CN106454917A - 一种无线传感网络监测系统、支点及网关 - Google Patents

一种无线传感网络监测系统、支点及网关 Download PDF

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Abstract

本发明涉及无线传感网络领域，公开了一种无线传感网络监测系统，包括多个支点、网关和远程服务器，多个支点组成多跳网络，用于采集数据并将数据传输至网关；网关，用于将数据转发至远程服务器；远程服务器，用于接收数据并进行后续处理；该多跳网络形成多层拓扑，每层包括一个或多个支点。本发明还公开了在该无线传感网络监测系统中的支点和网关。本发明的系统和装置能耗低、整机体积小、精度高、鲁棒性好，使得复杂空间中的监测部署更加便捷、可靠。

Description

一种无线传感网络监测系统、支点及网关
技术领域
本发明涉及无线传感网络技术，尤其涉及一种无线传感网络监测系统以及系统中的支点和网关。
背景技术
无线传感网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器支点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，在智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域得到广泛应用。现有的无线传感网络监测系统见图1，其分为传感支点与中继支点两大类，中继支点只是通讯上的信息中转，传感支点只做数据采集与信息传输，没有信息中转的能力，故支点之间是星状网络形式存在。这种架构需要针对应用场景的实际情况进行专门的布置设计，较为复杂和繁琐，且一旦场景发生变化就会影响监控效果；如果中继支点出现故障时，整个网络传输功能出现瘫痪，无法完成数据传输，而且中继支点需要持续保持工作状态，能耗较高。
发明内容
本发明针对上述问题提出了一种无线传感网络监测系统，包括多个支点、网关和远程服务器，其特征在于：
多个支点组成多跳网络，用于采集数据并将数据传输至网关；
网关，用于将数据转发至远程服务器；
远程服务器，用于接收数据并进行后续处理；
该多跳网络形成多层拓扑，每层包括一个或多个支点。
进一步地，该多层拓扑包括网状、树状、星状和线状拓扑。
进一步地，该多层拓扑是动态变化的。
进一步地，该多层拓扑为10层拓扑。
进一步地，支点在没有数据传输时进入休眠模式。
进一步地，组成多跳网络的方式为：网关发出第一组网帧；能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑；满足预设条件，组网完毕。
进一步地，支点收到组网帧时根据信号门限值，确认自身是否具备入网条件，如果具备则加入网络，否则不加入网络。
进一步地，所述确认自身是否具备入网条件包括比较组网帧信号强度与信号门限值，当大于门限值时则具备。
进一步地，采用隔层同传的工作模式，即当第一层支点在上传数据时，单数层支点同时传输；当第二层支点在上传数据时，双数层支点同时传输。
进一步地，系统应用于基础设施监测，支点分布于基础设施上。
本发明还提出了一种上述无线传感网络监测系统中的支点，其特征在于包括：
传感模块，用于采集数据，包括双倾角传感模块和/或激光测距传感模块；
接口模块，用于接收和发送数据；
MCU控制器，具有嵌入式系统，用于控制支点中其它模块以及执行组成多跳网络的功能。
进一步地，传感模块包括主传感模块和辅助传感模块。
进一步地，主传感模块兼容数据接口，包括MEMS类型倾角传感器、高精度激光传感器、0-20mA类型传感器、0-5V类型传感器、400-6000Hz类型振弦式传感器、电阻类型传感器。
进一步地，接口模块包括无线通信模块。
进一步地，还包括供电模块、存储模块和/或时钟控制模块。
进一步地，所述供电模块用于提供整个支点的电源与管理，内置于支点之中，为标准的工业级电池。
本发明还提出了一种上述无线传感网络监测系统中的网关，其特征在于包括：
接口模块，用于接收和发送数据；
MCU控制器，具有嵌入式系统，用于控制支点中其它模块以及执行组成多跳网络的功能。
进一步地，接口模块包括与支点通信的MESH无线模块与远程服务器通信的移动通信无线模块。
进一步地，接口模块还包括标准工业接口。
进一步地，还包括存储模块、电源模块、与电源模块连接的低功耗供电模块和/或时钟控制模块。
进一步地，电源模块用于提供整个网关的电源与管理，内置于网关之中，为标准的工业级电池。
进一步地，还包括用于监测网关健康状况的健康模块和辅助传感模块。
进一步地，MCU控制器包括彼此连接的第一MCU控制器和第二MCU控制器，第一MCU控制器连接MESH无线模块、低功耗供电模块、健康模块、辅助传感模块、时钟控制模块；第二MCU控制器连接接口模块、存储模块、低功耗供电模块、时钟控制模块。
由上可见，本发明的无线传感网络监测系统中没有严格意义上的中继功能支点，因为支点组成了多层拓扑的多跳网络，每一个支点都同时具备功能作用与中继作用，这样使得复杂空间中(如地下复杂空间，尤其会受到无线信号传输中所产生的多路径效应影响)的监测部署更加便捷、可靠；即使有支点发生故障也不会影响其它支点数据的采集和上传；并可对于故障支点通过其自身所携带的支点健康模块、辅助传感模块，根据其历史数据，进行远程诊断，明确现场维护的工作内容；而且这种架构允许支点进入休眠模式以降低能耗，延长使用时间；系统中的支点和网关采用处理器与嵌入式系统的结合，能够有利于功能的配置和执行。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为现有的无线传感网络架构的示意图；
图2为根据本发明的无线传感网络监测系统架构的示意图；
图3为根据本发明的无线传感网络监测系统中支点的结构示意图；
图4为根据本发明的无线传感网络监测系统中网关的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图2为根据本发明的无线传感网络监测系统架构的示意图。其中包括多个支点、网关和远程服务器，多个支点组成多跳网络，用于采集数据并将数据传输至网关，再将数据转发至远程服务器以进行后续处理。在本发明的监测系统中，多个支点形成了具有多层拓扑的多跳网络，每层可以包括一个或多个支点，最下层的支点将采集的数据向上面一层支点发送，最上层的支点将收到的数据和自身采集的数据发送给网关，其它层的支点接收来自下层支点的数据，并与本支点采集的数据一并发送给上层支点。多层拓扑包括网状、树状、星状、线状拓扑，并且可以根据网络负载情况、信号强度、信号干扰或支点数量增减等而动态变化，例如当存在外界物体的干扰(如列车通过，金属类障碍物阻隔等)、网络中某个支点的信号变强或变弱(如天线受损)、网络中增加(例如监测规模增大而添加新的支点)或减少支点(例如支点出现故障)或者满足其它预定的条件时，该多层拓扑的形状以及拓扑层数都可以相应改变以适应新的场景和网络状况。这种动态改变也可以是定期执行的或者满足某种条件超过一定时间阈值时执行，以避免暂时和偶然情况引起网络拓扑频繁改变。该多层拓扑的层数优选地为10层。支点在没有数据传输时可以进入休眠模式，在收到唤醒帧或有数据要传输或者到达预定时间时恢复工作模式。该无线传感网络系统可以应用于桥梁、隧道、楼宇等基础设施监测，其中支点分布于基础设施上，网关可以设置在便于与支点进行通信以及与远程服务器进行远程通信的位置或者为可移动的形式，例如手持智能终端。
图3为根据本发明的无线传感网络监测系统中支点的结构示意图。支点包括用于采集数据的传感模块，包括主传感模块和辅助传感模块，主传感模块兼容数据接口，包括MEMS类型倾角传感器、高精度激光传感器、0-20mA类型传感器、0-5V类型传感器、400-6000Hz类型振弦式传感器、电阻类型传感器；接口模块包括无线通信模块，用于与网关和/或其它支点连接以接收和发送数据；供电模块用于提供整个支点的电源与管理，内置于支点之中，为标准的工业级电池，典型地可采用标准工业级1号电池；FLASH存储模块用于数据和程序的存储；还包括时钟控制模块和支点健康模块，其中支点健康模块用于判断自身健康，具体地可包括电量监测与温度传感电路，当电量过低或温度过高时，则认为支点处于不健康状态；各模块的工作由具有嵌入式系统的MCU控制器进行统一控制，以执行包括参数配置、数据收发和中继、功耗管理、数据动态存储、监测支点健康、支点定位等功能，其还执行组成多跳网络的功能使得支点能够与其它支点一起组成网络。其中，参数配置包括监测周期、无线频段、入网门限、中继时间等参数的配置。
传感模块可以为双倾角传感模块或激光测距传感模块，采用双倾角传感模块的倾角传感支点内置一节2/3A工业级电池，整机尺寸51x50x40mm，监测频率为1小时时，通过其无线传感网络技术，以及硬件方面的低功耗设计理念，可持续工作3年以上；采用激光测距传感模块的激光测距支点内置一节D型工业级电池，整机尺寸100x100x60mm，监测频率为1小时时，通过其无线传感网络技术，以及硬件方面的低功耗设计理念，可持续工作5年以上。
图4为根据本发明的无线传感网络监测系统中网关的结构示意图。网关包括接口模块、电源模块、存储模块、供电模块、时钟控制模块、健康模块、辅助传感模块和MCU控制器。接口模块有多个，MESH无线模块用于与支点通信，移动通信无线模块用于与远程服务器通信，移动通信无线模块为可更换式移动基站网络模块，兼容2/3/4/5G网络，并根据不同地理区域的网络制式差异，做相应的配置，标准工业接口用于以有线方式与现场工控机连接。电源模块包括电池供电主模块和DC模块，可以根据情况选择不同的供电方式，低功耗供电模块与电源模块连接，存储模块为SD卡，健康模块包括电量监测与温度传感器，可以有效感知网关自身的健康状态。在该实施例中，MCU控制器包括彼此连接的第一MCU控制器和第二MCU控制器，第一MCU控制器连接MESH无线模块、低功耗供电模块、健康模块、辅助传感模块、时钟控制模块；第二MCU控制器连接接口模块、存储模块、低功耗供电模块、时钟控制模块。MCU控制器具有嵌入式系统，用于控制网关中其它模块的工作，包括与服务器间的无线联网和TCP/IP连接、数据转发、能耗管理、数据存储、自定位、健康监测、参数配置。其中，参数配置包括监测周期，无线频道，数据回传时间等参数的配置。通过与支点的信息交互，MCU控制器控制支点组成多跳网络。所述供电模块用于提供整个网关的电源与管理，内置于网关之中，为标准的工业级电池。典型地，网关可内置四节D型工业级电池，整机尺寸180x140x60mm，监测频率为1小时，通过其无线传感网络技术，并在此基础上增添与网络连接次数为N(N可设置为1-99倍的实际监测频率)，进而减少了网关与远程服务器的联通频次，以及硬件方法的低功耗设计理念，可持续工作3年以上。
以上对本发明实施例所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (24)

1.一种无线传感网络监测系统，包括多个支点、网关和远程服务器，其特征在于：
多个支点组成多跳网络，用于采集数据并将数据传输至网关；
网关，用于将数据转发至远程服务器；
远程服务器，用于接收数据并进行后续处理；
该多跳网络形成多层拓扑，每层包括一个或多个支点。
2.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于该多层拓扑包括网状、树状、星状和线状拓扑。
3.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于该多层拓扑是动态变化的。
4.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于该多层拓扑为10层拓扑。
5.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于支点在没有数据传输时进入休眠模式。
6.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于组成多跳网络的方式为：网关发出第一组网帧；能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑；满足预设条件，组网完毕。
7.根据权利要求6所述的无线传感网络监测系统，其特征在于支点收到组网帧时根据信号门限值，确认自身是否具备入网条件，如果具备则加入网络，否则不加入网络。
8.根据权利要求7所述的无线传感网络监测系统，其特征在于所述确认自身是否具备入网条件包括比较组网帧信号强度与信号门限值，当大于门限值时则具备。
9.根据权利要求1所述的无线传感网络监测系统，其特征在于采用隔层同传的工作模式，即当第一层支点在上传数据时，单数层支点同时传输；当第二层支点在上传数据时，双数层支点同时传输。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的无线传感网络监测系统，其特征在于系统应用于基础设施监测，支点分布于基础设施上。
11.一种根据权利要求1-10中任一项所述的无线传感网络监测系统中的支点，其特征在于包括：
传感模块，用于采集数据，包括双倾角传感模块和/或激光测距传感模块；
接口模块，用于接收和发送数据；
MCU控制器，具有嵌入式系统，用于控制支点中其它模块以及执行组成多跳网络的功能。
12.根据权利要求11所述的支点，其特征在于传感模块包括主传感模块和辅助传感模块。
13.根据权利要求11所述的支点，其特征在于主传感模块兼容数据接口，包括MEMS类型倾角传感器、高精度激光传感器、0-20mA类型传感器、0-5V类型传感器、400-6000Hz类型振弦式传感器、电阻类型传感器。
14.根据权利要求11所述的支点，其特征在于接口模块包括无线通信模块。
15.根据权利要求11-14中任一所述的支点，其特征在于还包括供电模块、存储模块和/或时钟控制模块。
16.根据权利要求15中所述的支点，其特征在于所述供电模块用于提供整个支点的电源与管理，内置于支点之中，为标准的工业级电池。
17.根据权利要求11中所述的支点，其特征在于还包括支点健康模块，用于判断支点自身硬件与软件工作状态的健康指标。
18.一种根据权利要求1-10中任一项所述的无线传感网络监测系统中的网关，其特征在于包括：
接口模块，用于接收和发送数据；
MCU控制器，具有嵌入式系统，用于控制网关中其它模块以及控制支点组成多跳网络。
19.根据权利要求18所述的网关，其特征在于接口模块包括与支点通信的MESH无线模块与远程服务器通信的移动通信无线模块。
20.根据权利要求19所述的网关，其特征在于接口模块还包括标准工业接口。
21.根据权利要求18-20中任一所述的网关，其特征在于还包括存储模块、电源模块、与电源模块连接的低功耗供电模块和/或时钟控制模块。
22.根据权利要求21中所述的网关，其特征在于电源模块用于提供整个网关的电源与管理，内置于网关之中，为标准的工业级电池。
23.根据权利要求18中所述的网关，其特征在于还包括用于监测网关健康状况的健康模块和辅助传感模块。
24.根据权利要求18所述的网关，其特征在于MCU控制器包括彼此连接的第一MCU控制器和第二MCU控制器，第一MCU控制器连接MESH无线模块、低功耗供电模块、健康模块、辅助传感模块、时钟控制模块；第二MCU控制器连接接口模块、存储模块、低功耗供电模块、时钟控制模块。
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