CN102547942A - 应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关 - Google Patents

Abstract

一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，包括处理器、由RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块构成的与服务器通信的单元和射频模块，所述的RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块通过相应设备接收远程服务器发送的信息采集命令，并且传输给处理器；处理器对命令进行判断，选择转发策略，紧接着将命令传输给射频模块；射频模块接收到命令后，对命令进行解析，根据命令中携带的网络地址将命令转发给相应的终端处理模块，之后接收终端处理模块发回的数据转发给处理器；处理器根据前面确定的转发策略，通过3G模块发给远程服务器。本发明具有线路简单、数据传输效率高和互联网接入方便的优点。

Description

应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关

技术领域

本发明属于农业设施领域，尤其是应用于温室环境监测的无线传感器网络，具体地说是一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关。

背景技术

目前，在社会生产生活中，无线传感器网络技术在设施农业、工业监控、智能家居等领域均有广泛应用，然而网关性能的优越与否直接制约着无线传感器网络的组网与通信性能。

当下无线传感器网络中所使用的网关，大多除需布置通信网络线外，还必须铺设供电电源线，不但成本高、施工繁琐还易造成信号干扰；而且当前所普遍使用的网关大多存在传输速率慢、传输效率低、互联网接入方式单一等缺点，这给无线传感器网络技术的推广应造成的很大的局限性，且当前所普遍使用的网关大多传输速率不高，效率较低，互联网接入方式也较单一。因而设计具有线路简单、数据传输效率高、互联网接入方便等于一体的智能网关已成为无线传感器网络技术发展与应用的重要课题。

发明内容

本发明的目的是针对现有网关传输速率慢、传输效率低、互联网接入方式单一的问题，提出一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，满足线路简单、数据传输效率高和互联网接入方便的要求。

本发明的技术方案是：

一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，它包括处理器、由RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块构成的与远程服务器进行通信的通信单元和与终端处理模块进行通信的射频模块，所述的RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块通过相应设备接收远程服务器发送的信息采集命令，并且传输给处理器；处理器对命令进行判断，选择转发策略，紧接着将命令传输给射频模块；射频模块接收到命令后，对命令进行解析，根据命令中携带的网络地址将命令转发给相应的终端处理模块，之后接收终端处理模块发回的数据转发给处理器；处理器根据前面确定的转发策略，通过3G模块发给远程服务器。

本发明的智能网关还包括USB接口、JTAG接口、SD卡、电源模块、电源转换单元和网口控制器。

本发明的处理器为STM32模块，射频模块为CC1100，3G模块为CDMAEVDO，通信采用CDMA EVDO技术，终端处理模块为CC1100Zigbee无线射频模块，包括多个传感器、终端射频模块和终端处理器，用于进行数据采集和传输；终端处理模块对接到命令进行解析，如果是采集传感器数据的命令，则启动相应的传感器进行数据采集，并对其进行常规处理，进而打包并转发给射频模块；射频模块接到数据便转发给处理器；处理器接到数据，根据前面确定的转发策略，通过3G模块3发给远程服务器。

本发明的智能网关的供电方式包括以太网供电POE、电池和市电三种：

当采用以太网通信即智能网关通过RJ45接口与服务器通信时，通过POE技术供电；

当采用RS485或者RS232通信时，通过市电供电；

当采用3G模块通信时，采用电池供电。

本发明的网关启动后进行面向服务器的上行通信时，需要判断网关与服务器之间采用的通信连接方式，具体包括以下步骤：

首选通过检查网关是否是RS485连接，通过RS485接口向服务器发送请求确认是否为RS485连接的命令，如果返回连接成功，则确认为RS485连接，如果返回连接错误，则跳转检查***是否采用RS232通信；

通过RS232接口向服务器发送请求确认是否为RS232连接的命令，如果返回连接成功，则确认为RS232连接，如果返回连接错误，则跳转检查***是否采用以太网通信；

创建Socket客户端，连接服务器，如果没有连接上服务器，则回到开始重新进行判断，如果连接上服务器，则向服务器发送请求确认是否为以太网连接的命令，如果返回连接成功，则确认服务器采用的是以太网连接方式；

如果返回连接错误，则向服务器发送请求确认是否为3G连接的命令，如果返回连接成功，则确认服务器采用的是3G通信方式，否则回到程序开始，依次从RS485、RS232、以太网至3G通信方式重新开始判断，如果一段时间内仍旧不能找到通畅的通信连接，则创建嵌入式数据库，将采集的数据存储在SD卡上。

本发明的智能网关面向温室信息监控的无线传感器网络路由协议分上行路由和下行路由两部分；上行路由负责监测温室环境信息，下行路由负责传输温室控制指令。

本发明的上行路由部分中，各终端处理模块作为节点部署到网络后，自动获取预先设定的地址编号，按照地址编号沿平行向右方向向网关发送消息，该消息包含节点的地址和剩余能量，网关收到所有节点的地址和剩余能量信息后，计算每个节点到达网关的所有可能路径的代价函数；

$f=a*N+(1-a)*\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}q\left(i\right)---\left(1\right)$

其中，N表示该条路径的节点距离网关跳数，q(i)表示该条路径上第i个节点的剩余能量，i从0变化至m表示该条路径上节点的总个数为m+1，a表示代价函数f中跳数所占的权重；

网关选取f最小的路径作为该节点数据传输的最优路径，同时保留f值次小的的路径作为备用路径，将这两条路径按照节点地址格式沿水平方向向左发送给每个终端处理模块；节点发送数据时随机性选择一条路径作为下一跳节点，依次将数据传输到网关。

本发明中，当侧重数据采集实时性时，a值大于0.5，当侧重延长网络寿命时，a值小于0.5。

本发明的路由协议中采用睡眠调度机制降低节点功耗，具体步骤为：在温室环境中，设定每5分钟采集一次数据，并设定1分钟时间供节点传输数据，6分钟后节点自动进入睡眠状态，关闭射频模块，5分钟后自动唤醒节点采集信息并开启射频模块传输数据；网关每隔1小时重新计算优化路径，沿坐标轴向右的方向发送信息，该信息包括当前时间信息用于时间同步和最优路径信息进行数据传输。

本发明的下行路由部分中，网关始终按照地址格式沿坐标轴向右的方向发送指令，如果节点已经失效，上一跳节点将随机性沿y轴向上或向下进行Z字型转发，即数据到达向上或向下的这跳节点后会继续按照地址格式向右转发指令。

本发明的有益效果：

本发明的射频模块采用CC1100，是单独的射频模块，使用433Mhz频段，通信距离远，功耗低，适合温室环境，而STM32是一款低功耗高性能的32位微处理器，能够高效实现智能网关的各类复杂算法。同时，射频模块和微处理器组合的的结构便于***升级，协议栈运行在STM32上，能够实现应用层与其他各层的紧密结合。

本发明采用多种面向服务器的通信连接方式，能够很好地适应和利用现场的有利条件。

本发明可以支持市电和电池供电的切换，形成完善的电源解决方案，适合复杂环境下的使用。

本发明支持面向服务器的离线工作方式。通过移植嵌入式数据库SQLite，采集的数据存入数据库，管理人员可定期使用SD卡提取智能网关存储的数据，实现离线的工作方式。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

图2是本发明的网关面向服务器的智能通信连接示意图。

图3是集中式路由协议网关和终端处理模块即节点的拓扑部署示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，它包括处理器(型号为STM32)、由RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块构成的与远程服务器进行通信的通信单元和与终端处理模块进行通信的射频模块(型号为CC1100)，所述的RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块通过相应设备接收远程服务器发送的信息采集命令，并且传输给处理器；处理器对命令进行判断，选择转发策略，紧接着将命令传输给射频模块；射频模块接收到命令后，对命令进行解析，根据命令中携带的网络地址将命令转发给相应的终端处理模块，之后接收终端处理模块发回的数据转发给处理器；处理器根据前面确定的转发策略，通过3G模块发给远程服务器。

本发明支持面向服务器的在线和离线两种方式数据收集，在线方式通过以太网、RS485、RS232和3G等不同途径实现，离线方式通过嵌入式数据库SQLite存储数据到U盘上(数据表格式为：“节点 参数 数值 时间”)，管理人员定时提取的途径实现；(3)支持POE(以太网供电)、电池和市电等三种方式供电，当采用以太网通信时，可通过POE技术供电，采用RS485或者RS232通信时，通过市电供电，当采用3G方式通信时，采用电池供电；(4)3G通信时进行数据压缩以节省流量和提高实时性；(5)运行能够实现以太网和无线传感器网络的协议转换集中式无线传感器网络协议栈。

本发明的远程服务器发送采集信息命令，经3G模块传输给STM32模块；STM32模块将命令传输给ZigBee模块，并紧接着对命令进行判断以便选择转发策略，然后等待接收信息数据；ZigBee模块接收到命令后，对命令进行解析，根据命令中携带的网络地址将命令转发给节点Zigbee模块；节点Zigbee模块接到命令对命令进行解析，如果是采集传感器数据的命令，则启动相应的传感器进行数据采集，并对其进行简单处理，进而打包并转发给ZigBee模块；ZigBee模块接到数据便转发给STM32模块；STM32模块接到数据，根据前面确定的转发策略，通过3G模块发给远程服务器。

面向服务器的通信方案为：无网络接入能够方便布线的场合，如果网关距离服务器较远，使用RS485通信，距离较近时则使用RS232通信；有网络接入的场合，可使用以太网通信；无网络接入的地方可选用CDMA EVDO通信进行数据传输。

集中式路由协议：

面向温室信息监控的无线传感器网络路由协议分上行路由和下行路由两部分。上行路由负责监测温室环境信息，下行路由负责传输温室控制指令。另外，温室平面形状多为规则形状，单栋面积有限，使得无线传感器网络的规模不会太大，并且无线节点均静态部署于指定区域，部署时能够方便获知节点的大致空间位置。如图3所示，采用等间隔网格状部署，节点的地址采用列号和行号组合的方式。

在上行路由中，节点部署到网络后，自动按照地址编号沿平行向右方向向网关发送消息，该消息包含节点的地址和节点的剩余能量。网关收到所有节点的地址和剩余能量信息后，计算每个节点到达网关的所有可能路径的代价函数：

$f=a*N+(1-a)*\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}q\left(i\right)---\left(1\right)$

其中，N表示该条路径的节点距离网关跳数，q(i)表示该条路径上第i个节点的剩余能量，i从0变化至m表示该条路径上节点的总个数为m+1，a表示代价函数f中跳数所占的权重，当侧重数据采集实时性时，a值大于0.5，当侧重延长网络寿命时，a值小于0.5。

网关选取f最小的路径作为该节点数据传输的最优路径，同时保留f值次小的的路径作为备用路径，将这两条路径按照节点地址格式沿水平方向向左发送给每个节点。节点发送数据时随机性选择一条路径作为下一跳节点，这样便可在兼顾实时性和能耗的情况下将数据传输到网关。

采用睡眠调度机制，进一步降低节点功耗。由于温室环境数据变化缓慢，可设定每5分钟采集一次数据，并设定1分钟时间供节点传输数据。6分钟后节点自动进入睡眠状态，关闭射频模块。5分钟后自动唤醒节点采集信息并开启射频模块传输数据。

网关每隔1小时重新计算优化路径，沿坐标轴向右的方向发送信息，该信息包括当前时间信息用于时间同步和最优路径信息进行数据传输。

在下行路由协议中，网关始终按照地址格式沿坐标轴向右的方向发送指令，如果节点已经失效，上一跳节点将随机性沿y轴向上或向下进行“Z”字型转发，即数据到达向上或向下的这跳节点后会继续按照地址格式向右转发指令。

协议转换：无线传感器网络与Internet网络的之间的转化。协议转化基于存储在智能网关上的协议映射表，当Internet向WSN发送指令时，TCP/IP格式的Internet指令在智能网关解析成WSN格式的数据帧，而无线传感器网络向Internet发送数据时，WSN格式的数据包在智能网关被转换成TCP格式的数据包。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是它包括处理器、由RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块构成的与远程服务器进行通信的通信单元和与终端处理模块进行通信的射频模块，所述的RS485接口、RS232接口、RJ45接口和3G模块通过相应设备接收远程服务器发送的信息采集命令，并且传输给处理器；处理器对命令进行判断，选择转发策略，紧接着将命令传输给射频模块；射频模块接收到命令后，对命令进行解析，根据命令中携带的网络地址将命令转发给相应的终端处理模块，之后接收终端处理模块发回的数据转发给处理器；处理器根据前面确定的转发策略，通过3G模块发给远程服务器。

2.根据权利要求1所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是所述的智能网关还包括USB接口、JTAG接口、SD卡、电源模块、电源转换单元和网口控制器。

3.根据权利要求1所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是所述的处理器为STM32模块，射频模块为CC1100，3G模块为CDMAEVDO，通信采用CDMA EVDO技术，终端处理模块为CC1100Zigbee无线射频模块，包括多个传感器、终端射频模块和终端处理器，用于进行数据采集和传输；终端处理模块对接到命令进行解析，如果是采集传感器数据的命令，则启动相应的传感器进行数据采集，并对其进行常规处理，进而打包并转发给射频模块；射频模块接到数据便转发给处理器；处理器接到数据，根据前面确定的转发策略，通过3G模块3发给远程服务器。

4.根据权利要求1所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是所述的智能网关的供电方式包括以太网供电POE、电池和市电三种：

当采用以太网通信即智能网关通过RJ45接口与服务器通信时，通过POE技术供电；

当采用RS485或者RS232通信时，通过市电供电；

当采用3G模块通信时，采用电池供电。

5.根据权利要求1所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是该网关启动后进行面向服务器的上行通信时，需要判断网关与服务器之间采用的通信连接方式，具体包括以下步骤：

首选通过检查网关是否是RS485连接，通过RS485接口向服务器发送请求确认是否为RS485连接的命令，如果返回连接成功，则确认为RS485连接，如果返回连接错误，则跳转检查***是否采用RS232通信；

通过RS232接口向服务器发送请求确认是否为RS232连接的命令，如果返回连接成功，则确认为RS232连接，如果返回连接错误，则跳转检查***是否采用以太网通信；

创建Socket客户端，连接服务器，如果没有连接上服务器，则回到开始重新进行判断，如果连接上服务器，则向服务器发送请求确认是否为以太网连接的命令，如果返回连接成功，则确认服务器采用的是以太网连接方式；

如果返回连接错误，则向服务器发送请求确认是否为3G连接的命令，如果返回连接成功，则确认服务器采用的是3G通信方式，否则回到程序开始，依次从RS485、RS232、以太网至3G通信方式重新开始判断，如果一段时间内仍旧不能找到通畅的通信连接，则创建嵌入式数据库，将采集的数据存储在SD卡上。

6.根据权利要求1所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是该智能网关面向温室信息监控的无线传感器网络路由协议分上行路由和下行路由两部分；上行路由负责监测温室环境信息，下行路由负责传输温室控制指令。

7.根据权利要求6所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是在上行路由部分中，各终端处理模块作为节点部署到网络后，自动获取预先设定的地址编号，按照地址编号沿平行向右方向向网关发送消息，该消息包含节点的地址和剩余能量，网关收到所有节点的地址和剩余能量信息后，计算每个节点到达网关的所有可能路径的代价函数；

$f=a*N+(1-a)*\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}q\left(i\right)---\left(1\right)$

其中，N表示该条路径的节点距离网关跳数，q(i)表示该条路径上第i个节点的剩余能量，i从0变化至m表示该条路径上节点的总个数为m+1，a表示代价函数f中跳数所占的权重；

网关选取f最小的路径作为该节点数据传输的最优路径，同时保留f值次小的的路径作为备用路径，将这两条路径按照节点地址格式沿水平方向向左发送给每个终端处理模块；节点发送数据时随机性选择一条路径作为下一跳节点，依次将数据传输到网关。

8.根据权利要求7所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是当侧重数据采集实时性时，a值大于0.5，当侧重延长网络寿命时，a值小于0.5。

9.根据权利要求6所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是所述的路由协议中采用睡眠调度机制降低节点功耗，具体步骤为：在温室环境中，设定每5分钟采集一次数据，并设定1分钟时间供节点传输数据，6分钟后节点自动进入睡眠状态，关闭射频模块，5分钟后自动唤醒节点采集信息并开启射频模块传输数据；网关每隔1小时重新计算优化路径，沿坐标轴向右的方向发送信息，该信息包括当前时间信息用于时间同步和最优路径信息进行数据传输。

10.根据权利要求6所述的应用于温室环境监控的无线传感器网络智能网关，其特征是在下行路由部分中，网关始终按照地址格式沿坐标轴向右的方向发送指令，如果节点已经失效，上一跳节点将随机性沿y轴向上或向下进行Z字型转发，即数据到达向上或向下的这跳节点后会继续按照地址格式向右转发指令。

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