CN102548055A

CN102548055A - 一种物联网系统中的gprs网关

Info

Publication number: CN102548055A
Application number: CN2011104561158A
Authority: CN
Inventors: 朱明�; 王雷; 奚强健; 覃振权
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2011-12-31
Filing date: 2011-12-31
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明涉及一种物联网系统中的GPRS网关，属于无线通信技术领域。整个系统分为簇内通信子系统和簇外通信子系统；网关包括中央处理器模块、簇内通信模块、GPRS通讯模块、存储模块和系统电源模块；中央处理器模块分别接簇内通信模块、GPRS模块、存储模块和系统电源模块；簇内通信模块通过射频收发器连接内部无线传感器网络，负责接收传感器节点发来的数据，并把数据送入中央处理模块进行分析处理；GPRS通讯模块通过GPRS网络连接外部数据终端，存储模块负责临时存储传感器节点的相关数据。GPRS网关节点针对所采用的处理器芯片进行了移植，修改了HAA相关代码。本发明采用适用于大规模远程物联网系统；接口方便易于控制，具有良好的可维护性和扩展性，制造方便，成本低。

Description

一种物联网系统中的GPRS网关

技术领域

本发明涉及一种物联网系统中的GPRS网关，属于无线通信技术领域。

背景技术

物联网的概念是在1999年提出的。它是一种通过射频识别(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，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。目前绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的成功案例。

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。感知层由传感器系统构成，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的主要功能是识别物体，采集信息。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，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。

无线传感器网络系统作为感知层重要组成部分，是由大量的具有无线通信与计算能力的传感器节点构成、能够完成指定任务的多跳、自组织的网络系统。它具有规模大、成本低、节点结构简单、功耗低、自组织等特点，是连接计算机世界与真实物理世界的桥梁。

但WSN节点受自身资源、部署环境、网络基础设施等条件限制，直接接入到网络层的传统网络中不切实际。GPRS网关，作为一个传感器网关，位于传感器网络节点和数据终端之间，是WSN与现有的网络设施相融合的关键所在。GPRS网关作为传感网络与外界连接的纽带，负责网络间的协议的转换，网络数据聚集、存储、处理和转发工作等重要角色。因此GPRS网关应具有一定的处理能力、存储能力和通信能力。

本发明基于以上GPRS网关的特性，设计实现了一种GPRS网关。

发明内容

本发明的目的是基于物联网系统中传感器网关节点的设计应用的要求和特点，在TinyOS和TelosB节点基础上，实现一套物联网系统中的GPRS网关。

本发明的技术解决方案如下：

整个GPRS网关节点系统主要分为两个部分：簇内通信子系统(收集内部传感器网络节点的数据)和簇外通信子系统(与外部数据终端通讯)。由以下五个部分组成：中央处理器模块、簇内通信模块、GPRS通讯模块、存储模块和系统电源模块。

所述的中央处理器模块分别接簇内通信模块、GPRS模块、存储模块和系统电源模块。它运行TinyOS操作系统负责整个GPRS网关节点各个模块控制命令以及传感器节点的数据处理，协调两个子系统进行工作。

所述的簇内通信模块通过射频收发器连接内部无线传感器网络，负责接收传感器节点发来的数据，并把数据送入中央处理模块进行分析处理。

所述的GPRS通讯模块通过GPRS网络连接外部数据终端，用于将数据通过GPRS网络发送到数据终端，并由此进一步对数据进行整合与应用。

所述的存储模块作为辅助模块，负责临时存储传感器节点的相关数据。

所述的电源模块由锂电池、太阳能电池板和LDO电路构成，为其他模块提供必要的电源。

在软件设计方面，GPRS网关节点针对所采用的处理器芯片进行TinyOS操作系统的移植。

在移植时，修改抽象层(HAA)相关代码，主要包含：

1)MSPGCC编译指令修改；

2)增加处理器相关硬件资料的定义；

3)针对处理器时钟的移植；

4)调整处理器启动功能；

5)调整硬件部分驱动。

另外，针对GPRS簇外通信子系统，由于TinyOS中并没有GPRS功能，所以在TinyOS操作系统的基础上，增加了GPRS功能驱动代码。为实现GPRS网关节点的GPRS数据传输功能，系统中需要增加对一组串口和电源的控制。

本发明的有益效果是采用基于TinyOS操作系统的带GPRS模块的网关节点，适用于大规模远程物联网系统；接口灵活方便，易于控制；具有良好的可维护性和扩展性，较好的经济性，制造方便，成本低。

附图说明

图1具有GPRS网关节点的无线传感器系统结构图。

图2GPRS网关节点的结构图。

图3CC2420与微处理器MSP430 F5438的接口电路图。

图4GPRS部分连接结构图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

基于TinyOS的GPRS网关节点在物联网中至关重要。它是WSN内部网络与数据终端的接口，如图1，可以连接传感器网络与Internet等外部网络，能够实现协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。

实施例1，如图2：

1.中央处理器模块

受到功能设计、功耗以及系统的要求，原TelosB在资源和功能上很难满足GPRS网关节点的需求。本设计中，GPRS网关节点中所使用的MSP430F5438与TelosB为同一系列，具备超低功耗特性并具有高达25MHZ的处理速度，优化了处理器的功耗和计算能力；以及具备256KB的Flash ROM和16KB的RAM，为整个系统提供更大的程序存储空间和运行空间。另外MSP430F5438还提供了4个串行通讯口USCI以及等通讯功能，可访问连接GPRS等设备。

2.簇内通信模块

为实现与簇内TelosB节点的无线通讯，簇内无线通讯部分选用了与TelosB相同的RF芯片CC2420。CC2420数据传输速率可达250kbps，发射和接收时电流消耗极低。在典型的应用中，仅需要少数几个外部元件。CC2420与微处理器MSP430F5438的接口电路如图3所示。中央处理器按照TinyOS的程序要求，通过CC2420与簇内节点进行通讯，获取数据。

3.GPRS通讯模块

簇外通信模块负责将待发送的数据通过移动通信网络传送到远端数据终端。设计中使用了西门子公司的MC55i模块。该模块具有很高的可靠性，内嵌有TCP/IP协议，使用标准的AT指令，使用ZIF连接接口。

实际中为了简化中央处理器处理拨号和建立连接时的复杂状态机工作，增加了协处理器STM32以完成以上工作，直接控制MC55i。MSP430F5438通过串口与协处理器通讯，发送建立连接、发送数据、接收数据和断开连接等指令，即可完成GPRS控制和数据接发工作。此外，设计中增加了对GPRS和STM32供电控制。通过增加MOS开关电路，可以实现GPRS部分的完全断电关闭，进一步降低了外部功耗。GPRS部分连接结构如图4所示。

4.存储模块

GPRS网关节点的存储系统主要指因低功耗而增加的临时存储数据的Flash。设计中采用意法半导体公司生产的M25P80，该芯片具备1MB的存储容量和极低的功耗和较小的体积。MSP430F5438与M25P80采用SPI总线通讯。

实施例操作系统的移植及GPRS功能的设计：

由于MSP430F5438与TelosB平台处理器MSP430F1611属相同系列，因此在移植时，主要包含：

1)platform文件中向编译器提供了目标处理器的型号，需将原有的替换成-mmcu＝msp430x5438。

2)Hardware.h文件主要描述处理器与外围设备的链接方式，需要修改此文件中相应的描述信息。

3)TinyOS在对系统低功耗方面作相应功能设计，在处理器方面充分利用了处理器的多模式低功耗特性，采用对比的方式，修改MoteClockP.nc和MotePlatformC.nc文件中对应的模式代码，使处理器能在对应低功耗模式上进行。

4)修改tinyos-2.1.0/tos/lib/tosboot/msp430/目录下的系统引导时的初始化代码。如HardwareC.nc中包含了处理器基本时钟的初始化代码。

5)修改tinyos-2.1.0/tos/chips/msp430/目录下MSP430表示层的驱动代码。

另外，实施例中使用了MSP430F5438的串口UCA2和P9.0来实现GRRS的驱动功能。

1)在tinyos-2.1.0/tos/chips/msp430/中增加对所使用的UCA2串口的驱动代码，并提供对应的访问接口，包含MSP430Uart2C.nc、MSP430Uart2P.nc、MSP430Usart 2C.nc、MSP430Usart2P.nc等驱动代码。

2)增加GPRS模块功能的组件。包括：

GPRSControl接口，定义了

start(ip_addr_t ipAddr，uint16_t port)；//与客户端连接

stop()；//断开与客户端连接

startDone(error_t err)；//是否连接成功

stopDone()；//是否断开成功

enterlowPowerState()；//进入睡眠模式

quitLowPower()；//退出睡眠模式，进入工作状态

GPRSSend接口，定义了

Send(uint8_t*msg，uint16_t length)；//发送数据

以及对应的SendDone(error_t err)；//是否发送成功

GPRSMessageC.nc连接所定义的接口组件。

GPRSMessageP.nc实现各组件功能。

至此，实现了一套物联网系统中的GPRS网关的设计方案。该方案采用MSP430超低功耗微处理器MSP430F5438与CC2420芯片为核心，利用内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块MC55i为网络的数据接口，较好地解决了WSNs数据到数据终端的传输问题。

Claims

1.一种物联网系统中的GPRS网关，其特征在于，整个GPRS网关节点系统主要分为两个部分：簇内通信子系统和簇外通信子系统；网关由五个部分组成：中央处理器模块、簇内通信模块、GPRS通讯模块、存储模块和系统电源模块；

所述的中央处理器模块分别接簇内通信模块、GPRS模块、存储模块和系统电源模块；它运行TinyOS操作系统负责整个GPRS网关节点各个模块控制命令以及传感器节点的数据处理，协调两个子系统进行工作；

所述的簇内通信模块通过射频收发器连接内部无线传感器网络，负责接收传感器节点发来的数据，并把数据送入中央处理模块进行分析处理；

所述的GPRS通讯模块通过GPRS网络连接外部数据终端，用于将数据通过GPRS网络发送到数据终端，并由此进一步对数据进行整合与应用；

所述的存储模块作为辅助模块，负责临时存储传感器节点的相关数据；

GPRS网关节点针对所采用的处理器芯片进行TinyOS操作系统的移植。

在移植时，修改抽象层相关代码，包含：

1)MSPGCC编译指令修改；

2)增加处理器相关硬件资料的定义；

3)针对处理器时钟的移植；

4)调整处理器启动功能；

5)调整硬件部分驱动。