CN101908995B - 用于wsn与epon联网的通信节点 - Google Patents

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Abstract

用于WSN与EPON联网的通信节点，包括ARM处理器，电源模块，RJ45接口，通信节点还包括一与WSN网络中各节点连接的无线收发模块和与EPON网络的POS节点连接的光电转换模块；无线收发模块具有接收各WSN节点转发的数据、并将数据转变成电信号的无线接收单元，无线接收单元与能将其输出的电信号转变成光信号的、并将光信号传送至POS的光电转换模块连接；无线接收单元和光电转换模块受控于ARM处理器。本发明具有一种能将EPON和WSN无缝对接以实现信息的长距离、多域通信，使得物联网中多个区域WSN的通信更加可靠并支持业务的多样性的优点。

Description

用于WSN与EPON联网的通信节点
技术领域
本发明涉及物联网领域、光通信领域以及无线传感网络领域，特别适用于将无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)技术融入到以太网无源光网络(Ethernet Passive Optical Network, EPON)中的一种业务接入设备。
背景技术
本发明是基于物联网的应用背景下，提出的新型网络结构，并针对这一新型网络结构所设计的接入设备。
物联网是在互联网的概念上提出来的。它将用户端扩展到了物与物之间，进行信息交换和通信。物联网是通过射频识别、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照约定的协议，把物与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
EPON是以太网和无源光网络（Passive optical network, PON）融合后的产物。PON具有节省光纤资源、对网络协议透明等特点。以太网技术经过几十年的发展，由于它的简单实用、价格低廉等特性在局域网得到了广泛的应用。EPON同时具备了以太网和PON的优点，已经成为光接入网当中的热门解决方案。EPON网络（见附图1）包括光线路终端（Optical Line Terminal, OLT）、分光器(Passive Optical Splitter, POS)和光网络单元(Optical Network Unit, ONU)三要素。三要素通过光纤连接，在上行方向上OLT通过GE (Gigabit Ethernet)或FE(Fast Ethernet)接口和以太网连接，在下行方向OLT通过POS将光从功率根据需要分为1:32、1:16、1:8等份数，然后通过光纤和ONU连接。ONU实现对光信号的转换，通过RJ45等接口和主机相连。
由微机电系统（Micro Electronic Mechanical System, MEMS）、片上系统（System on Chip, SOC）、无线通信和低功耗嵌入式技术派生出的无线传感器网络，以低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的革命。无线传感器网络是由部署在监测区域的大量微型廉价的传感器节点构成，通过无线通信技术形成一个多跳的分布式网络系统，用于感知、采集和处理网络覆盖区域内被感知对象的信息发送给观测者，不仅在工业控制、土壤检测、环境监测等领域，而且在军事、航天领域也有广泛的应用前景。但是，EPON无法实现的信息的多域通信。
WSN网络（见附图2）包括传感器节点，感知对象和观察者三个要素。三个要素通过无线网络和以太网等方式连接起来实现观察者对感知对象的检测。一般的工作方式是大量的无线传感器节点被布设在需要检测的区域节点之间通过自组织快速形成一个感知网络，在网络内部每个节点既可以采集信息又可以发送信息，采集的信息经过多跳传递到汇聚节点。汇聚节点将接受到的信息汇总并转发到外网比如以太网上，同时还可以向无线传感器节点发送检测任务，主要实现两个通信网之间的数据交换。但是，WSN网络无法实现长距离的传输。
本发明的工作就是将汇聚节点的功能集成到EPON的终端设备ONU上，以实现WSN和EPON的无缝对接。
从理论上看，将EPON技术融入WSN将会使WSN技术更具优势。其中，最显著的优势是：本发明主要解决三个方面的问题：1) WSN-EPON的网络结构; 2) WSN-ONU节点的硬件结构; 3) 物联网背景下的WSN-EPON应用。
发明内容
为了克服现有的单一的EPON无法实现信息的多域通信，单一的WSN无法实现长距离的多域通信的缺点，本发明提供了一种能将EPON和WSN无缝对接以实现信息的长距离、多域通信，使得物联网中多个区域WSN的通信更加可靠并支持业务的多样性的用于WSN与EPON联网的通信节点。
用于WSN与EPON联网的通信节点，包括ARM处理器，电源模块，RJ45接口，其特征在于：所述的通信节点还包括一与WSN网络中各节点连接的无线收发模块和与EPON网络的POS节点连接的光电转换模块；所述的无线收发模块具有接收各WSN节点转发的数据、并将数据转变成电信号的无线接收单元，所述的无线接收单元与能将其输出的电信号转变成光信号的、并将所述的光信号传送至POS的光电转换模块连接；所述的无线接收单元和光电转换模块受控于所述的ARM处理器。
进一步，所述的无线收发模块还包括能接收与以太网连接的管理节点的指令、并将指令发送至WSN节点的无线发送单元；所述的管理节点设有能对所有WSN节点进行网络配置、并将网络配置以指令形式发出的网络管理模块，所述的网络管理模块与所述的无线发送单元连接。所述的无线收发模块带有接收天线。
进一步，所述的通信节点具有保存所述的网络管理模块做出的指令的存储器。
本发明中，以WSN-OUN节点来表示所述的通信节点。
使用所述的WSN-OUN节点的WSN与EPON联网，所述的WSN具有大量的、布设在观测区域的WSN节点，所述的WSN节点之间通过自组织的形式相互连接；所述的EPON包括接收光信号的POS节点和将来自POS的光信号传输至以太网的OLT，所述的OLT通过GE接口将数据发送至以太网；所述的WSN节点通过WSN-OUN节点与POS连接，所述的WSN节点与WSN-OUN节点的无线接收单元连接，所述的POS通过光纤接口与WSN-OUN节点的光电转换模块连接。
进一步，所述的WSN与EPON联网还具有与以太网连接、能对所有WSN节点进行网络配置的管理节点，所述的管理节点的网络管理模块与所述的WSN-OUN节点的无线发送单元连接。
WSN-ONU和WSN节点通过无线链路连接。
本发明的技术构思是；所述的WSN-OUN节点不但具备一般ONU的基本功能，而且还融合WSN网络中的无线收发模块。
考虑到当前WSN中不断增加的WSN节点数量，以及WSN网络对数据吞吐量的要求，本发明提出了基于嵌入式处理器的WSN-ONU的硬件系统结构，无线收发模块和光电转换模块均受控于ARM9处理器。该结构中不但能通过光电转换模块与EPON光网络连接、通过无线收发模块与WSN网络连接，还设有RJ45接口实现与以太网或计算机的连接，同时该结构还包含SDRAM和FLASH等必要的存储器以存储管理节点发出的网络配置指令。
本发明是WSN技术和EPON的融合，采用的是Zigbee无线通信模块和嵌入式系统的组合构成的核心接入模块。这种方案不需要改动大量布设的WSN网络节点，就可以实现WSN和EPON的无缝融合，与传统的WSN组网结构相比具有更强的市场竞争力。
本发明的效益体现在：
1、能实现WSN技术和EPON技术的融合，采用802.15.4通信模块和嵌入式系统的组合构成WSN和EPON联网节点的核心接入模块，从而实现数据的长距离、大容量、高速、多域通信。EPON技术可以帮助WSN实现长距离多域的通信，即WSN融入到EPON中去可以实现WSN节点之间的多域通信，扩大WSN的覆盖范围，从而使得WSN的网络结构更加灵活。
2、这种融合提高了在物联网背景下，物与物、物与人之间的通信能力，并且不需要改变现有的光缆敷设线路和设施，因此具有较低的实施成本。
3、本发明在设计和研发中采用的WSN技术、EPON技术和嵌入式技术都是当前的成熟技术，具有很低的技术风险性。
4、随着WSN技术的应用和推广，WSN中网络节点的数量必然急剧增加，因此本发明将拥有非常好的应用前景。
附图说明
图1为现有的EPON的网络结构。
图2为现有的WSN的网络结构。
图3为本发明的WSN-ONU节点的系统框图。
图4 为单节点WSN-EPON联网的网络结构。
图5为多节点WSN-EPON联网的网络结构。
图6 为WSN-EPON联网在农业环境监测中的应用。
图7为 WSN-EPON联网在森林防火系统中的应用。
具体实施方式
实施例一
参照图1-3
用于WSN与EPON联网的通信节点，包括ARM处理器，电源模块，RJ45接口，其特征在于：所述的通信节点还包括一与WSN网络中各节点连接的无线收发模块和与EPON网络的POS节点连接的光电转换模块；所述的无线收发模块具有接收各WSN节点转发的数据、并将数据转变成电信号的无线接收单元，所述的无线接收单元与能将其输出的电信号转变成光信号的、并将所述的光信号传送至POS的光电转换模块连接；所述的无线接收单元和光电转换模块受控于所述的ARM处理器。
所述的无线收发模块还包括能接收与以太网连接的管理节点的指令、并将指令发送至WSN节点的无线发送单元；所述的管理节点设有能对所有WSN节点进行网络配置、并将网络配置以指令形式发出的网络管理模块，所述的网络管理模块与所述的无线发送单元连接。所述的无线收发模块带有接收天线。
所述的通信节点具有保存所述的网络管理模块做出的指令的存储器。
本发明的技术构思是；所述的WSN-OUN节点不但具备一般ONU的基本功能，而且还融合WSN网络中的无线收发模块。
考虑到当前WSN中不断增加的WSN节点数量，以及WSN网络对数据吞吐量的要求，本发明提出了基于嵌入式处理器的WSN-ONU的硬件系统结构，无线收发模块和光电转换模块均受控于ARM9处理器。该结构中不但能通过光电转换模块与EPON光网络连接、通过无线收发模块与WSN网络连接，还设有RJ45接口实现与以太网或计算机的连接，同时该结构还包含SDRAM和FLASH等必要的存储器以存储管理节点发出的网络配置指令。
本发明是WSN技术和EPON的融合，采用的是Zigbee无线通信模块和嵌入式系统的组合构成的核心接入模块。这种方案不需要改动大量布设的WSN网络节点，就可以实现WSN和EPON的无缝融合，与传统的WSN组网结构相比具有更强的市场竞争力。
图1是当前EPON的网络结构。该结构包括OLT、POS和ONU。在上行方向上，OLT可以通过GE或FE口和以太网连接；在下行方向上，OLT通过POS将光信号从功率上分为32、16或8路信号，并通过光纤和ONU连接起来。ONU上有光电转换模块和以太网等接口可以直接和主机相连。
图2是传统WSN的网络结构。该网络中包含三种节点：WSN节点、汇聚节点和管理节点。其中WSN节点之间在所在区域组成一个分布式的自组织网络，汇聚节点和通过以太网和另一端的管理节点相连。大量的WSN节点被布设在需要观测的区域，采集的信息通过广播的方式发送。经过多次转发后，所有WSN节点采集并发送出的数据在汇聚节点汇集，最后传送至以太网。在另一端，管理节点和以太网相连，可以接收到从汇聚节点发送过来的数据。
图3是本发明WSN-ONU节点的系统框图。WSN-EPON节点中的基本模块包括电源模块、ARM9处理器、光电转换模块、无线收发模块、RJ45接口、光纤接口、天线、以及各种存储设备等。各种设备的连接情况如下：
1. WSN-ONU装置的处理器通过I2C和SPI接口实现对光电转换模块和无线收发模块的控制。
2. 光电转换模块的PON口通过1000BASE-PX20-U接口采用单模光纤和EPON的局端设备OLT相连。
3. RJ45接口用于WSN-ONU节点与以太网或者PC连接。
4. 无线收发模块通过天线实现与WSN节点的通信。
光电转换模块的技术可以参考普通的ONU产品。无线收发模块对WSN-ONU非常重要，因为在设计和选用无线收发模块的时候要考虑三个不同的层面：物理层、MAC层和网络层。物理层负责在发送端和接收端之间建立链路，主要任务是在有信道噪声和信号干扰的情况下，保证通信质量。物理层可以使用适当的信号调制方式和编码方式。为了与一般产品兼容，本发明的工作频段采用2.4GHz。MAC层主要实现媒体的共享。网络层负责建立消息的传输路径。本发明采用的是ZigBee标准。由于无线收发模块也属于无线设备，可以通过对当前普通的无线模块做适当的修改后得到符合要求的无线收发模块。无线收发模块可以选用Chipcon公司或Ember公司的相关产品。
在WSN-ONU系统软件方面，本发明使用的操作系统是嵌入式Linux，这种操作系统是当前最流行的一款开放源代码的操作系统，它是以核心为基础的完全内存保护的、多任务多进程的操作系统。在应用程序方面，除了要实现EPON的功能之外，还必须将无线收发功能融入进来。考虑到系统对软件的要求，同时为了减少软件的调试难度，可将整个软件分成EPON和无线两个相对独立的部分分别调试。然而，除了实现网络的对接之外还必须提供一些其他的必要的服务。首先是将WSN-ONU的本地和远程管理功能融合到一个管理模块当中。这些功能首先要能够实现电信运营商对网络的操作和设置；其次必须能够对远端的观察者在管理节点发出的命令做出响应；最后是网络管理模块，要确保WSN网络的管理者可以在管理节点登陆到管理模块对WSN中的WSN节点进行网络配置，如网络划分，对网络分组的增加、删除、修改和查看，发布监测任务，节点的激活和禁止等。这些网络配置将固定保存到相应的存储器设备当中。
WSN-ONU主要实现网关的功能，实现WSN与以太网的连接，接入方式是基于EPON技术。网关的功能是实现WSN网络与和EPON的连接。由于集成了WSN的接入方式，WSN-ONU可以很灵活的配置WSN的内部网络，不会影响网络的构架，不需要重新布线，WSN节点的添加和拆除都比较方便。本发明中的WSN-ONU能够将EPON中支持高速度长距离的优势，和WSN的海量节点的特点有机地结合起来。为WSN实现多域通信增加了更有优势的可供选择的通信方式。
实施例二
参照图3-5
使用所述的WSN-OUN节点的WSN与EPON联网，所述的WSN具有大量的、布设在观测区域的WSN节点，所述的WSN节点之间通过自组织的形式相互连接；所述的EPON包括接收光信号的POS节点和将来自POS的光信号传输至以太网的OLT，所述的OLT通过GE接口将数据发送至以太网；所述的WSN节点通过WSN-OUN节点与POS连接，所述的WSN节点与WSN-OUN节点的无线接收单元连接，所述的POS通过光纤接口与WSN-OUN节点的光电转换模块连接。
所述的WSN与EPON联网还具有与以太网连接、能对所有WSN节点进行网络配置的管理节点，所述的管理节点的网络管理模块与所述的WSN-OUN节点的无线发送单元连接。
WSN-ONU和WSN节点通过无线链路连接。
图4是本发明提出的单个节点的WSN-EPON网络结构。WSN-EPON网络分为两个部分：WSN部分将大量的WSN节点布设在观测区域，这些节点通过自组织的形式连在一起。WSN节点采集观测区域的信息并将数据发送出去。数据在其他WSN节点之间转发后到达WSN-ONU。在EPON部分中，WSN-ONU中的无线收发模块是一个增强型的传感器节点，可以将从传感器节点上收集到的数据转变成电信号。WSN-ONU的电光转换模块将电信号转换为光信号。光信号经过POS后到达OLT后，通过GE接口将数据发送到以太网。WSN的管理节点连在以太网的另一端，通过管理节点可以对WSN节点发出命令，并通过相反的过程来控制WSN节点对观测对象的信息的采集。需要指出的是：WSN-ONU中的无线收发模块既可以汇集从传感器节点发送来的信息并转发到管理节点方向，又可以从另一个方向接收到管理节点发来的检测任务并发布给传感器节点，从而实现管理者对传感器节点的控制。
所述WSN-EPON节点结构的优势是节点本身就作为一个汇聚节点直接将WSN中的数据转换到光域进行传输。由于光通信网络具有更大的传输容量和更高的传输速度，因此可以更好的支持WSN中的数据传输。
图5是本发明提出的WSN-EPON总体网络结构。该网络结构是WSN之间多域通信的一种实现形式。WSN分布在不同的区域，通过EPON接入到以太网，并且和管理节点相连。WSN节点直接和EPON中的WSN-ONU相连。WSN-ONU通过POS和EPON中的OLT相连；OLT再通过GE接口和以太网相连；以太网同时连接有多个EPON，因此可以支持多个长距离连接的WSN。管理节点通过以太网和EPON实现对WSN节点的控制。
所述WSN-EPON网络结构中，WSN网络是一个分层的网络结构，每个WSN节点采集的数据经过处理后通过WSN-ONU进入EPON网络和以太网，然后到达管理节点。其中，每个汇聚节点所辖片区的WSN节点通过自组织形成一个小型网，网络中节点之间传递信息采用多跳路由协议，在每个片区中的节点都可以相互通信及进行数据转发，具有很强的协调能力。通过数据转发，最终片区网络中所有WSN节点采集到的数据都转发到了具有较强数据处理能力和通信能力的WSN-ONU中。然后依次通过EPON和以太网将处理后的数据发送到管理节点。
本发明的优势在于：WSN中WSN节点采集并发送出的信息不再需要汇聚节点通过电的形式接入以太网，而是由WSN-ONU将汇集的数据以光信号的形式传入EPON，通过EPON来支持节点数量庞大的WSN；而且EPON能够提供更大的传输容量，更好的满足日益增大的WSN节点数量对网络带宽的要求。
实施例三
结合本发明在农业环境监测中的应用与图6，进一步说明：
图6显示了WSN-EPON在农业环境监测中的应用。温度湿度和土壤的酸碱度对植物的生长具有很重要的作用，但是经常由专门的土壤分析人员对土壤做测量和化学分析费时费力，是不现实的。分布于农田边缘的具有传感器功能的WSN节点，用于测定土壤中的水分含量，土壤Ph值和气温等环境指标并将这些数据以无线的方式发送到WSN-ONU。然后这些数据通过EPON中的局端设备OLT进入到以太网；在以太网的另一端管理节点将接收到这些信息，并发送控制命令来激活或禁用某些WSN节点。这样管理者可以在远处了解到当前农田的环境状况，根据农时激活或限制节点的不同的监测功能。我国是农业大国，本发明的相关技术的引用将便于大片农田的管理，节约人力，提高效率，有利于精准农业的推行。
实施例四
结合本发明在森林防火系统中的应用于图7，进一步说明：
图7显示了将WSN-EPON应用于森林防火系统。引起火灾的因素有很多如：温度、湿度、气压和风速等都直接对森林的火情造成影响，所以在WSN节点上安装有监测以上环境指标的传感器后可以对森林每块区域的情况实时监控，当发生火灾时能够准确的找到发生火灾的位置。数据传输的流程是：先由管理节点发出对森林各项情况指标进行查询的请求命令，通过以太网进入EPON，依次经过OLT、POS和WSN-ONU根据请求命令的具体要求，向相应区域的WSN节点发送请求命令。网络中的所有设备的ZigBee的MAC层都拥有一个唯一的IEEE地址。在放置节点时，把节点的编号和节点放置的地理位置相对应，并输入控制中心的数据库。这样只要记录下终端地址，再根据节点编号就可以很容易确定传感器的地理位置。在控制中心收到数据以后，通过对数据的分析，根据温度、湿度、气压、风速等信息的计算，可以评估出是否超过了火灾险情的界限，准确找到发送危险信息的地理位置，及时处理险情。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.用于WSN与EPON联网的通信节点WSN-OUN，包括ARM处理器，电源模块，RJ45接口，其特征在于：所述的通信节点WSN-OUN还包括一与WSN网络中各节点连接的无线收发模块和与EPON网络的POS节点连接的光电转换模块；所述的无线收发模块具有接收各WSN节点转发的数据、并将数据转变成电信号的无线接收单元，所述的无线接收单元与能将其输出的电信号转变成光信号的、并将所述的光信号传送至POS的光电转换模块连接；所述的无线接收单元和光电转换模块受控于所述的ARM处理器。
2.如权利要求1所述的用于WSN与EPON联网的通信节点WSN-OUN，其特征在于：所述的无线收发模块还包括能接收与以太网连接的管理节点的指令、并将指令发送至WSN节点的无线发送单元；所述的管理节点设有能对所有WSN节点进行网络配置、并将网络配置以指令形式发出的网络管理模块，所述的网络管理模块与所述的无线发送单元连接，所述的无线收发模块带有接收天线。
3.如权利要求2所述的用于WSN与EPON联网的通信节点WSN-OUN，其特征在于：所述的通信节点WSN-OUN具有保存所述的网络管理模块做出的指令的存储器。
4.使用如权利要求1所述的通信节点WSN-OUN的WSN与EPON联网，WSN具有大量的、布设在观测区域的WSN节点，所述的WSN节点之间通过自组织的形式相互连接；EPON包括接收光信号的POS节点和将来自POS的光信号传输至以太网的OLT，所述 的OLT通过GE接口将数据发送至以太网；其特征在于：所述的WSN节点通过WSN-OUN节点与POS连接，所述的WSN节点与WSN-OUN节点的无线接收单元连接，所述的POS通过光纤接口与WSN-OUN节点的光电转换模块连接。
5.如权利要求4所述的WSN与EPON联网，其特征在于：所述的WSN与EPON联网还具有与以太网连接、能对所有WSN节点进行网络配置的管理节点，所述的管理节点的网络管理模块与所述的WSN-OUN节点的无线发送单元连接。
6.如权利要求5所述的WSN与EPON联网，其特征在于：WSN-OUN和WSN节点通过无线链路连接。 
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Assignee: ZHEJIANG FUCHUNJIANG PHOTOELECTRIC SCIENCE & TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: Zhejiang University of Technology

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Denomination of invention: Communication node for interconnecting WSN and EPON

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

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Application publication date: 20101208

Assignee: Hangzhou Hibiscus Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022330000902

Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

Record date: 20221228

Application publication date: 20101208

Assignee: Lingqi Internet of Things Technology (Hangzhou) Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022330000931

Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

Record date: 20221229

Application publication date: 20101208

Assignee: Hangzhou Ruiboqifan Enterprise Management Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022330000903

Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

Record date: 20221228

Application publication date: 20101208

Assignee: Hangzhou Yuxuansheng Lighting Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022330000929

Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

Record date: 20221229

Application publication date: 20101208

Assignee: Zhejiang Yu'an Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: JIANG University OF TECHNOLOGY

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Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

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Assignee: Zhejiang cloud byte information technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

Granted publication date: 20120711

License type: Common License

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Assignee: Hangzhou Dam Technology Co.,Ltd.

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Denomination of invention: Communication node for WSN and EPON networking

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Granted publication date: 20120711