CN106656230A - 通信节点和网关设备 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够有效节省电能的通信节点和相应的网关设备。本发明提供的通信节点，与网关设备相通信，其特征在于，包括：通信单元，与网关设备通信相连；供电单元，为通信单元进行供电；电子开关管，具有控制端、输入端和输出端，输入端与供电单元相连接，输出端与通信单元相连接；射频接收控制单元，与控制端相连接，接收网关设备中的射频发射部发送来的断电射频信号，并根据断电射频信号来控制输入端与输出端处于不导通状态。

Description

通信节点和网关设备

技术领域

本发明属于物联网领域，具体涉及一种通信节点和网关设备。

背景技术

物联网作为新一代信息技术的重要组成部分，信息化时代的重要产物，已经被应用于智能家居、工厂智能监控等领域，为人们对各种智能设备进行远程监测、管理和控制提供了极大的便利。

物联网主要包含节点模块和网关设备两大部分。其中，节点模块与智能设备的采集控制器相连接，主要起到信息传递的作用；而网关设备一方面与所有的节点模块基于预定通信规则相通信，并对节点模块进行管理，另一方面则与远程监控设备实现通信。这样，当智能设备产生运行数据信息时，首先，经由采集控制器传输至相应的节点模块，然后，由节点模块将运行数据信息发送至网关设备，最后由网关设备将运行数据信息发送到外网中相应的远程监控设备；另外，当远程监控设备下发控制指令信息时，首先，由网关设备接收下发的控制指令信息，然后发送给各个节点模块，再由节点模块将控制指令信息转送给采集控制器，最后由采集控制器根据控制指令信息来控制智能设备执行相应的操作。

通常，在一个物联网中，都会设置有大量的采集控制器，相应的节点模块的数量就会非常多，如果所有的节点模块都一直通电，那么就会一直消耗电能，而这些节点模块中绝大部分实际上都只需要在一段时间内工作，不需要全天工作，因此，一直通电就会造成电能浪费。

为了避免电能浪费，市面上出现了一种具有休眠功能的节点模块，该节点模块能够在不工作时从工作模式进入休眠模式，使得节点模块的各个部件进入低功率状态，从而减小电能消耗。

但是，由于在这种休眠模式下，节点模块的某些部件仍然在被供电，比如时钟和计时器仍在继续工作，所以整个节点模块的耗电量只是比工作状态时稍低一些，仍然不够省电。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种能够有效节省电能的通信节点和相应的网关设备。

<通信节点>

本发明提供了一种通信节点，与网关设备相通信，其特征在于，包括：通信单元，与网关设备通信相连；供电单元，为通信单元进行供电；电子开关管，具有控制端、输入端和输出端，输入端与供电单元相连接，输出端与通信单元相连接；射频接收控制单元，与控制端相连接，接收网关设备中的射频发射部发送来的断电射频信号，并根据断电射频信号来控制输入端与输出端处于不导通状态。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：其中，射频接收控制单元接还收网关设备中的射频发射部发送来的供电射频信号，并根据通电射频信号控制输入端与输出端处于导通状态。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：射频接收控制单元是将接收到供电射频信号和断电射频信号转换成相应的通电电平信号和断电电平信号并发送至基极来控制输入端与输出端处于导通状态或不导通状态。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：通电电平信号为高电平信号，断电电平信号为低电平信号。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：电子开关管为三极管、MOSFET、继电器以及可控硅中的任意一种。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：射频接收单元为125KHz的射频激励器，射频发射部也为125KHz的射频激励器。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：供电单元具有电压输入口和电压输出口，电压输入口与外接电源相连接，电压输出口与电子开关管的输入端相连接。

在本发明提供的通信节点中，还可以具有这样的特征：通信单元包括：通信部，与网关设备进行通信；和时钟部，为通信提供时间信息。

<网关设备>

本发明提供了一种网关设备，设置在含有至少一个通信节点的通信网络中，用于对至少一个通信节点进行管理，其特征在于，包括：通信单元，与至少一个通信节点相通信连接；网络管理单元，对至少一个通信节点进行网络管理；以及通断电管理单元，对至少一个通信节点进行通断电管理，含有：指令生成部，基于预定的通断电规则生成相应的通电指令和断电指令；和射频生成发送部，基于通电指令和断电指令分别生成相应的通电射频信号和断电射频信号，并发送给通信节点的射频接收单元。

在本发明提供的网关设备中，还可以具有这样的特征：射频生成发送部为125KHz的射频激励器。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的通信节点和网关设备，因为在通信节点中，射频接收控制单元能够接收网关设备中的射频发射部发送来的断电射频信号，并根据断电射频信号控制电子开关管的输入端与输出端处于不导通状态，使得供电单元停止给通信单元供电，从而进入完全不耗电的非工作状态，因而，从根本上解决了非工作状态的耗电问题，达到了有效省电的目的。

附图说明

图1是本发明的实施例中物联网通信系统的结构示意图；

图2是本发明的实施例中通信节点的结构示意图；

图3是本发明的实施例中网关设备的结构框图；

图4是本发明的实施例中通断电管理单元的结构框图；以及

图5是本发明的实施例中通断电管理过程的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的通信节点和网关设备作具体阐述。

在本实施例中，以农业智能大棚的物联网通信系统为例进行详细说明。

图1是本发明的实施例中物联网通信系统的结构示意图。

如图1所示，物联网通信系统1000包括大棚200以及用于实现对该大棚200进行监控的物联网通信子系统100。

在本实施例中，大棚200整体作为一个智能设备，用于进行农业生产。为了使大棚200所形成的空间中的农作物或植物生长良好，在大棚200中安装有温度传感器210、光照传感器220、灌溉采集控制阀230以及空气质量传感器240。该四个传感器作为采集控制装置，分别用于实时采集大棚200所形成的内环境的温度信息、光照强度信息、阀门状态信息以及空气质量信息这些运行数据信息，并根据接收到的控制指令信号，执行相应的操作。

物联网通信子系统100用于实现对大棚200的各种运行数据信息(即、温度信息、光照强度信息、阀门状态信息以及空气质量信息)进行远程监控。它包含四个通信节点10、一个网关设备20以及通过通信网络30与网关设备20相通信连接的外部通信装置40。

四个通信节点10与大棚200中的温度传感器210、光照传感器220、灌溉采集控制阀230以及空气质量传感器240这四个采集控制装置一一对应连接。每个通信节点10集成了符合WirelessHart协议标准的射频收发器和微处理器，开始工作后，四个通信节点10之间可自动组成蜂窝型网状网络结构(即、MESH自组网机制)，并且基于预先设定的通信规则与网关设备20之间进行通信。

由于四个通信节点10的结构和功能都完全相同，仅连接的采集控制装置不同，因此，以下以与灌溉采集控制阀230的一个通信节点10为例对其结构和功能进行详细说明，其余三个通信节点10则不再赘述。

图2是本发明的实施例中通信节点的结构示意图。

如图2所示，通信节点10包括通信单元101、供电单元102、电子开关管103以及射频接收控制单元104。

通信单元101包括通信部101a和时钟部101b。通信部101a，一方面与灌溉采集控制阀230相连，另一方面与网关设备20通讯相连，从而能够接收灌溉采集控制阀230发送来的运行数据信息，并转发给网关设备20，或者接收网关设备20发送来的控制指令信息，并转发给灌溉采集控制阀230。时钟部101b为通信提供时间信息，它包含有图中未显示的时钟电路和计时器。

供电单元102具有电压输入口102a和电压输出口102b。电压输入口102a与外部供电装置50相连接，电压输出口102b与通信单元101相连接。供电单元102用于将外部供电装置50提供的外部电压转换为通信节点10工作所需的额定工作电压，并将该额定工作电压经由电压输入口102a向通信单元101进行输入。在本实施例中，外部供电装置50为220V交流电源，额定工作电压为3.3V。

电子开关管103具有控制端103a、输入端103b和输出端103c。控制端103a与射频接收控制单元104相连，输入端103a与供电单元102相连接，输出端103c与通信单元101相连接。本实施例中，电子开关管103为三极管，三极管的基极作为控制端103a，发射极作为输入端103b，集电极作为输出端103c。控制端103a可以控制输入端103b与输出端103c处于不导通状态或者导通状态，当输入端103b与输出端103c处于不导通状态时，通信单元101断电而停止工作；当输入端103b与输出端103c处于导通状态时，通信单元101通电而开始工作。

射频接收控制单元104与控制端103a相连接，能够接收网关设备20发送来的断电射频信号，并将该断电射频信号转换成相应的断电电平信号，输送给电子开关管103的控制端103a，从而通过控制端103a来控制输入端103b与输出端103c处于不导通状态；并且，射频接收控制单元104还能够接收网关设备20发送来的供电射频信号，并将该供电射频信号转换成相应的通电电平信号，发送给电子开关管103的控制端103a，从而通过控制端103a来控制输入端103b与输出端103c处于导通状态。本实施例中，射频接收单元为125KHz的射频激励器，通电电平信号为高电平信号，断电电平信号为低电平信号。

网关设备20一方面与四个通信节点10相通信连接，另一方面与外部通信装置40相通信连接，从而实现大棚200与外部通信装置40之间的通信连接。例如，网关设备20接收通信节点10发来的运行数据信息后，进一步对接收到的运行数据信息进行协议转换处理，然后通过通信网络30将转换处理后的运行数据信息发送至外部通信装置40中。

图3是本发明的实施例中网关设备的结构框图。

如图3所示，网关设备20包括网关主体单元201、中心(AP)节点单元202、无线通信单元203、网络管理单元204、信息存储单元205、时钟电路单元206、电源管理单元207以及通断电管理单元208。

网关主体单元201与中心节点单元202、无线通信单元203、网络管理单元204、信息存储单元205、时钟电路单元206、以及电源管理单元207这六个单元都相连接，并驱动这六个单元进行工作。另外，网关主体单元201用于对通信节点10发送来的运行数据信息进行协议转换处理，或者对外部通信装置40发送来的控制指令信息进行协议转换处理。

中心节点单元202集成在网关主体单元201中，它自身还集成了符合WirelessHart协议标准的射频收发器和微处理器，与四个通信节点10基于预定通信规则进行通信，从而实现接收通信节点10发送来的运行数据信息发送，或者实现将进行协议转换处理后的控制指令信息发送至通信节点10。经测试，在中心节点单元202与四个通信节点10中，点对点的通信距离能够达到5KM。

无线通信单元203集成在网关主体单元201中，用于与外部通信装置40以无线方式进行通信连接，即、以无线方式将进行协议转换处理后的运行数据信息发送至外部通信装置40，或者，以无线方式接收外部通信装置40发送来的控制指令信息。

无线通信单元203包含图中未显示的无线通信模块和无线通信接口。无线通信接口与无线通信模块相连接，用于与图中未显示的天线装置相连接，从而使无线通信模块实现进行无线通信。这里，无线通信单元203包含图中未显示的GPRS模块、3G模块、4G模块以及WiFi模块；无线通信接口为SMA接口。相应地，通信网络30为2G网络、3G网络、4G网络以及WiFi网络。

网络管理单元204集成在网关主体单元201中，对所有的通信节点10进行网络管理，从而保证每个通信节点10都能够正常运行。具体地，

网络管理单元204可以增加、删除以及修改通信节点10及其参数信息(包括网络ID、设备地址、频点等信息)；可以在通信节点10发送入网请求信息时分配入网私有密钥便于该通信节点10入网，并进一步为该通信节点10分配唯一的通信密钥，在通信过程中用于对数据包进行加密，从而确保通信安全；可以为所有的通信节点10分配多个信道便于该通信节点10与其它的通信节点进行跳频通信；还可以管理所有的通信节点10之间的通信路径，便于不相邻的两个通信节点10之间进行通信时路由最佳通信路径。

信息存储单元205集成在网关主体单元201中，对中心节点单元202接收到的运行数据信息或外部通信装置40发送来的控制指令信息进行存储。

时钟电路单元206集成在网关主体单元201中，用于提供时间信息(即当前时间)，便于中心节点单元202与四个通信节点10之间进行时间同步，从而保证通信的安全可靠。

上述网关主体单元201、中心(AP)节点单元202、无线通信单元203、信息存储单元205以及时钟电路单元206组成了网关设备20的通信单元。

电源管理单元207集成在网关主体单元201中，与图中未显示的外部供电装置相连接，用于将外部供电装置提供的外部电压转换为网关设备20工作所需的额定工作电压，并提供给网关主体单元201。

当中心节点单元202与其它四个通信节点10之间基于预定通信规则进行通信时，该中心节点单元202可以看作一个通信节点10。这里的预定通信规则为：它包含自动入网机制、MESH组网机制、时间同步机制以及跳频机制。基于这些机制组成的预定规则进行通信，使得通信节点10与网关设备20之间的通信更安全、更稳定、更快速、更可靠。

图4是本发明的实施例中通断电管理单元的结构框图。

如图4所示，通断电管理单元208用于对所有的通信节点10进行通断电管理，它包括通断电规则存储部208a、时间信息获取部208b、判断控制部208c、指令生成部208d以及射频生成发送部208e。

通断电规则存储部208a存储有预设的通断电规则，即、各个通信节点10的停止工作时间T1和开始工作时间T2，例如：四个通信节点10在24：00起停止工作，到至次日4：00开始工作，以下都以此规则为例进行说明。

时间信息获取部208b从时钟电路单元206获取当前时间。

判断控制部208c对时间信息获取部208b获取到的当前时间T是否等于停止工作时间T1或开始工作时间T2进行判断，并在判断结果为否的情况下，控制时间信息获取部208b再次获取当前时间。

指令生成部208d在判断结果为当前时间T＝停止工作时T1的情况下，生成相应的断电指令；并在判断结果为当前时间T＝开始工作时间T2的情况下，生成相应的通电指令。

例如，在时间信息获取部208b获取到的当前时间T为24：00时，判断控制部208c的判断结果为T＝T1，在这种情况下，判断控制部208c会控制指令生成部208b生成断电指令；在时间信息获取部208b获取到的当前时间T为4：00时，判断控制部208c的判断结果为T＝T2，在这种情况下，判断控制部208c会控制指令生成部208b生成通电指令。

射频生成发送部208e基于通电指令和断电指令分别生成相应的通电射频信号和断电射频信号，并发送给通信节点10的射频接收单元104。在本实施例中，射频生成发送部208e为125KHz的射频激励器。

外部通信装置40一方面通过通信网络30接收网关设备20发送来的运行数据信息，从而对该运行数据信息进行存储、分析等处理操作；另一方面可以让用户基于当前的运行数据信息发送相应的控制指令信息给网关设备20，网关设备20基于预定通信规则将接收到的控制指令信息发送至相对应的通信节点10，通信节点10将该控制指令信息传输给相应的采集控制装置，使之执行与该控制指令信息相对应的操作。这里，外部通信装置40为PC机；控制指令信息的形式为电磁波信号。

具体地，以阀门状态信息为例，客户通过外部通信装置40发出控制指令信息(例如“完全打开阀门”、“打开一半阀门”、“关闭阀门”等)，该控制指令信息经由通信网络30将其发送至网关设备20中，网关设备20基于预定通信规则将接收到的控制指令信息发送至与灌溉采集控制阀230相连接的通信节点10中，该通信节点10将该控制指令信息传输给灌溉采集控制阀230，该灌溉采集控制阀230的控制器基于接收到的控制指令信息执行相应的操作(即、打开阀门或关闭阀门)。

下面，就本实施例中的核心内容，网关设备20对通信节点10进行通断电管理的整个过程进行详细阐述。这里，仅以与灌溉采集控制阀230相连的通断电管理单元208为例进行说明。

图5是本发明的实施例中通断电管理过程的流程图。

如图5所示，本实施例中，网关设备20对通信节点10进行通断电管理的工作流程如下所示：

步骤S1：

时间信息获取部208b从时钟电路单元206获取当前时间T，然后进入步骤S2；

步骤S2：

判断控制部208c对获取到的当前时间T是否等于停止工作时间T1或开始工作时间T2进行判断，并在判断结果为T＝T1的情况下进入步骤S3，在判断结果为T＝T1的情况下进入步骤S10，在判断结果为否的情况下返回步骤S1；

步骤S3：

指令生成部208d生成断电指令，然后进入步骤S4；

步骤S4：

射频生成发送部208e基于断电指令生成断电射频信号，然后进入步骤S5；

步骤S5：

射频接收控制单元104接收网关设备20发送来的断电射频信号，然后进入步骤S6；

步骤S6：

射频接收控制单元104将接收到的断电射频信号转换成相应的断电电平信号，然后进入步骤S7；

步骤S7：

射频接收控制单元104将断电电平信号输送给电子开关管103的控制端103a，然后进入步骤S8；

步骤S8：

控制端103a接收断电电平信号，然后进入步骤S9；

步骤S9：

控制端103a控制输入端103b与输出端103c处于不导通状态，通信单元101断电而停止工作，然后返回步骤S1；

步骤S10：

指令生成部208d生成通电指令，然后进入步骤S11；

步骤S11：

射频生成发送部208e基于通电指令生成通电射频信号，然后进入步骤S12；

步骤S12：

射频接收控制单元104接收网关设备20发送来的通电射频信号，然后进入步骤S13；

步骤S13：

射频接收控制单元104将接收到的断电射频信号转换成相应的通电电平信号，然后进入步骤S14；

步骤S14：

射频接收控制单元104将通电电平信号输送给电子开关管103的控制端103a，然后进入步骤S15；

步骤S15：

控制端103a接收到通电电平信号，然后进入步骤S16；

步骤S16：

控制端103a控制输入端103b与输出端103c处于导通状态，通信单元101通电而开始工作，然后返回步骤S1。

至此，完成一次通断电管理循环。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的通信节点和网关设备，因为在通信节点中，射频接收控制单元能够接收网关设备中的射频发射部发送来的断电射频信号，并根据断电射频信号生成断电电平信号发送给电子开关管的控制端，从而控制电子开关管的输入端与输出端处于不导通状态，使得供电单元停止给通信单元供电，进入完全不耗电的非工作状态，实现了非工作状态完全不耗电的效果，因而，从根本上解决了非工作状态的耗电问题，达到了有效省电的目的。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

在上述实施例中，通信节点内采用的电子开关管为三极管，本发明的通信节点中，电子开关管还可以为MOSFET、继电器以及可控硅等任意具有控制端、输入端和输出端的开关管。

在上述实施例中，外部供电装置为220V直流电源，而在本发明的网关设备中，外部供电装置还可以为智能设备。

在上述实施例中，外部通信装置为PC机，而在本发明的网关设备中，外部通信装置还可以为移动通信装置，例如智能手机或平板电脑等。

Claims (10)

1.一种通信节点，与网关设备相通信，其特征在于，包括：

通信单元，与所述网关设备通信相连；

供电单元，为所述通信单元进行供电；

电子开关管，具有控制端、输入端和输出端，所述输入端与所述供电单元相连接，所述输出端与所述通信单元相连接；

射频接收控制单元，与所述控制端相连接，接收所述网关设备中的射频发射部发送来的断电射频信号，并根据所述断电射频信号来控制所述输入端与所述输出端处于不导通状态。

2.根据权利要求1所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述射频接收控制单元接还收所述网关设备中的所述射频发射部发送来的供电射频信号，并根据所述通电射频信号控制所述输入端与输出端处于导通状态。

3.根据权利要求2所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述射频接收控制单元是将接收到供电射频信号和断电射频信号转换成相应的通电电平信号和断电电平信号并发送至所述基极来控制所述输入端与输出端处于导通状态或不导通状态。

4.根据权利要求3所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述通电电平信号为高电平信号，所述断电电平信号为低电平信号。

5.根据权利要求1所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述电子开关管为三极管、MOSFET、继电器以及可控硅中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述射频接收单元为125KHz的射频激励器，

所述射频发射部也为125KHz的射频激励器。

7.根据权利要求1所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述供电单元具有电压输入口和电压输出口，

所述电压输入口与外接电源相连接，所述电压输出口与所述电子开关管的所述输入端相连接。

8.根据权利要求1所述的通信节点，其特征在于：

其中，所述通信单元包括：

通信部，与所述网关设备进行通信；和

时钟部，为所述通信提供时间信息。

9.一种网关设备，设置在含有至少一个通信节点的通信网络中，用于对至少一个通信节点进行管理，其特征在于，包括：

通信单元，与所述至少一个通信节点相通信连接；

网络管理单元，对所述至少一个通信节点进行网络管理；以及

通断电管理单元，对所述至少一个通信节点进行通断电管理，含有：指令生成部，基于预定的通断电规则生成相应的通电指令和断电指令；和射频生成发送部，基于所述通电指令和所述断电指令分别生成相应的通电射频信号和断电射频信号，并发送给所述通信节点的射频接收单元。

10.根据权利要求7所述的网关设备，其特征在于：

其中，所述射频生成发送部为125KHz的射频激励器。