CN109413183A - 一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法 - Google Patents

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李雪
郇蕊梦
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Abstract

本发明提供了一种基于NB‑IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法，包括：传感器模块、报警模块、近距离无线模块、网关模块、LPWAN模块以及应用端，所述应用端与主节点进行通信，主节点与多个节点进行通信，所述主节点包括LPWAN模块、网关模块以及近距离无线模块，节点包括近距离无线模块、传感器模块以及报警模块。本发明通过采用最新的NB‑IoT物联网技术，提出Zigbee与NB混合网络，使得两种技术优势互补，并预留了大量接口，可在今后的研究中进行功能的扩展，技术的升级，以及网站的融合，实现更加全面、系统的工地管理体系，解决现有技术中LPWAN技术在工地危险点预警中造价高的问题，实现NB‑IOT网络与Zigbee网络相结合，降低成本。

Description

一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，特别是一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法。
背景技术
LPWAN(Low-Power Wide-Area Network，低功耗广域物联网)是为物联网应用中的M2M通信场景优化的，由电池供电的，低速率、超低功耗、低占空比的，以星型网络覆盖的，支持单节点最大覆盖可达100公里的蜂窝汇聚网关的远程无线网络通讯技术。
在物联网的应用中，存在大量需要通过无线方式进行传输的需求，传统的通讯网络难以满足此类需求，而低功耗广域物联网以覆盖距离远、低速率、低功耗的工作方式能够很好的满足物联网的需求，得到了长足发展。在物联网应用中会出现大量的基于LPWAN技术进行传输的应用基站和终端等产品，这些产品由于数量庞大，分布比较广，其维护的难度和成本也越来越大，成为物联网应用中必须要面对和解的问题。
目前LPWAN技术还刚开始，服务费较高，而一个工地需要大量的节点，全部使用LPWAN模块将会花费大量运营商服务费；另一方面，在某些屏蔽较好的室内，LPWAN网络无法覆盖。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法，旨在解决现有技术中LPWAN技术在工地危险点预警中造价高的问题，实现NB-IOT网络与Zigbee网络相结合，降低成本。
为达到上述技术目的，本发明提供了一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，所述系统包括：
传感器模块、报警模块、近距离无线模块、网关模块、LPWAN模块以及应用端；
所述传感器模块用于采集现场环境信息，触发报警模块；
所述报警模块用于对现场进行声光警示；
所述近距离无线模块用于实现各传感器节点的数据传输，采用ZigBee网络；
所述网关模块用于实现在不同传输协议的网络下完成数据传输；
所述LPWAN模块用于实现远距离的数据传输，采用NB-IOT网络；
所述应用端用于实现现场环境信息的展示，同时可对现场的报警模块进行控制。
优选地，所述应用端与主节点进行通信，主节点与多个节点进行通信，所述主节点包括LPWAN模块、网关模块以及近距离无线模块，节点包括近距离无线模块、传感器模块以及报警模块。
优选地，所述传感器模块为微波雷达传感器、超声波传感器、红外传感器、温湿度传感器中的任意一种。
优选地，所述报警模块采用LED灯与可录音的语音报警模块相结合。
本发明还提供了一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1、通过特定传感器采集现场信息，以及接收远程控制信息，同时控制报警模块开关；
S2、通过ZigBee网络对各个传感器进行数据采集及远程控制；
S3、通过NB-IOT网络将传感器节点数据进行远距离传输至远程应用，并下传应用端的控制信息；
S4、通过网关模块，实现Zigbee网络和NB-IoT网络的通信；
S5、通过在远程应用中对传感器状态进行显示，并通过远程应用对传感器开关、功能以及报警模块的开关进行控制。
优选地，所述ZigBee网络采用对等拓扑网络组网，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围。
优选地，所述NB-IOT网络通过第三方IOT平台提供的平台数据库以及API服务，创建应用端。
优选地，所述网关模块采用单片机及片上系统，实现Zigebee网络与NB-IoT网络的协议转换。
优选地，所述应用端调用谷歌地图，将主节点的GPS信息，定位于地图上，可在界面上显示传感器节点的工作情况，可对节点中的传感器进行控制。
发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：
与现有技术相比，本发明通过采用最新的NB-IoT物联网技术，提出Zigbee与NB混合网络，使得两种技术优势互补，并预留了大量接口，可在今后的研究中进行功能的扩展，技术的升级，以及网站的融合，实现更加全面、系统的工地管理体系。并通过智能终端工地危险点预警系统的使用，极大的提高了工地安全措施的可靠性，同时，相关管理人员可更好的了解全站的安全情况，对有会发生违章作业的人员及时发现并阻止，解决现有技术中LPWAN技术在工地危险点预警中造价高的问题，实现NB-IOT网络与Zigbee网络相结合，降低成本。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统结构框图；
图2为本发明实施例中所提供的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法流程图。
具体实施方式
为了能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
下面结合附图对本发明实施例所提供的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统及设计方法进行详细说明。
如图1所示，本发明实施例公开了一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，包括：
传感器模块、报警模块、近距离无线模块、网关模块、LPWAN模块以及应用端；
所述传感器模块用于采集现场环境信息，触发报警模块；
所述报警模块用于对现场进行声光警示；
所述近距离无线模块用于实现各传感器节点的数据传输，采用ZigBee网络；
所述网关模块用于实现在不同传输协议的网络下完成数据传输；
所述LPWAN模块用于实现远距离的数据传输，采用NB-IOT网络；
所述应用端用于实现现场环境信息的展示，同时可对现场的报警模块进行控制。
所述传感器模块为微波雷达传感器、超声波传感器、红外传感器、温湿度传感器中的任意一种。以微波雷达传感器为例，其采用微波雷达传感器，基于多普勒技术原理的微波雷达传感器通过微波发出到反射时，遇到移动的物体产生多普勒频移，可以检测物体的接近或者远离，该种传感器可以适用于任何环境，且定位精度高、检测灵敏度高、穿透能力强且工作可靠性稳定。
所述报警模块采用LED灯与语音报警相结合，通过可定制语音的语音芯片，经功放电路和喇叭输出定制提示音，配合LED灯光，实现带语音提示的声光报警。
所述近距离无线模块使用短距离通信技术，将传感器的数据信息传递到网关，并将网关传递的控制信息发送到相应传感器。所述近距离无线模块为ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth中的任意一种，三者皆为低功耗模块，一般工作频段为2.4GHz。
优选地，所述近距离无线模块为ZigBee网络，ZigBee基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一个开放的无线网络状网络技术。ZigBee采用动态、自主的路由协议，基于AODV的路由技术，这种独特的架构使ZigBee拥有近距离、低复杂度、自组织、低功耗的特点。采用网状型对等拓扑网络，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围。另外，网络传输的数据量非常少，仅为一个变量信号和控制信号，ZigBee的传输速率完全满足要求。
所述LPWAN模块实现ZigBee网络的远程管理和监测，为授权频段的eMTC、NB-IoT、EC-GSM-IoT中的任意一种。
优选地，所述LPWAN模块为NB-IoT网络，NB-IoT全称为窄带物联网，可以直接部署于LTE网络，良好的兼容性降低了部署的成本。其本身具有更低的功耗，理论上估算，承载NB-IoT的终端模组基于电池的待机时间可达10年之久。
所述网关模块用于实现在不同传输协议的网络下完成数据传输，即在ZigBee网络和NB-IOT网络之间传输。其采用单片机及片上系统，从而实现Zigebee网络与NB-IoT网络的协议转换。所述网关模块采用基于EVB_M1开发板进行开发，即在EVB_M1搭载ZigBee模块，完成通信协议转换，实现与ZigBee协调器的串口通信以及与NB-IOT的串口通信。
所述应用端用于实现现场环境信息的展示，同时可对现场的报警模块进行控制，完成设备信息的传输、储存与控制。所述应用端基于大型NB平台作为服务器，其采用CoAP协议，数据传输可靠，安全性高。
在近距离物联网中，为增大网络覆盖面积，采用网状型对等拓扑网络，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围，使得节点与节点之间可以传递数据。所述应用端与主节点进行通信，主节点与多个节点进行通信，所述主节点包括LPWAN模块、网关模块以及近距离无线模块，节点包括近距离无线模块、传感器模块以及报警模块。
每个节点包括近距离无线模块、传感器模块以及报警模块；
每个主节点包括LPWAN模块、网关模块以及近距离无线模块，所述主节点与节点以及应用端之间进行数据通信。
所述传感器模块以及报警模块组成感知层，所述网关模块、LPWAN模块以及近距离无线模块组成网络层，所述应用端为应用层。
针对传感器模块进行测试，分别设定不同的探测范围，在设备区和空旷地带进行运动物体感应测试。经过测试，在空旷地带，传感器感应范围浮动较小，而在设备区，感应范围浮动较大。当探测范围较小的时候，精确度也会相应提高。
针对近距离无线模块ZigBee组网进行测试，其采用CC2530核心板进行搭建，下载ZigBee协议栈，并编写协调器以及路由器程序，具体实现操作如下：
完成串口初始化、串口号、波特率、校验位、数据位以及停止位等配置；
编写ZigBee网的组网函数，串口回调函数以及消息处理函数。
从而实现ZigBee的串口通信，设置一个I/O口控制继电器，当收到协调器的控制信号时，继电器控制传感器与报警器的电源通断，设置一个I/O口作为事件触发信号输入，当节点收到传感器的5V高电平信号时，向协调器传送信息。
针对LPWAN模块，搭建NB-IOT平台，所述NB-IOT网络通过第三方IOT平台提供的平台数据库以及API服务，创建应用端。
其创建过程为：获取IOT平台资源，通过SP Portal在IOT平台上创建北向应用；创建产品，编写设备Profile文件，编解码插件、北向应用，并注册直连设备，完善设备信息；南向设备绑定上线，测试北向设备命令下发与南向设备上报数据。
针对网关模块，由于EVB_M1板只支持一个扩展板，因此，扩展板搭载GSP扩展板，Zigbee模块使用串口与EVB_M1板通信。根据EVB_M1板载LiteOS系统提供的API接口，实现与Zigbee网协调器的串口通信。
针对应用端，调用平台的API接口进行前端操作。
从平台数据库调用所有节点地址以及主节点的GPS信息，节点信息、名称与数据库关联；
WEB应用端调用谷歌地图，在地图层设置嵌入工地布置图；
将主节点的GPS信息，定位于地图上，可在界面上显示传感器节点的工作情况，带有红色圆圈为此网络内节点正在报警，黄色圆圈为此网络内节点有过报警，没有色圈则表示此网络正在工作且没有报警。
在完成上述部署后，对下行通信进行测试，在应用端对每个节点进行控制测试，测试其能否打开或关闭传感器；对上行通信进行测试，触发每个节点的传感器，测试应用端是否显示正确；测试上行通信延迟，对网络进行丢包测试、延时测试，每两个节点距离90厘米，天线全功率(0xF5)，无干扰，每次发送320字节数据，有效16个字节，测试到后台的延时与丢包率。
本发明实施例通过采用最新的NB-IoT物联网技术，提出Zigbee与NB混合网络，使得两种技术优势互补，并预留了大量接口，可在今后的研究中进行功能的扩展，技术的升级，以及网站的融合，实现更加全面、系统的工地管理体系。并通过智能终端工地危险点预警系统的使用，极大的提高了工地安全措施的可靠性，同时，相关管理人员可更好的了解全站的安全情况，对有会发生违章作业的人员及时发现并阻止，解决现有技术中LPWAN技术在工地危险点预警中造价高的问题，实现NB-IOT网络与Zigbee网络相结合，降低成本。
如图2所示，本发明实施例还公开了一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，所述方法包括以下步骤：
S1、通过特定传感器采集现场信息，以及接收远程控制信息，同时控制报警模块开关；
S2、通过ZigBee网络对各个传感器进行数据采集及远程控制；
S3、通过NB-IOT网络将传感器节点数据进行远距离传输至远程应用，并下传应用端的控制信息；
S4、通过网关模块，实现Zigbee网络和NB-IoT网络的通信；
S5、通过在应用端对传感器状态进行显示，并通过应用端对传感器开关、功能以及报警模块的开关进行控制。
所述ZigBee网络采用对等拓扑网络组网，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围。ZigBee基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一个开放的无线网络状网络技术。ZigBee采用动态、自主的路由协议，基于AODV的路由技术，这种独特的架构使ZigBee拥有近距离、低复杂度、自组织、低功耗的特点。采用网状型对等拓扑网络，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围。另外，网络传输的数据量非常少，仅为一个变量信号和控制信号，ZigBee的传输速率完全满足要求。
所述NB-IOT网络通过第三方IOT平台提供的平台数据库以及API服务，创建应用端。
其创建过程为：获取IOT平台资源，通过SP Portal在IOT平台上创建北向应用；创建产品，编写设备Profile文件，编解码插件、北向应用，并注册直连设备，完善设备信息；南向设备绑定上线，测试北向设备命令下发与南向设备上报数据。
所述网关模块采用单片机及片上系统，实现Zigebee网络与NB-IoT网络的协议转换。
所述应用端调用谷歌地图，将主节点的GPS信息，定位于地图上，可在界面上显示传感器节点的工作情况，可对节点中的传感器进行控制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，其特征在于，所述系统包括：
传感器模块、报警模块、近距离无线模块、网关模块、LPWAN模块以及应用端；
所述传感器模块用于采集现场环境信息，触发报警模块；
所述报警模块用于对现场进行声光警示；
所述近距离无线模块用于实现各传感器节点的数据传输，采用ZigBee网络；
所述网关模块用于实现在不同传输协议的网络下完成数据传输；
所述LPWAN模块用于实现远距离的数据传输，采用NB-IOT网络；
所述应用端用于实现现场环境信息的展示，同时可对现场的报警模块进行控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，其特征在于，所述应用端与主节点进行通信，主节点与多个节点进行通信，所述主节点包括LPWAN模块、网关模块以及近距离无线模块，节点包括近距离无线模块、传感器模块以及报警模块。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，其特征在于，所述传感器模块为微波雷达传感器、超声波传感器、红外传感器、温湿度传感器中的任意一种。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网控制系统，其特征在于，所述报警模块采用LED灯与可录音的语音报警模块相结合。
5.一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1、通过特定传感器采集现场信息，以及接收远程控制信息，同时控制报警模块开关；
S2、通过ZigBee网络对各个传感器进行数据采集及远程控制；
S3、通过NB-IOT网络将传感器节点数据进行远距离传输至远程应用，并下传应用端的控制信息；
S4、通过网关模块，实现Zigbee网络和NB-IoT网络的通信；
S5、通过在应用端对传感器状态进行显示，并通过应用端对传感器开关、功能以及报警模块的开关进行控制。
6.根据权利要求5所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，其特征在于，所述ZigBee网络采用对等拓扑网络组网，通过多跳方式，增加ZigBee网络覆盖范围。
7.根据权利要求5所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，其特征在于，所述NB-IOT网络通过第三方IOT平台提供的平台数据库以及API服务，创建应用端。
8.根据权利要求5所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，其特征在于，所述网关模块采用单片机及片上系统，实现Zigebee网络与NB-IoT网络的协议转换。
9.根据权利要求5-8任意一项所述的一种基于NB-IOT以及Zigbee的物联网设计方法，其特征在于，所述应用端调用谷歌地图，将主节点的GPS信息，定位于地图上，可在界面上显示传感器节点的工作情况，可对节点中的传感器进行控制。
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