CN102421208B - 物联网系统的接入网关及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于ZigBee与GPRS或WiFi的物联网系统接入网关及该网关的运行方法。包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，其特征在于，所述处理器模块采用STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为其他模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电。本发明的有益效果在于，可以自动的选择GPRS或WiFi模式，工作寿命可达20年，扩展性较强。

Description

物联网系统的接入网关及其运行方法
技术领域
本发明属于无线通信网络技术领域，特别涉及一种基于ZigBee与GPRS或WiFi的物联网系统接入网关及该网关的运行方法。
背景技术
物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及接入网关(传感器网关)构成、网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成、应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口。目前，流行的接入网关一般基于ZigBee技术建立，如中国专利CN101784132公开的“基于WiFi和ZigBee的无线网络设备”，包括主控模块、ZigBee通信模块、电源模块等；CN200810139162.8“用于WiFi与ZigBee无线网络协议转换的嵌入式网关”，还公开了嵌入式网关的运行方法；CN10178342A“一种支持ZigBee协议和GPRS通信标准的无线传感器网络网关设备”，还公开了网关设备包括按键、液晶等单元。现有的接入网关存在诸多的不足，仅能固定ZigBee与GPRS或WiFi之间的通信，设备运行不稳定，工作寿命较低，网关体积较大。
发明内容
本发明提供了一种可以自动选择上行方式，设备运行稳定，工作寿命长，较强的可扩展性，体积较小的物联网系统接入网关。同时，本发明还提供了基于上述网关的运行方法。本发明的详细技术方案如下：
本发明的一种物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，其中处理器模块采用STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，复位模块为处理器模块，GPRS模块，WIFI模块提供复位信号，电源模块为其他模块进行供电。
本发明的物联网系统接入网关中，ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现；WiFi模块采用EMW3180芯片实现；GPRS模块采用SIM900A芯片实现。
本发明的物联网接入网关，其中电源模块采用TPS5430D与LM2575来实现；复位模块采用MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S来实现。
本发明的物联网接入网关，其中输入输出接口模块提供IIC接口、UART接口、GPIO接口。
本发明还提供了一种物联网接入网关的运行方法，具体包括如下步骤：
(1)系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；
(2)处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；
(3)初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；
(4)初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；
(5)明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；
(6)系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；
(7)系统将步骤(6)读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器。
上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(2)中自适应初始化的处理方法为：
(1)读取电子标签模块的信息；
(2)判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；
(3)根据电子标签内容进行系统初始化。
上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(3)中，自动选择上行网络设备：
(1)判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；
(2)如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
(3)如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
(4)如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。
上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(5)中明确ZigBee网络情况发送至公网服务器：
(1)发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；
(2)将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。
上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(6)、(7)中：
(1)系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
(2)系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
(3)将(1)、(2)中封装好的数据内容发送到公网服务器。
上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(1)、(2)订制物联网私有协议格式，物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。
本发明所用的元器件来源为：
STM32F103VCT6内核：ARM 32位的Cortex-M3CPU，最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz；FLASH：256K字节；RAM：48K字节；供电：2.0～3.6V；ADC：3个12位模数转换器；1μs转换时间；21个输入通道；转换范围：0至3.6V；DAC：2通道12位D/A转换器；DMA：12通道DMA控制器；5个串口，USB接口，CAN总线单片机，7个16位定时器。
STM32W ST公司生产，是高性能的IEEE802.15.4无线片上系统(SoC)，集成了2.4GHz IEEE802.15.4兼容的收发器，32位ARMCortex-M3微处理器，128KB RAM存储器以及基于ZigBee系统的外设。微处理器工作频率为6、12或24MHz，收发器有极好的RF性能，正常模式链接高达102dB，可配置到107dB，RX灵敏度为-99dBm，可配置到-100dB，正常模式输出功率+3dBm，可配置到+7dBm。
EMW3X80系列上海庆科信息技术有限公司开发的高速串口/Wi-Fi数据传输模块，它内部集成了TCP/IP协议栈和WiFi通讯模块驱动，包括EMW3080、EMW3180等不同型号产品。
SIM900A是一个2频的GSM/GPRS模块，工作频段为：EGSM900MHZ和DCS1800MHZ。SIM900A支持GPRS multi-slot class10/class8(可选)和GPRS编码格式CS-1，CS-2，CS-3和CS-4.
MC74VHC1G09是一种先进的高速CMOS 2-input并与开漏输出与硅栅制作CMOS技术.它实现了高速操作类似等效双极肖特基TTL同时保持低功耗CMOS耗散.内部电路由三个阶段，包括开放漏极输出，提供了功能设置输出开关水平.这使得MC74VHC1G09将用于界面5VVCC之间的任何电压电路电路和7V使用外部电阻和电源.该MC74VHC1G09输入结构时提供保护电压高达7V得到应用，无论电源电压.高速：tPD＝在4.3ns(Typ)VCC＝5V
低内部功耗：ICC＝2μA在TA＝25℃(最大)
掉电保护的输入端
引脚和功能兼容与其他标准逻辑系列
闭锁性能超过300mA
ESD性能：HBM＞2000V；MM＞200V，CDM＞1500V
SN74LVC1G08DBVR，采用SOT-23封装方式，制造商：TexasInstruments，产品种类：门(与/非与/或/非或)；产品：AND
逻辑系列：74LVC
电路数量：Single
高电平输出电流：-32mA
低电平输出电流：32mA
传播延迟时间：4.5ns3.3V
电源电压(最大值)：5.5V
电源电压(最小值)：1.65V
最大工作温度：85C
最小工作温度：-40C。
本发明的有益效果在于，可以自动的选择GPRS或WiFi模式，工作寿命可达20年，扩展性较强设备，设备外形较小。
附图说明
图1、电源模块LM2575、TPS5430DDA电路原理图；
图2、GPRS模块电路原理图；
图3、WiFi模块电路原理图；
图4、处理器模块电路原理图；
图5、ZigBee模块电路原理图；
图6、复位模块电路原理图；
图7、电子标签模块原理图。
具体实施方式
实施例1网关
本发明的物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，结合图1所示，所述处理器模块采用STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为处理器模块，GPRS模块，WIFI模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电。
结合图1所示，ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现；WiFi模块采用EMW3180芯片实现；GPRS模块采用SIM900A芯片实现。
结合图1所示，电源模块采用TPS5430D与LM2575来实现；所述复位模块采用MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S来实现。
结合图1所示，输入输出接口模块提供IIC接口、UART接口、GPIO接口。
实施例2运行方法
包括如下步骤：
(1)系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；
(2)处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；
自适应初始化的处理方法为：
1)读取电子标签模块的信息；
2)判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；
3)根据电子标签内容进行系统初始化。
步骤(1)、(2)订制物联网私有协议格式，物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。
(3)初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；
自动选择上行网络设备具体步骤为：
1)判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；
2)如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
3)如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
4)如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。
(4)初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；
(5)明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；
明确ZigBee网络情况发送至公网服务器：
1)发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；
2)将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。
(6)系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；
(7)系统将步骤(6)读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器。
1)系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
2)系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
3)将(1)、(2)中封装好的数据内容发送到公网服务器。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，GPRS模块，其特征在于，所述处理器模块采用STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为处理器模块，GPRS模块，WiFi模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电；
所述物联网系统接入网关的运行方法，包括如下步骤：
（1）系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；
（2）处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；
（3）初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；
（4）初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；
（5）明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；
（6）系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；
（7）系统将步骤（6）读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器；
所述物联网系统接入网关的运行方法的步骤（2）中自适应初始化的处理方法为：
（a）读取电子标签模块的信息；
（b）判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；
（c）根据电子标签内容进行系统初始化；
所述物联网系统接入网关的运行方法的步骤（3）中自动选择上行网络设备：
（d）判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；
（e）如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
（f）如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；
（g）如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。
2.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现；所述WiFi模块采用EMW3180芯片实现；所述GPRS模块采用SIM900A芯片实现。
3.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述电源模块采用TPS5430D与LM2575来实现；所述复位模块采用MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S来实现。
4.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述输入输出接口模块提供IIC接口、UART接口、GPIO接口。
5.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述物联网系统接入网关的运行方法的步骤（5）中明确ZigBee网络情况发送至公网服务器：
（1）发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；
（2）将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。
6.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述物联网系统接入网关的运行方法的步骤（6）、（7）中：
（1）系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
（2）系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；
（3）将（1）、（2）中封装好的数据内容发送到公网服务器。
7.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述物联网系统接入网关的运行方法的步骤（1）、（2）订制物联网私有协议格式，物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。
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