模塊電路，時鐘的同步和數據的處理，物聯網無線數據傳輸終端通過MCU0控制各子模塊，子模塊中MCU再控制射頻晶片完成無線數據收發。子模塊可以存在2種模塊同時運行的情況，比如Zigbee模塊和WiFi模塊同時運行，或者Zigbee模塊和Bluetooth模塊同時運行。

在物聯網應用中，當對組網有需求時，本發明所公開的無線數據傳輸終端可以基於Zigbee晶片構成的無線自組網傳輸模塊形成自組網，無線通信數據在自組的區域網內通信；當對數據傳輸率和通信距離要求時較高，主MCU自動切換到WiFi晶片構成的大功率無線傳輸模塊進行通信，WiFi晶片構成的大功率無線傳輸模塊還增加有功率放大電路，滿足對通信距離的要求；當對數據傳輸量較少，通信距離較近，同時對數據安全性有要求時，主MCU自動切換轉換到Bluetooth晶片構成的低功耗無線傳輸模塊通信；當對無線傳輸的頻段有要求時，可切換到特定頻率的無線數傳子模塊進行傳輸。通過上面的介紹，可看出本發明比較全面的滿足物聯網技術對無線通信硬體的需求。

需要特別說明的是，本發明的主MCU後面所接的無線數傳子模塊可以不止四個，還可以再接一些其他頻點的特定頻率無線數傳晶片或不同制式的射頻晶片，以滿足不同的信號傳輸需求。任何在此基礎上做出的改進的技術都屬於本發明的保護範圍之內。

上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人能夠了解本發明的內容並據以實施，並不能以此限制本發明的保護範圍。凡根據本發明主要技術方案的精神實質所做的修飾，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。