CN103763352A - 一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，具体是一种具有低速与高速及短距离与长距离无线通信功能的网络管理方法，主要应用于CMC智能电表集中器的研制与应用。它由短距离无线传感网模块、公共移动通信网模块、中间控制模块三大部分组成，其中短距离无线传感网模块采用WIA工业协议进行与终端表完成数据的采集、传送。中间控制模块负责与短距离无线传感网模块及公共移动通信网模块进行数据的接收、存储、发送。本发明使短距离与长距离、低速与高速相结合的无线传输的特点成为现实。本发明可以适应不同的环境，在使用过程中更加便捷、有效，同时也大大节约了时间和成本，实时性能、网络性能、可靠性能也更加突出。

Description

一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法

技术领域

本发明涉及工业无线网领域,具体说是一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法。

背景技术

随着微电子系统、计算机通信、集成电路和射频技术的飞跃式发展，无线传感网作为一种新兴的网络技术得到了极大的推动，被广泛运用在环境监控、智能家居和工程质量监控等领域，尤其是在工业无线网络中的应用，大大的降低了能耗和成本，提高了管理效率。与此同时，公共移动通信网也同样飞速发展，同时又能大大提高了传输距离和传输效率。

短距离无线传感网具有低功耗，低成本的特点，而且方便在比较恶劣或复杂的环境中使用，但是它的缺点就是传输的距离比较短。相反公共移动通信网具有高速和远距离传输的特点。

发明内容

为了既能实现远距离高速传输数据，又能降低功耗和成本，发明了一种短距离无线传感网与公共移动通信接入的方法。

为了实现上述目的，本发明的具体技术方案如下：

一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，包括远端服务器和智能终端，还包括短距离无线传感网模块、中间控制模块、公共移动通信网模块三部分；

短距离无线传感网模块通过无线方式接收智能终端的数据；中间控制模块接收来自短距离无线传感网的数据，当需要传输至远端服务器时，通过公共移动通信网模块发送出去；

公共移动通信网模块发送远端服务器的命令，中间控制模块接收命令，通过短距离无线传感网发送命令到智能终端。

所述短距离无线传感网模块包括：微控制器、射频芯片外围驱动电路、RF射频电路；

微控制器采用CMC低功耗芯片；

射频芯片外围驱动电路负责驱动射频芯片的工作；

RF射频电路，负责接收RF射频数据。

所述短距离无线传感网模块是基于WIA工业无线网络协议，包括，物理层、数据链路层、网络层、应用层；

物理层主要是完成IEEE802.15.4的物理层原语实现，和相关的常量和PIB属性定义等，物理层的实现，要有底层硬件和各个部分驱动的支持；

数据链路层（DLL）主要任务是保证WIA-PA设备间的可靠、安全、无误、实时地传输；

网络层主要负责数据的转发和路由功能；

应用层主要任务是提供在WIA-PA网络中的两个或者多个应用实体之间的数据通信；

所述短距离无线传感网模块包含3个任务流程，分别为管理任务、用户任务和协议栈任务，任务之间的通信采用队列的方式，优先级依次降低；

本模块中一共建立了四个队列Q1，Q2，Q3，Q4；

Q1主要负责协议栈中的各个层与DMAP交互，协议栈各层只负责把要交互的数据放入队列Q1中，然后DMAP会时时的检查队列Q1是否为空，当有数据时，DMAP将取出数据进行分析处理，DMAP有数据需要返回给协议栈各个层时，需要把返回的数据放入Q2中，等待协议栈任务取出数据。Q2这个队列主要是为协议栈任务服务的，当硬件中断接收到数据时，要把数据进行结构化处理，如图中结构体S1所示，加上必要的层信息，然后投递到队列Q2中，等待协议栈任务取出处理，同样用户的任务要有数据需要传递是，也需要进行S1结构化处理，然后放入队列Q2等待协议栈任务处理。当数据处理完成想要发送时，MAC层将把数据放入队列Q3中进行排队发送，等待定时器到达时隙边缘，然后把数据发送出去。Q4用于有数据要从ASL传递到用户应用单元时使用。如果设备支持聚合功能，用户将把需聚合数据投递到队列Q1，由DMAP完成聚合操作，在把数据投递到Q2中传递给协议栈任务。在协议栈任务的每个层交互通过接口函数的形式，每层对外提供两个接口函数，分别是发送数据接口函数和接收数据接口函数。

所述中间控制模块包括：数据存储模块、数据分析模块、配置信息模块、接收模块、发送模块；

数据存储模块根据配置，当收到需保存的设备报警、错误信息日志数据时进行数据存储；

数据分析模块对短距离无线传感网和公共移动通信网接收的数据进行分析，通过分析之后对数据进行发送；

配置信息模块对控制模块的资源和系统等等进行配置；

接收模块实时接收中间控制模块中需要与远端管理终端交互的数据；

发送模块将智能终端电表中的数据通过中间控制模块发送出去。

本发明具有如下优点：

1.应用广泛。可以应用于工业智能电表、化工、炼油、石化、冶金、电力、建材、食品、制药等流程工业企业，以及智能交通、智能建筑、环保、教育、纺织、数控等多个领域的自动化控制领域。

2.本发明具有使用的灵活性。短距离无线传感网模块兼容IEEE802.15.4，除上述WIA协议外，用户还可根据需要扩展成ZIGBEE、WirelessHart、SP100等多种现有无线通信协议，或进行二次开发。

3.可靠性高，实时性好。本发明基于WIA协议，可靠性可达到99%以上，由于采用抢占式的实时操作系统，端到端的数据传输延时小于30ms。

4.具有短距离和长距离、低速和高速相结合的特点。

5.成本更低廉。本发明无线传感网模块采用片上控制系统大大降低使用成本，这样无形中扩大了控制系统的应用范围，降低了应用门坎，上到一般工业流程控制，下到智能家电，都可以方便应用。

6.更安全、更稳定、更可靠。片上控制的实现，将控制功能现场化，可以真正实现分布的现场控制，去除了集中的控制器设备。将控制历史数据分散的存放与各个控制芯片内部，也提高了系统的健壮性。

7.低功耗，高性能的处理能力，使用方便。芯片化的控制系统在应用上需要更低的能量供应，在“低碳”和“节能”正成为社会共识的发展趋势下，采用更为先进的技术，为人类提供更为节能的控制系统，已经成为大势所趋。

8.提高了系统的准确性与可靠性。由于本发明采用WIA无线协议，同时由于系统的结构简化和网络技术的使用，设备间连线减少，减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

9.易于管理、监控。由于本发明使现场的数据易于管理和监控。管理人员也不必去现场进行数据的抄写，大大节约了工作的时间，同时也提高了效率。

附图说明

图1是本发明的模块结构框图。

图2是本发明射频硬件原理框图。

图3是本发明CMC硬件构架图。

图4是GPRS叠加到GSM网上的高级网络结构图。

图5是本发明各模块之间数据和命令收发流程图。

具体实施方式

下面结合附图图1-5对本发明作进一步详细说明。

一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，包括远端服务器和智能终端，还包括短距离无线传感网模块、中间控制模块、公共移动通信网模块三部分；

短距离无线传感网模块通过无线方式接收智能终端的数据；中间控制模块接收来自短距离无线传感网的数据，当需要传输至远端服务器时，通过公共移动通信网模块发送出去；

公共移动通信网模块发送远端服务器的命令，中间控制模块接收命令，通过短距离无线传感网发送命令到智能终端。

所述短距离无线传感网模块包括：微控制器、射频芯片外围驱动电路、RF射频电路；微控制器采用CMC低功耗芯片；射频芯片外围驱动电路负责驱动射频芯片的工作；RF射频电路，负责接收RF射频数据。

所述短距离无线传感网模块是基于WIA工业无线网络协议，包括，物理层、数据链路层、网络层、应用层；物理层主要是完成IEEE802.15.4的物理层原语实现，和相关的常量和PIB属性定义等，物理层的实现，要有底层硬件和各个部分驱动的支持；数据链路层（DLL）主要任务是保证WIA-PA设备间的可靠、安全、无误、实时地传输；网络层主要负责数据的转发和路由功能；应用层主要任务是提供在WIA-PA网络中的两个或者多个应用实体之间的数据通信；所述短距离无线传感网模块包含3个任务流程，分别为管理任务、用户任务和协议栈任务，任务之间的通信采用队列的方式，优先级依次降低；本模块中一共建立了四个队列Q1，Q2，Q3，Q4；Q1主要负责协议栈中的各个层与DMAP交互，协议栈各层只负责把要交互的数据放入队列Q1中，然后DMAP会时时的检查队列Q1是否为空，当有数据时，DMAP将取出数据进行分析处理，DMAP有数据需要返回给协议栈各个层时，需要把返回的数据放入Q2中，等待协议栈任务取出数据。Q2这个队列主要是为协议栈任务服务的，当硬件中断接收到数据时，要把数据进行结构化处理，如图中结构体S1所示，加上必要的层信息，然后投递到队列Q2中，等待协议栈任务取出处理，同样用户的任务要有数据需要传递是，也需要进行S1结构化处理，然后放入队列Q2等待协议栈任务处理。当数据处理完成想要发送时，MAC层将把数据放入队列Q3中进行排队发送，等待定时器到达时隙边缘，然后把数据发送出去。Q4用于有数据要从ASL传递到用户应用单元时使用。如果设备支持聚合功能，用户将把需聚合数据投递到队列Q1，由DMAP完成聚合操作，在把数据投递到Q2中传递给协议栈任务。在协议栈任务的每个层交互通过接口函数的形式，每层对外提供两个接口函数，分别是发送数据接口函数和接收数据接口函数。

所述中间控制模块包括：数据存储模块、数据分析模块、配置信息模块、接收模块、发送模块；

数据存储模块根据配置，当收到需保存的设备报警、错误信息日志数据时进行数据存储；

数据分析模块对短距离无线传感网和公共移动通信网接收的数据进行分析，通过分析之后对数据进行发送；

配置信息模块对控制模块的资源和系统等等进行配置；

接收模块实时接收中间控制模块中需要与远端管理终端交互的数据；

发送模块将智能终端电表中的数据通过中间控制模块发送出去。

所述公共移动通信网模块使用独立的GPRS模块，GPRS模块包括：

GSM模块、GSN模块、PCU模块、GPRS传输平台；

所述GSM模块，由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成；移动台的移动交换中心与公共的电话交换网之间相连，移动交换中心负责连接基站之间的通信，通话过程中，移动台与所属基站建立联系，由基站再与移动交换中心连接，最后接入到公共电话网。

所述PCU模块通过对基站子系统（BSS）进行软件升级，新型GPRS实体将被用来处理数据业务量，并将数据业务量从GSM话音业务量中分离出来；PCU增加了分组功能，可控制无线链路，并允许多用户接入同一无线资源。

所述GSN模块包括SGSN模块和GGSN模块；

SGSN模块：GPRS业务支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）为用户和GGSN模块提供分组路由和隧道功能；

GPRS分组从基站直接发送到SGSN模块节点，而不是通过移动交换中心MSC连接到语音网络上；

GGSN模块：GPRS支持节点网关（Gateway GPRS Support Node，GGSN）是GPRS网络连接其他网络（如Internet）的关键设备；GGSN模块对接收自SGSN模块的分组数据进行相应的处理后，发送到目的网络中，（如Internet或X.25网络）；而来自Internet的标识有移动终端地址的IP包，由GGSN模块接收，再转发到SGSN模块，继而传送到智能终端上。

所述GPRS数据传输平台理论带宽可达171.2Kb/S，实际应用带宽大约在40-100Kb/S，GPRS传输平台由分层的协议组构成，用于用户信息和其它相关信息（如流程控制、错误检测、错误修正等）的传输；通过GB接口，GPRS传输平台不依赖于底层的无线通信平台而独立存在，这样系统能很方便地从GPRS平台升级到3G平台。

GTP:GPRS隧道协议（GPRS Tunnelling Protocol，GTP）规范GPRS主干网的支持节点（GGSN和SGSN）之间的用户数据和网络控制信号的传输，所有的分组数据报（如X.25或IP）的协议数据单元（PDU）都会被GTP封装。

TCP/UDP:TCP协议用于在需要可靠数据连接的时候（如X.25网络）在GPRS主干网上运送GTP协议数据单元，而UDP协议用于在不需要可靠数据连接的时候（如IP网络）在GPRS主干网上运送GTP协议数据单元。TCP对丢失或被破坏的GTP协议数据单元提供流程控制和保护，而UDP对被破坏的GTP协议数据单元提供保护。

IP:IP协议是GPRS主干网协议，用于用户数据和控制信号的路由指示。GPRS主干网目前采用IPv4协议。

SNDCP:子网支持集中协议（Subnetwork Dependent ConvergenceProtocol，SNDCP）层提供其他网络协议的透明传输以及数据的压缩，还提供网络标识(NSAPI)和网络终端之间的对应。

LLC:逻辑连接控制（Logical Link Control，LLC）层提供一个高可靠的密码逻辑连接。LLC层的存在，使通信不依赖于底层的无线通信协议，这样就可以只对当前的网络子系统进行较小的改动而实现GPRS无线通信，以及便于升级到3G网络。

Relay：在BSS中，中继器（Relay）实现LLC协议数据单元在和Um和Gb接口之间的转发；在SGSN中，中继器实现分组数据报协议数据单元在Gb和Gn接口之间的转发。

BSSGP:基站系统GPRS协议（Base Station System GPRS Protocol，BSSGP）层实现BSS和SGSN之间路由和其它信息的传送。

NS:网络服务（Network Service，NS）层在BSS和SGSN之间建立帧中继（Frame Relay）连接来传送BSSGP协议数据单元。

RLC/MAC:本层包含两个功能：无线连接控制（RLC）功能提供一个可靠连接的无线方案；媒体访问控制（MAC）功能控制无线频道的访问信号（如请求和应答）的流程并且把LLC帧映射到GSM物理通道上。

在GPRS数据传输平台上，移动工作站通过Um接口连接到BSS，BSS和SGSN通过Gb接口连接，SSGN与GGSN通过Gn接口连接。Gi是GGSN与其它分组数据网络的接口，这里只讨论与Internet网络的连接。

其中公共移动通信网硬件模块采用独立的GPRS模块。

GPRS系统通过在原有的GSM系统中引入分组数据单元提供无线系统上的数据业务。作为承载网络，GPRS在核心网络中引入GSN（GPRSSupport Node）网络单元，通过分组交换平台方式，定义了GTP（GPRSTunneling Protocol，GPRS隧道协议）来承载高层数据。在GPRS系统中，引入了新的网络实体：PCU（Packet Control Unit，分组控制单元）、GGSN（Gateway GPRS Support Node，GPRS网关支持节点），SGSN（ServingGPRS SupportNode，GPRS服务支持节点）和计费网关CG等。GPRS的网络结构是基于GSM的，电路域依然使用GSM中的网络功能单元，如MSC、VLR、HLR和EIR等；而对于分组域，除了增加新的网络功能单元（如GGSN和SGSN）外，还重新定义了一些网络接口，如Gb接口（PCU和SGSN的接口），Gn接口（SGSN与SGSN、SGSN与GGSN的接口）和Gi接口（GGSN与外部网络的接口）等。GPRS系统中新引入的网络单元可区分为无线部分和数据部分两大类，数据部分网络单元的逻辑功能包括分组路由及传送功能和逻辑连接管理功能。

GPRS网络是基于现有的GSM网络来实现的，在现有的900/1800MHzGSM数字蜂窝移动通信系统中增加了相应的功能模块来实现GPRS。

Claims (8)

1.一种短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，包括远端服务器和智能终端，其特征在于：还包括短距离无线传感网模块、中间控制模块、公共移动通信网模块三部分；

短距离无线传感网模块通过无线方式接收智能终端的数据；中间控制模块接收来自短距离无线传感网的数据，当需要传输至远端服务器时，通过公共移动通信网模块发送出去；

公共移动通信网模块发送远端服务器的命令，中间控制模块接收命令，通过短距离无线传感网发送命令到智能终端。

2.按照权利要求1所述短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述短距离无线传感网模块包括：微控制器、射频芯片外围驱动电路、RF射频电路；

微控制器采用CMC低功耗芯片；

射频芯片外围驱动电路负责驱动射频芯片的工作；

RF射频电路，负责接收RF射频数据。

3.按照权利要求1所述短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述短距离无线传感网模块是基于WIA工业无线网络协议，包括，物理层、数据链路层、网络层、应用层；

物理层主要是完成IEEE802.15.4的物理层原语实现，和相关的常量和PIB属性定义等，物理层的实现，要有底层硬件和各个部分驱动的支持；

数据链路层（DLL）主要任务是保证WIA-PA设备间的可靠、安全、无误、实时地传输；

网络层主要负责数据的转发和路由功能；

应用层主要任务是提供在WIA-PA网络中的两个或者多个应用实体之间的数据通信；

所述短距离无线传感网模块包含3个任务流程，分别为管理任务、用户任务和协议栈任务，任务之间的通信采用队列的方式，优先级依次降低；

本模块中一共建立了四个队列Q1，Q2，Q3，Q4；

Q1主要负责协议栈中的各个层与DMAP交互，协议栈各层只负责把要交互的数据放入队列Q1中，然后DMAP会时时的检查队列Q1是否为空，当有数据时，DMAP将取出数据进行分析处理，DMAP有数据需要返回给协议栈各个层时，需要把返回的数据放入Q2中，等待协议栈任务取出数据。Q2这个队列主要是为协议栈任务服务的，当硬件中断接收到数据时，要把数据进行结构化处理，如图中结构体S1所示，加上必要的层信息，然后投递到队列Q2中，等待协议栈任务取出处理，同样用户的任务要有数据需要传递是，也需要进行S1结构化处理，然后放入队列Q2等待协议栈任务处理。当数据处理完成想要发送时，MAC层将把数据放入队列Q3中进行排队发送，等待定时器到达时隙边缘，然后把数据发送出去。Q4用于有数据要从ASL传递到用户应用单元时使用。如果设备支持聚合功能，用户将把需聚合数据投递到队列Q1，由DMAP完成聚合操作，在把数据投递到Q2中传递给协议栈任务。在协议栈任务的每个层交互通过接口函数的形式，每层对外提供两个接口函数，分别是发送数据接口函数和接收数据接口函数。

4.按照权利要求1所述短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述中间控制模块包括：数据存储模块、数据分析模块、配置信息模块、接收模块、发送模块；

数据存储模块根据配置，当收到需保存的设备报警、错误信息日志数据时进行数据存储；

数据分析模块对短距离无线传感网和公共移动通信网接收的数据进行分析，通过分析之后对数据进行发送；

配置信息模块对控制模块的资源和系统等等进行配置；

接收模块实时接收中间控制模块中需要与远端管理终端交互的数据；

发送模块将智能终端电表中的数据通过中间控制模块发送出去。

5.按照权利要求1所述的短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述公共移动通信网模块使用独立的GPRS模块，GPRS模块包括：

GSM模块、GSN模块、PCU模块、GPRS传输平台；

所述GSM模块，由移动业务交换中心（MSC）、基站（BS）设备及移动台（MS）（用户设备）以及交换中心至基站的传输线组成；移动台的移动交换中心与公共的电话交换网之间相连，移动交换中心负责连接基站之间的通信，通话过程中，移动台与所属基站建立联系，由基站再与移动交换中心连接，最后接入到公共电话网。

6.按照权利要求5所述的短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述PCU模块通过对基站子系统（BSS）进行软件升级，新型GPRS实体将被用来处理数据业务量，并将数据业务量从GSM话音业务量中分离出来；PCU增加了分组功能，可控制无线链路，并允许多用户接入同一无线资源。

7.按照权利要求5所述的短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述GSN模块包括SGSN模块和GGSN模块；

SGSN模块：GPRS业务支持节点为用户和GGSN模块提供分组路由和隧道功能；

GPRS分组从基站直接发送到SGSN模块节点，而不是通过移动交换中心MSC连接到语音网络上；

GGSN模块：GPRS支持节点网关是GPRS网络连接Internet网络设备；GGSN模块对接收自SGSN模块的分组数据进行相应的处理后，发送到目的网络中；而来自Internet的标识有移动终端地址的IP包，由GGSN模块接收，再转发到SGSN模块，继而传送到智能终端上。

8.按照权利要求5所述的短距离无线传感网与公共移动通信网接入的方法，其特征在于：

所述GPRS数据传输平台理论带宽可达171.2Kb/S，实际应用带宽大约在40-100Kb/S，GPRS传输平台由分层的协议组构成，用于用户信息和相关信息的传输；通过GB接口，GPRS传输平台不依赖于底层的无线通信平台而独立存在，这样系统能很方便地从GPRS平台升级到3G平台。

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