CN102340334A - 无线传感器网络转发器系统及方法 - Google Patents

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曹英晖
何丽莉
胡成全
崔洋
张磊
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Abstract

本发明涉及一种无线传感器网络转发器系统及方法,该系统通常由成对的无线传感器网络转发器组成,其特征在于所述无线传感器网络能采集和发送各种加载的传感器数据,无线转发器能够将接收到的无线传感器网络发送的数据信息进行透明处理,并把透明处理后的数据发送到无线传感器网络。本发明通过对数据信号的重新发送和转发,帮助扩大无线传感器网络的传输距离,该系统可以兼容各种不同的通信协议,实现无线传感器网络传输范围的扩展延伸,有利于部署大规模无线传感器网络应用,而且具有投资省、数据传输效率高、可靠性好等优点,是一种有利于对无线传感器网络中各种设备透明数据转发的无线传感器网络转发器系统。

Description

无线传感器网络转发器系统及方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术领域,特别是涉及一种能够扩展无线传感器网络传输范围的无线转发器系统。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)被认为是21世纪最重要的技术之一,是众多的传感器通过无线通信的方式,相互联系,处理、传递信息的网络。该网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技术,可以实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境或监测对象的信息,并对这些信息进行处理,传送给所需用户。无线传感器网络在军事、工业、交通、安全、医疗、探测以及家庭和办公环境等很多方面都有着广泛的用途,其研究、开发和应用,关系到国家安全、经济发展等各个重大方面,近年来在国际上引起了广泛的重视和投入。
目前典型的传感器网络通信体系通常由传感器节点群、基站(sink节点)和管理节点组成。大量传感器节点随机部署在感知区域内部或者附近,以自组织方式构成网络。采集数据之后以多跳中继方式将数据传至sink节点,由sink节点将收集到的数据通过互联网、卫星或移动通信网络传送到管理节点进行处理。用户通过管理节点对无线传感器网络进行配置和管理,发布监测任务以及收集监测数据。
基于IEEE 802.15.4的无线传感器网络由于廉价、简单、低功耗、低数据传输速率(250Kbit/s)以及工作于可免申请的ISM(工业、科学和医疗)2.4GHz频段的特点,在自动化控制、环境监控领域得到了广泛应用。其中短距离传输是无线传感器网络的众多特点之一,这一特点也说明了无线传感器网络在传输距离上受限的问题。在部署大规模无线传感器网络应用中,如何延伸无线传感器网络的传输范围成为至关重要的技术攻关。
发明内容
本发明的目的是提供一种无线传感器网络转发器系统,该系统通常由成对的无线传感器网络转发器组成,在无线传感器网络中起到组网和通信作用。该系统通过对数据信号的重新发送和转发,来扩大无线传感器网络的传输距离,该系统可以兼容各种不同的通信协议,帮助实现无线传感器网络传输范围的进一步延伸。
本发明的目的通过以下的技术方案实现:一种无线传感器网络转发器系统,该系统由成对的无线传感器网络转发器组成。无线传感器网络转发器结构原理如图1所示,每一个无线传感器网络转发器由433MHz无线模块与无线通讯模块两部分组成。所述的无线通讯模块包括微处理器单元、无线数据收发单元、存储单元、电源管理单元、复位单元、天线。
微处理器单元(MCU),用于完成数据处理和逻辑运算;
无线数据收发单元,用于接收和发送射频信号;
存储单元,用于存储采集数据及本地压力表信息和状态参数;
电源管理单元,向微处理器单元提供无线数据远传模块的电压值;
复位单元,监视系统的电源电压,并在偏离正常范围时,即低于复位门限时,向微处理器单元发出一个复位信号;
所述433MHz无线模块是一款内置TCP协议的无线模块。所述微处理器单元采用TI公司的MSP430F149单片机。所述无线数据收发单元采用Chipcon公司的CC2420芯片。所述电源管理单元采用MAX708S芯片。所述复位单元采用IMP809芯片。所述存储单元采用可擦写存储器EEPROM。
本发明采用无线传感器网络技术,并以成对无线转发器的形式实现自动组网与无线通信功能。如图2所示,所述无线通讯模块能够采集各种加载的传感器数据,并将数据传送至433MHz无线模块,433MHz无线模块可将接收到的数据信息进行透明处理,并将处理后的数据从一个无线转发器的433MHz无线模块发送至与之配对的另一个无线转发器433MHz无线模块上,再通过无线通讯模块将数据无线发送出去。从而使无线传感器网络传输范围得以扩展延伸。
本发明设计了防破坏功能,可以在发现破坏行为时,具有状态报警机制,采用软件/硬件两种看门狗技术,可以实现系统运行状态的自动监控,以及异常处理功能。
本发明的有益效果是:有利于进一步延伸无线传感器网络的传输范围,适用于部署大规模无线传感器网络应用,同时本发明具有投资省、数据传输效率高、可靠性好等优点,是一种有利于对无线传感器网络中各种设备透明数据转发的无线传感器网络转发器系统。
附图说明
下面结合附图对本发明做出详细说明。
图1为单个无线传感器网络转发器的结构原理示意图;
图2本发明提供的网络通讯示意图;
图3为本发明提供的装置配对初始化流程图;
图4为本发明提供的433MHz频段探测流程图;
图5为本发明提供的2.4GHz频段探测流程图;
图6为本发明提供的转发器模块状态图。
具体实施方式
为进一步明确本发明的目的、技术方案和优点,以下参照附图,结合实施例对本发明进一步进行详细说明。
如图1所示,图1为单个无线传感器网络转发器的结构原理示意图。虚线内部为无线通讯模块,无线通讯模板包括微处理器单元(2)、无线数据收发单元(3)、存储单元(4)、电源管理单元(5)、复位单元(6)、天线(7)。电源(8)为433MHz模块(1)和无线通讯模块供电。无线通讯模块与无线传感器网络的终端节点、路由节点和基站节点之间进行通信,接收无线传感器网络中的数据信息和发送透明处理后的数据信息;微处理器单元(2)控制整个无线通讯模块的操作。
433MHz模块(1)与微处理器单元(2)之间采用双向通讯。无线数据传输模块中,电源管理单元(5)与微处理器(2)、复位单元(6)与微处理器单元(2)之间采用单向通讯;存储单元(4)与微处理器单元(2)、无线数据收发单元(3)与微处理器单元(2)、无线数据收发单元(3)与天线(7)之间采用双向通讯。
如图2所示,图2为本发明提供的网络通讯示意图。
本发明所提及的无线传感器网络转发器系统通常由成对的无线转发器组成,当无线转发器内部无线通讯模块通过2.4G频率信道(201)接收来自于附近的无线传感器网络发送的数据。无线通讯模块通过串行通讯(202)将数据传送至433MHz模块。无线转发器1(9)433MHz模块通过433MHz频率将数据无线传送至无线转发器2(10)的433MHz模块上,并通过无线转发器2(10)上的无线通讯模块以2.4G频率将数据发送至附近的无线传感器网络设备上。反之亦然,当无线转发器2接收到来自其附近的2.4GHz无线消息,经由433Mhz穿透障碍后由无线转发器1转发给附近的2.4GHz无线网络。无线传感器网络转发器系统数据透明化处理是使无线传感器网络中接收到转发器系统转发数据的节点收到的数据信息与未通过转发器系统转发前的信息完全一致,即实现无线传感器网络传输范围的透明化延伸。
如图3所示,图3为无线转发器的初始化流程图。
(1)当无线转发器初次启动后,首先处于无线静默状态;当现场操作人员按下初始化按钮后,无线转发器开始进行接力配对的操作;
(2)无线转发器开始进行接力配对时,首先在433MHz频率上发出TYPE号为1的消息,把自己的ID号周期广播出去;
(3)如果收到对方的1号消息,则记录对方ID号,不再接收其他1号消息,然后停止发送1号消息,开始周期发送2号消息,其中包含自身ID号和对方的ID号,请求建立接力配对;
(4)如果收到对方发出的2号消息,并且其中包含自己的ID号,不再接收其他2号消息,停止发送1号消息,并且回复3号消息,其中包含对方的ID号,并且确认该配对;
(5)如果收到3号消息,其中的ID号与自己相符,则确认该配对,停止发送2号消息。
无线转发器正常工作流程
(1).当无线转发器的无线通讯模块收到2.4GHz消息时,加上自身节点ID,然后向433MHz发送;
(2).当接收到来自433MHz的通信时,验证其中的ID标识与配对节点的ID相符,然后向2.4GHz转发。
中继器模块之间采用握手机制,保障通信的可靠。
(1).周期地在433MHz频率上进行探测,探测使用4号消息;
(2).如果收到对方发送的探测消息,则予以答复,答复用5号消息;
(3).如果连续多次探测失败,即不能收到对方的答复,则判断连接失败,停止转发工作,并按某种方式发出报警提示,直到按下初始化按钮。
(4).无线转发器在2.4G频率上定时探测,探测使用6号消息;如果发现能互相探测到,应当停止配对,转入报警提示,等待重新配对。
433MHz探测流程如图4所示;2.4GHz探测流程如图5所示。
如图6所示,图6为无线转发器整体状态图。

Claims (11)

1.无线传感器网络转发器系统,主要由无线传感器网络和一对转发器模块两部分组成,其特征在于所述无线传感器网络能将接收到的无线传感器网络发送的数据信息进行透明处理,并把透明处理后的数据发送到无线传感器网络。无线转发器的初始化采用如下步骤:(1)当无线转发器初次启动后,首先处于无线静默状态;当现场操作人员按下初始化按钮后,无线转发器开始进行接力配对的操作;(2)无线转发器开始进行接力配对时,首先在低频频率上发出广播消息,把自己的ID号周期广播出去;(3)如果收到对方的广播消息,则记录对方ID号,不再接收其他广播消息,然后停止发送广播消息,开始周期发送请求建立消息,其中包含自身ID号和对方的ID号,请求建立接力配对;(4)如果收到对方发出的请求建立消息,并且其中包含自己的ID号,不再接收其他请求建立消息,停止发送广播消息,并且回复确认消息,其中包含对方的ID号,并且确认该配对;(5)如果收到确认消息,其中的ID号与自己相符,则确认该配对,停止发送请求建立消息。无线转发器工作流程采用如下步骤:(1)当无线转发器的无线通讯模块收到2.4GHz高频消息时,加入自身节点ID,然后向433MHz低频发送;(2)当接收到来自433MHz低频的通信时,验证其中的ID标识与配对节点的ID相符,然后向2.4GHz高频转发。中继器之间采用握手机制,保障通信的可靠。(1)周期地在433MHz低频频率上进行探测,探测使用维持通信消息;(2)如果收到对方发送的探测消息,则予以答复,答复用确认消息;(3)如果连续多次探测失败,即不能收到对方的答复,则判断连接失败,停止转发工作,并按某种方式发出报警提示,直到按下初始化按钮。(4)无线转发器在2.4G高频频率上定时探测,探测使用异常通信消息;如果发现能互相探测到,应当停止配对,转入报警提示,等待重新配对。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,支持多种网络通信的连接方式,其中包括:通过基于IEEE 802.15.4在2.4GHz无线射频通信,通过433MHz无线射频通信。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,转发器模块采用成对的转发器模块,任意两个转发器动态绑定机制。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,转发器模块包括无线通讯单元,处理器单元和能量供应单元。无线通讯单元与无线传感器网络中的终端节点、路由节点和基站节点之间进行通信,接收无线传感器网络中的数据信息和发送透明处理后的数据信息;处理器单元控制整个转发器模块的操作,透明处理接收的数据信息。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,转发器模块设计了防破坏功能,可以在发现破坏行为时,具有状态报警机制。
6.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,转发器模块结构上微处理器与存储器、无线接收器相连接,转发器模块结构上电源与微处理器、存储器、无线接收器相连接。
7.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于所述系统中,采用软件/硬件两种看门狗技术,可以实现系统运行状态的自动监控,以及异常处理功能。
8.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于无线传感器网络转发器系统转发器模块是成对使用,当转发器模块1接收到来自于其附近的2.4G频率上的无线通信时,把该消息通过串口传给433MHz通信模块,使用穿透障碍比较强的433MHz频率发送给转发器模块2,再由转发器模块2转发到其附近的2.4GHz无线通信网络。反之亦然,当转发器模块2接收到来自其附近的2.4GHz无线消息,经由433Mhz穿透障碍后由转发器模块1转发给附近的2.4GHz无线通讯网络。
9.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于无线传感器网络转发器系统转发器模块之间采用握手机制,保障通信的可靠。
10.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于无线传感器网络转发器系统数据透明化处理是使无线传感器网络中接收到转发器系统转发数据的节点收到的数据信息与未通过转发器系统转发前的信息完全一致,即无线传感器网络转发器系统对整个无线传感器网络是透明的。
11.根据权利要求1所述的无线传感器网络转发器系统,其特征在于无线传感器网络转发器系统方法包括配置和执行任务代码、无线传感器网络数据接收、接收数据透明化处理、数据的远程传输和接收数据的接收与处理步骤。
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