一種無線數據傳輸方法及其設備的製作方法
2023-05-12 14:29:11
專利名稱：一種無線數據傳輸方法及其設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用先進的單片機及無線傳輸與網絡通訊技術，在一個可隨身攜帶或任意安放的終端上，實現從數據源頭到數據即時壓縮、處理及無線傳輸的全自動化智能處理，從而實現了點對點，點對多點或與網際網路任意主機或終端對各種的數據進行交互的無線數據傳輸方法及其設備。
背景技術：
目前在信息處理領域與數據採集領域的現狀是對於信息的採集和處理，主要通過桌上型電腦，工作站，伺服器等來完成。由於這些電腦體積龐大，無法實現對信息的移動處理，使得對很多需要在無電腦現場採集或處理的數據束手無策。雖然原來已有很多的單片機處理晶片，但是由於受到體積小的限制，其處理速度和能力無法和真正的桌上型電腦相提並論，無法滿足很多場合的處理需要。所以只能應用在一些簡單的數據採集和簡單控制的工業場合。而對於當前越來越多的各種海量數據和多媒體信息無法處理。數據通訊領域中，大部分應用還是採用傳統的有線解決方案，線纜鋪設的成本不說，日常更換維護非常麻煩，隨著結點數的增多，複雜程度直線上升。而以前的無線解決方案當中，需要架設價格昂貴的中繼站，這使得無線方案的應用大為受限，而且速度也十分緩慢。第一代的無線數據連接主要是SMS或電路交換數據。如今大多數的WAP應用都是通過電路交換接入WAP伺服器。這實際需要佔用大量的帶寬，數據速度十分低，只能達到4.8kbps、9.6kbps或14.4kbps。這對終端用戶和無線服務供應商來說都沒有太多益處。被稱作GPRS(通用無線分組業務)的下一代數據服務，將無線數據服務定位在超過100kbps的數據高速路上。在蜂窩行動電話上實現GPRS功能增強了手機的無線網際網路接入能力。它將網際網路與無線通信連結起來，把電子商務模式擴展到移動通信領域。行動裝置是連接無線網際網路和終端用戶的主要連接設備。行動裝置的性能將直接影響到無線網際網路商務模式的成功與否。原有的單片機系統由於受到處理速度的限制，只能以串口等簡單連接方式進行通訊，並且通訊的對象僅限於其他專用的控制設備，採集設備等等，所以至今只能應用在控制終端，採集終端等地方，僅能替代一些數字電路完成簡單的邏輯功能。如果要對信息進行即時處理，及時反饋，或者對海量數據進行處理，統計，決策，對其他用戶進行傳送等等，是無法辦到的。而要與INTERNET進行連接更是不可能的。隨著ARM系列嵌入式單片處理系統的出現，其處理速度有了飛躍性的提升，完全可以和桌上型電腦相比；與此同時，其體積得到了更多的縮小，集成度得到了大幅提升，使得很多原來無法想像的處理要求變成了可能。GSM嵌入式模塊進一步將無線設備和ARM緊密聯繫在一起。伴隨著GPRS技術的產生，它將傳統電路交換數據連接速度由14.4kbps提高到100kbps。GPRS的高吞吐量促使人們在ARM上實現各種無線應用，用戶無論何時何地都可以更快地接入數據、獲得服務。將高集成的GSM解決方案應用到無線ARM中，從而提高了產品的便攜性。
發明內容
本發明的目的就是將單片機及無線傳輸與網絡通訊技術相結合，在一個可隨身攜帶或任意安放的終端上，實現從數據源頭到數據即時壓縮、處理及無線傳輸的全自動化智能處理，並遵循標準的TCPIP協議，從而實現了點對點，點對多點或與網際網路任意主機或終端對各種的數據進行交互。
本發明的目的是由以下硬體和軟體兩大部分實現的。整個方案由數據源採集部分，無線數據處理器，數據鏈路，三大硬體組成，無線數據處理器是方案的核心，它包括數據源接口，數據鏈路接口，數據處理系統。整個系統統一做在一塊線路板上，並且可由電池供電，可以隨身攜帶或任意安放。具體介紹如下數據源接口部分採用了一塊模數轉換晶片和一塊採集晶片，模數轉換晶片可以與眾多的數據源進行連接，如傳統的物理量的測量，像溫度溼度，流速壓力等。其主要作用是將各種外接的傳感器輸出的模擬信號轉換成為處理器所能識別的數位訊號。採集晶片，主要負責的就是將攝像頭和拾音器產生的音頻視頻信號轉換成數位訊號。然後交給處理器。對於數字攝像頭，可以直接連到系統的USB接口上，這樣視頻信號可以通過USB接口後直接交由處理器進行處理。對於裸片的CCD或CMOS感光元件的總線數字接口的攝像頭，這種攝像頭需要和系統安裝在同一塊主板上。很多數據源設備，不少是數字接口的型號。例如數字型的水文標尺，數字型的溫度計等等，這些設備因為本身就是數字接口，所以可以直接連接到系統提供的接口上，包括總線接口，串行埠，紅外埠，USB埠等。少數格式不兼容的模式也可以通過處理器進行模式轉換。對於未來出現的數字接口設備，都可以直接和系統相連，通過編寫一些接口程序，就可以直接應用到系統當中。模數採集晶片直接輸入電壓變量，電阻量與電流量可以通過簡單的電路轉換成為電壓量。與處理器的連接同樣採用了總線的連接方式。系統能夠外接動作設備，使得系統不僅僅是一個採集裝置而已，同時還可以完成複雜的控制功能。通過用處理器的埠引腳，可以直接控制步進電機，可控矽等設備。或連接一個8路或更多的達林頓管，從而實現對設備的控制。若連接數模轉換晶片，則可以對需要連續變化信號控制的複雜設備進行控制。對於數字設備，如果整合度比較高的晶片級的數字接口設備，可以在系統線路板上預留空間，採用緊耦合的總線連接方式，進行一體化集成。對於其他一些標準接口類型的設備，可以直接連接到系統提供的標準埠上。視頻採集晶片直接輸入複合視頻信號與音頻信號，而與核心部分的處理器的連接方法是總線連接方式，總線寬度根據系統採用的CPU的位寬不同而有所不同，包含了數據總線以及控制信號等。
數字鏈路接口部分採用GPRS或CDMA1X系統現有的蜂窩移動通訊網數據鏈路模塊，安放在系統主板上，來進行數據傳輸，由於GPRS與CDMA1X系統採用現有的手機網絡，所以，在偏遠的地方可能沒有手機信號覆蓋，而這些地區仍然會有很多外野作業需要數據傳輸的支持。這種情況下，系統可搭配衛星通訊模塊，採用衛星作為數據鏈路，這樣在全球範圍內，本系統都是可以進行無線數據傳輸。GPRS、CDMA1X和衛星等不同的硬體鏈路模塊為統一的軟體接口，這樣使得核心部分的處理器可以一樣的對待數據鏈路模塊。就算是換上普通的點對點或中繼站類型的無線數據通訊模塊，以及有線的解決方案，系統同樣可以進行數據傳輸。系統核心部分包括了一顆嵌入式的單晶片處理器以及存儲器和交互設備，存儲器包含了存儲核心軟體的程序存儲器(CODEROM)和隨機數據存儲器(RAM)。容量視要處理的數據量而定。為了滿足其他應用對內存的需求，在系統中預留有擴展的存儲器接口。交互部分，包括輸出和輸入部分。系統的輸出部分採用了一塊LCD液晶屏，聲音方面採用了通過一個IIS接口晶片連接一個小型內置揚聲器。可以播放各種音效，同時也可以配合系統自帶的麥克風實現標準的GSM手機語音通話功能。輸入部分採用了手機標準的數字鍵盤，在系統板上設有標準的PS/2鍵盤接口。為了滿足用戶對其他輸入輸出設備的連接需要，本系統預留了多種標準人機設備擴充接口。其中包括串行埠，USB埠，紅外線埠。軟體部分主要分為三大部分預處理主數據壓縮部分；數據處理，存儲，交互部分；以及數據鏈路的協議封裝和鏈路控制部分。數據壓縮部分，系統軟體需要控制各個接口部分的硬體晶片，包括視頻採集晶片，模數轉換晶片及其他接口晶片，控制它們將各種原始的，模擬的或數字的信號轉換成為數位訊號。但是對於視頻和音頻信號而言，數位化以後的信息量是非常龐大的，遠遠超出現在的數據鏈路的傳輸能力和存儲器的存儲能力，所以必須要對其進行壓縮；同時對於有些特殊的實時海量數據監測應用來說，其產生的數據量也是非常巨大的，而且對傳輸的延遲要求非常嚴格，這樣也要求同樣對數據進行壓縮以後才能滿足實時傳輸的需要。所以在數據預處理階段，對不同的數據類型採用了不同的解決方案。對於視頻信號，採用了連續靜態JPEG格式對圖象進行壓縮，使得圖象的數據量有效的減小，能夠在50Kbps的GPRS或CDMA1X信道上得到可接受的圖象。對於那些對圖象的質量要求非常高的需要，提供了採用專用MPEG4編碼晶片的硬體解決方案，並編寫了對晶片的驅動程序，使得編碼晶片可以和系統緊密的工作在一起，實時轉送高質量的視頻圖象。對於音頻信號，經由音頻模數轉換晶片轉換成為數位訊號之後，直接傳送到處理器，處理器通過軟體，採用MPEG1-LAYER3格式進行壓縮。對於那些需要對多媒體信號需要進行回放的應用，同樣可以通過對傳輸過來的，或者是存儲在存儲器上的多媒體音頻視頻數據分別進行解碼以後輸出到LCD屏幕和系統揚聲器。音頻解碼通過處理器採用軟體的方式進行解碼。普通的視頻信號也可以通過處理器進行軟體解碼，而對於那些同樣採用MPEG4編碼晶片所壓縮的視頻數據，為了獲得更好的響應速度和視覺效果，採用硬體晶片的解決方案。如果經過處理過濾後數據量仍然很大的話，則採用處理器進行軟體壓縮。壓縮的格式從簡單的壓縮到高壓縮比的LZW壓縮算法均可。同樣，可以通過軟體對對方傳輸過來的壓縮數據進行還原，從而進行顯示，或者控制動作機構執行。另外，對需要進行加密傳輸的數據，系統在這裡對其進行加密。由於本身具備強大的處理功能，所以可以採用各種標準的加密算法，保證了用戶數據的安全。中心控制部分主要完成的作用是對整個系統各個部分進行協調控制。首先是控制接口部分進行模數轉換，並進行數據壓縮；然後管理數據存儲系統，對需要存儲的數據寫入文件系統保存；同時控制LCD屏幕顯示和鍵盤輸入，同用戶進行信息交互；最後將要發送的數據匯總送入鏈路控制部分。存儲系統，系統配備了一個大容量的FLASH存儲晶片，當作固體磁碟使用。並在上面建立了FAT格式的文件系統，用於對文件的存儲。系統存儲的內容包括了系統本身進行漢字顯示所需要的漢字字庫，以及用戶對系統各項參數的設置，包括LCD屏幕對比度，通訊用系統識別地址等信息。用戶區存儲的文件則根據應用的不同需要而有所不同。例如對於那些數據量不大，實時性要求不高的數據，可以先暫時存儲到FLASH存儲器上，然後一天匯總一次，統一發送，這樣無須實時佔用數據鏈路，節省了費用。再比如某些需要印章識別或者密碼核對的應用，需要把預先的正確數據儲存在FLASH存儲器內，然後使用的時候調出進行核對。當然我們採用了加密的算法進行存儲，因為系統有足夠強的處理能力，所以可靠性得到了很大的保障。如果用戶要求，還可以採用遠程存儲的方式，即在要求核對密碼的時候，從遠程計算機系統的密碼庫中提取相應加密數據，通過數據鏈路即時傳送到本系統上進行解密，然後核對。這樣一來，本系統內不會存有任何密碼數據，就不會發生被破解的現象了。人機界面交互程序，主要的人機互動界面就是LCD顯示屏和鍵盤。系統提供了對所有常用LCD顯示晶片(如EPSON系列)的軟體驅動，使得他們都可以很好的和系統工作在一起。對於普通應用，我們採用了和普通手機屏幕大小類似的LCD屏幕，同樣可以顯示四到五行漢字或英文字符和數字。以及一些點陣方式的圖標和圖象。如果採用大一些的彩色LCD屏幕，則可以實現對多媒體視頻數據的實時回放。輸入部分負責動態掃描鍵盤，接收用戶的輸入信息。並且系統在類似手機的數字鍵盤上提供了英文和漢字拼音輸入法，使得用戶在有限的鍵盤上能夠方便的輸入各種信息。同時系統也為外接的標準PS/2埠的計算機鍵盤提供了驅動軟體，使得用戶可以在標準的計算機英文鍵盤上輸入信息，和使用標準計算機的信息錄入速度一樣。除此之外，還有對擴展埠的控制。包含了對USB接口晶片的軟體驅動，對串口數據的收發處理，以及對紅外線埠數據的二進位編碼。鏈路控制部分，編寫了協議封裝和鏈路控制部分，使得本系統可以和網際網路或企業網上的任何一臺或多臺設備進行互連通訊，而且通訊方式接口界面多種多樣。協議封裝部分，簡單的串行數據鏈路雖然使用起來簡單，但也造成了其應用範圍狹窄的問題。在系統中開發了一套應用於各種串行數據鏈路(包括GPRS、CDMA1X、衛星通訊模塊等)的TCPIP協議棧，使得在簡單的串行鏈路上能夠實現複雜的TCPIP協議，從而實現了與網際網路的連接，與各種計算機，各種應用程式進行通訊。對於一些簡單的採集監測應用，提供了WWW主頁瀏覽和TELNET的方式，是使用最為方便的方式。即系統中提供了一個小型的HTML主頁和TELNET服務程序，可以接受客戶對主頁瀏覽的需求。同時將採集到的監控信號轉換為數字量後直接動態顯示在主頁當中。這樣，用戶只要在任何一個能夠上網的地方，不用任何其他附加的應用軟體，直接通過計算機內的IE或者其他瀏覽器，敲入本監控系統的網址，即可瀏覽到包含動態數據的網頁，同時也可以提供一些簡單的控制動作，用戶直接在網頁上點選開關，或者設置控制參數，再點提交即可將控制信息傳回給伺服器。TELNET方式與主頁方式類似，只不過內容僅限為字符而已。對於那些數據量較大，內容複雜，實時性要求較高的應用，主頁瀏覽方式可能過於簡單，不能滿足需要。為此開發了運行於網絡伺服器端的資料庫程序，這樣無線傳輸系統就可以將數據統一發送到網絡伺服器的後臺資料庫當中。網絡伺服器可以由普通個人計算機或專用工作站構成，地理位置可以位於任何有網際網路接入的地方，而且一臺網絡伺服器的資料庫可以接收多個無線傳輸終端的數據。同時我們還開發了相應的資料庫管理程序，使得用戶可以方便的瀏覽，管理由各個無線終端發送過來的數據。對於多媒體數據，也開發了相應的瀏覽程序，用戶在任何一臺網際網路上的計算機上安裝了該軟體以後，即可以瀏覽由無線終端採集過來的音頻視頻多媒體信號。如果採集裝置附帶有雲臺的話，還可以實現對雲臺角度的動態控制。數據鏈路控制部分，對於數據鏈路連接的建立來說，首先要通過各個相關ISP的用戶接口，採用的一般來說是PPP方式。而PPP方式是一個很複雜的協議，其中包含了一個很多項的自動機狀態轉換過程。編寫了相應的軟體，使得對鏈路的控制能夠嚴格按照自動機狀態轉換的要求進行，從而能夠和各個不同ISP的用戶接口均能夠順利握手連接。同時，對於不同的鏈路模塊還有很多獨有的地方需要控制，例如GPRS或CDMA1X模塊。系統需要控制SIM卡的各種狀態，GPRS與普通GSM數據方式或者語音方式的切換與管理，都是通過複雜的AT命令集來完成。本系統的軟體涵蓋了標準的AT命令集和擴展的AT命令集，從而能夠對GPRS與CDMA1X模塊進行控制，完成鏈路的連接，數據傳輸和狀態監測等等。當然對於不同的應用，這些構成都是可以裁減的，以滿足用戶對成本的考慮的需要。例如用於無人監測環境的時候，那麼人機互動部分的設備就可以去掉；不需要對數據進行存儲的應用，FLASH存儲器就可以省略；相應的，軟體也可以根據硬體的變動進行裁減。
將ARM單晶片計算機同最新的包括GPRS與CDMA1X通信方式結合在一起，並且開發了內置的專用系統，將GPRS與CDMA1X簡單的數據鏈路應用到INTERNET當中，開發了完整的PPP/TCP/IP通訊協議棧，完全符合INTERNET協議，並且24小時實時在線，將其信息處理與通訊功能提升到了與臺式機相當的水平。而且具備了即時的信息處理能力，能夠對各種實時採集或輸入的信息進行複雜的運算和處理，從而提取有價值的信息進行存儲或傳輸。同時也使得隨身移動中，對多媒體信息進行處理變成了可能，使得嵌入式系統從簡單的，孤立的功能單元，變成了互聯的，實時在線的，功能強大的信息結點，而且成本低廉，可以大量分布應用。
系統除了可以和GPRS與CDMA1X模塊應用在一起以外，還開發了很多其他現有的通訊模塊接口。比如衛星通訊模塊等，從而使得該系統在全球範圍內都是可以使用的。
本系統應用十分廣泛，所有需要即時處理和無線數據通訊的場合均可使用，如交通管理系統、醫療自動監護系統、水利、移動定位、移動POS、監控、移動商務、物流等。
圖1無線數據處理器結構框圖。
圖2無線數據處理器軟體功能示意3無線數據傳輸方法應用示意4無線數據處理器線路示意圖
具體實施例方式如圖1，4所示無線數據處理器核心部分是由一顆嵌入式單晶片處理器ARM(對於高端的，要求處理性能高的採用32位的單晶片處理器)，或motorola8位單晶片處理器(對於低端的，要求處理性能地的)，存儲核心軟體的程序存儲器(CODE ROM)，採用FLASH快閃記憶體作為媒介(如SST的39VF040)，容量視系統完成功能的複雜程度而定，從128Kb到32Mb以上等，是可以裁減的，隨機數據存儲器(RAM，WINBOND的W24258)，容量從16Kb到64Mb以上不等，視應用做要處理的數據量而定。在系統中預留擴展存儲器接口。可以採用SmartCard，CF Card或MMC Card等標準的存儲卡進行擴充，或者進行數據交換。對於那些不光有數據傳輸，同時還有大量數據存儲的應用，還提供了在系統主板上集成大容量FLASHROM存儲器的解決方案，容量可以達到128Mb或者更大，交互部分，包括輸出和輸入部分，系統的輸出部分採用了一塊LCD液晶屏，對於便挾的手持終端，採用了96*64的小型單色液晶屏，並且帶有背光顯示。對於顯示信息比較多的應用，或者是需要進行視頻顯示的應用，可以採用320*240或更大的彩色液晶屏幕，聲音方面採用了通過一個IIS接口晶片(CS4334或同類晶片)，連接一個小型內置揚聲器，同時配合系統自帶麥克風，輸入部分採用了手機標準的數字鍵盤，在系統板上附帶了標準的PS/2鍵盤接口，人機設備擴充接口，系統預留了多種標準接口。其中包括串行埠，是由一塊MAX232來負責完成將處理器的信號轉換成標準RS-232格式的信號，與其他串口設備進行通訊；USB埠，由一塊USBN9603來完成所有USB協議棧的處理，紅外線埠，由一個紅外線接收發射模塊組成，直接由CPU控制信號的發射和接收，從而和其他眾多的紅外線接口設備進行通訊。數據源接口部分採用一塊模數轉換心片(ADC0809，ADC752)，一塊採集心片BT848，數字鏈路接口部分採用GPRS無線分組通訊協議的MC35(也有其他型號的替代產品)和手機SIM卡組成的數字鏈路模塊，或motorola的衛星通訊模塊，安放在系統主板上。根據用戶的需求編程(如圖2所示)，數據壓縮部分系統軟體控制各個接口部分的硬體晶片，包括視頻採集晶片，模數轉換晶片及其他接口晶片，控制它們將各種原始的，模擬的或數字的信號轉換成為數位訊號。中心控制部分系統程序主要完成對整個系統各個部分進行協調控制。首先是控制接口部分進行模數轉換，並進行數據壓縮；然後管理數據存儲系統，對需要存儲的數據寫入文件系統保存；同時控制LCD屏幕顯示和鍵盤輸入，同用戶進行信息交互；最後將要發送的數據匯總送入鏈路控制部分。鏈路控制部分，編寫了協議封裝和鏈路控制部分，使得本系統可以和網際網路或企業網上的任何一臺或多臺設備進行互連通訊，而且通訊方式接口界面多種多樣。將編好的程序輸入程序存儲器。將設備安裝在所需採集的數據源設備上，即可通過GPRS或衛星完成數據收集。同時在處理器埠引腳上連接一個8路或更多的達林頓管，再與設備相連。
權利要求
1.一種無線數據傳輸方法，其特徵在於它是由一個隨身攜帶的或任意安放的終端，實現從數據源頭到數據即時壓縮、處理及無線傳輸全自動化處理，從而實現點對點、點對多點或與網際網路任意主機或終端對各種數據進行交互。
2.根據權利要求1所述的一種無線數據傳輸方法，其特徵在於它的數據無線傳輸是通過GPRS或CDMA1X蜂窩移動通訊網或衛星傳輸。
3.根據權利要求1所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於所用的可隨身攜帶的或任意安放的終端是由數據採集接口，數據處理部分，數據鏈路接口，設備動作控制四部分構成，數據採集接口包括一塊採集晶片，一塊模數轉換晶片，它們與處理器輸入端相連接，數據鏈路接口包括一塊數據鏈路模塊，它們與處理器輸出端相連接，數據處理部分包括一塊數據處理器，隨機數據存儲器，程序存儲器、鍵盤、顯示屏、存儲器擴充接口，人機設備擴充接口，它們採用總線連接方式被集成在一塊集成線路板上。
4.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於數據鏈路模塊是由MC35和SIM卡構成。
5.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於處理器為ARM晶片或51系列或motorola 8位單晶片處理器。
6.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於模數轉換晶片是ADC0809或ADC752，採集晶片是BT848。
7.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於程序存儲器為CODEROM，採用FLASH快閃記憶體作為媒介，容量為128Kb-32Mb。
8.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於隨機存儲器是W24258，容量16Kb-64Mb。
9.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於存儲擴充接口為Smald CF Cald或MMC Cald存儲卡。
10.根據權利要求3所述的一種無線數據傳輸設備，其特徵在於採用處理器埠引腳與一個8路或更多的達林頓管與需要控制的設備相連。
全文摘要
本發明涉及一種由一個可隨身攜帶的或任意安放的終端，實現從數據源頭到數據即時壓縮，處理及無線傳輸全自動化處理，從而實現點對點，是對多點或與網際網路任意主機或終端對各種數據進行交互的一種無線數據傳輸方法及其設備，它是通過由一塊模數轉換晶片，一塊採集晶片，構成的採集接口，一塊數據鏈路模塊和SIM卡構成的數據鏈路接口，由數據處理器、存儲器、擴充接口、鍵盤、顯示屏構成的數據處理部分集成在一塊集成線路板上構成的無線數據處理器，GPRS或衛星來實現的。本方法廣泛應用在所有需要即時處理和無線數據通訊的場合，如醫療、交通、水利、移動定位、監控、移動POS、移動商物、物流等領域。
文檔編號H04L29/06GK1521647SQ0310241
公開日2004年8月18日 申請日期2003年1月27日 優先權日2003年1月27日
發明者高超, 高 超 申請人:蔣振宇