CN110545530A - 无线传感器网络系统及数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于物联网领域，尤其涉及一种无线传感器网络系统，包括传感器网关和无线传感器节点，还包括服务器中间件，所述服务器中间件用于设定所述无线传感器节点和所述传感器网关的参数以及管理传感器网关接收到的无线传感器节点传送的数据，所述服务器中间件与所述传感器网关通过以太网进行通信，所述无线传感器节点与所述传感器网关通过多个载波频率中的一种进行通信，每个载波频率上采用不同的编码调制方式中的一种进行通信。由于采用上述方案所述传感器网关具有多个并行无线信道，支持多个所述无线传感器节点同时数据传输，从而使得整个无线传感器网络具有更大网络容量。

Description

无线传感器网络系统及数据传输方法
技术领域
本发明属于物联网领域，尤其涉及一种无线传感器网络系统及数据传输方法。
背景技术
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)将部署在监测区域内大量的无线传感器节点，通过无线通信方式形成一个自组织的网络系统，将无线传感器节点的数据通过传感器网关发送给服务器，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中对象的信息。
无线传感器网络技术已经有数十年的发展，在许多行业都有广泛的应用。随着物联网在各行各业深入应用发展，对传统无线传感器网络产品提出了更多的要求：要求无线传感器网络具有更大的节点容量；另外，还包括如下要求：
1、具有更远距离的网络覆盖能力；
2、要求无线传感器节点具有更低的功耗、更高速地进行大数据采集与传输能力；
3、要求节点之间具有精确的同步能力；
4、要求无线传感器网络软件能够方便地与企业信息系统进行融合。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无线传感器网络系统及数据传输方法，本发明在网络覆盖距离、网络容量与传输数据量等方面都带来的更好的性能与便捷，可用于智慧楼宇、预测性维护、结构健康监测、通用物联网前端采集与控制等，具有广泛的应用前景。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：无线传感器网络系统，包括传感器网关和无线传感器节点，还包括服务器中间件，所述服务器中间件用于设定所述无线传感器节点和所述传感器网关的参数以及管理传感器网关接收到的无线传感器节点传送的数据，所述服务器中间件与所述传感器网关通过以太网进行通信，所述无线传感器节点与所述传感器网关通过多个载波频率中的一种进行通信，每个载波频率上采用不同的编码调制方式中的一种进行通信。
进一步，所述多个载波频率均在490MHz-500MHz范围内，所述每个载波频率上所采用的不同编码调制方式相互正交。
进一步，多个所述传感器网关通过NTP/IEEE 1588协议进行时钟同步，并对与自身通信的多个所述无线传感器节点进行时钟同步，所述无线传感器节点上采用时钟滤波算法进行时钟滤波校正同步。
进一步，所述服务器中间件还设有第三方软件数据接口，所述第三方软件数据接口包括标准C API与MQTT消息接口。
进一步，所述无线传感器节点包括嵌入式组件和模拟前端，所述嵌入式组件用于根据所述服务器中间件设定的所述无线传感器节点的参数，管理自身的休眠及唤醒，将所述模拟前端采集的数据通过无线通信的方式传输给所述传感器网关，并保持自身时钟同步以及与所述传感器网关时钟的同步；所述模拟前端用于采集不同类型的数据。
基于以上目的，本发明还提出无线传感器网络数据传输方法，采用上述无线传感器网络系统实现，包括以下步骤：
1)所述传感器网关将所述服务器中间件的命令通过无线通信的方式下发给所述无线传感器节点；
2)所述无线传感器节点根据接收到的所述服务器中间件的命令进行数据采集，并将采集的数据通过无线通信的方式上传给所述传感器网关；
3)所述传感器网关将接收到的由所述无线传感器节点上传的数据转发给所述服务器中间件，同时多个所述传感器网关之间进行时钟同步、并对与自身通信的多个所述无线传感器节点进行时钟同步；
4)所述服务器中间件接收由所述传感器网关转发的数据，并对数据进行滤波、频谱计算、分类存储。
进一步，当每个所述无线传感器节点初次与所述传感器网关建立联系时，遍历所有载波频率与编码调制方式的组合，由所述服务器中间件来确定最优的载波频率与编码调制方式并分配给所述无线传感器节点，所述无线传感器节点在以后的传输过程中均采用所述最优载波频率与编码调制方式与所述传感器网关进行通信。
进一步，所述服务器中间件设置无线传感器节点的采样任务，生成任务时序下发给所述无线传感器节点，无线传感器节点每次采集完数据后，将本地时钟时间与所述任务时序中采样间隔时间求和，然后与采样间隔时间进行相除取模运算，将运算结果设置为无线传感器节点上的时钟警报模块的警报时间，当无线传感器节点上的本地时钟时间等于警报时间时，所述时钟警报模块唤醒处于休眠状态的无线传感器节点进行下一次数据采集任务，所述传感器网关每次发射前均检测无线信道是否空闲，直到检测到信道空闲才进行发射传输，所述无线信道是否空闲的检测方法是，采集无线通信信号并进行解调，成功解调出信号则表示信道占用，否则表示信道空闲。
有益效果
1.网络覆盖距离大。本发明可以根据需要增加传感器网关数量，传感器网关与服务器中间件通过以太网进行互联通信，从而获得很大的网络覆盖距离。
2.网络容量大。本发明支持以多个载波频率(都在490-500MHz范围内)进行传输，每个载波频率上又可以进行几种不同的编码调制方式，传感器网关可以同时支持多个频点，每个频点上又支持多种相互正交的编码调制方式，这样单个传感器网关具有多个并行的通信信道，可以与多个无线传感器节点进行并行通信，可以通过增加传感器网关数量来扩展无线传感器网络承载的无线传感器节点数量。
3.节点间同步性能高。本发明中，传感器网关支持NTP/IEEE1588进行同步，通过NTP同步时多个传感器网关间具有高达数十毫秒的同步精度，通过IEEE 1588进行同步时多个传感器网关间具有数十纳秒的同步精度，传感器网关与无线传感器节点每次通信同时均会交换本地时钟信息，无线传感器节点上采用时钟滤波算法进行时钟滤波校正同步，从而保证整个无线传感器网络中的所有节点具有很高的时钟同步精度。
4.与第三方软件接口能力提高。服务中间件对外提供了标准C API与MQTT消息接口，C API可方便与Windows应用程序进行接口，MQTT消息接口可方便与公有云或私有云系统进行数据整合。
5.应用前景广泛。本发明可用于智慧楼宇、预测性维护、结构健康监测、通用物联网前端采集与控制等，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例一无线传感器网络系统整体架构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案的原理及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施方案，对本发明进行进一步详细说明。在本实施方式中，所描述的具体实施方案仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本发明提供的一种无线传感器网络系统，包括传感器网关2和无线传感器节点1，还包括服务器中间件3，所述服务器中间件3用于设定所述无线传感器节点1和所述传感器网关2的参数以及管理无线传感器节点1采集的数据和传感器网关2接收到的无线传感器节点1传送的数据，所述服务器中间件3与所述传感器网关2通过以太网进行通信，所述无线传感器节点1与所述传感器网关2通过多个载波频率中的一种进行通信，每个载波频率上采用不同的编码调制方式中的一种进行通信。
无线传感器节点1又包含嵌入式组件和模拟前端，嵌入式组件主要根据所述服务器中间件设定的所述无线传感器节点的参数，管理自身的休眠及唤醒，将所述模拟前端采集的数据通过无线通信的方式传输给所述传感器网关，并保持自身时钟以及与所述传感器网关时钟的同步；嵌入式组件可通过软件算法精确计算唤醒时刻，其余时间进行休眠，并且发送完数据后等待服务器中间件响应时也进行休眠以最大化节省电源，典型参数设置下内置锂电池续航可达3年。模拟前端则用于实现各类不同数据的采集，包括：温度、湿度、振动、光强度、压力、土壤成分等。
无线传感器节点1还包括24位高采样率ADC(模数转换器)和传感器，所述传感器包括内置MEMS传感器(微机电传感器)或外接MEMS传感器，所述内置MEMS传感器或外接MEMS传感器的输出端接至无线传感器节点的ADC输入端，所述无线传感器节点1还包括数据处理与传输模块，将采集到的数据进行处理，分成多个数据包，发送给传感器网关2。
本系统可以通过增加传感器网关数量来扩展无线传感器网络承载的无线传感器节点数量；传感器网关与服务器中间件通过以太网进行互联通信，从而获得很大的网络覆盖距离，通过以太网扩展传感器网关的数量，提供更多的并行无线信道，从而具有更大的无线传感器节点网络容量。
本系统无线传感器节点与传感器网关之间采用490MHz-500MHz免授权频段进行传输，该频段波长较长，具有很强的衍射传输能力，使得无线传感器节点与传感器网关间通信距离更长，单个网关下可覆盖3公里覆盖范围内的无线传感器节点。
为了在相同的载频上实现相互正交的不同编码调制方式，同时传输而互不影响，可以采用直接序列扩频(Direct Sequence Spread Spectrum，DSSS)，用高速率的伪随机序列(PN码)作为扩频序列，在发射端对载波进行调制扩展信号的频谱。
直接序列扩频信号具有信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比、与信号的频带宽度成反比两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量很小，同时它的频带很宽。由于信息信号经过扩频调制后频谱被大大扩展，使信号的功率谱密度大大降低，接收端接收到的信号谱密度比接收机噪声低，即信号完全淹没在噪声中，这样对其他同频段电台的接收不会形成干扰。
直接序列扩频解调器是一个相关器，在接收端使用相同的PN码对信号进行互相关运算来解扩，把展开的扩频信号还原成原始信号，由于采用相关解扩，不同的PN码是正交的，彼此相互影响很小，所以只要通信的PN码不同，不同设备就可以使用同一载波频率进行传输而不会有互相干扰，只是多增加一点背景噪声而已，可以把不同的PN码作为用户的地址码，实现码分多址(CDMA)通信来增加同时并行通信的设备数量。DSSS实现可以采用专用芯片或者参照IEEE802.11物理层规范实现。
进一步地，由于直接序列扩频在解扩时要求接收信号没有时延性，否则相乘后再次扩频仍是被认为噪音，因而只能用于视距通信，可以采用线性调频扩频调制(ChirpSpread Spectrum，CSS)，CSS是利用其频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，因此不需要任何伪随机序列，CSS抗多普勒频移能力较强，且不需要时间同步。CSS的解扩利用脉冲压缩原理，接收信号经过匹配滤波后，出现了尖峰脉冲，接收机通过对尖峰脉冲的能量捕获来进行数据符号的检测。CSS实现可以采用专用芯片或者参照IEEE802.15.4a物理层规范实现。
多个所述传感器网关2通过NTP/IEEE 1588协议进行时钟同步，并对与自身通信的多个所述无线传感器节点1进行时钟同步。从而保证无线传感器网络中的所有传感器网关2均持有一个同步的本地时钟，通过NTP同步时多个传感器网关2间具有高达数十毫秒的同步精度，通过IEEE 1588进行同步时多个传感器网关2间具有数十纳秒的同步精度，传感器网关2与无线传感器节点1每次通信同时均会交换彼此的本地时钟信息，无线传感器节点1上采用时钟滤波算法进行时钟滤波校正同步，从而保证整个无线传感器网络中的所有传感器节点1与传感器网关2时钟同步。
所述服务器中间件3还设有第三方软件数据接口，所述第三方软件数据接口包括标准C API(C语言应用编程接口)与MQTT消息接口(消息队列遥测传输接口)。标准C API接口可与其他Windows应用程序软件进行接口，MQTT消息接口可与公有云或私有云软件系统进行数据整合，从而能够给整个装置带来的更好的性能与便捷。
本发明中，无线传感器节点1优选采用内置电池供电，传感器网关2优选采用外部开关电源供电。所述无线传感器节点1还包括通信发射和接收信号模块，所述无线传感器节点1的通信发射和接收信号模块可随时接收或发射信号，所述无线传感器节点1还包括休眠模块，当传输完毕时，即进入休眠模式，所述传感器网关2还包括信道检测模块和传感器网关信号发射和接收模块，信道检测模块在传感器网关每次发射信号前均进行无线信道是否空闲的检测，直到检测到信道空闲，传感器网关信号发射和接收模块才进行发射和接收传输。这样可有效提高无线传感器节点1一次发送成功概率，从而帮助降低无线传感器节点1功耗。
实施例二
本发明对传统无线传感器网络进行了创新与发展，推出了无线传感器网络数据传输方法，通过实施例一所述的无线传感器网络系统实现，还包括以下步骤：
1)传感器网关2将服务器中间件3的命令通过无线通信的方式下发给无线传感器节点1，服务器中间件3的命令包括设置无线传感器节点1的采样率、采样点数、休眠间隔等；
2)无线传感器节点1根据接收到的服务器中间件3的命令，进行数据采集，并将采集的数据通过无线通信的方式上传给传感器网关2；
3)传感器网关2将接收到的由无线传感器节点1上传的数据转发给服务器中间件3，同时多个传感器网关2之间进行时钟同步、并对与自身通信的多个无线传感器节点1进行时钟同步；
4)服务器中间件3接收由传感器网关2转发的数据，并对数据进行滤波、频谱计算、分类存储。
当每个无线传感器节点1初次与传感器网关2建立联系时，每个无线传感器节点1根据安装位置差异布设，遍历所有载波频率与编码调制方式的组合，由服务器中间件3来确定最优的载波频率与编码调制方式并分配给无线传感器节点1，无线传感器节点1在以后的传输过程中均采用该最优载波频率与编码调制方式进行通信。在之后的传输过程中，当每个数据包传输时，进行两次握手，如果握手失败则重新传输，如果连续握手失败超过5次，则遍历模块通过遍历传输信道的所有频点与编码调制方式的组合，由服务器中间件3根据所有传感器网关2接收到的信号的信噪比，来确定最优的频点与编码调制方式并分配给无线传感器节点1。通过这种方式保证在很大无线传感器节点1数量的情况下，各个无线传感器节点1可正常与传感器网关2进行通信。
用户通过所述服务器中间件设置无线传感器节点的采样任务，所述服务器中间件将用户设置的采样任务生成任务时序(例如：每隔5分钟采集一次、2019年10月1日0时0分采集一次)，下发给所述无线传感器节点，无线传感器节点本地维护了一个与传感器网关同步的时钟，所述无线传感器节点每次完成数据采集任务后，将本地时钟时间与所述任务时序中采样间隔时间求和，然后与采样间隔时间进行相除取模运算，将运算结果设置为无线传感器节点上的时钟警报模块的警报时间，然后所述无线传感器节点将模拟前端采集的数据通过无线通信的方式传输给传感器网关，并设定自身进入休眠状态。当无线传感器节点上的本地时钟时间等于警报时间时，所述时钟警报模块唤醒处于休眠状态的无线传感器节点进行下一次数据采集任务。所述传感器网关每次发射前均检测无线信道是否空闲，直到检测到信道空闲才进行发射传输，所述无线信道是否空闲的检测方法是，采集无线通信信号并进行解调，成功解调出信号则表示信道占用，否则表示信道空闲可以进行发射传输。
传感器网关与服务器中间件通过以太网进行互联，服务器中间件用于实现对整个无线传感器网络的硬件管理、通信协调、加密解密、数据管理功能，服务器中间件对数据进行处理及管理，包括对接收到的数据进行解密并还原为工程单位数据，根据无线传感器节点类别、序列号进行分类持久化存储；对无线传感器节点及传感器网关进行管理，包括设置无线传感器节点的参数，设置任务时序、采样率、采样点数及模拟前端信号调理电路放大倍数、激励电流大小等；还包括对传感器网关进行参数设置，包括IP地址、NTP地址、IEEE1588时钟特性参数、无线信道参数等设置；由于无线信道间无法做到完全隔离，当多个传感器网关的不同信道同时接收到某一个无线传感器节点的数据时，对数据有效性进行判别与去冗余，根据接收到的信号的信噪比来选择向无线传感器节点下发参数时的最优链路。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (8)

1.无线传感器网络系统，包括传感器网关和无线传感器节点，其特征在于：还包括服务器中间件，所述服务器中间件用于设定所述无线传感器节点和所述传感器网关的参数以及管理传感器网关接收到的无线传感器节点传送的数据，所述服务器中间件与所述传感器网关通过以太网进行通信，所述无线传感器节点与所述传感器网关通过多个载波频率中的一种进行通信，每个载波频率上采用不同的编码调制方式中的一种进行通信。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：所述多个载波频率均在490MHz-500MHz范围内，所述每个载波频率上所采用的不同编码调制方式相互正交。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：多个所述传感器网关通过NTP/IEEE 1588协议进行时钟同步，并对与自身通信的多个所述无线传感器节点进行时钟同步，所述无线传感器节点上采用时钟滤波算法进行时钟滤波校正同步。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：所述服务器中间件还设有第三方软件数据接口，所述第三方软件数据接口包括标准C API与MQTT消息接口。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：所述无线传感器节点包括嵌入式组件和模拟前端，所述嵌入式组件用于根据所述服务器中间件设定的所述无线传感器节点的参数，管理自身的休眠及唤醒，将所述模拟前端采集的数据通过无线通信的方式传输给所述传感器网关，并保持自身时钟同步以及与所述传感器网关时钟的同步；所述模拟前端用于采集不同类型的数据。
6.无线传感器网络数据传输方法，其特征在于，采用权利要求1-5任意一项所述的无线传感器网络系统实现，包括以下步骤：
1)所述传感器网关将所述服务器中间件的命令通过无线通信的方式下发给所述无线传感器节点；
2)所述无线传感器节点根据接收到的所述服务器中间件的命令进行数据采集，并将采集的数据通过无线通信的方式上传给所述传感器网关；
3)所述传感器网关将接收到的由所述无线传感器节点上传的数据转发给所述服务器中间件，同时多个所述传感器网关之间进行时钟同步、并对与自身通信的多个所述无线传感器节点进行时钟同步；
4)所述服务器中间件接收由所述传感器网关转发的数据，并对数据进行滤波、频谱计算、分类存储。
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络数据传输方法，其特征在于：当每个所述无线传感器节点初次与所述传感器网关建立联系时，遍历所有载波频率与编码调制方式的组合，由所述服务器中间件来确定最优的载波频率与编码调制方式并分配给所述无线传感器节点，所述无线传感器节点在以后的传输过程中均采用所述最优载波频率与编码调制方式与所述传感器网关进行通信。
8.根据权利要求6所述的无线传感器网络传输方法，其特征在于：所述服务器中间件设置无线传感器节点的采样任务，生成任务时序下发给所述无线传感器节点，无线传感器节点每次采集完数据后，将本地时钟时间与所述任务时序中采样间隔时间求和，然后与采样间隔时间进行相除取模运算，将运算结果设置为无线传感器节点上的时钟警报模块的警报时间，当无线传感器节点上的本地时钟时间等于警报时间时，所述时钟警报模块唤醒处于休眠状态的无线传感器节点进行下一次数据采集任务，所述传感器网关每次发射前均检测无线信道是否空闲，直到检测到信道空闲才进行发射传输，所述无线信道是否空闲的检测方法是，采集无线通信信号并进行解调，成功解调出信号则表示信道占用，否则表示信道空闲。
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