CN102291738A - 一种基于无线传感器网络的数据监测系统及其网关设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的数据监测系统及其网关设备。其中系统包括：远程监控中心；布置于监测区域的无线传感器网络；通过有线网络和无线网络连接远程监控中心的网关设备；远程监控中心建立与无线传感器网络和网关设备的连接后，通过网关设备发送采样指令，控制无线传感器网络采集监测节点数据，并通过网关设备接收无线传感器网络输出的监测节点数据后显示。由于在利用无线网络传输数据的同时，设置了有线网络，从而使得当有线网络或无线网络由于布置区域受限等情况出现中断时，可以相应切换到无线网络或有限网络来传输数据，相较于现有技术，提高了数据传输的稳定性，有利于系统的推广及应用。

Description

一种基于无线传感器网络的数据监测系统及其网关设备

技术领域

本发明属于无线数据传输技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的数据监测系统及其网关设备。

背景技术

随着人类对环境问题关注程度的提高，出现了一种通过采集环境数据对环境进行监测的数据监测系统。

一般地，数据监测系统包括部署于监测区域的多个传感器节点、网关设备、以及远程监测中心。传感器节点对环境数据进行实时采集，并通过网关设备发送到远程监测中心进行处理并显示。传统的数据监测系统中，数据的传输是通过电缆、光纤等有线方式实现的，具有传输稳定可靠，传输速率高等优点，但在环境恶劣、位置偏僻、监测点数目较多的地区，采用有线方式传输数据采用有线传输方式存在成本高、安装复杂、维护困难、监测工作效率低等缺陷。

为此，现有技术提出一种基于无线传感器网络的数据监测系统，其利用了现有的移动通信网络实现数据的传输。具体地，网关设备将环境数据通过移动通信网络发送到远程监测中心进行处理并显示。移动通信技术是当前发展最快、应用最广泛和最前沿的通信领域之一，且随着移动通信技术在国内的迅速发展，移动通信网络除了提供基本的语音业务服务之外，还提供了丰富的数据业务服务，克服了传统的数据监测系统存在的各种弊端。

然而，在移动信号覆盖较弱的区域，采用现有技术提供的基于无线传感器网络的数据监测系统会使得传输的数据不稳定，不利于推广及应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的数据监测系统，以解决在移动信号覆盖较弱的区域，应用现有技术提供的基于无线传感器网络的数据监测系统会使得传输的数据不稳定，不利于推广及应用的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种基于无线传感器网络的数据监测系统，所述系统包括：远程监控中心；布置于监测区域的无线传感器网络；通过有线网络和无线网络连接所述远程监控中心的网关设备；

所述远程监控中心建立与所述无线传感器网络和网关设备的连接后，通过

所述网关设备发送采样指令，控制所述无线传感器网络采集监测节点数据，并通过所述网关设备接收所述无线传感器网络输出的监测节点数据后显示。

本发明还提供了一种一种基于无线传感器网络的数据监测系统的网关设备，所述网关设备包括：

通过短距离无线通信网络连接一无线传感器网络的短距离无线通信单元；

通过互联网连接一远程监控中心的互联网通信单元；

通过移动通信网络连接所述远程监控中心的移动通信单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元以及移动通信单元的处理器单元；

连接所述处理器单元的外部存储单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元，并将外部供电电压转换成所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元所需的供电电压的电源管理单元；

所述短距离无线通信单元接收所述无线传感器网络输出的监测节点数据，并将所述监测节点数据进行打包处理后发送给所述处理器单元；所述处理器单元对所述监测节点数据进行处理，在监测节点数据的每一数据帧中按照协议帧结构加入网关编号，之后在校验完成后，将所述监测节点数据存入所述外部存储单元中进行数据存储；所述处理器单元读取所述外部存储单元中存储的监测节点数据，后经所述互联网通信单元或移动通信单元发送给所述远程监控中心。

本发明提供的基于无线传感器网络的数据监测系统在利用无线网络传输数据的同时，设置了有线网络，监测点传输数据在通过无线网络传输给远程监控中心的同时，还可以通过有线网络传输给远程监控中心，从而使得当有线网络或无线网络由于布置区域受限等情况出现中断时，可以相应切换到无线网络或有限网络来传输数据，相较于现有技术，提高了数据传输的稳定性，有利于系统的推广及应用。

附图说明

图1是本发明提供的基于无线传感器网络的数据监测系统的原理图；

图2是图1中网关设备的结构图；

图3是图2中处理器单元的电路图；

图4是图2中外部存储单元的电路图；

图5是图2中短距离无线通信单元的电路图；

图6是图2中移动通信单元的电路图；

图7是图2中互联网通信单元的电路图；

图8是图2中电源管理单元的电路图；

图9是图2中处理器单元的数据处理流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的基于无线传感器网络的数据监测系统包括：远程监控中心3；布置于监测区域的无线传感器网络1；通过有线网络和无线网络连接远程监控中心3的网关设备2。

远程监控中心3建立与无线传感器网络1和网关设备2的连接后，通过网关设备2发送采样指令，控制无线传感器网络1采集监测节点数据，并通过网关设备2接收无线传感器网络1输出的监测节点数据后显示，从而完成对监测节点数据的实时监测。

不同于现有技术提供的基于无线传感器网络的数据监测系统，本发明提供的基于无线传感器网络的数据监测系统在利用无线网络传输数据的同时，设置了有线网络，监测点传输数据在通过无线网络传输给远程监控中心3的同时，还可以通过有线网络传输给远程监控中心3，从而使得当有线网络或无线网络由于布置区域受限等情况出现中断时，可以相应切换到无线网络或有限网络来传输数据，相较于现有技术，提高了数据传输的稳定性，有利于系统的推广及应用。

其中的有线网络是基于现有各种有线通信协议而构成的传输网络，其中的无线网络是基于现有各种无线通信协议而构成的传输网络，优选地，有线网络是互联网，无线网络是移动通信网络；进一步优选地，有线网络是以太网，无线网络是通用分组无线服务(General Packet Radio Service，GPRS)网络。

其中的无线传感器网络1可以包括：多个采集监测节点数据的传感器11、以及汇集监测节点数据的汇聚节点12，汇聚节点12采用短距离无线通信网络连接网关设备2。多个传感器11可以基于现有各种拓扑结构进行布局，如星型网络、环形网络、树形网络等；短距离无线通信网络是基于现有各种短距离无线通信协议的网络，如蓝牙网络、WIFI网络等，本发明优选为紫蜂(Zigbee)网络。

具体地，远程监控中心3建立与无线传感器网络1和网关设备2的连接的步骤包括以下步骤：网关设备2上电并初始化后，分别通过有线网络和无线网络与远程监控中心3的具有独立IP的2个不同端口号建立Socket连接；网关设备2连接成功后，向远程监控中心3发送一网关上线回应帧，远程监控中心3收到该网关上线回应帧后，通过网关设备2向无线传感器网络1中的传感器发送一使能节点上线命令帧；传感器接收到该使能节点上线命令帧后，通过网关设备2发送一节点上线回应帧给远程监控中心3；远程监控中心3对传感器进行采样参数设置，并经网关设备2将设置参数发送给传感器；传感器根据该设置参数设置完成后，通过网关设备2向远程监控中心3发送一采样参数设置成功帧；远程监控中心3在收到该采样参数设置成功帧后，通过网关设备2发送采样指令。

当有线网络采用互联网，无线网络采用移动通信网络，且无线传感器网络1采用短距离无线通信网络连接网关设备2时，如图2示出了图1中网关设备2的结构。

具体地，网关设备2包括：通过短距离无线通信网络连接无线传感器网络1的短距离无线通信单元22；通过互联网连接远程监控中心3的互联网通信单元24；通过移动通信网络连接远程监控中心3的移动通信单元23；连接短距离无线通信单元22、互联网通信单元24以及移动通信单元23的处理器单元21；连接处理器单元21的外部存储单元25；连接短距离无线通信单元22、互联网通信单元24、移动通信单元23、处理器单元21以及外部存储单元25，并将外部供电电压转换成短距离无线通信单元22、互联网通信单元24、移动通信单元23、处理器单元21以及外部存储单元25所需的供电电压的电源管理单元26。其中的外部供电电压优选为太阳能蓄电池输出的电压，以使得系统达到节能的目的。

短距离无线通信单元22接收无线传感器网络1输出的监测节点数据，并将监测节点数据进行打包处理后发送给处理器单元21；处理器单元21对监测节点数据进行处理，在监测节点数据的每一数据帧中按照协议帧结构加入网关编号，之后在校验完成后，将监测节点数据存入外部存储单元25中进行数据存储；处理器单元21读取外部存储单元25中存储的监测节点数据，后经互联网通信单元24或移动通信单元23发送给远程监控中心3。

优选地，处理器单元21与短距离无线通信单元22之间通过通用异步接收/发送接口(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，UART)连接；处理器单元21与移动通信单元23之间通过UART接口连接；处理器单元21与外部存储单元25之间通过并行输入/输出接口连接；处理器单元21与互联网通信单元24之间通过串行外围设备接口(Serial Peripheral Interface，SPI)连接。

图3是图2中处理器单元21的电路图。

具体地，处理器单元21包括一ARM7芯片及其外围电路，其中的ARM7芯片优选型号为32位ARM7TDMI-S处理器LPC2106，其含有64KB的片内静态RAM，128KB片内Flash程序存储器。

图4是图2中外部存储单元25的电路图。

具体地，外部存储单元25优选为一Nand-flash内存，其型号优选为K9F1G08U0B，配有14个I/O口，通过并行I/O口与处理器单元21中的ARM7芯片相连，共有6个控制口和8个数据口，为了方便程序的编写，使用ARM7芯片连续的8个GPIO口与K9F1G08U0B的IO0～IO7接口通信。

图5是图2中短距离无线通信单元22的电路图。

具体地，短距离无线通信单元22优选为一型号为JN5148的模块，其具有超低功耗高性能无线控制器，采用增强的32位RISC处理器，集成了2.4GHzIEEE802.15.4兼容的收发器，128KB ROM，128KB RAM，以及各种丰富的模拟和数字接口，工作电压2.0V到3.6V。JN5148模块通过UART0与处理器单元21中的ARM7芯片通信，RXD0和TXD0分别为串口的数据接收和发送信号线；通过引脚一路ADC对电源管理单元26的输入电源进行采集。

图6是图2中移动通信单元23的电路图。

具体地，移动通信单元23包括一型号为MC55的模块，其要求的供电电压范围为3.3V～4.8V，电源管理单元26产生的5.0V电压经二极管压降成4.7V，满足模块的电压要求；MC55模块内嵌TCP/IP协议栈，可以方便的通过AT指令进行控制；采用串口1与处理器单元21中的ARM7芯片进行通信，RXD1和TXD1分别为串口的数据接收和发送信号线，负责数据的传输，硬件握手CTS和RTS实现数据的校验和错误重发功能；由于RXD1，CTS1，RING引脚在POWER DOWN模式处于高阻状态，因此使用150k的下拉电阻保证模块的安全性。

图7是图2中互联网通信单元24的电路图；

具体地，互联网通信单元24采用型号为W5100的网络芯片，其高度集成了成熟的TCP/IP协议栈、以太网MAC层，PHY层等，支持TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP和PPPoE等协议，它支持4个独立的Socket通信，内部16KB的发送/接收缓冲区可快速进行数据交换，最大有效通信率可达到25Mb/s。其使用时，无需考虑以太网的控制，只需进行简单的端口编程，实现简单。它提供直接总线和间接总线两种并行总线接口，以及串行SPI接口。W5100网络芯片通过SPI与处理器单元21中的ARM7处理器相连，4个I/O口是连续的，便于程序编写，MISO和MOSI负责数据的传输，SPICLK控制数据传送的同步时钟，W5100 RESET给W5100提供复位信号，W5100 INT是W5100的中断信号。

图8是图2中电源管理单元26的电路图；

具体地，电源管理单元26包括一次降压电路和二次降压电路。其中的一次降压电路包括一开关电源转换芯片，该开关电源转换芯片的型号优选为LM2576-5.0HVS，其具有可靠的工作性能，较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，其输入电压范围为7V～60V，最大稳压误差为4％，最大输出电流达3A，震荡频率为52KHz，工作温度-40℃～+125℃，电源转换效率在75％～88％之间。

本发明中，处理器单元21中的ARM7芯片采用双电压供电，其内核电源为1.8V，其接口电源为3.3V；互联网通信单元24中的W5100网络芯片采用3.3V和1.8V数字电源和模拟电源；由于二次压降较小，同时考虑波纹干扰和设计复杂度等因素，因此，本发明中，二次降压电路采用两块线性电源转换芯片，分别为一型号为REG1117-3.3的电源转换芯片和一型号为REG1117-1.8的电源转换芯片，二者的最大电压输出误差均为1％，REG1117-3.3的最大输出电流为800mA，REG1117-1.8的最大输出电流为1A。

为了便于对本发明中网关设备的理解，如图9是图2中处理器单元21的数据处理流程图。

在步骤S101中，处理器单元21在网关设备上电并初始化后，侦听数据；

在步骤S102中，判断移动通信单元与远程监控中心3是否建立连接，是则执行步骤S104，否则返回步骤S102。

在步骤S103中，判断互联网通信单元与远程监控中心3是否建立连接，是则执行步骤S104，否则返回步骤S102。

在步骤S104中，判断是否接收到数据包，是则执行步骤S105，否则执行步骤S107。

在步骤S105中，执行接收处理进程，对接收到的数据包进行处理。

在步骤S106中，将处理后的数据包存入外部存储单元，并读取。

在步骤S107中，判断是否有数据需要发送，是则执行步骤S108，否则执行步骤S109。

在步骤S108中，执行发送处理进程。

在步骤S109中，判断数据是否接收完毕，是则执行步骤S110，否则执行步骤S111。

在步骤S110中，断开处理进程。

在步骤S111中，判断接收是否超时，是则关闭端口，否则执行步骤S104。

本发明还提供了一种如上所述的基于无线传感器网络的数据监测系统的网关设备，其组成部分、各部分连接关系以及各部分的功能如上所述，在此不再赘述。

本发明提供的基于无线传感器网络的数据监测系统在利用无线网络传输数据的同时，设置了有线网络，监测点传输数据在通过无线网络传输给远程监控中心3的同时，还可以通过有线网络传输给远程监控中心3，从而使得当有线网络或无线网络由于布置区域受限等情况出现中断时，可以相应切换到无线网络或有限网络来传输数据，相较于现有技术，提高了数据传输的稳定性，有利于系统的推广及应用；另外，本发明在网关设备中集成有外部存储单元，增强了系统的数据处理及存储能力，便于实现网络数据融合，降低了与远程监控中心的通信开销。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述系统包括：远程监控中心；布置于监测区域的无线传感器网络；通过有线网络和无线网络连接所述远程监控中心的网关设备；

所述远程监控中心建立与所述无线传感器网络和网关设备的连接后，通过所述网关设备发送采样指令，控制所述无线传感器网络采集监测节点数据，并通过所述网关设备接收所述无线传感器网络输出的监测节点数据后显示。

2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述有线网络是互联网，所述无线网络是移动通信网络。

3.如权利要求2所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述有线网络是以太网，所述无线网络是通用分组无线服务网络。

4.如权利要求2所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述无线传感器网络包括：

多个采集监测节点数据的传感器；以及

汇集所述监测节点数据的汇聚节点，所述汇聚节点采用短距离无线通信网络连接所述网关设备。

5.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述短距离无线通信网络是紫蜂网络。

6.如权利要求4所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述网关设备包括：

通过所述短距离无线通信网络连接所述无线传感器网络的短距离无线通信单元；

通过所述互联网连接所述远程监控中心的互联网通信单元；

通过所述移动通信网络连接所述远程监控中心的移动通信单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元以及移动通信单元的处理器单元；

连接所述处理器单元的外部存储单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元，并将外部供电电压转换成所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元所需的供电电压的电源管理单元；

所述短距离无线通信单元接收所述无线传感器网络输出的监测节点数据，并将所述监测节点数据进行打包处理后发送给所述处理器单元；所述处理器单元对所述监测节点数据进行处理，在监测节点数据的每一数据帧中按照协议帧结构加入网关编号，之后在校验完成后，将所述监测节点数据存入所述外部存储单元中进行数据存储；所述处理器单元读取所述外部存储单元中存储的监测节点数据，后经所述互联网通信单元或移动通信单元发送给所述远程监控中心。

7.如权利要求6所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述处理器单元与所述短距离无线通信单元之间通过通用异步接收/发送接口连接；所述处理器单元与所述移动通信单元之间通过通用异步接收/发送接口连接；所述处理器单元与所述外部存储单元之间通过并行输入/输出接口连接；所述处理器单元与所述互联网通信单元之间通过串行外围设备接口连接。

8.如权利要求6所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述处理器单元包括一型号为LPC2106的ARM7芯片；所述外部存储单元包括一型号为K9F1G08U0B的内存；所述短距离无线通信单元包括一型号为JN5148的模块；所述移动通信单元包括一型号为MC55的模块；所述互联网通信单元包括一型号为W5100的网络芯片；所述电源管理单元包括一次降压电路和二次降压电路，所述一次降压电路进一步包括一型号为LM2576-5.0HVS的开关电源转换芯片，所述二次降压电路进一步包括一型号为REG1117-1.8的电源转换芯片和一型号为REG1117-3.3的电源转换芯片。

9.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的数据监测系统，其特征在于，所述远程监控中心建立与所述无线传感器网络和网关设备的连接的步骤包括以下步骤：

所述网关设备上电并初始化后，分别通过所述有线网络和无线网络与所述远程监控中心的具有独立IP的2个不同端口号建立Socket连接；

所述网关设备连接成功后，向所述远程监控中心发送一网关上线回应帧，

所述远程监控中心收到所述网关上线回应帧后，通过所述网关设备向所述无线传感器网络中的传感器发送一使能节点上线命令帧；

传感器接收到所述使能节点上线命令帧后，通过所述网关设备发送一节点上线回应帧给所述远程监控中心；

所述远程监控中心对传感器进行采样参数设置，并经所述网关设备将设置参数发送给传感器；

传感器根据所述设置参数设置完成后，通过所述网关设备向所述远程监控中心发送一采样参数设置成功帧；

所述远程监控中心在收到所述采样参数设置成功帧后，通过所述网关设备发送所述采样指令。

10.一种基于无线传感器网络的数据监测系统的网关设备，其特征在于，所述网关设备包括：

通过短距离无线通信网络连接一无线传感器网络的短距离无线通信单元；

通过互联网连接一远程监控中心的互联网通信单元；

通过移动通信网络连接所述远程监控中心的移动通信单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元以及移动通信单元的处理器单元；

连接所述处理器单元的外部存储单元；

连接所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元，并将外部供电电压转换成所述短距离无线通信单元、互联网通信单元、移动通信单元、处理器单元以及外部存储单元所需的供电电压的电源管理单元；

所述短距离无线通信单元接收所述无线传感器网络输出的监测节点数据，并将所述监测节点数据进行打包处理后发送给所述处理器单元；所述处理器单元对所述监测节点数据进行处理，在监测节点数据的每一数据帧中按照协议帧结构加入网关编号，之后在校验完成后，将所述监测节点数据存入所述外部存储单元中进行数据存储；所述处理器单元读取所述外部存储单元中存储的监测节点数据，后经所述互联网通信单元或移动通信单元发送给所述远程监控中心。

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