CN102932964B - 一种用于感知野外环境的物联网网关及其数据传输方法 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
[0001] 本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种用于感知野外环境的物联网网关 及其数据传输方法，该网关用于对野外环境下的节点数据进行长期监管、数据远程实时发 送、可靠数据监测。主要能够应用在野外环境科研、勘探、考察、动物保护等领域。
背景技术
[0002] 无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN)由大规模部署的微型传感器节 点构成，这些简单节点具有信息感知能力、实时通信能力以及简单的计算能力。传感器网络 中分布的各个微型小节点协同地实时监测、感知和采集环境数据，通过ZigBee协议实现无 线传感器网络节点之间的通信，并将数据汇聚到高层Sink Node上(汇聚节点)，最终将处理 好的信息传送到需要的用户。传输网关在传感器网络硬件设备中起着至关重要的作用，不 仅需要完成汇聚、控制、发送的任务，同时是连接远程主机服务器和底层无线传感器网络节 点的媒介，承担着底层802. 15. 4协议和高层协议的转换功能。
[0003] 无线传感器网络现在已经被应用于军事物联网、智能家具设计、物联网构筑的智 慧金融等领域，应用价值及发展前景极其广阔。到目前为止，国内外已经推出了几种成型的 无线传感器网络网关设备，其中有代表性的网关是Crossbow的：串行PC网关MIB510、USB PC网关MIB520、以太网PC网关MIB600、嵌入式无线传感网络网关NB100CA。
[0004] 然而，上述典型网关存在着以下几点不足：串行PC网关MIB510、USB PC网关 MIB520、以太网PC网关MIB600都是基于PC机相联的网关，只有和PC机相联后才能够使用， 野外环境下没有PC机，因此这种网关是不能够使用的；NB100嵌入式无线传感网络网关较 上面的网关有很大改进，但是没有解决或提出完整的野外环境下能量补给的问题，并且在 野外环境下寻找以太网接入点几乎是不可能的，关于以太网的接入问题也没有很好的解决 方案。
[0005] 除此之外，还有一些处于正在研制或者没有进行商业化生产的网关，他们对于此 问题的解决方案主要是单纯通过GPRS方式甚至3G方式简单的将收集到的数据传送至自己 需要的地址。这些网关虽然解决的以太网接入问题甚至解决了能量补给问题，却仍然不适 用于野外环境下的感知网关的需求，在实际中，我们需要一种首先保证传感数据传输，同时 又可以兼顾传输实时图像数据（间隔一定时间段发送一张图片）的感知网关。首先，单纯使 用GPRS的方式传送数据，只能将简单传感数据进行传输，实现野外环境的图像传输以便对 野外环境进行实时观察是不可能实现的；其次，单纯使用的3G方式传送数据，虽然可以解 决远程图像传输的问题，却带来了 I) 3G模块发送数据服务器接收数据时均无法区分该数 据是图像数据或是传感数据；2)无法在同一时间发送传感数据和图像数据，这将带来数据 的丢包率的上升，影响数据链路质量、在3G信号覆盖不理想带来的接收不到任何数据以及 高功率消耗（2/3G网间频繁切换会提高功耗)等一系列严重的问题。综上，现有的网关技术 不能满足我们对野外环境下的物联网网关的要求。
发明内容
[0006] 为了克服现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种用于感知 野外环境的物联网网关及其数据传输方法，该网关将野外环境的感知数据通过该物联网网 关上的GPRS网络上传到远程服务器的数据库中，使得监控中心能够实时接收数据并且在 远程服务器数据库中对数据进一步处理，实现监控中心对数据的远程监管，于此同时，也将 野外环境的图像数据通过3G网络上传到远程服务器的数据库中，方便相关工作人员对于 野外环境进行实时观察。
[0007] 为了达到上述目标，本发明采用如下的技术解决方案：
[0008] -种用于感知野外环境的物联网网关，包括Sink Node模块、核心ARM控制模块、 GPRS模块、3G模块和电源模块；其中，所述Sink Node模块、GPRS模块和3G模块分别与核 心ARM控制模块相连接；所述电源模块与其他各模块相连接；
[0009] 所述Sink Node模块用于收集监控区域中传感器节点采集的传感数据以及摄像节 点采集的图像数据；
[0010] 所述核心ARM控制模块用于对Sink Node模块传输的数据通过数据包标志位进行 分类、存储，与用户进行人机交互，并将传感数据发送给GPRS模块，将图像数据发送给3G模 块；
[0011] 所述GPRS模块用于将核心ARM控制模块发送的传感数据传输到远程服务器；
[0012] 所述3G模块用于将核心ARM控制模块发送的图像数据传输到远程服务器；
[0013] 所述电源模块用于为系统其余各模块提供电源。
[0014] 本发明还包括如下其他技术特征：
[0015] 所述核心ARM控制模块包括ARM9处理器、IXD显示屏、外部存储模块、串口 1、串口 2、串口 3 ;其中，IXD显示屏、外部存储模块、串口 1、串口 2和串口 3分别连接ARM9处理器。
[0016] 所述Sink Node模块由CC2420射频通信芯片、2. 4GHz天线以及Atmegal 128L单 片机组成，其中，2. 4GHz天线和Atmegal 128L单片机分别连接CC2420射频通信芯片；Sink Node模块通过串口 1与核心ARM板控制模块相通信。
[0017] 所述GPRS模块由GPRS核心板、Sim卡以及900MHz天线组成，其中，GPRS核心板和 900MHz天线分别连接Sim卡；GPRS模块通过串口 2与核心ARM控制模块通信。
[0018] 所述3G模块由3G核心板、Sim卡以及3G天线组成，其中，3G核心板和3G天线分 别连接Sim卡，GPRS模块通过串口 3与核心ARM控制模块通信。
[0019] 所述电源模块由蓄电池、太阳能电池板、DC-DC模块和电源管理模块组成。所述太 阳能电池板通过电源管理模块与蓄电池连接，蓄电池通过DC-DC模块分别连接GPRS模块、 3G模块和Sink Node模块，核心ARM控制模块直接与蓄电池连接。
[0020] 一种上述的用于感知野外环境的物联网网关的数据传输方法，具体包括如下步 骤：
[0021] 步骤1 :监测区域的传感器节点按照设定的时间间隔采集传感数据，对传感数据 打包并写入传感数据标志位；摄像节点按照设定的时间间隔采集图像数据，对数据打包 并写入图像数据标志位，传感器节点与摄像节点分别将传感数据和图像数据发送至Sink Node模块；
[0022] 步骤2 :sink node模块自动接收传感器节点的传感数据以及摄像节点采集的图 像数据，将收集到的传感数据和图像数据传送至核心ARM核心控制模块。
[0023] 步骤3 :核心ARM控制模块实时读取串口 1的数据，并通过数据包标志位对数据 进行分类，将传感数据放入缓冲池存储到一定数量或时间后，再通过串口 2将传感数据传 送至GPRS模块，控制其按照指定周期发送给远程服务器；将图像数据通过串口 3以及核心 ARM控制模块中的3G模块管理程序后再传送至3G模块步骤4 :GPRS模块与3G模块分别将 传感数据和图像数据分别通过GPRS网络和3G网络上传至Internet并最终发送到远程服 务器。
[0024] 本发明的优点在于：
[0025] 1、为了解决无线传输中的能源问题，电源模块采用太阳能板铅蓄电池双供电模式 下的电源管理技术，利用野外环境中太阳能优势，结合大容量铅蓄电池，在太阳能充足的情 况下将太阳能有效转换为供远程数据传输网关使用的电能，在无太阳时使用铅蓄电池供 电，同时电源管理技术，以提高电源的鲁棒性和可靠性，提高远程数据传输网关的续航能 力。
[0026] 2、核心ARM核心控制模块采用硬件接入软件控制的技术，在传感数据与图像数据 上有不同的数据包标志位，ARM核心控制模块通过读取数据包标志位对数据进行分类。对 于传感数据，由于GPRS模块处于TCP连接发送数据时的功耗是未建立连接时功耗的2倍还 多，长久、持续的与远程端建立TCP连接会带来不必要的能源浪费，而每次发送的数据量并 不多，连接处于空闲状态的时间较多，因此，ARM控制核心模块将sink node模块传送过来 的传感数据缓存（SD存储卡)一定数量(或时间)后发送至GPRS模块统一发送将会降低不必 要的能量开销，ARM核心控制板将传感数据缓存在TXT文件中，放在核心ARM板控制模块的 SD存储卡内，并以时间、日期命名（精确到秒，如Apr_26_19_21_10_2012. txt，表示在2012 年四月26日19时21分10秒保存)。相邻文件间的保存间隔可以自选，GPRS模块可在适 当的时候根据需求再读出普通数据进行发送。对于数据量较大同时有需要兼顾一定实时性 的图像数据则是直接传送至3G模块进行发送。
[0027] 3、通过软件对存储数据现场处理，通过核心ARM控制模块中的触屏界面可以现场 选择调用实时或存储数据，对不同时间点上的存储数据按照温度、湿度、光照、震动、节点序 号等分别进行分类、排序等操作，以上两种都是现有的网关所没有的数据分类传输、现场调 试处理功能，这样做不但有益于在部署现场对系统的调试和现场分析，也便于以后的维护 和维修工作。除此之外，触摸屏幕可以结束现场操作后选择关闭，3G模块可以在3G信号覆 盖不理想的情况和其他不需要收集图像数据的原因情况下关闭，两者都可以再很大程度上 再次降低能耗。
[0028] 4、ARM系统还存在着体积小、功耗低、易安装、易维护与管理的特点，得到高效可靠 的野外用无线传感器网络网关；突破传统网关能耗受限、传感数据回传受限、野外可靠性难 以保证的瓶颈，实现长期、远程、可靠的野外环境监测。
附图说明
[0029] 图1是本发明的用于感知野外环境的物联网网关的结构框图。
[0030] 图2是核心ARM模块对GPRS模块实现控制的软件框架。
[0031] 图3是电源模块供电系统框图。
[0032] 图4是本发明的用于感知野外环境的物联网网关的数据传输示意图。
[0033] 图5是数据分类、利用AT指令集建立远程服务器的TCP/IP链接并发送数据的程 序框图。
[0034] 以下结合附图和具体实施方式对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
[0035] 为了探求解决这一问题的途径，发明人通过查询文献资料、研宄分析与反复实验， 提出感知野外环境的基于ARM控制的物联网网关设计方案，该方案采用传感数据与图像数 据同步双通道传输解决了系统同步问题、在3G信号覆盖不理想的情况下低功耗传输传感 数据降低了能耗、ARM核心控制板使系统运行满足野外环境长期稳定传输的要求。除此之 外，我们对远程数据传输网关使用太阳能电池双供电模式，也解决了传统远程数据传输网 关能耗受限的问题。该方案既可实现长期、远程、可靠的野外环境监测，又能满足更加节能、 便携、集成度高、易安装实现的要求。该技术并非将3G模块和GPRS模块的叠简单加，而是 一种非线性叠加，需要对网关本身进行重新设计，对两种传输进行控制，在这个过程中ARM 核心控制板起了非常重要的作用。
[0036] 参见图1，本发明的用于感知野外环境的物联网网关，包括Sink Node模块、核心 ARM控制模块、GPRS模块、3G模块和电源模块，其中，所述Sink Node模块、GPRS模块和3G 模块分别与核心ARM控制模块相连接；所述电源模块与其他各个模块相连接为其供电。
[0037] Sink Node模块：用于收集监控区域中传感器节点采集的传感数据以及摄像节点 采集的图像数据。Sink Node模块由符合IEEE 802. 15. 4标准的TI的CC2420射频通信芯 片、2.4GHz天线以及Atmegal 128L单片机组成，其中，2.4GHz天线和Atmegal 128L单片机 分别连接CC2420射频通信芯片；Sink Node模块接受灵敏度在-98dBm，抗邻频道干扰能力 为39dB，数据传输速率高达250Kbps ;Sink Node模块通过串口 1与核心ARM板控制模块相 通信；
[0038] 核心ARM控制模块：用于对Sink Node模块传输的数据通过数据包标志位进行分 类、存储，与用户进行人机交互，并将传感数据发送给GPRS模块，将图像数据发送给3G模 块。核心ARM控制模块由Samsung公司的ARM9处理器S3C2440、IXD显示屏、外部存储模 块、串口 1、串口 2、串口 3和外围电路构成，其中，IXD显示屏、外部存储模块、串口 1、串口 2、 串口 3均通过外围电路连接ARM9处理器。系统能够稳定运行在400MHz，主频可达530MHz 以上，采用Linux2. 6. 30. 4内核；外部存储模块由兼容SD Memory Card Protocol L 0和 SDIO Card Protocol 1.0的SD卡接口组成，满足超大容量的外来数据的安全存储。用户通 过LCD显示屏与核心ARM控制模块进行人际交互，从而对数据进行简单的列表、排序、查看， 方便现场临时调试。
[0039] GPRS模块：用于将核心ARM控制模块发送的传感数据传输到远程服务器的数据库 中。GPRS模块由GPRS核心板、Sim卡以及900MHz天线组成，其中，GPRS核心板和900MHz 天线分别连接Sim卡；GPRS模块通过串口 2与核心ARM控制模块通信，其软件使用基于AT 指令的编程操作实现。
[0040] 3G模块：用于将核心ARM控制模块发送的图像数据传输到远程服务器中。3G模块 由3G核心板、Sim卡以及3G天线组成，其中，3G核心板和3G天线分别连接Sim卡，GPRS模 块通过串口 3与核心ARM控制模块通信，其软件使用基于AT指令的编程操作实现。
[0041] 电源模块：用于为系统其余各个模块提供电源。电源模块由蓄电池（l〇Ah)、太阳 能电池板（25W)、DC-DC模块（LM2576 DC-DC模块)和电源管理模块（RS651芯片）组成，所述 电源管理模块具有过压保护、防电流回流、稳压的功能。所述太阳能电池板通过电源管理模 块与IOAh蓄电池连接，蓄电池通过DC-DC模块分别连接GPRS模块、3G模块和Sink Node模 块，核心ARM控制模块通过电源管理模块与蓄电池连接；参见图3,电源模块采用太阳能板 和蓄电池双供电模式，在阳光充裕时太阳能电池板给网关各个模块供电，同时将剩余电能 通过电源管理模块分配给蓄电池；阳光不足时，电源管理模块利用防电流回流控制阻止电 流回流至太阳能电池板，同时，使蓄电池分别供电给核心ARM模块、Sink Node模块和GPRS 模块(后两者需经过DC-DC模块转换稳定电压（3. 3~3. 6V))，以此有效提高远程数据传输 网关生命周期。
[0042] 表1本发明的网关各部分能源消耗、供给统计表
[0044] 考虑到太阳能电池板不能全天24小时工作，因此我们在计算能源消耗供给统计 表时，将太阳能电池板的功率求平均得15W(25W*60%=15W)，从表1可以看出，在正常工作状 态下，太阳能电池板为远程数据传输网关电源的主要提供者。能量主要消耗者为核心ARM 板控制模块、GPRS模块、sink node模块、3G模块、电源管理模块、DC-DC模块，且核心ARM板 控制模块是最大的能源消耗主体。蓄电池主要负责能量缓存。
[0045] 参见图4,本发明的用于感知野外环境的物联网网关的数据传输方法，具体包括如 下步骤：
[0046] 步骤1 :监测区域的传感器节点按照设定的时间间隔采集传感数据(包括温度、湿 度、光照、震动数据)(例如每个传感器节点每3分钟采集一次传感数据)，对传感数据打包并 写入传感数据标志位；摄像节点按照设定的时间间隔采集图像数据(例如每个摄像节点每 40分钟采集一次图像数据并发送至Sink Node模块)，对数据打包并写入图像数据标志位， 传感器节点与摄像节点分别将传感数据和图像数据发送至Sink Node模块；
[0047] 步骤2 :sink node模块自动接收传感器节点的传感数据以及摄像节点采集的图 像数据，将收集到的传感数据和图像数据传送至核心ARM核心控制模块。
[0048] 步骤3 :核心ARM控制模块实时读取串口 1的数据，并通过数据包标志位对数据进 行分类，将传感数据放入缓冲池存储到一定数量(或时间）（例如设定缓冲池为300个传感 数据包或者缓存每25分钟接收到的传感数据)后，再通过串口 2将传感数据传送至GPRS模 块，控制其按照指定周期(例如缓冲池中存满300个传感数据包的时间或者传感数据在缓 冲池中存储的设定时间，如25分钟）发送给远程服务器(参见图2);将图像数据通过串口 3 以及核心ARM控制模块中的3G模块管理程序后再传送至3G模块；
[0049] 步骤4 :GPRS模块与3G模块分别将传感数据和图像数据分别通过GPRS网络和3G 网络上传至Internet并最终发送到远程服务器。远程服务器端地址与GPRS模块、3G模块 设定的发送地址一致。
[0050] 参见图5,核心ARM控制模块根据数据包标志位对接收到的数据进行分类，将传感 数据通过GPRS模块发送给远程服务器，GPRS模块通过标准的AT指令集编程（AT指令应用 于MT和TE程序间通信，即终端设备与PC应用之间的连接与通信，即网关与远程服务器之 间的连接与通信，本发明利用AT指令集建立GPRS模块与远程服务端的TCP/IP链接并发 送数据）实现与远程服务器的TCP/IP链接并发送数据。但由于GPRS模块处于TCP连接发 送数据时的功耗是未建立连接时功耗的2倍还多，长久持续地与远程服务器建立TCP连接 会带来不必要的能源浪费，而每次发送的数据量并不多，连接处于空闲状态的时间较多，因 此，核心ARM控制模块将传感数据放入缓冲池中缓存到一定数量后发送数据将会降低不必 要的能量开销。本实施例的具体做法：将传感数据缓存在TXT文件中后放入核心ARM板控 制模块的SD存储卡内，并以时间、日期命名（精确到秒，如Apr_26_19_21_10_2012. txt，表 示在2012年四月26日19时21分10秒保存)。相邻TXT文件间的保存间隔可自选，根据 需求读出传感数据通过GPRS模块进行发送。对于数据量较大的图像数据，核心ARM控制 模块直接通过3G模块将其发送出去。核心ARM控制模块通过软件对存储数据现场处理，对 不同时间段内存储的传感数据可进一步按照温度、湿度、光照、震动、节点序号进行细分、排 序，用户通过触屏界面现场选择调用所需要的数据。
[0051] 与现有的网关相比较，本发明的用于感知野外环境的基于ARM控制的物联网网关 能够对数据分类传输，用户能够在现场调试处理传感数据，不但有益于用户在部署现场对 系统的调试和现场分析，也便于以后的维护和维修工作。另外，触摸屏幕可以结束现场操作 后选择关闭，3G模块可以在3G信号覆盖不理想的情况和其他不需要收集图像数据的原因 情况下关闭，两者都可以再很大程度上再次降低能耗。
[0052] 在本发明系统中，用户通过触屏界面进行操作，核心ARM控制模块根据用户输入 的操作指令进行程序控制：1)串口调试程序：核心ARM控制模块接收传感数据并将其生成 为TXT文件(设定每分钟将接收到的传感数据生成一个TXT文件，或设定单个TXT文件的最 大存储量)，将TXT文件存入核心ARM板控制模块的SD存储卡内，以时间信息对其命名（精 确到秒，如Apr_26_19_21_10_2012. txt，表示在2012年4月26日19时21分10秒保存）； 2)数据分析程序：用于用户对现场的分析和调试工作，核心ARM控制模块根据用户操作指 令从SD存储卡中选择所需要的TXT文件，对文件中数据按照数据格式进行分类，生成表格， 主要类目有数据生成时间、温度、湿度、光照、震动、数据节点序号。用户通过触屏界面操作 可按照上述分类对数据进行现场简单操作，如排序、统计等；3)触屏节能程序：在不使用触 屏界面的情况下自动将其关闭，起到减少能耗的作用，若想进行操作只需要点击屏幕任意 触点即可打开触屏进行相关操作；4)3G模块管理程序：用于在3G信号覆盖不理想的情况下 关闭3G模块传送图像功能，以降低能耗。
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