CN102523633B - 一种无线传感器网络网关设备及其信道算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络网关设备及其信道算法，该设备包括无线传感网协调器模块、微处理器模块、以太网模块、WLAN模块、TD-SCDMA/GPRS/GSM模块；其中所述无线传感器网络网关设备通过无线传感网协调器模块同无线传感网各个节点进行数据收发，通过以太网模块或WLAN模块与Internet互联，或者通过TD-SCDMA/GPRS/GSM模块与公共无线通信网互联。该设备除了常规的以太网、串口等有线方式、还提供Wlan、3G(TD-SCDMA)等宽带无线连接方式，以满足不同环境和不同应用的数据转发需要。

Description

一种无线传感器网络网关设备及其信道算法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种无线通信技术，尤其是一种具备多种网络互联接口的无线传感器网络网关设备及方法。

背景技术

无线传感器网络是新一代的传感器网络，具有非常广泛的应用前景，其发展和应用，将会给人类的生活和生产的各个领域带来深远影响。无线传感器网络技术是一种应用于短距离、低传输数据速率下的电子设备之间的无线通信技术。具有功耗低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好、安全性高、实现成本低等特点。

无线传感网网关作为无线传感网络的一部分，属于中心节点类型，在整个网络中具有唯一性。所有无线传感网节点收集的数据，通过无线传感网汇聚到无线传感网网关，并由无线传感网网关进行地址、协议转换后，转发到互联网、以太网等其他网络上的网络平台，或者终端设备；反之网络平台下发的消息和命令也会通过无线传感网网关进行地址、协议转换后发送到无线传感网的各个节点。无线传感网网关是无线传感网网络和其他数据网络的中转站。

现有无线传感网网关设备与其他网络之间的连接方式分为有线与无线两种方式，其中有线方式主要是以太网和现场总线方式，具备较高的传输率和可靠性。但是有线连接方式受到无线传感网设备部署环境的限制，在许多设备应用场合存在布线困难、施工周期长、实施成本昂贵等问题，因此，无线传感网网关设备与其他网络之间采用无线通讯连接，是一种必要的方式。

目前无线传感网网关设备与其他网络之间常见的无线连接方式是利用移动通讯网络来实现，主要通过在网关设备上添加GPRS和CDMA模块来实现，但是存在速率较低，数据量小等问题，且受移动通讯网络覆盖面的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种无线传感器网络网关设备及其信道算法，该设备除了常规的以太网、串口等有线方式、还提供Wlan、3G(TD-SCDMA)等宽带无线连接方式，以满足不同环境和不同应用的数据转发需要。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种具备多种网络互联接口的无线传感器网络网关设备，其包括无线传感网协调器模块、微处理器模块、以太网模块、WLAN模块、TD-SCDMA/GPRS/GSM模块；其中所述无线传感器网络网关设备通过无线传感网协调器模块同无线传感网各个节点进行数据收发，通过以太网模块或WLAN模块与Internet互联，或者通过TD-SCDMA/GPRS/GSM模块与公共无线通信网互联。

上述微处理器模块承担的任务是数据的转发和网关各个部分系统配置及管理服务，负责所述ZigBee模块、WLAN模块和TD-SCDMA/GPRS/GSM模块同时应用所需的协调和管理任务。。

上述无线传感网协调器模块采用单芯片方案，由MCU和IEEE802.15.4无线收发器组成，所述MCU内置有多种网络协议栈，具有模拟与数字应用接口，且内置有128-bitAES加密器件。

上述以太网模块采用多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，能够实现没有操作系统的Internet连接，与IEEE802.310Base-T以及802.3u 100BASE-TX兼容；所述以太网模块内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层和物理层；所述以太网模块内部还集成有16KB存储器用于数据传输。

上述全硬件的TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。

本发明还提出一种上述无线传感器网络网关设备的信道算法，具体包括以下步骤：

1)初始化WiFi模块，确定WiFi信道，初始化ZigBee模块，扫描并确定可用信道；

2)如果无线信道存在冲突，启用时序控制机制；

3)启动WiFi模块，开始WiFi数据传输；

4)如果传输时间到了，则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输；如果传输时间未到，则检查WiFi数据是否传输完，如是则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输，如否，则继续数据传输；

5)上述步骤中WiFi数据传输完成后，进行Zigbee数据传输，如果传输时间到，则关闭Zigbee模块，如果传输时间未到，则继续数据传输直至传输时间到为止。

本发明通过采用WLAN和3G技术，为无线传感网设备与以太网/互联网上的平台或终端设备之间提供多种可选的信息通道，提供多种有线、无线宽带连接方式：在具备有线接入方式的场合，可以采用以太网或串口连接，在需要采用无线连接的场合，如果有无线局域网覆盖，可以采用WiFi连接，如果有移动通讯网覆盖，可以通过3G模块建立无线通讯连接，在没有3G移动通讯网覆盖的地方，3G模块也可以工作在GPRS网络中，这样就实现了不同环境和不同应用的数据转发需要。

附图说明

图1为本发明的无线传感器网络网关设备连接示意图；

图2为本发明涉及的信道选择图，其中(a)为IEEE 802.11b信道选择图，(b)为IEEE 802.15.4信道选择图；

图3为本发明的信道算法流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，该种无线传感器网络网关设备，包括无线传感网协调器模块、微处理器模块、以太网模块、WLAN模块、TD-SCDMA/GPRS/GSM模块；其中所述无线传感器网络网关设备通过无线传感网协调器模块同无线传感网各个节点进行数据收发，通过以太网模块或WLAN模块与Internet互联，或者通过TD-SCDMA/GPRS/GSM模块与公共无线通信网互联。

微处理器模块承担的任务是数据的转发和网关各个部分系统配置及管理服务，各个无线通讯模块同时应用所需的协调和管理任务。

无线传感网协调器模块采用单芯片方案，由MCU和IEEE802.15.4无线收发器组成，MCU内置有多种网络协议栈，具有丰富的模拟与数字应用接口，且内置有128-bit AES加密器件。其负责与无线传感网的各个节的网络通讯和网络管理。

以太网模块采用多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。可以实现没有操作系统的Internet连接，与IEEE802.310Base-T以及802.3u 100BASE-TX兼容。模块内部集成了全硬件的、且经过多年验证的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层(MAC)和物理层(PHY)。硬件TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE，这些协议已经在很多领域经过了多年验证。内部还集成有16KB存储器用于数据传输。使用中不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口(Socket)编程。

WLAN模块：实现无线局域网Wifi接入功能。

该模块支持的数据传输速率可达11Mbps，与802.11b标准相兼容，并符合监管机构和Wi-Fi联盟的要求。

3G模块：实现基于TD-SCDMA的3G宽带无线连接。

该模块是一款满足工业级要求的嵌入式模块产品，支持网络制式：TD-SCDMA/HSUPA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE，提供的业务：数据、语音、彩信、短消息等，可作为M2M模块使用，有C接口的二次开发平台。该模块支持中国移动标准AT命令集。

以上微处理器模块接收来自无线传感网协调器模块的信息，根据当前的外部络连接状态，选择合适的网络接口，转发相应的信息。微处理器模块通过SPI总线连接到局域网模块，处理以太网接口的信息收发。微处理器模块也可以使用串口与外部通讯。如果需要采用无线通讯方式，可以根据现场条件，在网关设备的专用插座上选择安装WLAN模块，或者3G模块。微处理器模块可以自动识别网关设备当前所使用的是WLAN模块或者3G模块。微处理器模块与WLAN模块或者3G模块之间采用高速UART接口电路连接，实现无线宽带数据转发需要。

由于IEEE 802.15.4(ZigBee)和EEE 802.11b(WiFi)设备都使用2.4GHz的ISM频段。因此，我们需要关注在WiFi干扰环境下的ZigBee的性能。

ZigBee技术的抗干扰特性主要是指抗同频干扰，即来自共用相同频段的其他技术的干扰。对于同频干扰的抵御能力是极为重要的，因为它直接影响到设备的性能。ZigBee在2.4GHz频段内具备强抗干扰能力就意味着能够可靠地与WiFi共存。

IEEE 802.15.4标准中提供了很多机制来保证ZigBee在2.4GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。采用的主要技术是：

空闲信道评估(Clear Channel Assessment，CCA)，IEEE 802.15.4物理层在CSMACA机制中提供CCA的能力，即如果信道被其他设备占用，允许传输退出而不必考虑采用的通信协议。

动态信道选择(Dynamic Channel Selection，DCS)，ZigBee PAN中的协调器首先要扫描所有的信道，然后再确认并加入一个合适的PAN，而不是自己去创建一个新的PAN，这样就减少了同频段PAN的数量，降低了潜在的干扰。如果干扰源出现在重叠的信道上，协调器上层的软件要应用信道算法选择一个新的信道。

信道算法

Zigbee的底层标准把2.4GHz的ISM频段划分为16个信道，每个信道带宽为2MHz。WiFi将该频段划分为11个直扩信道，系统可选定其中任一信道进行通信，信道带宽为22MHz。

可以对比IEEE 802.11b和IEEE 802.15.4信道算法，见图2，有4个IEEE 802.15.4信道(n＝15，16，21，22)落在3个IEEE 802.11b信道的频带间距上。这些间距上的能量不为零，但是会比信道内的能量低，将这些信道作为IEEE802.15.4网络的工作信道可以将系统间干扰降至最小。相反，假定WiFi系统工作在任一信道，则Zigbee和其信道频率重叠的概率为1/4。当Zigbee和WiFi同时使用相同频段通信时，产生带内有色噪声干扰，导致传输分组冲突。

参见图3，本发明提出的信道算法具体步骤为：

1)初始化WiFi模块，确定WiFi信道，初始化ZigBee模块，扫描并确定可用信道；

2)如果无线信道存在冲突，启用时序控制机制；

3)启动WiFi模块，开始WiFi数据传输；

4)如果传输时间到了，则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输；如果传输时间未到，则检查WiFi数据是否传输完，如是则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输，如否，则继续数据传输；

5)上述步骤中WiFi数据传输完成后，进行Zigbee数据传输，如果传输时间到，则关闭Zigbee模块，如果传输时间未到，则继续数据传输直至传输时间到为止。

综上所述，本发明通过采用WLAN和3G技术，为无线传感网设备与以太网/互联网上的平台或终端设备之间提供多种可选的信息通道，提供多种有线、无线宽带连接方式，在具备有线接入方式的场合，可以采用以太网或串口连接。在需要采用无线连接的场合，如果有无线局域网覆盖，可以采用WiFi连接，如果有移动通讯网覆盖，可以通过3G模块建立无线通讯连接，，在没有3G移动通讯网覆盖的地方，3G模块也可以工作在GPRS连接方式下。这样可以满足不同环境和不同应用的数据转发需要。

Claims (2)

1.一种无线传感器网络网关设备，其特征在于，包括无线传感网协调器模块、微处理器模块、以太网模块、WLAN模块、TD-SCDMA/GPRS/GSM模块；其中所述无线传感器网络网关设备通过无线传感网协调器模块同无线传感网各个节点进行数据收发，通过以太网模块或WLAN模块与Internet互联，或者通过TD-SCDMA/GPRS/GSM模块与公共无线通信网互联；所述微处理器模块：承担的任务是数据的转发和网关各个部分系统配置及管理服务，负责所述无线传感网协调器模块、WLAN模块和TD-SCDMA/GPRS/GSM模块同时应用所需的协调和管理任务；所述无线传感网协调器模块采用单芯片方案，由MCU和IEEE802.15.4无线收发器组成，所述MCU内置有多种网络协议栈，具有模拟与数字应用接口，且内置有128-bit AES加密器件；所述以太网模块采用多功能的单片网络接口芯片，内部集成有10/100以太网控制器，能够实现没有操作系统的Internet连接，与IEEE802.310Base-T以及802.3u 100BASE-TX兼容；所述以太网模块内部集成了全硬件的TCP/IP协议栈、以太网介质传输层和物理层；所述以太网模块内部还集成有16KB存储器用于数据传输；所述无线传感器网络网关设备的信道数据传输方法，包括以下步骤：

1)初始化WiFi模块，确定WiFi信道，初始化ZigBee模块，扫描并确定可用信道；

2)如果无线信道存在冲突，启用时序控制机制；

3)启动WiFi模块，开始WiFi数据传输；

4)如果传输时间到了，则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输；如果传输时间未到，则检查WiFi数据是否传输完，如是则关闭WiFi模块，启动Zigbee模块，开始Zigbee数据传输，如否，则继续数据传输；

在WiFi数据传输完成后，进行Zigbee数据传输，如果传输时间到，则关闭Zigbee模块，如果传输时间未到，则继续数据传输直至传输时间到为止。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络网关设备，其特征在于，所述全硬件的TCP/IP协议栈支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP和PPPoE。