CN204968125U - 一种基于无线传感器的无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于无线传感器的无线通信系统，无线网关和至少一个无线传感器，无线传感器与无线网关建立有无线信道连接，无线传感器上设置有微控制单元、射频模组、天线、传感模块、电池以及非易失存储器，非易失存储器存储有传感模块从当前环境获取的传感数据和无线传感器的唯一识别码、采集周期、唤醒周期的设定值，电池为无线传感器供电，采集周期内包含第一时间窗口，唤醒周期内包含第二时间窗口，工作周期内包含第三时间窗口、第四时间窗口和第五时间窗口；无线网关，于无线信道上与一个或多个无线传感器进行通信，实现信号采集。通过无线网关和至少一个无线传感器的双向信道传输，无线传感器通过对无线网关信道监听，选择含有对应自身识别码的信息包进行响应，与无线网关之间完成数据通信,实现无线网关与无线传感器的双向通信且低功耗和防碰撞。

Description

一种基于无线传感器的无线通信系统

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于无线传感器的无线通信系统。

背景技术

物联网作为新的信息技术，能够实现人与物、物与物之间的信息化、远程管理控制和智能化。现有的物联网技术中通常采用无线传感器作为信息采集的节点。

无线传感器即本身内部具有供电电池、传感模块和射频模块的传感器。现有的无线传感器通常采用按照固定周期采集传感信息并单向通信即只发射信号的方式，以节省功耗，提高供电电池的供电时长，然而，单向通信无法做到按照控制中心的指令进行采集，且实际上按照定时采集到的很多信息并非为控制中心所需，从而造成大量的垃圾数据，也增加了无线传感器的工作量，提高了功耗。而且，现有的无线传感器如果采用双向通信的方式，则需要长期处于高电流监听状态，从而导致功耗非常大，无法使用一次性电池供电。故现有的无线传感器只能单方面实现双向通信或者低功耗，无法两者兼得。

现有无线传感器还存在一种问题，如果多个无线传感器在一个环境中和同一个控制中心进行通信，会造成无线信号在空气中的碰撞，造成采集的信号无法准确的传输到控制中心。

发明内容

本申请提供一种基于无线传感器的无线通信系统，能够实现无线传感器及系统网关间的自主选择及双向通信功能，且无线传感器具有低功耗和防碰撞的功能。

本申请第一方面提供一种基于无线传感器的无线通信系统，包括无线网关和至少一个无线传感器，所述无线传感器与所述无线网关建立有无线信道连接，所述无线传感器上设置有微控制单元(MicrocontrollerUnit，MCU)、射频模组、天线、传感模块、电池以及非易失存储器（E²PROM），所述非易失存储器存储有所述传感模块从当前环境获取的传感数据和所述无线传感器的唯一识别码、采集周期、唤醒周期的设定值，所述电池为所述无线传感器供电，所述无线网关在需要传感信息时对所述无线传感器进行发送指令和接收传感数据。

其中，所述采集周期内设置第一时间窗口，在所述采集周期内：无线传感器在第一时间窗口对周围环境信息进行数据采集，并将采集数据存储到非易失存储器中；所述无线传感器在采集周期剩余的时间内保持休眠状态。

其中，所述唤醒周期内设置有第二时间窗口，在所述唤醒周期内：所述无线网关，在需要传感信息时于所述无线信道上广播包含唯一编码的多个唤醒包；所述无线传感器，在所述第二时间窗口对所述无线信道进行载波监听，如果发现载波则开始接收所述唤醒包，并在结束当前唤醒周期后进入所述工作周期。

其中，所述无线传感器在所述第二时间窗口监听不到所述唤醒包时，在结束当前唤醒周期后继续进入下一所述唤醒周期；所述无线网关，于所述无线信道上与一个或多个无线传感器进行通信，实现信号采集。

其中，所述无线传感器的工作周期包括第三时间窗口、第四时间窗口和第五时间窗口，在所述工作周期内，所述无线传感器，接收到所述唤醒包之后进入第三时间窗口，所述第三时间窗口发送所述无线传感器的传感数据个数和所述无线传感器对应的识别码至所述无线网关，无线网关在接收到多个无线传感器发送的数据包之后形成一个包含多个所述无线传感器对应识别码及对应识别码传感器中存储的数据个数的列表。

其中，所述无线传感器的工作周期的第四时间窗口位于所述第三时间窗口之后，其中：所述无线传感器，在发送所述传感数据至所述无线网关之后进入第四时间窗口，在所述第四时间窗口对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关在接收到所述传感数据后在所述无线信道广播的指示包，其中所述指示包包括所述无线传感器的识别码和对应所需数据的个数，所述无线传感器，在接收所述指示包之后，对所述指示包内的识别码进行判断：在判断到所述指示包内的识别码与自身存储的识别码一致时，所述无线传感器将非易失存储器中储存的包含传感数据和所述无线传感器对应的识别码的数据包至所述无线网关；在判断到所述指示包内的识别码与自身存储的识别码不一致时，所述无线传感器在工作周期剩余的时间内保持休眠状态。

其中，所述无线传感器的工作周期的第五时间窗口位于所述第四时间窗口之后，其中：所述无线传感器，在发送所述数据包至所述无线网关之后，在所述第五时间窗口对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关在接收到所述数据包后在所述无线信道广播的确认包，其中所述确认包包括所述无线传感器的识别码。

其中，在判断到所述确认包内的识别码与自身存储的识别码一致时，所述无线传感器在工作周期剩余时间内保持休眠状态，并在下一唤醒周期的第二时间窗口对所述无线信道进行监听；在判断到所述确认包内的识别码与自身存储的识别码不一致时，所述无线传感器根据自身存储的识别码重新确定另一工作周期的第三时间窗口，并在下一工作周期中所述的另一第三时间窗口重新发送所述传感数据个数和所述识别码至所述无线网关。

其中，所述无线传感器在保持休眠状态时，从所述电池消耗的平均电流小于5μA。

其中，所述无线信道位于433.0MHz~434.0MHz频段。

其中，所述识别码为8位。

其中，通过选取所述无线传感器的出厂编号的几个预定位置上的数字来获得所述识别码，并存储在所述非易失存储器中。

其中，所述无线传感器还包括由防水胶条组成防水外壳，所述微控制单元、射频模组、电池以及非易失存储器均设置在所述防水外壳内，所述传感模块设置在所述防水外壳表面，且所述防水外壳表面还设置有固定件，所述固定件用于将所述无线传感器固定在检测对象上。

上述方案中，除所述第一时间窗口、第二时间窗口及第四时间窗口外均保持休眠状态，并且无线传感器仅在唤醒周期的第二时间窗口及工作周期的第四时间窗口和第五时间窗口进行监听，在采集周期、唤醒周期和工作周期的其他时间就能处于休眠状态，由于休眠状态下所需的电流小于5μA，故能够降低无线传感器的功耗，而且无线传感器在第二时间窗口能够监听无线网关、在第三时间窗口发送数据个数，在第五时间窗口发送数据包，实现了与无线网关间的双向通信，另外，无线传感器利用自身识别码确定第三时间窗口，以降低不同无线传感器同时向无线网关发送数据的可能性，进而降低甚至避免无线传感器间的数据冲突，提高了多个无线传感器与无线网关通信的可靠性。

附图说明

图1是本申请无线通信系统实施方式的结构示意图；

图2是无线传感器实施方式的结构示意图；

图3是无线网关的结构示意图；

图4是无线网关在一周期内的电流波形示意图；

图5是无线传感器在一周期内的电流波形示意图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、接口、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施方式中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

请参阅图1-3，所述无线传感器1包括微控制单元11、射频模组12、天线16、传感模块13、电池14以及非易失存储器15。所述微控制单元11具体可为一处理芯片，所述射频模组12具体可为射频芯片，所述射频芯片与天线16电连接。所述射频模组12、所述传感模块13与所述非易失存储器15均与所述微控制单元11具有信号连接。所述电池14为所述微控制单元11、所述射频模组12以及所述传感模块13供电，或者传感模块13不需电池14供电，直接由微控制单元11供电。所述传感模块13从检测对象获取传感数据，例如获取当前环境的温度、湿度、环境光亮度等数据。所述非易失存储器15存储有所述传感数据和所述无线传感器1的唯一识别码。

所述无线网关包括射频模组21、天线23和处理芯片22。射频模组21通过天线23与无线传感器1通信，具体用于将所述处理芯片22的指令发送所述无线传感器1，并接收无线传感器1发送的传感数据，并将传感数据反馈回处理芯片22。射频模组21的具体可为一射频芯片。

本实施方式中，所述无线传感器1通过所述射频模组12、天线16与无线网关2建立有无线信道连接。所述无线网关2在需要传感信息时对所述无线传感器1进行发送指令和接收传感数据，所述无线传感器1包括采集周期、唤醒周期和工作周期。所述采集周期内设置有第一时间窗口，所述唤醒周期内设置有第二时间窗口，所述工作周期包括第三时间窗口、第四时间窗口和第五时间窗口，第四时间窗口位于第三时间窗口之后，第五时间窗口位于第四时间窗口之后。本实施方式中，工作周期的持续时间可存储在所述无线网关2的非易失存储器中，并通过唤醒包发送给所述无线传感器1，采集周期、唤醒周期的设定值、第三时间窗口的持续时间由系统或者用户预先设置，并保存在非易失存储器中。

在所述采集周期内，无线传感器1通电后，通过非易失存储器15获取采集周期的设定值如15分钟或30分钟，并在采集周期的第一时间窗口对周围环境信息进行采集存储，采集信息包括周围环境的温度、湿度、环境光亮度等数据。唤醒周期的设定值如为1秒或2秒等，并进入唤醒周期。

在所述唤醒周期内：所述无线网关2，在需要传感信息时，则于所述无线信道上广播包含唯一编码的多个唤醒包。

所述无线传感器1的射频模组12，在所述第二时间窗口对所述无线信道进行载波监听，如果在所述第二时间窗口监听不到载波，则在结束当前唤醒周期后继续进入下一所述唤醒周期，如果发现载波则开始接收所述唤醒包，并在结束当前唤醒周期后进入工作周期。

在所述工作周期内：

所述无线传感器1在所述第一时间段采集所述传感数据且保存在所述非易失存储器15中，在所述第三时间窗口发送所述传感数据个数和所述无线传感器1对应的识别码至所述无线网关2。

所述无线网关2，在工作周期与所述无线信道上与一个或多个无线传感器进行通信，实现所述传感信息的采集。

其中，所述无线传感器1的工作周期包括第三时间窗口、第四时间窗口和第五时间窗口，在所述工作周期内，所述无线传感器1，接收到所述唤醒包之后进入第三时间窗口，所述第三时间窗口发送所述无线传感器1的传感数据个数和所述无线传感器1对应的识别码至所述无线网关2，无线网关2在接收到多个无线传感器1发送的数据包之后形成一个包含多个所述无线传感器对应识别码及对应识别码传感器中存储的数据个数的列表。

其中，所述无线传感器1的工作周期的第四时间窗口位于所述第三时间窗口之后，其中：所述无线传感器1，在发送所述传感数据个数至所述无线网关2之后进入第四时间窗口，在所述第四时间窗口对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关2在接收到所述传感数据后在所述无线信道广播的指示包，其中所述指示包包括所述无线传感器1的识别码和对应所需数据的个数，所述无线传感器1，在接收所述指示包之后，对所述指示包内的识别码进行判断：在判断到所述指示包内的识别码与自身存储的识别码一致时，所述无线传感器1将非易失存储器15中储存的包含传感数据和所述无线传感器1对应的识别码的数据包至所述无线网关2；在判断到所述指示包内的识别码与自身存储的识别码不一致时，所述无线传感器1在工作周期剩余的时间内保持休眠状态。

其中，所述无线传感器1的工作周期的第五时间窗口位于所述第四时间窗口之后，其中：所述无线传感器1，在发送所述数据包至所述无线网关2之后，在所述第五时间窗口对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关在接收到所述数据包后在所述无线信道广播的确认包，其中所述确认包包括所述无线传感器1的识别码。

其中，在判断到所述确认包内的识别码与自身存储的识别码一致时，所述无线传感器在工作周期剩余时间内保持休眠状态，并在下一唤醒周期的第二时间窗口对所述无线信道进行监听；在判断到所述确认包内的识别码与自身存储的识别码不一致时，所述无线传感器1根据自身存储的识别码重新确定另一工作周期的第三时间窗口，并在下一工作周期中所述的另一第三时间窗口重新发送所述传感数据个数和所述识别码至所述无线网关。

其中，所述第二时间窗口在所述唤醒周期内的位置可以为随机分配的，所述第三时间窗口在所述工作周期的位置由所述识别码决定。所述无线传感器1在所述唤醒周期中除所述需进行载波监听的第二时间窗口外均保持休眠状态，且如果没有监听到唤醒包则在结束当前唤醒周期后继续进入下一所述唤醒周期，直至在监听到唤醒包才进入工作周期。并且，所述无线传感器1可在工作周期第四时间窗口外均保持休眠状态。即无线传感器1的微控制单元11、射频模组12、所述传感模块13以及所述非易失存储器15中的一个或多个在所述唤醒周期中除所述第二时间窗口外均保持休眠状态，在工作周期的除第三时间窗口外均保持休眠状态。当所述无线传感器1保持休眠状态时，所述无线传感器1从所述电池14消耗的平均电流小于5μA。

下面举例对无线通信系统的通信过程进行说明。

无线传感器1在采集周期，根据非易失存储器15中采集周期的设定值对周围环境信息进行采集，例如，采集周期为15分钟，此时，无线传感器在第一时间窗口对周围环境数据进行一次采集，无线传感器1所需的电流如图5中所示，T0-T1为第一时间窗口，此时在t1需要的平均电流较高，在采集周期的其它时间，无线传感器1处于休眠状态，通常低于5μA。

无线网关2在需要传感信息时，在无线传感器1的唤醒周期中依时序广播多个唤醒包，其中每个所述唤醒包中包括所述唤醒包的唯一编码，此时，无线网关2此时所需平均电流如图4中T0-T1时间段所示，每发送一个唤醒包对应一个脉冲电流。无线网关2在无线传感器1的工作周期的第一时间段中可处于休眠状态，以等待无线传感器1完成对传感数据个数及对应识别码的上传，此时所需平均电流如图4中T1-T2时间段所示，通常低于5μA。无线网关2在无线传感器1的工作周期中处于监听状态，此时，所需平均电流如图4中T2-T3时间段所示。

如图5所示，无线传感器1由系统根据识别码、用户设定或者随机分配而确定自身的第二时间窗口，例如，可根据识别码的某几位如后三位为168确定第二时间窗口为第168ms。无线传感器1在唤醒周期T1-T2进行载波监听，如果无线传感器1在所述第二时间窗口t2监听不到载波，则在结束当前唤醒周期后继续进入下一所述唤醒周期。

如果无线传感器1在第二时间窗口t2监听到载波，则开始接收监听到的唤醒包，并根据接收到的唤醒包的序号，计算出进入工作周期的第三时间窗口T2-T3而需等待的时间，例如，所有无线传感器的唤醒周期均设置为500ms，第一无线传感器1在第二时间窗口第168ms监听到序号为001的唤醒包，根据唤醒周期设定值计算得到还需等332ms才能进入工作周期；第二无线传感器1在第二时间窗口第200ms监听到序号为001的唤醒包，根据唤醒周期设定值计算得到还需等300ms才能进入工作周期，所有接收到唤醒包的无线传感器1等待对应时间而同步进入工作周期。无线传感器1可预先根据自身的识别码确定在工作周期向无线网关发送数据的第三时间窗口的时间点，具体可以取识别码的后三位作为在第三时间窗口时间点，例如第一无线传感器1的识别码为15200168、第二无线传感器1的识别码为15200200，则第一无线传感器1在第二时间段中的第168ms作为第三时间窗口，向无线网关2发送传感数据个数和自身的识别码，第二无线传感器1在第二时间段中的第200ms作为第三时间窗口，向无线网关2发送传感数据个数和自身的识别码，例如第一无线传感器1的传感数据为4条，识别码为15200168、第二无线传感器1的传感数据为3条，识别码为15200200。无线网关2在多个无线传感器发送的数据包之后形成一个包含多个所述无线传感器对应识别码及对应识别码传感器中存储的数据个数的列表。

其中，所述无线传感器1的工作周期的第四时间窗口T3-T4位于所述第三时间窗口之后T2-T3，其中：所述无线传感器1，在发送所述传感数据个数至所述无线网关2之后进入第四时间窗口T3-T4，在所述第四时间窗口t3对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关2在接收到所述传感数据后在所述无线信道广播的指示包，其中所述指示包包括所述无线传感器的识别码和对应所需数据的个数。例如，无线网关2发送的是识别码为15200168、传感数据为4条的指示包。所述第一、二无线传感器1，在接收所述指示包之后，对所述指示包内的识别码进行判断；例如，识别码为15200168的传感器1判断指示包中识别码为15200168与自身识别码一致，则识别码为15200168的传感器1将非易失存储器中储存的包含传感数据和所述无线传感器对应的识别码的数据包至所述无线网关2；识别码为15200200的无线传感器1在判断到所述指示包内的识别码15200168与自身存储的识别码15200200不一致时，所述识别码为15200200的无线传感器1在工作周期剩余的时间内保持休眠状态。

其中，所述无线传感器的工作周期的第五时间窗口T4-T5位于所述第四时间T3-T4窗口之后，例如：所述识别码为15200168无线传感器1，在发送所述数据包至所述无线网关2之后，在所述第五时间窗口t4对所述无线信道进行监听，以接收所述无线网关2在接收到所述数据包后在所述无线信道广播的确认包，其中所述确认包包括所述无线传感器的识别码。例如，在判断到所述确认包内的识别码15200168与自身存储的识别码15200168一致时，所述识别码为15200168无线传感器1在工作周期剩余时间内保持休眠状态，并在下一唤醒周期的第二时间窗口对所述无线信道进行监听；在判断到所述确认包内的识别码如15200167与自身存储的识别码15200168不一致时，所述无线传感器根据自身存储的识别码重新确定另一工作周期的第三时间窗口T2-T3，并在下一工作周期中所述的另一第三时间窗口重新发送所述传感数据个数和所述识别码至所述无线网关。以此来保证数据传输的正确性和可靠性。

可选地，所述无线信道位于433.0MHz~434.0MHz频段。

可选地，所述识别码为8位。本实施方式中，可通过选取所述无线传感器1的出厂编号的几个预定位置上的数字来获得所述识别码，并存储在所述非易失存储器15中。

本实施方式，无线传感器仅在唤醒周期的第二时间窗口进行监听，在唤醒周期的其他时间就能处于休眠状态，由于休眠状态下所需的电流小于5μA，故能够降低无线传感器的功耗，而且无线传感器在工作周期能够监听无线网关，且在第三时间窗口和第四时间窗口发送数据，实现了与无线网关间的双向通信，而且，无线传感器在采集周期能够定时进行数据采集，保证了数据采集的完整性，另外，无线传感器利用自身识别码确定第三时间窗口，以降低不同无线传感器同时向无线网关发送数据的可能性，进而降低甚至避免无线传感器间的数据冲突，提高了多个无线传感器与无线网关通信的可靠性。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器的无线通信系统，其特征在于，无线网关和至少一个无线传感器，所述无线传感器与所述无线网关建立有无线信道连接，所述无线传感器上设置有微控制单元、射频模组、天线、传感模块、电池以及非易失存储器，所述非易失存储器存储有所述传感模块从当前环境获取的传感数据和所述无线传感器的唯一识别码、采集周期、唤醒周期的设定值，所述电池为所述无线传感器供电，所述采集周期内包含第一时间窗口，所述唤醒周期内包含第二时间窗口，工作周期内包含第三时间窗口、第四时间窗口和第五时间窗口；所述无线网关，于所述无线信道上与一个或多个无线传感器进行通信，实现信号采集。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述无线信道位于433.0MHz~434.0MHz频段。

3.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述采集周期、唤醒周期时间从所述无线传感器的非易失存储器中获得。

4.根据权利要求1所述的通信系统，其特征在于，所述识别码为8位。