CN102547944A

CN102547944A - 实现无电环境下长期工作的物网网关及实现方法

Info

Publication number: CN102547944A
Application number: CN2012100631921A
Authority: CN
Inventors: 徐刚; 刘雪岩; 宗瞻; 凌育韶
Original assignee: SHANGHAI YIYUNWULIAN SCIENCE AND TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: Shanghai Yi Yun health management consulting Co., Ltd.
Priority date: 2012-03-11
Filing date: 2012-03-11
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2032-03-11
Also published as: CN102547944B

Abstract

一种实现无电环境下长期工作的物联网网关，所述物联网网关用于接收并传输前端各种传感设备的采集数据，包括微控制器、内置电源模块、复位晶振模块、通讯接口模块，其中：内置电源模块：用于提供电力；复位晶振模块：包括晶振芯片、可编程分频器和复位模块，所述晶振芯片和可编程分频器是用于利用晶振芯片的基准频率引脚得到正逻辑输入的频率，再利用分频比使输出频率变成预设置时钟所需的低频信号，用于定时或事件触发式地向微控制器提供时钟信号，所述复位模块用于触发网关复位；微控制器：分别连接内置电源模块和复位晶振模块，用于在复位晶振模块的唤醒下，通过通讯接口模块接收数据并传输数据至后端接口后，停止工作，进入设备休眠状态。本网关的定时上传功能，能够最大限度的利用内置电池电量，使网关设备工作尽可能长的时间，在某些农林、矿山等特殊环境和特殊需要的场合发挥巨大作用。

Description

实现无电环境下长期工作的物网网关及实现方法

技术领域

本发明涉及一种网关领域，尤其涉及一种实现无电环境下长期工作的物网网关及实现方法。

背景技术

常在远端配置的网关都是有固定电源，并能给设备长期供电的，或者如车载系统设备，长期有蓄电池供电。但这样的网关设备在某些极端环境下却无法适用，比如大多数的第一产业(农、林、畜牧业等)等领域。

在上述提及到的极端环境下，由于不能提供长期供电的设备，因此如网关等就不能工作，因此就不能应用现代化的手段来获得极端环境下的数据，并对其进行控制或监控。然而，这种环境下才更需要自动化的采集、控制等监控。为此，考虑到现有内置电池的技术的发展，也可以将网关内设置内置电池，但是网关用于接收并传输前端采集到的信号的，网关需要24小时开机，内置电池的使用寿命就非常短，过非常短的周期就需要进行更断，不仅成本高，而且带来的维护成本也非常高。一个物联网中设置多个这种网关，网关24小时开机导致内置电池使用寿命短，会给整个物联网的运营带来诸多不便：运营成本增加、运营监管维度增加等。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种实现无电环境下长期工作的物网网关，以解决现有技术中不能在无电环境下长期工作的技术问题。

本发明的第二目的在于提供一种物联网网关实现无电环境下长期工作的方法，以解决现有技术中不能在无电环境下长期工作的技术问题。

一种实现无电环境下长期工作的物联网网关，所述物网网关用于接收并传输前端各种传感设备的采集数据，包括微控制器、内置电源模块、复位晶振模块、通讯接口模块，其中：

内置电源模块：用于提供电力；

复位晶振模块：包括晶振芯片、可编程分频器和复位模块，所述晶振芯片和可编程分频器是用于利用晶振芯片的基准频率引脚得到正逻辑输入的频率，再利用分频比使输出频率变成预设置时钟所需的低频信号，用于定时或事件触发式地向微控制器提供时钟信号，所述复位模块用于触发网关复位；

微控制器：分别连接内置电源模块和复位晶振模块，用于在复位晶振模块的唤醒下，通过通讯接口模块接收数据并传输数据至后端接口后，停止工作，进入设备休眠状态。

较佳地，本网关还包括一个SMS模块，所述SMS模块连接微控制器，用于通过短信指令远程设置、修改复位晶振的触发时间间隔。

较佳地，所述通讯接口模块还包括GSM Modem，微控制器利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，以控制收发SMS。

较佳地，所述复位模块包括CPU、包括复位控制寄存器在内的若干个寄存器，所述该些寄存器连接CPU，所述复位控制寄存储器，用于保存器械复位的所有复位源的当前状态位信息、含义及初始化条件，CPU接收复位源产生的主复位信息

与CPU和外设相关的寄存器按预先的设定被强制变为一个已知的“复位状态”，复位后，初始化代码应该检查RCON并确定复位源，在读取了RCON寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RCON值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。

一种物联网网关实现无电环境下长期工作的方法，包括：

(1)在网关内设置内置电源模块和复位晶振模块；

(2)当本网关工作时，首先网关判断供电类型：如果没有外接电源，而是内置电池供电时，则全设备进入低功耗运行模式，网关正常采集数据后将数据包上传至后端，然后网关停止工作，进入设备休眠模式；

(3)网关对复位晶振模块预设启动间隔时间：当检测到设备无外接电源时，复位晶振模块开始工作，到达指定时间间隔时，唤醒网关设备开始工作，上传数据后自动休眠，直到复位晶振模块的下一次唤醒，如此循环从而使整个网关可以达到长期定时上传数据的功能。

较佳地，对复位晶振模块的设置可以为以下方式的其中之一：

本网关直接预设触发间隔时间；

通过无线网络远程设置、修改模组触发间隔时间；

还利用SMS模块，通过指令短信的方式远程设置、修改复位晶振模块的触发时间间隔。

较佳地，还包括：设置GSM Modem，微控制器利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，以控制收发SMS。

较佳地，还包括：

利用晶振芯片的基准频率引脚得到正逻辑输入的频率，再利用分频比使输出频率变成预设置时钟所需的低频信号，用于定时或事件触发式地向微控制器提供时钟信号。

本方法还包括：设置包括CPU、包括复位控制寄存器在内的若干个寄存器，所述该些寄存器连接CPU，所述复位控制寄存储器，用于保存器械复位的所有复位源的当前状态位信息、含义及初始化条件；

CPU接收复位源产生的主复位信息

与CPU和外设相关的寄存器按预先的设定被强制变为一个已知的“复位状态”；

复位后，初始化代码应该检查RCON并确定复位源，在读取了RCON寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RC0N值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。

本网关的定时上传功能，能够最大限度的利用内置电池电量，使网关设备工作尽可能长的时间，在某些农林、矿山等特殊环境和特殊需要的场合发挥巨大作用。本网关使用内置2400mAH工业锂电池，在网关设备每天上传两次数据的情况下，全设备能够连续工作90天以上。

附图说明

图1为实现无电环境下长期工作的物网网关的原理图；

图2为晶振芯片示意图；

图3为复位模块的一种实例原理图。

具体实施方式

以下结合附图，具体说明本发明。

实例

一种实现无电环境下长期工作的物联网网关，所述物联网网关用于接收并传输前端各种传感设备的采集数据，包括微控制器11、电源模块16(包括内置电源模块)、复位晶振模块12、通讯接口模块。其中通讯接口模块可以包括射频收发模块24、无线通讯模块25、3G通讯模块17、GPS模块18及SMS模块20。这些模块都是现有技术，在此就不再详细说明。在本实例中，还包括用于存储数据的数据存储模块19、扩展模块接口13等。在本实例中，

内置电源模块：用于提供电力；

复位晶振模块12：包括晶振芯片、可编程分频器和复位模块，所述晶振芯片和可编程分频器是用于利用晶振芯片的基准频率引脚得到正逻辑输入的频率，再利用分频比使输出频率变成预设置时钟所需的低频信号，用于定时或事件触发式地向微控制器提供时钟信号，所述复位模块用于触发网关复位；

微控制器11：分别连接内置电源模块和复位晶振模块12，用于在复位晶振模块的唤醒下，通过通讯接口模块接收数据并传输数据至后端接口后，停止工作，进入设备休眠状态。

(1)晶振模块设计

本网关晶振采用精工爱普生的时标IC SPG8650B模块。精工爱普生时标IC模块由晶振SPG8650B和可编程分频器两级构成，在本网关运行中需要正确的时钟信号，而且是低频信号。在本设计中采用分频IC(触发器串联计数IC)将晶振输出信号进行分频。如图2所示，即利用基准频率CTL3引脚得到正逻辑输入的频率，再利用分频比CTL4从而使输出频率变为1/100，得到8.83kHz频率输出，即设计所需时钟信号。由于分频器是现有技术即可实现，在此就再详细说明。

(2)复位模块

复位模块可以利用微控制模块11的CPU，也可以自己独立设置一CPU。复位模块可以包括CPU、包括复位控制寄存器在内的若干个寄存器，所述该些寄存器连接CPU，所述复位控制寄存储器，用于保存器械复位的所有复位源的当前状态位信息、含义及初始化条件，CPU接收复位源产生的主复位信息与CPU和外设相关的寄存器按预先的设定被强制变为一个已知的“复位状态”，复位后，初始化代码应该检查RCON并确定复位源，在读取了RCON寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RCON值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。也就是说，

●复位模块结合了所有复位源并控制器件(CPU)的主复位信号

来进行复位(请参阅图3，其为一种实施例)。

以下列出了器件的复位源：

·POR：上电复位

·MCLR：引脚复位

·SWR：RESET指令

·WDTR：定时器复位

·BOR：欠压复位

·CM：配置不匹配复位

·TRAPR：陷阱冲突复位

·IOPUWR：非法操作码/未初始化的W寄存器复位

任何激活的复位源都会产生

信号。许多与CPU和外设相关的寄存器均会被强制变为一个已知的“复位状态”。大多数寄存器都不受复位影响；它们的状态在POR时未知，而在所有其他复位时不变。

●任何类型的器件复位都会将RCON复位寄存器中相应的状态位置1，以表明复位类型。

上电复位会将除BOR和POR位(RCON<1：0>)以外的所有位清零，BOR和POR位被置1。

在代码执行过程中的任何时候将任何位置1或清零。RCON位仅用作状态位。在控制软件中将特定的复位状态位置1不会导致器件复位发生。

RCON寄存器和状态位值，RCON寄存器的状态位在不同的复位情形下会分别被置1或清零。

●RCON：复位控制寄存器(请参图以下表1，其为复位控制寄存器一种结构示例表)

bit 15TRAPR：陷阱复位标志位

1＝发生了陷阱冲突复位

0＝未发生陷阱冲突复位

bit 14IOPUWR：非法操作码或未初始化的W寄存器访问复位标志位

1＝检测到非法操作码、非法地址模式或未初始化的W寄存器用作地址指针而导致复位

0＝非法操作码或未初始化的W寄存器均未发生

bit 13-10未实现：读为0

bit 9CM：配置不匹配标志位

1＝发生了配置不匹配复位

0＝未发生配置不匹配复位

bit 8VREGS：稳压器待机使能位

1＝稳压器在休眠期间保持工作

0＝稳压器在休眠期间进入待机模式

bit 7EXTR：外部复位(MCLR)引脚位

1＝发生了主清零(引脚)复位

0＝未发生主清零(引脚)复位

bit 6SWR：软件RESET(指令)标志位

1＝执行了RESET指令

0＝未执行RESET指令

bit 5SWDTEN：WDT位的软件使能/禁止(1)

1＝WDT开启

0＝WDT关闭

bit 4WDTO：定时器超时标志位

1＝发生了WDT超时

0＝未发生WDT超时

bit 3SLEEP：从休眠状态唤醒标志位

1＝器件处于休眠模式

0＝器件不处于休眠模式

bit 2IDLE：从空闲状态唤醒标志位

1＝器件处于空闲模式

0＝器件不处于空闲模式

bit 1BOR：欠压复位标志位

1＝发生了欠压复位。注意BOR在上电复位后将置1。

0＝未发生欠压复位

bit 0POR：上电复位标志位

1＝发生了上电复位

0＝未发生上电复位

●RCON寄存器的状态位、含义以及初始化条件(请参阅以下表2)

RCON寄存器的状态位、含义以及初始化条件

复位后，初始化代码应该检查RCON并确定复位源。可利用此信息采取适当措施纠正造成复位的错误。在读取了RCON寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RCON值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。

●上电复位(POR)

POR监视内核电源是否达到足够的电平，以确保芯片正常工作。

检测到正确的门限电压后，立刻发生上电事件，而POR模块则开始休眠，以降低功耗。

在产生上电复位脉冲之后，上电事件会将BOR和POR状态位(RCON<1:0>)置1。

在所有延时都计时期满之后，系统时钟被释放，器件可以开始执行代码。

●

引脚复位

引脚在本设备中正常工作时，仅作为输入引脚。管脚要达到约12V电压才进入编程模式。

●软件RESET指令(SWR)

任何时候只要执行了RESET指令，器件都会产生

信号。在下一个指令周期被释放，但只有在延时之后才开始取复位向量。

也就是说，这是一个接收cpu控制指令的通道管脚。

●超时复位(WDTR)

任何时候只要发生超时，器件都将异步产生

信号。时钟源仍然保持不变。在休眠或空闲模式期间发生WDT超时将唤醒处理器，但不会复位处理器。

●欠压复位(BOR)

这是器件的一个简单的欠压保护功能。BOR仅在使能稳压器时适用。如果向稳压器提供的电压不足以维持一个稳定的电平，那么稳压器复位电路将产生欠压复。BOR标志位(RCON<0>)会捕捉该事件。

●配置不匹配复位

为了保持所存储的配置值的完整性，所有的器件配置位都以寄存器位互补集的形式实现。对于每个位，当寄存器的实际值写为1时，则在其对应的后台寄存器中存储其互补值0，反之亦然。每次匹配时都会比较每对配置位，包括处于休眠模式时。在比较期间，如果发现配置位值彼此不互补，则产生配置不匹配事件，这会导致器件复位。

如果配置不匹配导致器件复位，则CM状态位(RCON<9>)置1。

●陷阱冲突复位

如果系统在上电时得不到有效的复位，则程序计数器将得不到一个正确的起始初值，会发生陷阱冲突复位。在这种情况下，RCON<15>置1。

●非法操作码复位

如果设备试图执行从程序存储器中取出非法操作码值，将会产生晶振复位。如果非法操作码值导致晶振复位发生，则IOPUWR状态位RCON<14>被置1。

非法操作码复位功能能阻止设备执行用于常量数据的程序存储器部分。本设备中非法操作码复位，只能使用每个程序存储器部分的低16位存储数据值。高8位被编程为非法操作码值3Fh。

●未初始化的W寄存器复位

以上所有复位都将清零W寄存器阵列(除W15之外)，并在写入前将W寄存器视为未被初始化。若试图将未初始化的寄存器用作地址指针，则会使晶振复位，并将IOPUWR状态位RCON<14>置1

一种物联网网关实现无电环境下长期工作的方法，包括：

(1)在网关内设置内置电源模块和复位晶振模块；

(2)当本网关工作时，首先网关判断供电类型：如果没有外接电源，而是内置电池供电时，则全设备进入低功耗运行模式，网关正常采集数据后将数据包上传至后端，然后网关停止工作，进入设备休眠模式，比如当本网关设备工作时，首先网关判断供电类型：如果是220V室电供电，则设备正常工作；如果没有外接电源，而是内置电池供电时，则全设备进入低功耗运行模式。；

本网关在设计中添加了SMS模块。所述SMS模块连接微控制器，用于通过短信指令远程设置、修改复位晶振的触发时间间隔。所述通讯接口模块还包括GSM Modem，微控制器利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，以控制收发SMS。

当网关后端通讯链路建立时，后台监控中心发送的控制参数、变量等指令通过网络下发。当前端网关和后台监控中心的通讯链路未连接时，监控中心将需要改变的控制参数、变量等指令通过短信网关ISMG发送至前端网关。前端网关通过内置SMS模块及时接收指令，通过控制模组验证数据格式、解码数据指令内容，即时更新、调整各寄存器的参数设置，并保存变量数据值至存储模组。

当本网关接收到前端感知网络传递的报警信息时，SMS模块按照预设参数，同步短信告知预设的多个安全人员(用户安全员、后台监控中心安全员)；同时控制模组监控后端通讯链路的链接，如有网络及时上传至后台监管中心，如没有网络则保存至数据存储模组。

1)GSM模块的控制实现：本网关在设计中添加了SMS模块。主控芯片利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，达到控制收发SMS的目的。根据GSM 07.05标准，对SMS的控制共有3种接入协议：Block Mode；基于AT命令的TextMode；基于AT命令的PDU Mode。本网关设计中采用PDU模式对短信息正文经过十六进制编码后传送。PDU模式下可以采用3种编码方式来对发送的内容进行编码，他们是7b，8b和UCS2编码。7b编码用于发送普通的ASCII字符，他将一串7b的字符(最高位为0)编码成8b的数据，每8个字符可“压缩”成7个；8b编码通常用于发送数据消息；而UCS2编码用于发送Unicode字符。发送SMS的具体过程为：

A.首先发送AT以测试GSM Modem连接是否正常，等待GSM Modem返回OK；

B.发送ATE0设置GSM Modem取消回显模式，等待返回OK；

C.发送AT+CMGF＝0设置发送短信时选用PDU格式编码，等待返回OK；

D.接下来为正式发送SMS，先调用PDU编码函数对需要发送的数据、报警信息等进行编码，并根据通信协议封装为上行通信帧格式，然后发送指令。AT+CMGS＝监控中心短消息号码+回车符(0x0d，0x0a)+上行通信帧数据+回车符(0x0d，0x0a)，等待返回OK。

E.上述的每个步骤完成后都必须加上回车符号(0x0d，0x0a)以使GSMModem区别为不同的AT指令，而且都必须等待相应的应答，若失败(回应ERROR)，需重新发送该AT指令。

2)后台监控中心利用(短信网关)ISMG发送指令、参数至前端网关设备：当网关后端通讯链路建立时，后台监控中心发送的控制参数、变量等指令通过网络下发。

当前端网关和后台监控中心的通讯链路未连接时，监控中心将需要改变的控制参数、变量等指令通过短信网关ISMG发送至前端网关。

控制参数主要分为：

A.控制命令集：网关设备各种接口的通断、强制关机、强制单独模块重启等

B.状态命令集：开机时间、关机时间、设备ID、位置信息、路由信息等各种预设参数。

C.系统设置命令集：后台监控中心IP地址、端口号、验证方式(网关内置两种数据验证方式可选，加大保密性)、远端时间同步、帧率设置、传感器接口切换控制、报警信息发送目标及发送次数等各种参数。

D.错误编码命令集：包括各种运行错误、控制错误、路由错误、外部环境(网关工作环境)错误等的编码。

前端网关通过内置SMS模块及时接收指令，通过控制模块验证数据格式、解码数据指令内容，即时更新、调整各寄存器的参数设置，并保存变量数据值至参数存储模组。

实例：前端网关与后台监控中心的无线链接无法实现，后台监控中心对前端网关发送系统控制命令“#3#2#222.123.11.5，10025”其中3表示为系统设置指令集的命令，2表示为备用数据服务器的标示符号，222.123.11.5表示为中心服务器的IP地址，服务端口为10025。前端网关SMS模块接收短信后首先验证短信来源、短信格式是否有效；其次解码数据指令内容，由控制器统一处理执行，更新、调整各寄存器的设置；最后保存变量数据值至参数存储模组。

3)前端网关SMS模块自动发送报警短信：当本网关接收到前端感知网络传递的报警信息时，SMS模块按照预设参数，同步短信告知预设的多个安全人员(用户安全员、后台监控中心安全员)；同时控制模组监控后端通讯链路的链接，如有网络及时上传至后台监管中心，如没有网络则保存至数据存储模组。

实例：温度报警传感器收到报警信号，传递至本网关，但是网关后端无线链路无法连接，这时网关控制模块可以把温度报警信号通过SMS模块按照预设参数，同步短信告知预设的多个安全人员(用户安全员、后台监控中心安全员)，及时的通知可以避免巨大的损失。

因此，从上可知，本网关存在以下好处：

(1)使用SMS模块内置入本网关(eC-GWSNG)，在网关内建立了多通道指令处理逻辑；完善的响应触发机制。实现了网关多通道实时接收，即时响应后台监控中心的控制指令。

(2)添加了SMS模块的网关，在网路通讯链路无法连接的情况下，后台管理中心照样可以对前端网关进行控制，并提高网关本身的容错能力、及时响应能力(报警)、采集数据的准确度；提高网关对环境变化的适应能力。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视申请专利范围所界定者为准。

Claims

1.一种实现无电环境下长期工作的物联网网关，所述物联网网关用于接收并传输前端各种传感设备的采集数据，其特征在于，包括微控制器、内置电源模块、复位晶振模块、通讯接口模块，其中：

内置电源模块：用于提供电力；

2.如权利要求1所述的物联网网关，其特征在于，还包括一个SMS模块，所述SMS模块连接微控制器，用于通过短信指令远程设置、修改复位晶振的触发时间间隔。

3.如权利要求2所述的物联网网关，其特征在于，所述通讯接口模块还包括GSM Modem，微控制器利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，以控制收发SMS。

4.如权利要求1所述的物联网网关，其特征在于，所述复位模块包括CPU、包括复位控制寄存器在内的若干个寄存器，所述该些寄存器连接CPU，所述复位控制寄存储器，用于保存器械复位的所有复位源的当前状态位信息、含义及初始化条件，CPU接收复位源产生的主复位信息

，与CPU 和外设相关的寄存器按预先的设定被强制变为一个已知的“复位状态”，复位后，初始化代码应该检查RCON 并确定复位源，在读取了RCON 寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RCON 值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。

5.一种物联网网关实现无电环境下长期工作的方法，其特征在于，包括：

（1）在网关内设置内置电源模块和复位晶振模块；

（2）当本网关工作时，首先网关判断供电类型：如果没有外接电源，而是内置电池供电时，则全设备进入低功耗运行模式，网关正常采集数据后将数据包上传至后端，然后网关停止工作，进入设备休眠模式；

（3）网关对复位晶振模块预设启动间隔时间：当检测到设备无外接电源时，复位晶振模块开始工作，到达指定时间间隔时，唤醒网关设备开始工作，上传数据后自动休眠，直到复位晶振模块的下一次唤醒，如此循环从而使整个网关可以达到长期定时上传数据的功能。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，对复位晶振模块的设置可以为以下方式的其中之一：

本网关直接预设触发间隔时间；

通过无线网络远程设置、修改模组触发间隔时间；

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

设置GSM Modem，微控制器利用串口向GSM Modem收发一系列的GSM 07.05标准所定义的AT命令集，以控制收发SMS。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

设置包括CPU、包括复位控制寄存器在内的若干个寄存器，所述该些寄存器连接CPU，所述复位控制寄存储器，用于保存器械复位的所有复位源的当前状态位信息、含义及初始化条件；

CPU接收复位源产生的主复位信息

，与CPU 和外设相关的寄存器按预先的设定被强制变为一个已知的“复位状态”；

复位后，初始化代码应该检查RCON 并确定复位源，在读取了RCON 寄存器中所有复位状态位后，应将其清零，这样才能确保RCON 值在器件下一次复位后能提供有意义的结果。