CN101827007A - 传感器网络与移动终端互联的方法和装置及网络连接设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器网络与移动终端互联的方法和装置，其中本发明的方法包括：传感器网络将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备；网络连接设备经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器；服务器对接收的监测数据进行处理和分析后得到与监测数据对应的传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；移动终端经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器网络设备进行访问、控制或管理。本发明利用网络连接设备完成传感器网络与移动终端的互联互通，减少了传感器网络设备的复杂性，无需为每个设备部署承载网络接入设备，降低了应用成本。

Description

传感器网络与移动终端互联的方法和装置及网络连接设备

技术领域

本发明涉及传感器网络及移动终端技术，尤其是一种传感器网络与移动终端互联的方法和装置及网络连接设备。

背景技术

在传统的利用传感器网络技术的监测系统中，一般采用RS-485总线，但在实际应用中都有以下缺陷：RS-485总线上只能有一个主节点，无法构成多主系统，一旦主节点出现故障，系统就不能正常运行，导致整个系统的可靠性较差。RS-485总线的抗干扰能力较差，不适应在高电磁环境下运行，而且其错误处理能力也很差。数据通信方式是命令响应式，下端节点只有在收到主节点的命令以后，才能响应，从而造成数据不能及时上传，导致整个系统实时性较差，不适用于在线监测这种要求实时性很高的系统中。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种实现传感器网络与移动终端互联的方法，以便移动终端的用户能够进行在线监测。

本发明的另一目的是提供一种实现传感器网络与移动终端互联的装置，以便移动终端的用户能够进行在线监测。

本发明的再一目的是提供一种实现传感器网络与移动终端互联的网络连接设备，以便移动终端与移动终端互联。

本发明的实现上述目的一种实现传感器网络与移动终端互联的方法包括以下步骤：

传感器网络将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备；

网络连接设备经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器；

服务器对接收的监测数据进行处理和分析后得到传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；

移动终端经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器/执行器网络设备进行访问、控制或管理。

本发明的实现上述目的的一种传感器网络与移动终端互联的装置包括：

传感器网络，传感器网络将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备；

网络连接设备，经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器；

服务器，对接收的监测数据进行处理和分析后得到传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；

移动终端，经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器/执行器网络设备进行访问、控制或管理。

在上述方法和装置中，网络连接设备通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；接收每个传感器通过现场总线发送监测数据，并将其缓存；然后，将缓存的监测数据经由承载网络转发给服务器。

此外，当缓存的监控数据的字节达到传输一个数据包大小时，网络连接设备将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器；或者定时将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器。

网络连接设备包括：

总线控制器，用于通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

收发器，用于接收每个传感器通过现场总线传来的传感器网络设备的监测数据，并且将总线控制器从微处理器读取的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令通过现场总线发送给相应的传感器/执行器网络设备；

微处理器，用于接收和缓存由收发器通过总线控制器发送的监测数据，并且接收和缓存由通信模块传来的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令；

通信模块，用于接收微处理器缓存的监测数据，经由承载网络将缓存的监测数据转发给服务器，并且接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令。

本发明的实现上述目的的一种网络连接设备包括：

总线控制器，用于通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

收发器，用于接收每个传感器通过现场总线传来的传感器网络设备的监测数据，并且将总线控制器从微处理器读取的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令通过现场总线发送给相应的传感器/执行器网络设备；

微处理器，用于接收和缓存由收发器通过总线控制器发送的监测数据，并且接收和缓存由通信模块传来的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令；

通信模块，用于接收微处理器缓存的监测数据，经由承载网络将缓存的监测数据转发给服务器，并且接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令。

本发明的技术效果是，利用网络连接设备完成传感器网络与移动终端的互联互通，减少了传感器网络设备的复杂性，无需为每个设备部署承载网络接入设备，降低了应用成本。

附图说明

图1是显示本发明的传感器网络与移动终端互联的装置的示意图；

图2为本发明的网络连接设备的模块结构的示意图；

图3为传感器网络与移动终端互联的装置在智能建筑中应用的示意图；

图4为执行本发明的传感器网络与移动终端互联的方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施作进一步详细的说明。

图1显示了本发明的一种传感器网络与移动终端互联的装置，包括：

传感器网络1，传感器网络1将例如通过每个传感器11采集的传感器网络设备(包括传感器网络设备和执行器网络设备)的监测数据通过现场总线12汇聚到网络连接设备2；

网络连接设备2，经由承载网络3把所汇聚的监测数据转发给服务器4，其中承载网络可以是WLAN、以太网、CDMA、GSM、TD-SCDMA、WCDMA、EVDO、WIMAX、LTE网络之一或组合；

服务器4，对接收的监测数据进行处理和分析后得到与监测数据对应的传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库(未显示)中；

移动终端5，经由承载网络访问服务器4，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络3、网络连接设备2对传感器/执行器网络设备进行访问、控制或管理。

图2显示了图1所示的网络连接设备的结构，包括：

总线控制器21，用于通过运行总线协议，为传感器网络1提供现场总线服务；

收发器22，用于接收每个传感器网络设备11通过现场总线传12来的传感器网络设备的监测数据，并且将总线控制器21从微处理器23读取的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令通过现场总线12发送给相应的传感器/执行器网络设备；

微处理器23，用于接收和缓存由收发器22通过总线控制器21发送的监测数据，并且接收和缓存由通信模块24传来的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令；

通信模块24，用于接收微处理器23缓存的监测数据，经由承载网络3将缓存的监测数据转发给服务器4，并且接收移动终端5经由承载网络3发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令。

图2所示的网络连接设备还包括为上述总线控制器21、收发器22、处理器23、通信模块24提供电源的电源模块25。

一般来说，由于传感器网络设备低成本、低功耗、低负责性的要求以及接入网络基础设备的多样性，决定了每个传感器网络设备都直接接入承载网络是不实际的，并且传感器网络设备的程序存储区和数据存储区都非常有限，无法配置完备的网络协议栈和路由协议。就此而言，本发明利用硬件资源相对丰富的网络连接设备(网关)完成传感器网络与承载网络及移动终端的互联互通，从而使得每个传感器网络设备都能够接入承载网络，解决了上述的现有的传感器网络设备都直接接入承载网络的技术问题。

另一方面，由于本发明采用网络连接设备完成传感器网络的互联互通，减少了传感器网络设备的复杂性，无需为每个设备部署承载网络的接入设备，降低了应用成本。另外，网际连接设备(网关)只负责数据的转发，不做网络层、应用层协议的处理，与ZIGBEE、蓝牙等网络代理网关设备相比，增加了转换效率，又没有破坏端对端的控制，保证了数据的透明传输以及安全。传感器网络应用的不同，可以采用不同的协议转换模块，接入各种承载网络，具有更强大的灵活性。

本发明的现场总线可以是CAN(controller Area Network)总线，在此情况下，图2所示的网络连接设备可以是以传感器网络为基础的CAN总线网络连接设备，其中微控制器23接收通信模块24传来的数据(即用户指令)并缓存，然后将数据交CAN总线控制器21待发，同时接收CAN总线控制器21传来的数据并将数据发送到通信模块24；CAN总线控制器21运行CAN协议，为传感器网络1提供CAN总线服务；收发器22作为CAN控制器与物理媒体的物理接口，接收现场传感器11信号，为CAN总线控制器21提供比特流服务。

CAN总线网络连接设备2主要处理三类事件，即串口接收数据事件、无线接收数据事件和定时器事件。

①串口接收数据事件。每次从串口接收到一个字节的数据将触发该事件。对于信息采集任务来说，其信息是定时采集的。同时，CAN总线的速率远远大于无线传输的速率。因此，在节点开辟了一段较大的发送缓存区，对CAN总线传过来的数据进行缓存。该缓存区的大小取决于无线传输的速率以及CAN总线在一个定时采集周期的数据量大小。假设无线传输的速率为V、缓存区大小为M、采集周期为T、每个采集周期的数据量为Data，注意V为传输有效数据的速率，即要去掉协议开销以及管理和控制开销，则至少满足V×T≥Data，M≥Data。为提高无线传输的效率，不是每次从串口接受到一个字节就从无线接口发走，而是每次缓存的字节数达到无线传输一个数据包的大小时，启动任务。这种采用任务的方式进行实际的无线数据传输可以避免阻塞其他事件。

②无线接收数据事件。每次从无线通信模块接收到一个数据包将触发该事件。事件处理程序主要从协议数据包中获取传输数据，并且缓存于接收缓存区，具体地怎么处理无线接受的数据的工作，通过启动任务来完成，以避免阻塞其他事件。

③定时器事件。该事件定时触发，该事件处理程序主要定时判断串口接受数据缓存区是否有数据，如果有的话，则启动任务，以避免到串口收到的数据不足一个协议数据包时，会长期滞留在串口接受数据缓存区中。

上述的发送缓存区和接收缓存区可以设置在微处理器23中。

本发明的通信模块24可以根据现场情况采用不同的通信模块，以便通信模块与承载网络相适应。下面列举本发明可以采用的通信模块。

有线通信模块，如USB、RS232、以太网、XDSL、E1；

总线通信模块，如(1)CAN。CAN面向消息，多主、广播协议，被ISO11898标准化为高速通信。CAN采用带非破坏性位判断的CSMA或冲突避免(CSMA/CA)以解决潜在的总线访问冲突，不丢失数据和带宽。识别符的长度(判断域)为11位标准ID和29位扩展ID(CANKingdom)。(2)HART。是为了满足过程控制应用中，在不中断4-20mA信号情况下，实现智能现场设备与主设备之间的双向数字通信。(2)LonWorks对等控制网络，提供多种传输介质，柔性拓扑结构，传输速率可达2.5Mbps。介质访问分散争用。应用层提供4类36种服务，更新网络变量(隐式报文)和显式报文。变量类型为预定义类型或C语言定义。报文的发送为点对点或多点方式，带或不带确认。(3)Modbus Plus：网络总线采用单/双电缆布局，可连接至多64个可寻址节点，1Mbps传输速率。信息格式为HDLC，介质访问采用令牌方式。(4)Profibus。

近距离无线通信模块：如ZigBee技术、高速/低速UWB、RFID和蓝牙。

远距离无线通信模块：GSM、CDMA、GPRS、WCDMA、EVDO、TD-SCDMA、WIFI、WIMAX、LTE等。

通信模块可以是USB模块，总线网络连接设备是兼容USB协议标准和CAN协议的总线转换装置；总线网网络连接设备则具有USB总线接口和电气隔离的CAN接口，可实现数据在USB总线和CAN总线之间的完全透明传输；在CAN通信网络中，与总线网络连接设备相连的PC或嵌入式设备可作为一个标准的CAN节点。

通信模块可以是以太网转换器，总线网络连接设备是CAN总线与以太网转换器，符合TCP/IP协议和CAN协议标准；总线网络连接设备具有10/100Mbps以太网接口和电气隔离的CAN接口。它有两种工作方式-串口映射工作方式和Socket工作方式：如采用串口映射工作方式，在安装模块的驱动程序之后，总线网际连接设备即可将模块映射为PC的一个标准串口，进而实现数据在以太网和CAN总线之间的完全透明传输；若采用Socket工作方式，则PC可利用TCP/IP Socket与模块进行数据交换，此功能可将任何具备TCP/IP连接能力的设备接入CAN总线系统，其支持的协议包括IP、UDP、TCP等。

通信模块可以是总线转换模块，总线网络连接设备兼容CAN协议标准和RS232总线，总线网络连接设备具有RS232串行总线接口和电气隔离的CAN接口；可实现数据在RS232总线和CAN总线之间的完全透明传输；总线网络连接设备通过CAN总线将现场各传感器连成分布式结构的现场控制网络，网络中计算机和各个传感器分别有自己的ID标志，且保证各自的ID不重复。由传感器采集现场的各种信号参数，通过CAN总线送至监控机，监控机对整个CAN总线系统进行监视管理，具有参数(如传输速率、节点地址等)设置、数据发送、数据接收、本机状态查询、节点状态查询、中断状态查询等功能。监控机采用工业控制机配CAN总线通信接口卡组成，它接收传感器发来的数据，经监控机进行相应的计算处理得出现场的各个参数的值，根据各种参数及其波形等相关性质，从而具体分析得出现场系统的工作状态。CAN总线通信接口卡使监控机能方便地连接到CAN总线上，它由CAN接口电路及其与监控机串口的连接电路组成，确保数据能准确地在CAN总线和监控机之间流通。

通信模块可以是集线器，兼容CAN协议标准，它具有多个个完全电气隔离的CAN总线接口。该通信模块主要是为了克服CAN系统节点数的限制及CAN系统总线长度的限制而设计，它也可用于在CAN系统中独立子网络的建立及系统网络拓扑结构的改变。

总线网络连接设备2的微处理器23采用32位CPU来实现，利用该模块所构建的系统在大数据流量下仍不会有数据帧的丢失；模块的电源部分可以采用USB供电；通信模块内置输入输出缓冲区，很好地协调了32位CPU与外部通信的速度；总线收发器与总线控制器之间采用光电隔离技术，以提高可靠性。

基于现场总线的传感器网络在精准农业、安全监测、环境保护、智能建筑、动力环境监控等诸多方面具有广阔的应用前景。利用基于现场总线的传感器网络应用系统在智能建筑和智能家居中的应用，在房间内部署大量的不同类型的传感器节点，达到监测控制的目的。

下面结合图3说明本发明在智能建筑中的应用。

(1)环境监测：如图3所示，各个房间内部署有温度、湿度、天然气浓度、消防烟感探测器、门禁监测系统，实现对室内环境的监测，用户远程获知室内环境信息并做出相应控制措施，当某个参数超过该设定值时，发出警报通知用户。

(2)室内设备控制：基于现场总线的传感器网络在智能建筑中的应用如图3所示。该系统部署在3个室内，根据需要设置传感器的位置，每个室中部署多个不同应用类型的传感器节点，包括湿度、CO2浓度、天然气浓度、空气温度、红外探测器、烟感探测器、门禁、空调、加湿器等监控室内环境，采集节点可以直接传输数据到网络连接设备2。网络连接设备2的带有存储器的处理器23接收3G通信模块24传来的数据并存储，然后将数据交CAN总线控制器21待发，同时接收CAN总线控制器21传来的数据并将数据发送到3G通信模块24；CAN总线控制器21运行CAN协议，为传感器网络1提供CAN总线服务；收发器22作为CAN控制器与物理媒体的物理接口，接收现场传感器信号，为CAN控制器提供比特流服务，同时接收微处理器的用户指令，控制现场执行器设备。在该应用中，承载网是3G网络，实现与Internet的互联。用户通过手机获知室内的环境参数后，可以根据各种要求的环境信息来远程控制室内的设备，满足个人环境。

图4显示了传感器网络与移动终端互联互通的方法的流程图，包括以下步骤：

步骤101：传感器网络将每个传感器将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备，其中传感器网络可以是IPV6无线传感器网络，并且包括传感器网络设备(比如温度传感器)和执行设备网络设备(比如空调)，其每个传感器网络设备内置IPV6网络协议栈；

步骤102：网络连接设备经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器，其中承载网络可以是WLAN(WIFI/WAPI)、以太网、CDMA、GSM、TDSCDMA、WCDMA、EVDO、WIMAX、LTE等网络，网关只需配置相应的接入模块；；

步骤103：服务器对接收的监测数据进行处理和分析后得到与监测数据对应的传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；

步骤104：移动终端经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器网络设备进行访问、控制或管理。

网络连接设备分别执行向服务器转发监测数据的转发子步骤和接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器网络设备的用户指令的接收子步骤。

其中，网络连接设备向服务器转发监测数据的转发子步骤包括：

通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

接收每个传感器通过现场总线发送监测数据，并将其缓存；

将缓存的监测数据经由承载网络转发给服务器。

此外，网络连接设备向服务器转发监测数据的转发子步骤还包括：

当缓存的监控数据的字节达到传输一个数据包大小时，将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器；或者

定时将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器。

其中网络连接设备接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器网络设备的用户指令的接收子步骤包括：

经由承载网络接收移动终端发送的用户指令；

缓存用户指令并根据启动任务将其发送给相应的传感器网络设备。

本发明采用网际连接设备完成传感器网络的互联互通，减少了传感器网络设备的复杂性，无需为每个设备部署承载网络的接入设备，降低了应用成本。该系统具有节约人力资源、成本低、实时性强、数据精确、灵活性好、扩展性高、可以远程监测被测区域的环境参数及控制相应设备等优点，符合远程监控未来发展的趋势。另外，该系统可以扩展应用到远程监控的其他应用领域，例如环境监测、智能家居等领域。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种传感器网络与移动终端互联的方法，包括以下步骤：

传感器网络将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备；

网络连接设备经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器；

服务器对接收的监测数据进行处理和分析后得到传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；

移动终端经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器/执行器网络设备进行访问、控制或管理。

2.根据权利要求1所述的方法，其中网络连接设备向服务器转发监测数据的转发子步骤包括：

通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

接收每个传感器通过现场总线发送监测数据，并将其缓存；

将缓存的监测数据经由承载网络转发给服务器。

3.根据权利要求2所述的方法，其中网络连接设备向服务器转发监测数据的转发子步骤还包括：

当缓存的监控数据的字节达到传输一个数据包大小时，将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器；或者

定时将缓存的监控数据经由承载网络发送给服务器。

4.根据权利要求3所述的方法，其中网络连接设备接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令，其接收子步骤包括：

经由承载网络接收移动终端发送的用户指令；

缓存用户指令并根据启动任务将其发送给相应的传感器/执行器网络设备。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述现场总线为CAN总线、HART总线、LonWorks总线、Modbus Plus总线、Profibus总线之一。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述承载网络是WLAN、以太网、CDMA、GSM、TDSCDMA、WCDMA、EVDO、WIMAX、LTE网络之一或组合。

7.一种传感器网络与移动终端互联的装置，包括：

传感器网络，传感器网络将采集的传感器网络设备的监测数据通过现场总线汇聚到网络连接设备；

网络连接设备，经由承载网络把所汇聚的监测数据转发给服务器；

服务器，对接收的监测数据进行处理和分析后得到传感器网络设备的监测信息，并存储到数据库中；

移动终端，经由承载网络访问服务器，获取传感器网络设备的监测信息，并经由承载网络、网络连接设备对传感器/执行器网络设备进行访问、控制或管理。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述网络连接设备包括：

总线控制器，用于通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

收发器，用于接收每个传感器通过现场总线传来的传感器网络设备的监测数据，并且将总线控制器从微处理器读取的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令通过现场总线发送给相应的传感器/执行器网络设备；

微处理器，用于接收和缓存由收发器通过总线控制器发送的监测数据，并且接收和缓存由通信模块传来的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令；

通信模块，用于接收微处理器缓存的监测数据，经由承载网络将缓存的监测数据转发给服务器，并且接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述通信模块为以下之一：

适用于USB、RS232、以太网、XDSL、E1之一的有线通信模块；

适用于CAN、HART、LonWorks、Modbus Plus、Profibus之一的总线通信模块；

适用于ZigBee、高速/低速UWB、RFID和蓝牙之一的近距离无线通信模块；

适用于GSM、CDMA、GPRS、WCDMA、EVDO、TD-SCDMA、WIFI、WIMAX、LTE之一的远距离无线通信模块；以及

集线器。

10.根据权利要求7所述的装置，其中总线网络连接设备为以下之一：

兼容USB协议标准和CAN协议的总线转换装置；

符合TCP/IP协议和CAN协议标准的CAN总线与以太网转换器，并具有10/100Mbps以太网接口和电气隔离的CAN接口；

兼容CAN协议标准和RS232总线的总线网络连接设备。

11.根据权利要求7所述的装置，其中所述承载网络是WLAN、以太网、CDMA、GSM、TDSCDMA、WCDMA、EVDO、WIMAX、LTE网络之一或组合。

12.一种网络连接设备，包括：

总线控制器，用于通过运行总线协议，为传感器网络提供现场总线服务；

收发器，用于接收每个传感器通过现场总线传来的传感器网络设备的监测数据，并且将总线控制器从微处理器读取的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令通过现场总线发送给相应的传感器/执行器网络设备；

微处理器，用于接收和缓存由收发器通过总线控制器发送的监测数据，并且接收和缓存由通信模块传来的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令；

通信模块，用于接收微处理器缓存的监测数据，经由承载网络将缓存的监测数据转发给服务器，并且接收移动终端经由承载网络发送的用于访问、控制或管理传感器/执行器网络设备的用户指令。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述通信模块为以下之

适用于USB、RS232、以太网、XDSL、E1之一的有线通信模块；

适用于CAN、HART、LonWorks、Modbus Plus、Profibus之一的总线通信模块；

适用于ZigBee、高速/低速UWB、RFID和蓝牙之一的近距离无线通信模块；

适用于GSM、CDMA、GPRS、WCDMA、EVDO、TD-SCDMA、WIFI、WIMAX、LTE之一的远距离无线通信模块；以及

集线器。

Images