CN103079294B - 双通信方式的无线传感器网络网关及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通信方式的无线传感器网络网关及控制方法，网关包括处理器模块，GPRS模块，串口通信模块，存储模块，无线通信模块，电源与充电模块。所述处理器模块分别和串口通信模块、存储模块以及无线通信模块连接，所述GPRS模块与串口通信模块连接，所述充电模块与供电电池连接。本发明处理器模块通过无线通信模块接收无线传感器网络的数据，进行数据解析并提取信息；串口通信模块连接处理器与GPRS模块，处理器通过串口模块控制GPRS的工作状态与信息的发送；当网络信号差或者网络故障时，保存信息在本地SD卡上，有效提高电池充电效率，延长节点生命周期。

Description

双通信方式的无线传感器网络网关及控制方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种双通信方式的无线传感器网络网关及控制方法。

背景技术

近年来无线传感器网络得到了快速的发展，已经广泛应用于农田数据和工业生产环境实时监测，甚至军事的情报收集。传统的实时数据采集主要靠手持仪器进行现场、逐个测量，将无线传感器网络应用于农田、工业生产环境与战场等实时监测，可有效解决传统监测方式的不足，提高信息化水平并能做出快速反应。

网关负责收集所有节点的数据并发送到服务器，目前有通过有线或无线的方式。有线的方式受到环境的约束，要事先布线，而无线的方式目前也是只有单一的通信方式，局限了无线传感器网络的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于微处理器、无线通信模块、存储模块和GPRS模块为核心，通过在硬件、软件两方面进行改进，适合于在地理位置偏远、不易更换电池的山地和水面环境或者室内等实时数据无线传输及远程控制的网络网关。

本发明的另一目的在于，提供上述网络网关的控制方法。

为了达到上述第一发明目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种双通信方式的无线传感器网络网关，包括用于数据接收、处理、发送和逻辑控制的处理器模块，连接互联网的GPRS模块，串口通信模块，用于数据存储的存储模块，用于数据无线传输的无线通信模块，电源与充电模块；所述处理器模块分别和串口通信模块、存储模块以及无线通信模块连接，所述GPRS模块与串口通信模块连接，所述电源与充电模块分别为处理器模块、存储模块、无线通信模块、串口通信模块以及GPRS模块提供电源。

优选的，所述处理器为16位单片机最小系统。

进一步的，所述16位单片机为MSP430F149、ATmega128、ATmega16、AT89S52、ML67Q5002或ML67Q5003。

优选的，无线通信模的通信频率和发射、接收功可调。

优选的，所述无线通信模块为nRF905、nRF2401、CC1100、CC2430或CC2420，所述无线通信模块的发射功率受微处理器控制。

预选的，所述GPRS模块内置TCP/IP协议。

优选的，所述GPRS模块为MC55，MC35，GTM900C,SIM100或EM310；所述GPRS模块的工作方式受微处理器控制。

优选的，所述充电模块可根据需要选择充电电源。

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

本发明双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，包括下述步骤：

（1）网关向整个网络发送同步数据包，网关发送同步数据包即是发送本地的定时器值和定时的轮数，采集节点收到同步数据包后，把网关发过来的定时信息覆盖自己的定时信息，调整定时器值和定时轮数；

（2）网关等待接收数据包，若接收到数据包转至（3），否则转至（4）；

（3）解析数据包，提取有用数据信息并发送到服务器和在本地存储；

（4）再向网络发送同步数据包。

优选的，步骤（1）中网关向整个网络发送同步数据包采用时序上同步的方法，具体步骤为：

（1-1）在一个工作周期内，网关和节点在开机的时候首先同步一次，然后各自进入休眠；

（1-2）网关首先被唤醒并处于接收状态，侦听信道是否有数据，有数据就中断进入接收程序，缓存接收到的数据；

（1-3）当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，再发送一次同步让节点进入休眠；

（1-4）在节点休眠的时候网关向互联网和手机终端发送数据。

所述步骤（1-3）具体为：

（3-1）按照数据的存放格式，按字节提取并计算信息的值；

（3-2）设置TCP/IP通信协议，向服务器终端发送（3-1）中提取的信息；

（3-3）设置目标手机号码与短信方式，发送（3-1）中提取的信息以及越界报警信息；

（3-4）本地创建文件，存储（3-1）中提取的信息。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明以微处理器、无线通信模块和GPRS模块为核心，并设计了无线传感器网络与互联网之间的通信协议。采用的微处理器有丰富的外设和内部资源可在不改变硬件电路的情况下实现功能的扩展，同时具备低功耗和睡眠模式，待机模式下电流消耗低，可充分节省电能、延长节点的寿命，并且成本比目前流行的基于ARM的无线传感器网络网关成本要低。

2、本发明采用发射功率多级、可控的无线通信芯片，整个无线通信模块工作电压范围1.9-3.6V，可根据需要综合考虑通信距离和功耗，折衷选择发射功率。此外，选用的无线通信芯片自带载波监测协议，由集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶振振荡器和一个调节器组成，集成度较高，提高整个节点的抗干扰能力和通信的可靠性，并且可有效降低成本。

3、本发明采用内嵌TCP/IP协议的GPRS模块，该模块不仅可以向互联网发送数据，而且可以给目标手机发送短信。通过协议控制，网关可以同时连接GSM和互联网，通信手段可以是手机短信方式和TCP协议下的数据流方式。

4、本发明可采用太阳能电池板、水能发电机或家庭用电等对供电电池进行充电，根据不同的环境应用不同充电模式。当在室内使用时，外接一个电源适配器实现供电和充电；当在室外使用时，可以通过太阳能电池板或者水能发电机对其充电，达到能量自给，并延长节点生命周期的目的。

5、本发明可以保证网络数据的完整性。当网络信号差而数据发不出去时，可自主存储数据在SD卡上。

附图说明

图1是本发明双通信方式的无线传感器网络网关结构图；

图2是本发明双通信方式的无线传感器网络网关与节点的同步协议流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，双通信方式的无线传感器网络网关，包括用于数据接收、处理、发送和逻辑控制的处理器模块，连接GPRS模块的串口通信模块，用于数据存储的存储模块，用于数据无线传输的无线通信模块，用于提供所述各部分工作电源以及太阳能充电的电源与太阳能充电模块。所述处理器模块分别和串口通信模块、存储模块以及无线通信模块连接，所述GPRS模块与串口通信模块连接，所述充电模块与供电电池连接。

本实施例无线传感器网络网关以MSP430F149、nRF905无线通信模块和MC55GPRS模块为核心。MSP430F149组成的单片机系统具有上电自动复位及手动按键复位功能，晶体振荡电路为系统提供工作所需要的时钟信号，所有的设备控制、任务调度、数据整合、数据转存、功能协调和通信协议都将在这个模块的支持下完成。本实施例中微处理器除了选用MSP430F149之外，还可选用ATmega128、ATmega16、AT89S52、ML67Q5002或ML67Q5003等来完成。

该无线传感器网络网关与无线传感器网络的通信全部通过nRF905无线收发模块完成。nRF905无线通信芯片工作电压范围1.9-3.6V，发射功率可调，自带载波监测协议。由一个完全集成的频率调节器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶振振荡器和一个调节器组成。在功耗一定的情况下，该无线传感器网络的节点有效通信距离在空。旷地带达到203m，在农田环境下通信距离可以达到122m。本实施例中无线通信模块除了选用nRF905外，还可以选用nRF2401、CC1100、CC2430、CC2420等来实现无线数据的传输。

该无线传感器网络网关通过MC55GPRS模块完成与互联网的互联。MC55GPRS模块是当今市场上尺寸最小的三频模块，内嵌TCP/IP传输协议，可以同时设置6个连接平台，10个服务平台，每个服务平台可以根据需要采用TCP或者UDP协议，灵活设计通信协议。手机短信可以根据需要设置文本方式和PDU方式，文本方式只能发送英文和数字，PDU方式可以发送中文和其他符号。本实施例中GPRS模块除了选用MC55外，还可以选用MC35，GTM900C,SIM100，EM310等来实现无线数据的传输。

所述串口通信模块可实现节点与PC终端或者GPRS模块进行数据通信；所述电源与充电模块包括系统供电电源和为系统供电电源充电的太阳能电池板（可以用水能发电机、电源适配器或者其他电源代替）。

如图2所示，网关与节点、互联网之间的通信协议采用时序上同步的方法。在一个工作周期内，网关和节点在开机的时候首先同步一次，然后各自进入休眠。网关首先被唤醒并处于接收状态，侦听信道是否有数据，有数据就中断进入接收程序，缓存接收到的数据。当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，再发送一次同步让节点进入休眠。在节点休眠的时候网关向互联网和手机终端发送数据。

所述同步为采集节点的定时时间总是与网关的定时时间一致。网关发送同步数据包即是发送本地的定时器值和定时的轮数，采集节点收到同步数据包后，把网关发过来的定时信息覆盖自己的定时信息，调整定时器值和定时轮数。为了区分同步数据包与普通数据包，在包头加入区分标志。

所述向互联网和手机终端发送数据，两者采用不同的通信协议。连接互联网前设置目标服务器的IP地址（或者域名）和连接方式，等待连接成功后发送数据。向手机终端发送短信前，判断是否有越界参数，有则将越界信息提取出来，设置短信内容的编码格式，向目标手机发出短信。最后判断数据是否已经发送成功，若发送成功，则断开连接完成本工作周期，否则，在本地存储数据。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，所述双通信方式的无线传感器网络网关包括用于数据接收、处理、发送和逻辑控制的处理器模块，连接互联网的GPRS模块，串口通信模块，用于数据存储的存储模块，用于数据无线传输的无线通信模块，电源与充电模块；所述处理器模块分别和串口通信模块、存储模块以及无线通信模块连接，所述GPRS模块与串口通信模块连接，所述电源与充电模块分别为处理器模块、存储模块、无线通信模块、串口通信模块以及GPRS模块提供电源；所述串口通信模块可实现节点与PC终端或者GPRS模块进行数据通信，所述GPRS模块内置TCP/IP协议；

所述双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法包括下述步骤：

(1)网关向整个网络发送同步数据包，网关发送同步数据包即是发送本地的定时器值和定时的轮数，采集节点收到同步数据包后，把网关发过来的定时信息覆盖自己的定时信息，调整定时器值和定时轮数；

(1-1)在一个工作周期内，网关和节点在开机的时候首先同步一次，然后各自进入休眠；

(1-2)网关首先被唤醒并处于接收状态，侦听信道是否有数据，有数据就中断进入接收程序，缓存接收到的数据；

(1-3)当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，再发送一次同步让节点进入休眠；

(1-4)在节点休眠的时候网关向互联网和手机终端发送数据；

(2)等待接收数据包，若接收到数据包转至(3)，否则转至(4)；

(3)解析数据包，提取有用数据信息并发送到服务器和在本地存储；

(3-1)按照数据的存放格式，按字节提取并计算信息的值；

(3-1)设置TCP/IP通信协议，向服务器中断发送(3-1)中提取的信息；

(3-3)设置目标手机号码与短信方式，发送(3-1)中提取的信息以及越界报警信息；

(3-4)本地创建文件，存储(3-1)中提取的信息；

(4)再向网络发送同步数据包。

2.根据权利要求1所述的双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，所述处理器为16位单片机最小系统。

3.根据权利要求2所述的双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，无线通信模块的通信频率和发射、接收功可调。

4.根据权利要求1或3所述双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，所述无线通信模块为nRF905、nRF2401、CC1100、CC2430或CC2420，所述无线通信模块的发射功率受微处理器控制。

5.根据权利要求1所述双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，所述GPRS模块为MC55，MC35，GTM900C,SIM100或EM310；所述GPRS模块的工作方式受微处理器控制。

6.根据权利要求1所述双通信方式的无线传感器网络网关的控制方法，其特征在于，所述充电模块可根据需要选择充电电源。