自主式智能射頻控制網絡的製作方法

2023-05-25 10:47:21 2

專利名稱：：自主式智能射頻控制網絡的製作方法
技術領域：
：本發明創造屬於涉及一種自主式智能射頻控制網絡，屬於無線低功率射頻網絡的控制。
背景技術：
：為了能協同工作和進行控制，家用辦公、礦山等危險工業現場、智能樓宇和交通都有廣泛的應用，如礦山的瓦斯測控報警應急系統等，通常都是至少部分地通過連接電纜互連。為了形成一個綜合而很好的操縱的網絡系統，並為了將各種設備結合在同一系統中，在各設備之間需要大量的線纜。此外，有限的連接可能性使它常常難以建立這種系統，特別是那些危險的礦井，有毒的工業現場，維護量將大大增加。近來，各種可攜式的信息技術(IT)設備和電信設備的數量大量地增加，並且用戶比以前更大程度地利用可攜式設備增加的應用，因此，這些可攜式設備應當能很容易與網絡系統連接，但它會要求更多不方便的限制移動性的連接電纜。對於各種可攜式設備，如行動電話和可攜式計算機的無線連接，最近已研製出了基於紅外鏈路的各種連接，應用最多的連接是按照紅外數據協會(IrDA)規範所述的連接。然而，紅外連接具有許多缺點鏈路的範圍通常很短，大約兩米，紅外鏈路要求精確對準，在發射機和接收機之間不允許有障礙，並且除此之外，紅外連接只能點對點連接建立，即只有兩個設備可以相互通信。紅外連接的局限性可以通過基於無線電發射機，尤其是所謂的低功率射頻(LPRF)技術的解決方案而避開。射頻連接具有比紅外連接更長的範圍，根據發射功率有約10100m，並且在傳輸線路上的實際障礙將不是問題。此外，射頻連接能在許多設備之間設備，並且可以控制無線電發射機在沒有用戶指令或者設備與正確目標沒有對準情況下，獨立地操作，系統龐大，費用高及維護難等特點。關於基於低功率射頻技術的解決方案，已經制定了許多工業標準，其中至少藍牙(Bluetooth)和家庭無線鏈路(HomeRF)是已知的。此外，已經指定出基於無線區域網(WLAN)的各種解決方案，尤其是IEEE802.ll標準，用於現場設備的無線互連。至今，已證明射頻技術上是最成熟的，並且也是這些解決方案中最流行的。各種設備和可攜式設備相互形成一個無線網絡，通過一個射頻模塊建立連接。射頻模塊是一種包括一個無線電發射機的微電路，該微電路可以與設備集成在一起，也可以作為一個分開的附件後安裝，在特定的空間，如辦公室，在無線電發射機範圍內連接到網絡上的設備可以相互通信，因而一臺可攜式計算機。例如，一個移動站和一個可攜式接收機/話筒頭戴式受送話器可以在車輛中形成一個相互的射頻網絡，形成一個移動的車載系統，通過該射頻網絡發送話音呼叫。在射頻網絡工作時，重要的是，在每個時刻，任何一個連接到網絡上的設備都可以起一個主設備的作用，該主設備控制其它的作為其從屬設備的工作。例如，一臺可攜式計算機可以作為主設備，把一個指令輸送給印表機列印出一個特定的文件。此後，能夠做這樣的改變，使一個希望把存儲的電話號碼清單發送到用於編輯的計算機上的移動站變成主設備。這樣，呼叫和指令可以從連接到網絡上的每個現有的射頻設備發送到任何所希望的設備上。上述安排具有一個問題，即控制網絡工作的主設備必須在網絡服務範圍內使用。這限制了使用基於射頻技術的無線網絡擴大到各種監測和控制任務，尤其是，如各種空間的安全安排或有危險的工業場所，如礦山或鍛造廠的控制措施。集中控制若干射頻網絡，例如，在大辦公室也是不可能的。這就限制了，例如，在辦公室內利用射頻網絡大規模控制呼叫。
發明內容本發明的目的是提供一種自主式智能射頻控制網絡，以便可以克服上述缺點。這個目的通過其特徵在獨立權利要求中所公開的方法和設備來實現，本發明的優選實施在從屬權利要求中公開。利用射頻和單片機技術對各種工業現場實現自動化傳輸管理是比較熱門的課題之一，由於射頻技術和單片機價格低廉，抗幹擾性能強，功耗小等優點，如在分布式測控系統，工業控制現場，樓宇自控和智能交通等中廣泛應用。射頻技術和單片機技術構成的智能射頻控制網絡，可以節省大量的人力物裡，還可以及時分析現場和節點等故障情況，在工業現場、各種樓宇和智能交通中廣泛應用，具有巨大的經濟效益，受到普遍關注。目前節點與節點是通信是點對點的通信，而且現場的每個設備都需要大量的線纜連接，不僅需要大量的布線費用，而且給維護人員造成了很大的不便；而且所有的線路都在同一條總線上，總線的某一個節點或線路遭到破壞，整個系統將處於癱瘓狀態，將會造成巨大的經濟損失，嚴重的將導致人員傷亡；而且有時由於節點規模擴大，需要重新調整程序和線路等弊端。本發明的發明在於避免現有技術中的不足之處，而提供一種可防止數據、擴充性好的自適應智能的射頻控制網絡。可採用以下的技術方案實現目的。本發明用到了三個關鍵技術，第一、用射頻技術進行通信，可以點對多點通信，在射頻範圍外的信號，可以通過節點傳送達到目的節點；第二、動態管理路由表，通過接入設備發送動態表，主動與節點和主機通信，動態管理信號的路由，實現節點設備即插即用，當系統某一節點遭破壞時，可以通過其他節點進行通信，系統具有自愈功能；第三、上位機使用JAVA技術，使信息的能在任何系統上運行，跨平臺，大大提高了信息的綜合處理能力。此外系統抗幹擾性強，系統外圍系統少，成本低、兼容性強等優點，可以接入其他網絡，實現數據通信，如車載系統，可以實現車載自主智能控制網絡。本技術方案相對現有技術具有如下優點和效果系統幹擾強性強，功耗低，系統能在惡劣環境下正常運行；節點遭破壞，可以通過其他節點路由，有很強的自愈功能；方便快速有效對接入設備進行識別，接入主動與其他節點和主機通信，並建立路由表，時有利於快速方便擴容；解決數據傳輸誤碼率；提高了網絡的工作性能，實用性提高，取得了良好的效果，本技術成功運用於全數字測控系統中，取得了可觀經濟效益和社會效益。圖1射頻控制網絡主框圖圖2系統網絡路由圖圖3射頻收發模塊圖4系統指示模塊圖5單片機系統圖圖6存儲模塊圖7電源模塊圖8強電控制模塊圖9電源取電模塊圖10軟體流程圖圖11上位機軟體演示平臺具體實施例方式實施例l、自主式智能射頻控制網絡，電路中採用nRF犯5是NordicVLSI公司推出的系統級RF晶片，內置增強型8051兼容微控制器、433/868/915MHz的nRF905射頻收發器和4路輸入10位80kbpsA/D轉換器，另外還有CKLF時鐘、RTC喚醒定時器、GPIO喚醒和WTD，以及一些特殊功能寄存器。晶片嵌入了電壓調整模塊，最大限度地抑制噪聲，可工作在1.9V3.6V的單電源上，待機功耗為2uA。單片機採用lMHz的晶振(圖中M),建議Cl二C2&22pf(Cl:相位調節電容；C2:增益調節電容)。如附圖5所示，選用此晶片可以降低節點晶片的功耗和外圍短路，增加節點的系統的抗幹擾和降低成本。實施例2、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，實現點對點和點對多點的通信；其核心是nRF9E5收發器通過內部SPI口與其他模塊進行通信，具有同單片射頻收發器nRF905相同的功能載波監測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；地址匹配輸出AR，易於實現點對多點無線通信設計；數據接收就緒DR，便於節能設計，滿足低功耗設計要求。內置完整的通信協議和CRC效驗，只需通過SPI即可完成所有的無線收發傳輸。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO(OxAO)編程進行控制。發射模式下，射頻電流消耗為llmA，接收模式下為12.5mAnRF犯5使用SPI接口進行內置微處理器與無線模塊間的數據傳輸。nRF9E5的收發器有3種工作方式ShockBurst接收(RX)方式、ShockBurst發送(TX)方式和空閒方式。nRF9E5收發器的工作方式由特殊功能寄存器TRX_CE和TX_EN決定，詳見表1。表1nRF犯5工作模式tableseeoriginaldocumentpage11如附圖1所示，其它均與實施例1同。實施例3、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，實現動態建立路由表，實現系統的通信;其核心是建表時，主晶片有載波監測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；對每一個節點的通信幀格式進行定義，實現一對多的功能。各節點的控制數據通信幀格式如下tableseeoriginaldocumentpage11弓I導碼和校驗碼由節點自動加載，其他都由內置的微控制器程序產生。識別碼為本接收機代號，與其他的接收機區分開來。狀態字為i位，值為o時，表示後面的數據為命令字，反之為數據字。數據1…N根據實際情況設置字數。填充碼表示本幀在不夠規定的長度時，填若干個0到達規定的幀長度。接收控制數據時，節點先接收一幀數據包，分別驗證引導碼、接收機地址和校驗碼，正確後再將有效負載數據送入微控制器處理；當微控制器判斷有效負載中的識別碼和本機識別碼號一致時，繼續處理後繼數據，否則放棄該數據包，並要求重發。當節點處於發射模式時，接收機地址和有效負載由微控制器按順序送入射頻模塊節點，引導碼和校驗碼由節點自動加載。地址匹配輸出AR，易於實現點對多點無線通信設計，當系統節點在路有表中有匹配的話，就發一個確認信號，當系統在路由表中沒有的話，把節點的地址保留在路由表中，並轉發給節點的信號，直至找到相匹配的節點信號；單片機內置完整的通信協議和CRC效驗，只需通過SPI即可完成所有的無線收發傳輸。具體處理步驟是1)節點為了防止信號碰撞，採用節點表中斷是方式，所有的接收打開，初始化後發出自己節點地址，採用"窮舉法"依次發出1n(本例n二256，可以擴充)的地址；2)若在規定時間Tl內接收到回應幀，表示具有此地址值的節點在管轄區段，則在管理表中相應的位置進行登記；3)若等待T1段時間後，未接收到回應幀，表示具有此地址值的節點在管理範圍之外，則發下一地址幀。依次類推處理n個。在這裡，T1時間的選取必須由節點與主機之間的協議確定。如附圖2所示，當系統在通信時三條路由都可以達到目的地，當其中通信一條線路中斷時候，信號可以通過其它的線路路由到目的地，例如節點12向傳輸節點39時，舉其中的三種路由方式，第一種12-15-18-28-38-39;第二種12-22-32-35-38-39;第三種12-15-16-26-36-39，將路由表保存，即使某一個節點出現故障了，系統也會找最近的路由，使通信重新建立。其它均與實施例l同。實施例4、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，實現動態的數據存儲；其核心在處理器增加外圍的儲藏晶片。節點的處理器由於容量不夠，外加了一片25XX320EEPR0M電路，從EEPR0M加載到4KB的RAM中。如果應用中不用內含ROM的單片機，則程序代碼必須從外部加載，比較常見的是通過SPI接口連接型號為25320的EEPR0M。而SPI接口引腳是MIS0、SCK、M0SI和EECSN，其中MSIO、SCK和M0SI與Pl口的低3位復用，通過寄存器SPI_CTRL來控制功能間的切換，電源需要接上一個10K的上拉電阻，在_『屍—端需要接上一個10K的下拉電阻。其它均與實施例1同實施例5、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，實現數據信號的實時動態反應，其核心在動態實現數據的信號。如圖4所示，受控源信號由節點處理器的P0.1來控制，開關工作狀態紅綠指示燈則由P0.5、P0.6提供。圖8中的電阻Rl輸出AIN0經10nF電容濾波後，一方面作為模擬電壓送到節點處理器的AINO輸入端，經A/D轉換為數據Data。綠指示燈閃爍頻率f二Data求Pre(Pre為取樣取整參數，使f二O.5Hz16Hz)，表示被控電器的負載輕重；另一方面當負載過重或有短路現象時，Rl輸出AINO使IV穩壓管擊穿，Q6飽和，Q8、Q9截止，Jl切斷；同時使PO.3觸發INT0中斷，P0.2輸出lkHz方波使蜂鳴器報警，綠指示燈滅，紅指示燈以16Hz(最高)閃爍。實施例6、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，實現系統供電。其核心在不同的地方實現兩種電源的相互切換，在沒有電源供電的情況下，可使用乾電池做電源，在有市電的情況，如圖9所示，市網電壓220V經過D3半波整流，R2降壓，經Q4與Q5組成一個串聯型穩壓電源，提供6V電壓。由於整個系統功耗較小，經過計算，金屬膜電阻R2的阻值為20kQ，功率為1/4W，可為控制系統提供在繼電器斷開時的主要壓降。如圖6所示，接一個10uf的濾波電容，在輸出端需要接上一個47uf和一個33pf，主要實現大電壓和小電壓二級濾波的作用，保證單片機系統運行穩定。在此環境下，建議不使用開關電源。開關電源電路複雜，輸出電壓波紋係數大，電路幹擾大，而且容易使節點接收數據時發生混亂。實施例7、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，其特徵在於將強電信號轉化為弱電信號，通過執行機構實現控制控制。在此舉一個強電方面應用的例子，在其他系統和控制中也可以做相應的應用。如圖8為了簡化電路的設計，火線開通和切斷選用5V直流控制繼電器，最大通過15A的220V交流電壓即可。在繼電器開通時，選用IRL3803S大功率場效應管，其內置的穩壓二極體，既可為系統提供電源，也可為負載提供通路。因其額定工作電流ID=140A，故可以不帶散熱片直接使用。在繼電器斷開時，市網電壓主要落在控制系統上，而控制系統只需6V直流電源，因控制系統功耗低，故主要壓降可由1/4W的金屬膜電阻來承擔；同時，選用BVCB0^600V的矽NPN大功率電晶體13002作為控制系統電源的調整管。如圖9，當要求被控電器工作時，微控制器提供開通信號，使J1合上，並使220V市網電壓主要落在被控電器上，不影響被控電器的正常工作。控制系統的取電由IRL3803S來提供，其內置一個30V的單向穩壓管，在IRL3803S未開通時，可提供最大30V的單向交流電壓。經D1整流，Zl、Z2為不同的穩壓值，Ql、Q2、Q3配合下組成不同的控制信號，使IRL3803S導通或斷開；一為負載提供通路，二為控制系統提供續流6V的穩壓電源。實施例8、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，其特徵在於實現信號的發送和接收功能。如圖3所示，外圍電路——9.5誦X9.5mm環形天線電路(868MHz)，分別使用，3.9pf，4.7pf和5.6pf的電容和一個18K的電阻組成震蕩電路。環形電路需要接上一個33pf的濾波電容。節點收發器通過內部SPI口與其他模塊進行通信，具有同單片射頻收發器節點相同的功能載波監測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；地址匹配輸出AR，易於實現點對多點無線通信設計；數據接收就緒DR，便於節能設計，滿足低功耗設計要求。內置完整的通信協議和CRC效驗，只需通過SPI即可完成所有的無線收發傳輸。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO(OxAO)編程進行控制。發射模式下，射頻電流消耗為llmA，接收模式下為12.5mA。實施例9、自主式智能射頻控制網絡，在實施例l的基礎上，其特徵在於用上位機實現節點狀態的顯示、執行和控制。如圖11所示，上位機利用節點接收到子節點傳輸的信息，通過串口傳輸到上位機上，根據通信協議，用圖形界面把信息顯示出來。例如，如果節點是路燈控制器，則節點可以顯示，路燈的開關狀態，及溫度和故障報警等。此外，雖然如上所述的實施例強電控制作為本發明的自主式智能射頻控制網絡可能適合實施的一個目標，並且本發明被實施為在強電開關的控制系統中。但是應當理解為，本發明的應用領域和執行部分電路並不僅限於上述優選實施例。本發明可以作為在各種其它領域的控制系統予以實施，這些領域包括諸如利用射頻控制網絡如智能樓宇、礦山等危險工業現場、智能車載系統等。雖然本發明在其優選形式中以某些具體特徵進行了描述，但是顯然可能作出許多改變、變化、組合和分組合。因此，應當理解為在不脫離本發明的範圍的情況下，可以按不同於在本說明書中具體描述的方式實現。權利要求1、自主式智能射頻控制網絡一種用於控制一種無線低功率射頻網絡的裝置，它由收發射控制部分，單片機電路部分和上位機處理軟體部分組成。收發部分包括路由表設置模塊、收發射頻通信模塊和震蕩器電路；單片機電路部分包括系統狀態指示模塊、存儲晶片、單片機執行控制模塊和電源模塊；上位機處理軟體部分包括設備地址表解析模塊、收發射頻通信模塊、單片機控制模塊和信息處理模塊；其特徵在於用於將程序自主的根據採集的信號設定程序執行動作；用於並將信號傳輸至相近接點和主機，此每個節點即可以做從節點接收也可以做主節點發射；用於並能夠定時自主智能的搜尋接入網絡的新節點。2、如權利要求1所述要求之一的方法，如圖1所示，其特徵在於用於可以進行點對點的通信，將信號傳輸到目的點；用於節點與主機通信，當節點A與主機通信超出了射頻通信的範圍時候，節點A可以通過節點B，傳輸到主機，實現全網通信。用於的在某一傳輸節點出現故障也不影響節點的傳輸，通過其他路由，將信號傳輸至主機，實現系統的自愈功能。3.如權利要求2所述中的方法，其特徵在於用於動態建立路由表，實現節點信號的動態路由。自主式智能射頻控制網絡如何去動態地建立起一張正確的路由管理表。使用的方法是在包括主機、各從機在內的整個系統統一上電復位時,在主機作系統初始化的同時，各節點進行建表。用於每當節點的位置改變時，只要主機發出一個復位命令就能使節點自動建立正確的管理表。需要說明的一點是，當主機發出復位命令後，會接收到節點在建表過程中發出的地址幀，此時主機應將它丟棄。另外，主機必須給予足夠長的時間讓節點能順利地建表，然後才對節點進行操作。4、如權利要求l所述的方法，其特徵在於用於實現信號的發送和接收功能。節點使用環形天線電路，分別使用電容和電阻組成震蕩電路。用於節點收發器通過內部SPI口與其他模塊進行通信，載波監測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；用於地址匹配輸出AR，易於實現點對多點無線通信設計；用於數據接收就緒DR，便於節能設計，滿足低功耗設計要求；用於通過內置完整的通信協議和CRC效驗，只需通過SPI即可完成所有的無線收發傳輸。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO(0xA0)編程進行控制。用於節點使用SPI接口進行內置微處理器與無線模塊間的數據傳輸。節點收發器的工作方式由特殊功能寄存器TRX—CE和TX_EN決定。5、如權利要求1所述的方法，其特徵在於用於數據的存儲和處理。節點的處理器由於容量不夠，外加了一片EEPR0M電路。程序代碼必須從外部加載，比較常見的是通過SPI接口連接的EEPR0M。6、如權利要求l所述的方法，其特徵在於用於實現數據信號的實時動態反應。如圖4所示，受控源信號由節點處理器的PO.l來控制，開關工作狀態紅綠指示燈則由P0.5、P0.6提供。用於作為模擬電壓送到節點處理器的AINO輸入端，經A/D轉換為數據Data。綠指示燈閃爍頻率f=Data*Pre(Pre為取樣取整參數，使f二O.5Hz16Hz)，表示被控電器的負載輕重；用於當負載過重或有短路現象時，Rl輸出AINO使穩壓管擊穿，Q6飽和，Q8、Q9截止，J1切斷；同時使觸發INT0中斷，P0.2輸出方波使蜂鳴器報警，綠指示燈滅，紅指示燈以(最高)閃爍。7、如權利要求l所述的方法，其特徵在於實現電源的兩種切換。用於在沒有電源供電的情況下，可使用乾電池做電源，用於有市電的情況，市網電壓經過D3半波整流，R2降壓，經Q4與Q5組成一個串聯型穩壓電源，提供6V電壓。接一個的濾波電容主要實現大電壓和小電壓二級紋波濾波的作用，保證系統運行穩定。8、如權利要求l所述的方法，其特徵在於用於將強電信號轉化為弱電信號，並做控制實現對執行機構的控制。用於火線開通和切斷選用直流控制繼電器，最大通過的交流電壓即可。用於選用的矽NPN大功率電晶體作為控制系統電源的調整管。用於當要求被控電器工作時，微控制器提供開通信號，使Jl合上，並使市網電壓主要落在被控電器上，不影響被控電器的正常工作。9、如權利要求4所述的方法，其特徵在於用於數據幀流程控制。要實現上述控制數據幀通信功能，需要對節點進行初始化配置和用戶程序設計。用於程序採用中斷接收，按需發送。用於有兩個中斷服務程序一個是當取樣電阻壓降過大時，引起Q6反轉，表明負載過重，切斷繼電器，同時觸發INTO中斷服務程序，蜂鳴器報警，綠燈滅，紅燈以頻率閃爍，微控制器讀開關相應的工作數據，把過載的情況發送出去，隨後進入死循環；另一個中斷服務程序是手動開關Kl(或K2、K3)引起的觸發INT1中斷，相當於射頻接收到了遙控數據，完成射頻接收一樣的工作流程。用於由WDT溢出強制系統復位；10、如權利要求l所述的方法，其特徵在於用於上位機能時時監控節點的狀態，並進行顯示，報警和控制等功能。節點的通信狀態可以通過上位機査詢得到，顯示界面能順利時時的顯示節點的狀態，如節點如果是溫度傳感，則能顯示溫度的狀態，根據狀態可以進行報警，顯示等功能。如節點是路燈控制器，可以現在路燈的狀態等信息。全文摘要本發明公開了一種自主式智能射頻控制網絡，系統由節點和主機組成，節點由收發射控制部分，單片機電路部分和上位機處理軟體部分組成。收發部分包括路由表設置模塊、收發射頻通信模塊；單片機電路部分包括系統狀態指示模塊、存儲晶片、單片機控制模塊和電源模塊；上位機處理軟體部分包括設備地址表解析模塊、收發射頻通信模塊、單片機控制模塊和信息處理模塊。整個系統控制使用了單片機技術，具有載波監測輸出CD，可避免空間無線通信碰撞；地址匹配輸出AR，易於實現點對多點無線通信設計；數據接收就緒DR，便於節能設計，滿足低功耗設計要求。內置完整的通信協議和CRC效驗，可完成所有的無線收發傳輸。與現有技術比較，本發明由於採用單片機控制的射頻信號系統，因此具有抗幹擾性強、不會誤動作、不受阻擋物體影響、功耗低、智能路由和通信距離較遠的特點。本系統可用於礦山等危險的工業控制現場，自動樓宇控制和智能車載交通等領域有廣泛的應用，具有較高的經濟效益和社會效益。文檔編號H04L12/02GK101471786SQ200710164639公開日2009年7月1日申請日期2007年12月27日優先權日2007年12月27日發明者展金申請人:展金