CN112533169A - 一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，它涉及一种传感器系统，具体涉及一种积木式无线传感器系统，它包括公共基座及传感器座，所述公共基座内设有主控板及与所述主控板电性连接的电池，所述主控板设有无线传输芯片，所述公共基座上端设有与所述主控板电性连接的第一连接端子，所述传感器座上端设有传感器，所述传感器座下端设有与所述第一连接端子适配的第二连接端子，所述公共基座上端内侧还设有第一磁铁，所述传感器座下端内侧还设有与所述第一磁铁适配的第二磁铁，它集各种传感器为一体，具有使用功能强大，综合成本低的特点，组成的Mesh网络系统具有功耗低、网络拓扑灵活特点，同时该网络可方便与手机连接，系统智能化程度高。
Description
技术领域
本发明涉及无线传感器技术领域，具体涉及一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统。
背景技术
目前传统使用的智能积木搭建套件基本都有独立的传感器模块，这种传感器模块一般都是做成一体的无线形式或者传感器与MCU分离的有线形式的。一体化的无线传感器模块里面包含了主MCU，传感器，无线芯片等等，而有线形式是把传感器分离开来，通过线连接到智能积木套件的主控；显然这种一体化的无线模式因为每个传感器都要配一个MCU和无线芯片而导致了厂家和用户成本的明显上升，而有线形式的模块因为线材的限制导致了搭建积木的时候存在各种限制，这给用户带来了不便。
同时这种多传感器的模式，需要配备个MCU和传感器，整个系统功耗高，从而造成用户使用成本高，并在平常使用时无法实时监控到积木运行的相关信息，存在着系统维护和改进困难的毛病，同时也存在着积木智能化程度低，使得其寓教于乐的特点不突出。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，它集各种传感器为一体，具有使用功能强大，综合成本低的特点，组成的Mesh网络系统具有功耗低、网络拓扑灵活特点，同时该网络方便与手机连接，系统智能化程度高。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案是：它包含公共基座1和传感器座2，所述公共基座1内设有主控板104及与所述主控板104电性连接的电池105，所述公共基座1上端设有与所述主控板104电性连接的第一连接端子11，所述传感器座2上端设有传感器组件23，所述的传感器组件23为圆柱形，所述的传感器组件23包含红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235、体感传感器236和LED贴片灯 237，所述的手势传感器233的感应头设置在传感器组件23顶面中心处，所述的红外传感器231的感应头设置在手势传感器233的感应头的左上侧，所述的颜色传感器232的感应头设置在手势传感器233的感应头的左下侧，所述的声强传感器234的感应头设置在手势传感器233的感应头的右下侧，所述的光强传感器235设置在传感器组件23对称两侧面上，所述的LED贴片灯 237设置在传感器组件23顶面下方。
所述的主控板104集成有红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器 233、声强传感器234、光强传感器235和体感传感器236的芯片和微控制器，所述的微控制器安装有嵌入式操作系统，所述的微控制器与所述的红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235 和体感传感器236的芯片之间采用MQTT通信协议，所述的微控制器利用内设的定时器采用轮询的方式采集传感器数据，所述的红外传感器芯片、颜色传感器芯片、手势传感器芯片、声强传感器芯片、光强传感器芯片、体感传感器芯片和微控制器都内含有蓝牙模块，所述的蓝牙模块带有BLE Mesh协议栈，所述的红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235和体感传感器236组成传感器系统；所述的传感器系统为通过BLE蓝牙组成的Mesh网络，所述的传感器系统通过蓝牙通信协议使微控制器加入所述的Mesh网络组成积木式无线Mesh网络，所述的Mesh网络通过蓝牙与手机连接。
所述的积木式无线Mesh网络运行步骤为：
1)各个传感器作为Mesh网络中的节点且任意一个传感器Mesh节点的通信范围内至少存在一个其他传感器Mesh节点，各传感器Mesh节点通过蓝牙与微控制器交互数据；
2)微控制器为各个传感器Mesh节点分配一个独一无二的地址信息；
3)各个传感器Mesh节点采集所在位置的相关数据，并将采集的数据与自身的地址信息打包后通过Mesh网络发给微控制器，微控制器将采集到的信息通过Mesh网络上传至手机；
所述传感器座2下端设有与所述第一连接端子11适配的第二连接端子 21，所述公共基座1上端内侧设有第一磁铁12，所述传感器座2下端内侧还设有与所述第一磁铁12适配的第二磁铁22，所述公共基座1包括基座中框 102、基座上盖101、基座下盖103，所述主控板104安装在所述基座中框102 内，所述基座下盖103设有电池仓，所述电池105安装在所述电池仓内，所述基座中框102设有控制开关15、充电接口17及复位开关孔16，控制开关 15、充电接口17均与主控板104电性连接，复位卡关孔与主控板104上的复位开关对应。
所述的基座中框102两侧对称设有若干个插销孔13。
本发明的工作原理：本发明的积木传感器集成七种功能，通过PCB工艺，将不同功能的传感器芯片和微控制器集成在主控板上，主控板封装与积木内部，并通过内置锂电池供电，微控制器内安装嵌入式操作系统，各个传感器芯片与微控制器之间采用MQTT通信协议交互数据，为使各个传感器在数据传输过程中顺畅、不堵塞，利用微控制器内的定时器采用轮询方式采集各个传感器的数据。
利用各个传感器芯片和微控制器上设有的蓝牙模块，通过BLE蓝牙将各个传感器和微控制器组建成Mesh网络，各个传感器Mesh节点同时作为终端节点和路由节点，同时每个传感器Mesh节点具有独一无二的地址信息，传感器将采集到的信息和自身的地址信息打包发给微控制器，在该Mesh网络中各个传感器设置在终端节点模式，无需关心其他设备，只需在轮询到自己时，上传自身的传感器数据即可，其余时间自身处于休眠状态，实现低功耗运行，同时手机通过BLE蓝牙与该Mesh网络连接，手机通过标准低功耗蓝牙的关贸总协定(GATT)协议与微控制器进行通信，实现通过手机下方命令和读取传感器信息。
采用上述技术方案后，本发明有益效果为：本发明集多种传感器功能为一体，在满足基本功能的同时，可减少微控制器和无线传感器芯片的使用量，大大减少了使用成本，同时传感器与微控制器组成的无线Mesh网络，该网络具有Mesh节点部署速度快、安装简单和网络拓扑灵活性高等特点，当某个节点上的传感器损坏时，不会影响整个网络功能，另外该网络可以利用手机上的蓝牙模块与手机连接，方便对整个网络上的各设备进行监控和访问，使用更加便捷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明一种积木传感器模块结构的公共基座的结构示意图；
图3是图2另一角度的结构示意图；
图4是本发明一种积木传感器模块结构的公共基座的分解结构示意图；
图5是本发明一种积木传感器模块结构的传感器座的结构示意图；
图6是图5另一角度的结构示意图；
图7是传感器组件23的的结构示意图；
图8是图7的左视图；
图9是本发明的网络拓扑图；
附图标记说明：公共基座1、传感器座2、第一连接端子11、第一磁铁 12、插销孔13、安装孔14、控制开关15、复位开关孔16、充电接口17、第二连接端子21、第二磁铁22、传感器组件23、红外传感器231、颜色传感器 232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235、体感传感器236、 LED贴片灯237、基座上盖101、基座中框102、基座下盖103、主控板104、电池105。
具体实施方式
参看图1-图9所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含公共基座1和传感器座2，所述公共基座1内设有主控板104及与所述主控板104电性连接的电池105，所述的电池105为180毫安时的锂电池，所述公共基座1 上端设有与所述主控板104电性连接的第一连接端子11，所述传感器座2上端设有传感器组件23，所述的传感器组件23为圆柱形，所述的传感器组件 23包含红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235、体感传感器236和LED贴片灯237，所述的手势传感器233 的感应头设置在传感器组件23顶面中心处，所述的红外传感器231的感应头设置在手势传感器233的感应头的左上侧，所述的颜色传感器232的感应头设置在手势传感器233的感应头的左下侧，所述的声强传感器234的感应头设置在手势传感器233的感应头的右下侧，所述的光强传感器235设置在传感器组件23对称两侧面上，所述的LED贴片灯237设置在传感器组件23顶面下方，所述的红外传感器231用于检测0～20CM范围障碍物距离，所述的颜色传感器232可识别红，绿，蓝，黑，白五种颜色，所述的手势传感器233 可通过其位于无线传感器顶面中间的感应头检测手势在其上方移动的方向和方位，所述的声强传感器234可识别环境中的声音强度范围0～255dB,所述的光强传感器235可通过无线传感器顶面对称两个灰色的光感芯片，检测两边的光线强度，其检测范围为0～255lux，所述的体感传感器236可检测当前积木的姿态方向，所述的LED贴片灯237通过控制器直接点亮指定的RGB颜色，。
所述的主控板104集成有红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器 233、声强传感器234、光强传感器235和体感传感器236的芯片和微控制器，所述的微控制器上设有2.4GRF通道，可与主控进行双向数据通信，所述的微控制器安装有Contiki嵌入式操作系统，所述的微控制器与所述的红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235 和体感传感器236的芯片之间采用MQTT通信协议，所述的微控制器利用内设的定时器采用轮询的方式采集传感器数据，所述的红外传感器芯片、颜色传感器芯片、手势传感器芯片、声强传感器芯片、光强传感器芯片、体感传感器芯片和微控制器内含有蓝牙模块，所述的蓝牙模块带有BLE Mesh协议栈，所述的红外传感器231、颜色传感器232、手势传感器233、声强传感器234、光强传感器235和体感传感器236组成传感器系统；所述的传感器系统为通过BLE蓝牙组成的Mesh网络，所述的传感器系统通过蓝牙通信协议使微控制器加入所述的Mesh网络组成积木式无线Mesh网络，其各个传感器与微控制器之间通过UART协议交换数据，所述的Mesh网络通过蓝牙与手机连接。
所述传感器座2下端设有与所述第一连接端子11适配的第二连接端子 21，所述公共基座1上端内侧设有第一磁铁12，所述传感器座2下端内侧还设有与所述第一磁铁12适配的第二磁铁22，所述公共基座1包括基座中框 102、基座上盖101、基座下盖103，所述主控板104安装在所述基座中框102 内，所述基座下盖103设有电池仓，所述电池105安装在所述电池仓内，所述基座中框102设有控制开关15、充电接口17及复位开关孔16，控制开关 15、充电接口17均与主控板104电性连接，复位卡关孔与主控板104上的复位开关对应，所述的充电接口17为独立的USB充电口，可通过该口对软件进行固件烧录升级。
所述的基座中框102两侧对称设有若干个插销孔13。
所述的积木式无线Mesh网络运行步骤为：
1)各个传感器作为Mesh网络中的节点且任意一个传感器Mesh节点的通信范围内至少存在一个其他传感器Mesh节点，各传感器Mesh节点通过UART 协议与微控制器交互数据；
2)微控制器为各个传感器Mesh节点分配一个独一无二的地址信息；
3)各个传感器Mesh节点采集所在位置的相关数据，并将采集的数据与自身的地址信息打包后通过Mesh网络发给微控制器，微控制器将采集到的信息通过Mesh网络上传至手机；
本发明的积木传感器集成七种功能，通过PCB工艺，将不同功能的传感器芯片和微控制器集成在主控板上，主控板封装与积木内部，并通过内置锂电池供电，微控制器内安装嵌入式操作系统，各个传感器芯片与微控制器之间采用MQTT通信协议交互数据，为使各个传感器在数据传输过程中顺畅、不堵塞，利用微控制器内的定时器采用轮询方式采集各个传感器的数据。
利用各个传感器芯片和微控制器上设有的蓝牙模块，通过BLE蓝牙将各个传感器和微控制器组建成Mesh网络，各个传感器Mesh节点同时作为终端节点和路由节点，同时每个传感器Mesh节点具有独一无二的地址信息，传感器将采集到的信息和自身的地址信息打包发给微控制器，在该Mesh网络中各个传感器设置在终端节点模式，无需关心其他设备，只需在轮询到自己时，上传自身的传感器数据即可，其余时间自身处于休眠状态，实现低功耗运行，同时手机通过BLE蓝牙与该Mesh网络连接，手机通过标准低功耗蓝牙的关贸总协定(GATT)协议与微控制器进行通信，实现通过手机下方命令和读取传感器信息，附图8为各个传感器、微控制器和手机组成的网络拓扑图。
系统工作时，首先启动系统，系统启动后系统及各个传感器和微控制器初始化组建Mesh网络，Mesh网络上的各个传感器和微控制器以广播的方式在网络上广播自己唯一的地址信息，当手机进行网络匹配时，手机获取微控制器的地址信息匹配成功，匹配成功后手机既可访问网络上的传感器和微控制器相关信息。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，其特征在于：它包含公共基座(1)和传感器座(2)，所述公共基座(1)内设有主控板(104)及与所述主控板(104)电性连接的电池(105)，所述公共基座(1)上端设有与所述主控板(104)电性连接的第一连接端子(11)，所述传感器座(2)上端设有传感器组件(23)，所述的传感器组件(23)为圆柱形，所述的传感器组件(23)包含红外传感器(231)、颜色传感器(232)、手势传感器(233)、声强传感器(234)、光强传感器(235)、体感传感器(236)和LED贴片灯(237)，所述的手势传感器(233)的感应头设置在传感器组件(23)顶面中心处，所述的红外传感器(231)的感应头设置在手势传感器(233)的感应头的左上侧，所述的颜色传感器(232)的感应头设置在手势传感器(233)的感应头的左下侧，所述的声强传感器(234)的感应头设置在手势传感器(233)的感应头的右下侧，所述的光强传感器(235)设置在传感器组件(23)对称两侧面上，所述的LED贴片灯(237)设置在传感器组件(23)顶面下方。
2.根据权利要求1所述的一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，其特征在于：所述的主控板(104)集成有红外传感器(231)、颜色传感器(232)、手势传感器(233)、声强传感器(234)、光强传感器(235)和体感传感器(236)的芯片和微控制器，所述的微控制器安装有嵌入式操作系统，所述的微控制器与所述的红外传感器(231)、颜色传感器(232)、手势传感器(233)、声强传感器(234)、光强传感器(235)和体感传感器(236)的芯片之间采用MQTT通信协议，所述的微控制器利用内设的定时器采用轮询的方式采集传感器数据，所述的红外传感器芯片、颜色传感器芯片、手势传感器芯片、声强传感器芯片、光强传感器芯片、体感传感器芯片和微控制器都内含有蓝牙模块，所述的蓝牙模块带有BLE Mesh协议栈，所述的红外传感器(231)、颜色传感器(232)、手势传感器(233)、声强传感器(234)、光强传感器(235)和体感传感器(236)组成传感器系统；所述的传感器系统为通过BLE蓝牙组成的Mesh网络，所述的传感器系统通过蓝牙通信协议使微控制器加入所述的Mesh网络组成积木式无线Mesh网络，所述的Mesh网络通过蓝牙与手机连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，其特征在于：所述的积木式无线Mesh网络运行步骤为：
1)各个传感器作为Mesh网络中的节点且任意一个传感器Mesh节点的通信范围内至少存在一个其他传感器Mesh节点，各传感器Mesh节点通过蓝牙与微控制器交互数据；
2)微控制器为各个传感器Mesh节点分配一个独一无二的地址信息；
3)各个传感器Mesh节点采集所在位置的相关数据，并将采集的数据与自身的地址信息打包后通过Mesh网络发给微控制器，微控制器将采集到的信息通过Mesh网络上传至手机。
4.根据权利要求1所述的一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，其特征在于：所述传感器座(2)下端设有与所述第一连接端子(11)适配的第二连接端子(21)，所述公共基座(1)上端内侧设有第一磁铁(12)，所述传感器座(2)下端内侧还设有与所述第一磁铁(12)适配的第二磁铁(22)，所述公共基座(1)包括基座中框(102)、基座上盖(101)、基座下盖(103)，所述主控板(104)安装在所述基座中框(102)内，所述基座下盖(103)设有电池仓，所述电池(105)安装在所述电池仓内，所述基座中框(102)设有控制开关(15)、充电接口(17)及复位开关孔(16)，控制开关(15)、充电接口(17)均与主控板(104)电性连接，复位卡关孔与主控板(104)上的复位开关对应。
5.根据权利要求4所述的一种基于Mesh网络的积木式无线传感器系统，其特征在于：所述的基座中框(102)两侧对称设有若干个插销孔(13)。
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