專利名稱：雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及無線通信技術領域，特別涉及一種雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關及控制方法。
背景技術：
近年來無線傳感器網(wǎng)絡得到了快速的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)田數(shù)據(jù)和工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境實時監(jiān)測，甚至軍事的情報收集。傳統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集主要靠手持儀器進行現(xiàn)場、逐個測量，將無線傳感器網(wǎng)絡應用于農(nóng)田、工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境與戰(zhàn)場等實時監(jiān)測，可有效解決傳統(tǒng)監(jiān)測方式的不足，提高信息化水平并能做出快速反應。網(wǎng)關負責收集所有節(jié)點的數(shù)據(jù)并發(fā)送到服務器，目前有通過有線或無線的方式。有線的方式受到環(huán)境的約束，要事先布線，而無線的方式目前也是只有單一的通信方式，局限了無線傳感器網(wǎng)絡的性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的缺點與不足，提供一種基于微處理器、無線通信模塊、存儲模塊和GPRS模塊為核心，通過在硬件、軟件兩方面進行改進，適合于在地理位置偏遠、不易更換電池的山地和水面環(huán)境或者室內(nèi)等實時數(shù)據(jù)無線傳輸及遠程控制的網(wǎng)絡網(wǎng)關。本發(fā)明的另一目的在于，提供上述網(wǎng)絡網(wǎng)關的控制方法。為了達到上述第一發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術方案:本發(fā)明一種雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，包括用于數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送和邏輯控制的處理器模塊，連接互聯(lián)網(wǎng)的GPRS模塊，串口通信模塊，用于數(shù)據(jù)存儲的存儲模塊，用于數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臒o線通信模塊，電源與充電模塊；所述處理器模塊分別和串口通信模塊、存儲模塊以及無線通信模塊連接，所述GPRS模塊與串口通信模塊連接，所述電源與充電模塊分別為處理器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、串口通信模塊以及GPRS模塊提供電源。優(yōu)選的，所述處理器為16位單片機最小系統(tǒng)。進一步的，所述16 位單片機為 MSP430F149、ATmegal28、ATmegal6、AT89S52、ML67Q5002 或 ML67Q5003。優(yōu)選的，無線通信模的通信頻率和發(fā)射、接收功可調。優(yōu)選的，所述無線通信模塊為nRF905、nRF2401、CC1100、CC2430或CC2420，所述無線通信模塊的發(fā)射功率受微處理器控制。預選的，所述GPRS模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議。優(yōu)選的，所述GPRS 模塊為 MC55，MC35, GTM900C, SIM100 或 EM310 ;所述 GPRS 模塊的工作方式受微處理器控制。優(yōu)選的，所述充電模塊可根據(jù)需要選擇充電電源。
為了達到上述第二目的，本發(fā)明采用以下技術方案:本發(fā)明雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的控制方法，包括下述步驟:(I)網(wǎng)關向整個網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關發(fā)送同步數(shù)據(jù)包即是發(fā)送本地的定時器值和定時的輪數(shù)，采集節(jié)點收到同步數(shù)據(jù)包后，把網(wǎng)關發(fā)過來的定時信息覆蓋自己的定時信息，調整定時器值和定時輪數(shù)；(2)網(wǎng)關等待接收數(shù)據(jù)包，若接收到數(shù)據(jù)包轉至(3)，否則轉至(4)；(3)解析數(shù)據(jù)包，提取有用數(shù)據(jù)信息并發(fā)送到服務器和在本地存儲；(4)再向網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包。優(yōu)選的，步驟(I)中網(wǎng)關向整個網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包采用時序上同步的方法，具體步驟為:(1-1)在一個工作周期內(nèi)，網(wǎng)關和節(jié)點在開機的時候首先同步一次，然后各自進入休眠；(1-2)網(wǎng)關首先被喚醒并處于接收狀態(tài)，偵聽信道是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)就中斷進入接收程序，緩存接收到的數(shù)據(jù)；(1-3)當接收一定的時間后，默認已經(jīng)把當前發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，再發(fā)送一次同步讓節(jié)點進入休眠；(1-4)在節(jié)點休眠的時候網(wǎng)關向互聯(lián)網(wǎng)和手機終端發(fā)送數(shù)據(jù)。所述步驟(1-3)具體為:(3-1)按照數(shù)據(jù)的存放格式，按字節(jié)提取并計算信息的值；(3-2)設置TCP/IP通信協(xié)議，向服務器終端發(fā)送(3_1)中提取的信息；(3-3)設置目標手機號碼與短信方式，發(fā)送(3-1)中提取的信息以及越界報警信息；(3-4)本地創(chuàng)建文件，存儲(3-1)中提取的信息。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術具有如下的優(yōu)點及效果:1、本發(fā)明以微處理器、無線通信模塊和GPRS模塊為核心，并設計了無線傳感器網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)之間的通信協(xié)議。采用的微處理器有豐富的外設和內(nèi)部資源可在不改變硬件電路的情況下實現(xiàn)功能的擴展，同時具備低功耗和睡眠模式，待機模式下電流消耗低，可充分節(jié)省電能、延長節(jié)點的壽命，并且成本比目前流行的基于ARM的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關成本要低。2、本發(fā)明采用發(fā)射功率多級、可控的無線通信芯片，整個無線通信模塊工作電壓范圍1.9-3.6V，可根據(jù)需要綜合考慮通信距離和功耗，折衷選擇發(fā)射功率。此外，選用的無線通信芯片自帶載波監(jiān)測協(xié)議，由集成的頻率調節(jié)器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶振振蕩器和一個調節(jié)器組成，集成度較高，提高整個節(jié)點的抗干擾能力和通信的可靠性，并且可有效降低成本。3、本發(fā)明采用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊，該模塊不僅可以向互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)，而且可以給目標手機發(fā)送短信。通過協(xié)議控制，網(wǎng)關可以同時連接GSM和互聯(lián)網(wǎng)，通信手段可以是手機短信方式和TCP協(xié)議下的數(shù)據(jù)流方式。4、本發(fā)明可采用太陽能電池板、水能發(fā)電機或家庭用電等對供電電池進行充電，根據(jù)不同的環(huán)境應用不同充電模式。當在室內(nèi)使用時，外接一個電源適配器實現(xiàn)供電和充電；當在室外使用時，可以通過太陽能電池板或者水能發(fā)電機對其充電，達到能量自給，并延長節(jié)點生命周期的目的。5、本發(fā)明可以保證網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的完整性。當網(wǎng)絡信號差而數(shù)據(jù)發(fā)不出去時，可自主存儲數(shù)據(jù)在SD卡上。


圖1是本發(fā)明雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關結構圖；圖2是本發(fā)明雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關與節(jié)點的同步協(xié)議流程圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步詳細的描述，但本發(fā)明的實施方式不限于此。實施例如圖1所示，雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，包括用于數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送和邏輯控制的處理器模塊，連接GPRS模塊的串口通信模塊，用于數(shù)據(jù)存儲的存儲模塊，用于數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臒o線通信模塊，用于提供所述各部分工作電源以及太陽能充電的電源與太陽能充電模塊。所述處理器模塊分別和串口通信模塊、存儲模塊以及無線通信模塊連接，所述GPRS模塊與串口通信模塊連接，所述充電模塊與供電電池連接。本實施例無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關以MSP430F149、nRF905無線通信模塊和MC55GPRS模塊為核心。MSP430F149組成的單片機系統(tǒng)具有上電自動復位及手動按鍵復位功能，晶體振蕩電路為系統(tǒng)提供工作所需要的時鐘信號，所有的設備控制、任務調度、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)轉存、功能協(xié)調和通信協(xié)議都將在這個模塊的支持下完成。本實施例中微處理器除了選用MSP430F149 之外，還可選用 ATmegal28、ATmegal6、AT89S52、ML67Q5002 或 ML67Q5003 等來完成。該無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關與無線傳感器網(wǎng)絡的通信全部通過nRF905無線收發(fā)模塊完成。nRF905無線通信芯片工作電壓范圍1.9-3.6V，發(fā)射功率可調，自帶載波監(jiān)測協(xié)議。由一個完全集成的頻率調節(jié)器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶振振蕩器和一個調節(jié)器組成。在功耗一定的情況下，該無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)點有效通信距離在空。曠地帶達到203m，在農(nóng)田環(huán)境下通信距離可以達到122m。本實施例中無線通信模塊除了選用nRF905外，還可以選用nRF2401、CC1100、CC2430、CC2420等來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。該無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關通過MC55GPRS模塊完成與互聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)。MC55GPRS模塊是當今市場上尺寸最小的三頻模塊，內(nèi)嵌TCP/IP傳輸協(xié)議，可以同時設置6個連接平臺，10個服務平臺，每個服務平臺可以根據(jù)需要采用TCP或者UDP協(xié)議，靈活設計通信協(xié)議。手機短信可以根據(jù)需要設置文本方式和PDU方式，文本方式只能發(fā)送英文和數(shù)字，PDU方式可以發(fā)送中文和其他符號。本實施例中GPRS模塊除了選用MC55外，還可以選用MC35，GTM900C, SM100，EM310等來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。所述串口通信模塊可實現(xiàn)節(jié)點與PC終端或者GPRS模塊進行數(shù)據(jù)通信；所述電源與充電模塊包括系統(tǒng)供電電源和為系統(tǒng)供電電源充電的太陽能電池板(可以用水能發(fā)電機、電源適配器或者其他電源代替)。
如圖2所示，網(wǎng)關與節(jié)點、互聯(lián)網(wǎng)之間的通信協(xié)議采用時序上同步的方法。在一個工作周期內(nèi)，網(wǎng)關和節(jié)點在開機的時候首先同步一次，然后各自進入休眠。網(wǎng)關首先被喚醒并處于接收狀態(tài)，偵聽信道是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)就中斷進入接收程序，緩存接收到的數(shù)據(jù)。當接收一定的時間后，默認已經(jīng)把當前發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，再發(fā)送一次同步讓節(jié)點進入休眠。在節(jié)點休眠的時候網(wǎng)關向互聯(lián)網(wǎng)和手機終端發(fā)送數(shù)據(jù)。所述同步為采集節(jié)點的定時時間總是與網(wǎng)關的定時時間一致。網(wǎng)關發(fā)送同步數(shù)據(jù)包即是發(fā)送本地的定時器值和定時的輪數(shù)，采集節(jié)點收到同步數(shù)據(jù)包后，把網(wǎng)關發(fā)過來的定時信息覆蓋自己的定時信息，調整定時器值和定時輪數(shù)。為了區(qū)分同步數(shù)據(jù)包與普通數(shù)據(jù)包，在包頭加入?yún)^(qū)分標志。所述向互聯(lián)網(wǎng)和手機終端發(fā)送數(shù)據(jù)，兩者采用不同的通信協(xié)議。連接互聯(lián)網(wǎng)前設置目標服務器的IP地址(或者域名)和連接方式，等待連接成功后發(fā)送數(shù)據(jù)。向手機終端發(fā)送短信前，判斷是否有越界參數(shù)，有則將越界信息提取出來，設置短信內(nèi)容的編碼格式，向目標手機發(fā)出短信。最后判斷數(shù)據(jù)是否已經(jīng)發(fā)送成功，若發(fā)送成功，則斷開連接完成本工作周期，否則，在本地存儲數(shù)據(jù)。上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，包括用于數(shù)據(jù)接收、處理、發(fā)送和邏輯控制的處理器模塊，連接互聯(lián)網(wǎng)的GPRS模塊，串口通信模塊，用于數(shù)據(jù)存儲的存儲模塊，用于數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)臒o線通信模塊，電源與充電模塊；所述處理器模塊分別和串口通信模塊、存儲模塊以及無線通信模塊連接，所述GPRS模塊與串口通信模塊連接，所述電源與充電模塊分別為處理器模塊、存儲模塊、無線通信模塊、串口通信模塊以及GPRS模塊提供電源。
2.根據(jù)權利要求1所述的雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，所述處理器為16位單片機最小系統(tǒng)。
3.根據(jù)權利要求2所述的雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，無線通信模塊的通信頻率和發(fā)射、接收功可調。
4.根據(jù)權利要求1或3所述雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，所述無線通信模塊為nRF905、nRF2401、CCl 100、CC2430或CC2420，所述無線通信模塊的發(fā)射功率受微處理器控制。
5.根據(jù)權利要求1所述雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，所述GPRS模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議。
6.根據(jù)權利要求1或5所述雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，所述GPRS模塊為MC55，MC35，GTM900C, SIM100或EM310 ;所述GPRS模塊的工作方式受微處理器控制。
7.根據(jù)權利要求1所述雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關，其特征在于，所述充電模塊可根據(jù)需要選擇充電電源。
8.根據(jù)權利要求1所述雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的控制方法，其特征在于，包括下述步驟: Cl)網(wǎng)關向整個網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包，網(wǎng)關發(fā)送同步數(shù)據(jù)包即是發(fā)送本地的定時器值和定時的輪數(shù)，采集節(jié)點收到同步數(shù)據(jù)包后，把網(wǎng)關發(fā)過來的定時信息覆蓋自己的定時信息，調整定時器值和定時輪數(shù)； (2)等待接收數(shù)據(jù)包，若接收到數(shù)據(jù)包轉至(3)，否則轉至(4)； (3)解析數(shù)據(jù)包，提取有用數(shù)據(jù)信息并發(fā)送到服務器和在本地存儲； (4)再向網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包。
9.根據(jù)權利要求8所述的雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的控制方法，其特征在于，步驟(I)中網(wǎng)關向整個網(wǎng)絡發(fā)送同步數(shù)據(jù)包采用時序上同步的方法，具體步驟為: (1-1)在一個工作周期內(nèi)，網(wǎng)關和節(jié)點在開機的時候首先同步一次，然后各自進入休眠； (1-2)網(wǎng)關首先被喚醒并處于接收狀態(tài)，偵聽信道是否有數(shù)據(jù)，有數(shù)據(jù)就中斷進入接收程序，緩存接收到的數(shù)據(jù)； (1-3)當接收一定的時間后， 默認已經(jīng)把當前發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，再發(fā)送一次同步讓節(jié)點進入休眠； (1-4)在節(jié)點休眠的時候網(wǎng)關向互聯(lián)網(wǎng)和手機終端發(fā)送數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權利要求8所述的雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關的控制方法，其特征在于，步驟(1-3)具體為:(3-1)按照數(shù)據(jù)的 存放格式，按字節(jié)提取并計算信息的值；(3-1)設置TCP/IP通信協(xié)議，向服務器中斷發(fā)送(3-1)中提取的信息；(3-3)設置目標手機號碼與短信方式，發(fā)送(3-1)中提取的信息以及越界報警信息；(3-4)本地創(chuàng)建文件，存儲(3-1)中提取的信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關及控制方法，網(wǎng)關包括處理器模塊，GPRS模塊，串口通信模塊，存儲模塊，無線通信模塊，電源與充電模塊。所述處理器模塊分別和串口通信模塊、存儲模塊以及無線通信模塊連接，所述GPRS模塊與串口通信模塊連接，所述充電模塊與供電電池連接。本發(fā)明處理器模塊通過無線通信模塊接收無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)解析并提取信息；串口通信模塊連接處理器與GPRS模塊，處理器通過串口模塊控制GPRS的工作狀態(tài)與信息的發(fā)送；當網(wǎng)絡信號差或者網(wǎng)絡故障時，保存信息在本地SD卡上，有效提高電池充電效率，延長節(jié)點生命周期。
文檔編號H04W88/16GK103079294SQ201210553319
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月18日 優(yōu)先權日2012年12月18日
發(fā)明者王衛(wèi)星, 孫道宗, 盧康櫸, 姜晟 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學