CN101527733A - 无线传感器网络远程数据传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种经由GPRS的无线传感器网络远程数据传输系统。该系统包括一般节点、汇聚节点和监控中心服务器终端，在无线传感器网络中的汇聚节点添加GPRS模块，该模块支持TCP/IP协议，能通过移动基站和Internet网进行通讯，从而实现将一般节点采集的数据通过GPRS网络以IP包的形式发送到远端的监控中心服务器上；监控中心能通过GPRS网络和Internet网把控制指令传给汇聚节点，然后由汇聚节点处理器来控制一般节点的工作状态。本发明解决了远程数据传输的问题，实现了对无线传感器网络内所有监控节点的实时控制，降低了运营成本，在远距离、大面积的监测系统中具有广泛的应用前景。

Description

无线传感器网络远程数据传输系统

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种经由GPRS的无线传感器网络远程数据传输系统。

背景技术

具有现代意义的无线传感器网络由于其自身的特点，在大面积监测中有着广泛的应用前景。网络主要由一般节点和汇聚节点组成。一般节点主要负责采集数据，它们之间通过无线通信方式形成多跳的、自组织的、动态的网络系统。汇聚节点主要将一般节点的监测数据汇总后传给监控中心服务器终端，并将监控中心的指令发送给一般节点。目前的大部分无线传感器网络的产品中，汇聚节点和服务器PC机之间通过有线的方式或者近距离的无线方式进行通信，然后再通过该PC机与Internet网互连。但是在大面积野外环境应用中，在汇聚节点处配置PC机是不太现实的，原因有：(1)PC机的供电问题难以解决；(2)PC机放置野外不安全而且不易维护；(3)即使解决了(1)、(2)也不一定能保证PC机位于Internet网络的覆盖范围之内，达不到数据的远程传输效果，限制了无线传感器网络的应用范围。因此，解决大规模无线传感器网络与Internet网之间的信息互访问题尤为重要。

有人提出在无线传感器网络与Internet网之间加入网关节点(南京邮电大学王汝传，董挺挺，孙力娟，黄海平，陈志.无线传感器网络与Internet网的连接装置及连接方法.国家发明专利公开号101087304，中国专利信息网，公开日期2007.12.12)，通过该网关节点接入Internet网。该方案可以解决一部分无线传感器网络与Internet网的互访问题，但也有它的局限性。例如，网关节点与汇聚节点的最远通信距离理论上也只有1000多m，而且网关节点还得放置于距离Internet网站100米的范围内，算下来汇聚节点与Internet网站的距离也就1000多m。而Internet网络的覆盖范围还没有达到广大的面积和偏远的地区。因此，该方案还不能获得真正的远程双向数据传输能力。

2002年，在美国Intel实验室和大西洋学院联合进行的大鸭岛环境监测项目中，采用了汇聚节点经由卫星再到Internet网络的方式(Polastre J，Szewczyk R，Mainwaring A，Culler D.Anderson J.Analysis of wireless sensor network for habitat monitoring.Wireless Sensor Networks，2004：399-423)。但卫星通信方式运营成本较高，根据我国现有的国情，目前此种通信方式受到限制。

全球移动通信(Global System for Mobile Communication，简称GSM)和在此基础上发展起来的通用分组无线业务(General Packet Radio Service，简称GPRS)的覆盖面积远远超过了Internet网络，在无线传感器网络的远程通信中是可资利用的(Kalden R，Metrtck I，Meyer M.Wireless internet access based on GPRS.IEEE Personal Communications，2003，52(4)：997-1003)。是煤田火灾、农田作物、环境监测等间断性的少量数据传输的一种高效、低成本的传输途径。用户在线按流量计费，大大降低了系统的营运成本，十分灵活方便。GPRS方式和GSM方式(Chin E Lin，Chih-Ching Li，An-Sang Hou，Chih-chen Wu.A real-time remote control architectureusing mobile communication.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，2003，52(4)：8-18)(李东青.基于GSM手机模块的钻孔水位、水温遥测系统[M].山东科技大学硕士论文，2006，5：4-5)可以共同应用、相互补充，保证通信的可靠性与稳定性。

发明内容

1、要解决的技术问题

无线传感器节点本身的最大通信距离理论上只有300m～500m(实际应用中受周围环境影响更短)，仅适合短距离且为视距距离的通信。要将监测数据传输到几km、几百km甚至几千km的监控中心，需要解决远程数据传输问题以及监控中心对所有监控节点的实时控制。本发明通过GPRS网络将无线传感器网络与Internet网互联起来，最终实现无线传感器网络到监控中心服务器之间数据和指令的远程双向传输。

2、技术方案

本发明采用的技术方案是：一种无线传感器网络远程数据传输系统，包括一般节点、汇聚节点和监控中心服务器终端，在无线传感器网络中的汇聚节点添加GPRS模块，该模块支持TCP/IP协议，能通过移动基站和Internet网进行通讯，从而可以将一般节点采集的数据通过GPRS网络以IP包的形式发送到远端的监控中心服务器上；监控中心也可以通过GPRS网络和Internet网把控制指令传给汇聚节点，然后由汇聚节点处理器通过外部接收完成中断对指令进行分析来控制一般节点的工作状态。GPRS网络覆盖范围广阔，而且网络比较稳定能够有效地实现传感器网络与Internet网的远程互访功能。

本发明系统所采用的硬件结构如图1所示，本系统主要由无线传感器网络一般节点、汇聚节点与GPRS模块、移动基站、Internet网和监控中心服务器终端构成；其中

一般节点：用于接收采集命令，并实时采集监测对象的信息，然后将采集到的数据及时发送给汇聚节点；

汇聚节点：用于接收一般节点采集的数据，对这些数据进行处理并转发到服务器；并将服务器发送的采集命令转发给一般节点；

GPRS模块：用于将汇聚节点接收到的一般节点采集的数据通过GPRS网络以IP包的形式发送到远端的监控中心服务器上；自动接收来自控制中心服务器的命令信息并通过RS232串口传给汇聚节点；

移动基站：用于接收GPRS模块发送的数据，由于GPRS网络与Internet网络之间存在内部网关，可以自动传输数据到Internet网络内的监控中心服务器上；

Internet网监控中心服务器终端：用于接收存储汇聚节点转发的一般节点采集的数据；服务器需要连接Internet网络，通过配置一个公网IP地址，安装通讯软件并进行正确的通讯设置实现与GPRS网络互联。

无线传感器网络的一般节点用于对受控对象的数据采集工作，并将采集的数据传送给汇聚节点；主要由传感器采集模块、射频收发模块、微处理器模块和电源模块组成。

汇聚节点主要由射频收发模块、微处理器模块、电平转换模块和电源模块组成。其中射频收发模块用于节点之间的通信。微处理器模块通过同步串行接口SPI与射频收发芯片进行数据交换，并对控制射频收发芯片进行控制、处理监控中心传来的控制指令和提取一般节点采集到的有价值的数据等。

本发明将GPRS添加到汇聚节点上，通过对微处理器进行软件编程来实现无线传感器网络经由GPRS网络与Internet网的信息互换，具体方法如下：

1)微处理器根据监控中心服务器的本地公网IP地址，通过AT指令来操纵GPRS模块，从而与服务器进行正确的TCP连接，确保GPRS网络能够与Internet网互联。

2)微处理器通过接收完成中断函数对监控中心传来的控制指令进行分析判断出需要哪些一般节点采集数据并向相应一般节点发布采集任务。

3)微处理器对一般接点传送过来的监测数据进行处理并再次通过AT指令来操作GPRS模块将处理后的数据发送给监控中心服务器。

一种经由GPRS的无线传感器网络远程数据传输方法，其步骤或流程是：

(1)连接于Internet网上的服务器终端进行正确的通讯设置；

(2)汇聚节点的微处理器通过AT指令要求GPRS模块与服务器终端进行通信连接；

(3)步骤(2)连接成功后，服务器终端通过通讯软件给一般节点发布采集命令，这些采集命令首先通过步骤(2)建立的通信链路传到汇聚节点；

(4)汇聚节点对接收到的采集命令进行分析得出需要进行采集任务的一般节点，并把采集命令转发给相应的的一般节点；

(5)一般节点收到采集任务后进行信息的采集工作，并及时将采集到的数据传送给汇聚节点；

(6)汇聚节点接收一般接点采集的数据，对这些数据进行处理后再次通过AT命令传送给服务器终端。

3、有益效果

本发明提出的无线传感器网络结合GPRS的传输方式解决了远程数据传输的问题，实现了对无线传感器网络内所有监控节点的实时控制，降低了运营成本，在远距离、大面积的监测系统中具有广泛的应用前景。

附图说明

图1经由GPRS的无线传感器网络远程数据传输系统结构图

图2实施例结构图

图3服务器设置图

图4GPRS连接成功图

图5发送采集命令图

图6接收采集数据图

具体实施方式

为进一步解释本发明的目的、技术方案和有益效果，下面结合具体实施列并参照附图和相关C语言程序代码来对本发明详细说明。

如图2所示，本发明在中科院宁波分院研制的GAINZ传感器开发套件基础上加上GPRS无线模块SIM300MODEM作为实施例描述本发明方案。该开发套件直接提供了一个无线传感器星型网络，此处即以星形网络为例，设该网络有3个一般节点(编号分别为1-3)和1个汇聚节点，一般节点安装的传感器为温度传感器。每个一般节点都有自己的短地址，汇聚节点根据这些不同的短地址与各一般节点进行通信。一般节点只有收到采集命令才会进行采集工作并及时将采集到的数据传给汇聚节点，如果没有收到采集指令它们就会处于休眠状态不会进行采集任务。

图2中的汇聚节点主要由微处理器ATmega128L、射频收发芯片CC2420及天线、电平转换芯片MAX3232和3V供电电源组成。ATmega128L具有RISC结构、非易失性的程序和数据存储器、拥有JTAG接口，可以通过该接口实现对Flash，EEPROM，熔丝位和锁定位的编程。CC2420是首款符合2.4GHz，IEEE802.15.4标准的射频收发器，硬件支持一部分IEEE802.15.4MAC帧。ATmega128L处理器通过SPI接口与CC2420交换数据、发送指令等。MAX3232用于对ATmega128L的电平转换。

GPRS模块SIM300 MODEM主要由SP3238E串口芯片、与移动基站进行收发的SIM300模块、天线及SIM卡还有9V供电电源构成。SP3238E串口芯片用于对SIM300模块的电平转换。SIM300 MODEM的工作电压是7.5V～12V，因此9V的供电电源便可供电。SIM300模块内置TCP/IP协议，能够实现数据的远程传输，本发明采用该模块的TCP功能把汇聚节点接收到的采集数据以IP包的形式传给远端的监控中心。

ATmega128L和SIM300模块的电平转换之后便可通过RS232交叉线连接，所谓的RS232交叉线连接是三线接法：对于9针串口和25针串口均是2与3相连，即一端的发送和另一端的接收相连。

一般节点主要由微处理器ATmega128L、射频收发芯片CC2420及天线、温度传感器SHT和3V电源组成。

实施例工作过程如下：

步骤1)开启服务器计算机并接入Internet网，运行网络调试工具NetAssist.exe，并进行正确的通讯设置。如图3所示。

步骤2)实现汇聚节点与服务器之间的通信。首先，对单片机进行编程，执行指令“AT+CIPSTART＝“TCP”，“服务器公网IP地址”，“服务器端口号””。服务器通讯设置完毕之后，通过RS232串口线将汇聚节点和SIM300模块连接起来并按顺序依次打开SIM300MODEM、汇聚节点电源开关。大约10秒钟后汇聚节点处理器ATmega128L便会通过AT指令要求SIM300模块主动进行TCP连接监控中心服务器终端。

实现步骤2的主要程序代码如下：

void gprs_start()                          //SIM300模块进行TCP连接

{char start[50]＝″AT+CIPSTART＝\″TCP\″，\″202.195.161.9\″，\″81\″\r\n″；

 for(int i＝0；i＜4；i++)

 {int i1＝0；

  int i2＝0；

  int i3＝0；

  char get＝′A′；

   while(i1＜50)

    {usart_putbyte(start[i1])；

    i1++；}

 for(i2＝0；i2＜30000；i2++)

    {get＝(char)UDR0；

     if(get＝＝′K′)

            i2＝29999；}

    for(i3＝0；i3＜30000；i3++)

     {get(char)UDR0；

       if(get＝＝′K′)

       {i3＝29999；

         i＝4；}

       }

      }

     return；

    }

如果SIM300成功进行TCP连接服务器后，服务器的网络调试工具窗口的下边框上便会显示“Message：FD_ACCEPT”，如图4所示。

步骤3)实现监控中心对一般节点的控制。根据SIM300的工作原理，模块通过TCP/IP成功连接到远端的服务器后便会获得移动网络分配的一个动态本地IP地址，同时服务器端的网络调试工具也会记下这个IP地址，只要不关闭移动场景那么模块的本地IP地址就不会变。这样如果监控中心需要一般节点采集数据，就可以通过GPRS模块和汇聚节点给一般节点发布采集命令。

监控中心如果需要3号节点采集数据，只需在网络调试工具发送栏里输入采集命令——如‘Z’(‘Z’是发明人自己设定的)并点击“发送”，采集命令‘Z’便会自动传到SIM300模块连接服务器时获得的动态本地IP地址上，模块再将接收到的‘Z’命令通过串口发送到单片机的数据寄存器UDR0。

当UDR0接收完采集命令后，便会产生接收完成中断“_attribute((signal))_vector_18(void)”，中断向量号设为18是因为重新定义了所有的中断向量号。中断处理函数通过“switch((char)UDR0)”语句对接收到的指令‘Z’进行判断得出监控中心需要3号监控节点采集信息。这时服务器端的网络调试工具窗口数据接收栏里便会显示“汇聚节点现在向3号节点转发采集命令，请等待”中文语句，如图5所示。

中断处理函数代码如下：

void_attribute((signal))_vector_18(void)         //定义接收完成中断函数，中断向量号重定义为18

 {

  {os_atomic_t_nesc_atomic＝os_atomic_start()；

   {switch((char)UDR0)                          //对接收到的采集命令进行判断

    {case‘X’：

      control_node1()；                         //向1号节点发送采集命令

      break；

     case‘Y’：

      control_node2()；                        //向2号节点发送采集命令

      break；

     case‘Z’：

      control_node3()；                       //向3号节点发送采集命令

      break；}

  }

os_atomic_end(_nesc_atomic)；}

}

步骤4)实现汇聚节点与一般节点之间的通信。在汇聚节点判断出需要3号监控点采集数据后，便通过CC2420无线收发芯片向相应节点发送采集命令。

一般节点收到汇聚节点转送过来的采集命令后，便会进行采集工作并及时将采集的数据传给汇聚节点。

步骤5)汇聚节点对接收到的监测数据进行处理并及时发给远端的监控中心。由于本系统中采用的温度传感器SHT直接采集的数据不是具体的温度值，所以汇聚节点处理器ATmega128L必须先把这些数据通过相关公式进行运算才能得到直观的温度值。采用的公式是：Temperature＝-39.66+0.01*S(S就是监控节点采集的数据进行十进制转换后的数值)，得到的温度值单位是摄氏度。得到温度值后便可以通过SIM300模块将这些温度值传给监控中心，单片机还是通过AT指令“AT+CIPSEND”来操作模块。执行成功模块会返回“＞”，然后输入要发送的温度值，输入结束后以ctrl+z(0x1A)作为结束符。

实现步骤5的相关程序代码如下：

uint16_t datachange(uint8_t temperature1，uint8_t temperature2) //利用相关公式将数据转换成直观的温度值

    {uint16_t TEM；

     TEM＝((uint16_t)temperature2)*256+(uint16_t)temperature1；

     TEM＝-39.66+0.01*TEM；

     return TEM；

     }

     uint16_t temperature；

     temperature＝datachange(cc2420_rxbuf_now[12]，cc2420_rxbuf_now[13])；

    void send()                                                 //需要SIM300模块传输数据

    {char send[16]＝″AT+CIPSEND\r\n″；

     int j＝0；

     char get1＝′A′；

    for(j＝0；j＜2；j++)

     {int j1＝0；

       int j2＝0；

        while(j1＜16)

         {usart_putbyte(send[j1])；

           j1++；}

            for(j2＝0；j2＜30000；j2++)

            {get1＝(char)UDR0；

              if(get1＝＝′＞′)

              {j2＝29999；

              j＝2；}

            }

         }

          return；

     }

printf(″当前节点监测的温度是％d ℃\n″，temperature)；//输入转换后的温度值usart_putbyte(0x1A)；//以ctrl+z作为结束符

最后如果汇聚节点成功将3号节点采集的温度值通过GPRS模块传给监控中心后，服务器端的网络调试工具数据接收栏里便会显示“当前节点采集的温度是22℃”，如图6所示。

该实施例表明只需在无线传感器网络中的汇聚节点加上GPRS模块并对处理器进行相应的编程，便可将采集的数据通过GPRS网络以IP包的形式传输给远端的监控中心了，且能够实现监控中心与各监控节点之间的双向通信。

程序编译及下载：通过WinAVR开发环境将编写好的C语言程序编译生成hex文件，再通过AVR JTAG仿真器将hex文件下载到传感器节点处理器中。

Claims (4)

1、一种无线传感器网络远程数据传输系统，包括一般节点、汇聚节点和监控中心服务器终端，其特征在于，在无线传感器网络中的汇聚节点添加GPRS模块，该模块支持TCP/IP协议，能通过移动基站和Internet网进行通讯，从而实现将一般节点采集的数据通过GPRS网络以IP包的形式发送到远端的监控中心服务器上；监控中心能通过GPRS网络和Internet网把控制指令传给汇聚节点，然后由汇聚节点处理器通过外部接收完成中断对指令进行分析来控制一般节点的工作状态。

2、根据权利要求1所述的无线传感器网络远程数据传输系统，其特征在于，汇聚节点包括射频收发模块、微处理器模块、电平转换模块和电源模块；其中

射频收发模块，用于节点之间的通信；

微处理器模块，通过同步串行接口SPI与射频收发芯片进行数据交换，并对射频收发芯片进行控制、处理监控中心传来的控制指令和提取一般节点采集到的有价值的数据。

3、根据权利要求2所述的无线传感器网络远程数据传输系统，其特征在于，GPRS添加到汇聚节点上，通过对微处理器进行软件编程来实现无线传感器网络经由GPRS网络与Internet网的信息互换，具体方法如下：

1)微处理器根据监控中心服务器的本地公网IP地址，通过AT指令来操纵GPRS模块，从而与服务器进行正确的TCP连接，确保GPRS网络能够与Internet网互联；

2)微处理器通过接收完成中断函数对监控中心传来的控制指令进行分析判断出需要哪些一般节点采集数据并向相应一般节点发布采集任务；

3)微处理器对一般接点传送过来的监测数据进行处理并再次通过AT指令来操作GPRS模块将处理后的数据发送给监控中心服务器。

4、一种无线传感器网络远程数据传输方法，其特征在于，步骤如下：

(1)连接于Internet网上的服务器终端进行正确的通讯设置；

(2)汇聚节点的微处理器通过AT指令要求GPRS模块与服务器终端进行通信连接；

(3)步骤(2)连接成功后，服务器终端通过通讯软件给一般节点发布采集命令，这些采集命令首先通过步骤(2)建立的通信链路传到汇聚节点；

(4)汇聚节点对接收到的采集命令进行分析得出需要进行采集任务的一般节点，并把采集命令转发给相应的的一般节点；

(5)一般节点收到采集任务后进行信息的采集工作，并及时将采集到的数据传送给汇聚节点；

(6)汇聚节点接收一般接点采集的数据，对这些数据进行处理后再次通过AT命令传送给服务器终端。

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