CN203416432U - 一种无线传感器网关 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种无线传感器网关，包括：数据采集模块、处理器控制模块、数据传输模块和电源模块，其中：数据采集模块包括Zigbee通信单元、蓝牙通信单元、无线局域网络通信单元中的至少一个，数据采集模块与设置在林区的无线传感器节点通信连接；处理器控制模块包括可扩展开发板和处理器，处理器安装在可扩展开发板相应接口上，可扩展开发板通过第一数据接口与数据采集模块相连接；数据传输模块与可扩展开发板的第二数据接口相连接，数据传输模块包括3G通信单元、数传电台传输单元和卫星传输单元；电源模块分别与数据采集模块、处理器控制模块和数据传输模块相连接。

Description

一种无线传感器网关

技术领域

本实用新型涉及森林环境监测领域，具体而言，涉及一种无线传感器网关。

背景技术

森林环境监测是森林资源保护与管理的基础，是建设现代林业、实现森林科学经营的重要保障。森林环境监测可归纳为两类，一类是对环境因子的监测，主要关心森林环境因子的变化；一类是对森林生态因子的监测，主要是效能监测。本实用新型中所指的森林环境监测特指森林环境因子的监测。无线传感器网络（wireless sensor network，WSN）由大量部署在监测区域内的微型传感器节点组成。这些传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络***，从而达到感知、采集和处理其网络覆盖的地理区域中感知对象的信息。无线传感器网络具有实时监测、智能化自组织、可靠性强、低功耗和低成本等特点，是一种有效解决森林监测的可行方案。

目前，在林业无线传感器的应用中，大量监测主要集中在基础设施较好的区域，借助于有线或者无线（如GPRS等）进行传输，在传感器节点内部主要通过ZigBee（紫蜂）进行组网，考虑到林区地域广阔，环境复杂，林分类型多样，不同的林地资源结构对无线传感器网络的组织、网络协议以及节点特性有不同的要求。其面临的主要问题是：（1）传感器节点数据汇集与传输问题；（2）长期监测能量供给问题；（3）林区不确定环境适应性；（4）成本问题等。

针对以上的问题，本实用新型基于林区的特殊环境，结合云计算，设计了一种无线传感器网关，通过结合网关数据采集技术和IaaS云服务模式，将大规模的无线传感器网络设备与云平台进行连接，对下端进行无线传感器网络的管理，负责传感器设备数据的采集及传输，对上端云平台提供无线传感器网关访问接口，使整个物联网形成一个整体，成为林业物联网的枢纽及核心。

实用新型内容

本实用新型提供一种无线传感器网关，用以解决无网络覆盖林区的数据传输问题。

为达到上述目的，本实用新型提供了一种无线传感器网关，包括：数据采集模块、处理器控制模块、数据传输模块和电源模块，其中：

数据采集模块包括Zigbee通信单元、蓝牙通信单元、无线局域网络（Wireless Local Area Networks，WLAN）通信单元中的至少一个，数据采集模块与设置在林区的无线传感器节点通信连接；

处理器控制模块包括可扩展开发板和处理器，处理器安装在可扩展开发板相应接口上，可扩展开发板通过第一数据接口与数据采集模块相连接；

数据传输模块与可扩展开发板的第二数据接口相连接，数据传输模块包括3G通信单元、数传电台传输单元和卫星传输单元；

电源模块分别与数据采集模块、处理器控制模块和数据传输模块相连接。

可选的，可扩展开发板为飞凌OK6410开发板，处理器为三星S3C6410处理器。

可选的，可扩展开发板的扩展模块包括以下至少一种：

3G、GPS、GPRS、WIFI、摄像头、CAN/485总线和VGA/TV。

可选的，卫星传输单元为迪进M10。

上述实施例通过采用能源转储与调度策略、3G、数传电台和卫星等多种通信方式以及可靠的数据管理和***自恢复等方法解决了网关的能耗、通信、数据管理以及环境适应性等诸多问题，可以为林区特别是深山密林区监测提供一个可靠高效的网关设备，为森林的深入实时监测提供保障，为科研人员更深入地研究森林提供基础资料。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型一个实施例的无线传感器网关示意图；

图2为本实用新型一个实施例的ORBCOMM***示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为本实用新型一个实施例的无线传感器网关示意图；如图所示，该无线传感器网关包括：数据采集模块10、处理器控制模块20、数据传输模块30和电源模块40，其中：

数据采集模块10包括Zigbee通信单元、蓝牙通信单元、WLAN通信单元中的至少一个，数据采集模块10与设置在林区的无线传感器节点通信连接，其中林区的无线传感器节点是指有林地传感器网络、灌木林地传感器网络及疏林地传感器网络中的无线传感器节点；

处理器控制模块20包括可扩展开发板和处理器，处理器安装在可扩展开发板相应接口上，可扩展开发板通过第一数据接口与数据采集模块10相连接；

数据传输模块30与可扩展开发板的第二数据接口相连接，数据传输模块30包括3G通信单元、数传电台传输单元和卫星传输单元；

电源模块40分别与数据采集模块10、处理器控制模块20和数据传输模块30相连接。

在上述实施例中，无线传感器网关是整个无线传感器网络的枢纽和核心，它下端连接着无线传感器设备，负责对有林地传感器网络、灌木林地传感器网络及疏林地传感器网络进行管理，对林业传感器设备获得的数据进行采集、处理以及传输；上端和云平台连接，通过提供云平台访问接口，在云平台层对无线传感器网关进行虚拟化，向用户提供基于IaaS服务的透明访问，实现通过浏览器等客户端对无线传感器网关、无线传感器网络的管理及林业数据任务的采集；无线传感器网关在传感器设备与云平台之间承担着传感器底层协议和互联网高层协议的转换职能。

处理器控制模块是整个硬件层的核心，负责数据聚汇、数据采集、数据初步处理、数据发送以及对***、设备和节点的管理等关键处理。例如，上述可扩展开发板为飞凌OK6410开发板，该开发板提供的核心控制模块具备较强的功能和丰富的外设资源，支持LINUX操作***，可以满足设计目标。处理器（CPU）为三星S3C6410处理器，CPU内核是ARM1176JZF-S，主频为553MHz/667MHz，拥有强大的内部资源和处理能力。同时，可扩展开发板支持多种Mobile DDR（可移动双倍速率同步动态随机存储器）和多种NANDFlash（(Not And Flash ROM，与非闪存），集成了多种高端接口，如复合信号、IIC（Inter-Integrated Circuit，集成电路总线）、SPI（Serial Peripheral Interface，串行外设接口）、UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用异步收发传输器）、LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）、USB（Universal Serial Bus，通用串行总线）、SD（Secure Digital Memory，安全数字记忆）卡、以太网等接口，支持DSP（Digital Singnal Processor，数字信号处理器）指令和SIMD（Single Instruction Multiple Data，单指令多数据流）指令(可以用于快速数据处理)，提供MPEG（Moving Pictures Experts Group，动态图像专家组）-4/H.263/H.264编解码功能，同时引出GPIO（通用可编程输入输出接口），可方便拓展功能。开发板的***设备有RTL（register-transferlevel，寄存器传输级）、PLL（Phase Locked Loop，锁相环）、Watch-Dog（看门狗）、DMA（Direct Memory Access，直接内存存取）和8×8的键盘矩阵以及多路串行通信接口以及存储器***、时钟***、电源***和其它电路***的***电路。该开发板的扩展模块包括3G、GPS（global positioning system，全球定位***）、GPRS（General Packet Radio Service，通用无线分组业务）、WIFI（Wireless Fidelity，无线相容性认证）、摄像头、CAN（Controller AreaNetwork，控制器局域网络）/485总线、VGA（Video Graphics Array，视频图形阵列）/TV（Television，电视）等数十种。

数据采集模块主要是负责网关与传感器节点相互通信，发出数据采集任务指令并接受和储存节点所采集到数据到无线传感器网关。目前广泛应用于传感网的通信方式主要有红外、蓝牙、ZigBee、超宽带以及WLAN等，它们各自在传输距离、频率等各有特点。根据林区的复杂性、异构性以及成本方面考虑，本实用新型设计的网关采用ZigBee、蓝牙以及WLAN三种不同的方式与传感器相连。以下对这三种采集方式进行详细介绍：

1)ZigBee采集单元

ZigBee是一种低功耗、低成本、短时延、网络容量大、可靠、安全的近距离无线组网通信技术，现在广泛应用于无线传感网的通信中。其通信距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。工作频段有2.4GHz、868MHz和915MHz3个频段上，,分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率。其广泛应用于无线控制及监控应用。

本无线传感器网关设计中ZigBee采集单元选用DIGI公司XBee-PRO模块，该模块的ZigBee芯片符合IEEE802.15.4标准，工作频率是2.4Ghz，模块上集成了ZigBee RF前端、存储器和微控制器等。该模块具备高速、超低功耗的8051内核、最高128KB的大容量闪存、8KB SRAM（静态随机存储器）、250Kb/s高速无线通信接口，模块采用DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum，直接序列展频）频谱传输，自动调频，防冲突，防碰撞，从而提高了无线数据传输的可靠性。该模块由于设计上的创新，其覆盖的范围是标准ZigBee模块的2～3倍，其功耗输出为18dBm，大大降低了功率的消耗。

2)蓝牙采集模块

蓝牙传输支持点对点及点对多点短距离无线通信，具有低功耗、低成本、良好的安全性和互操作等特定。其数据速率为1Mb/s，传输距离约10米左右，工作频段为2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，供工业、科学、医学三个主要机构使用）频段。其较多应用在手机、汽车、计算机外设等。

本无线传感器网关设计中使用蓝牙模块是DELTA公司的DFBM-CF121，它是由CSR（Control and Status Register，寄存器）芯片、Balun（人部双向式的平衡至非平衡转换器）、滤波器以及一些***电路共同组成。该蓝牙模块兼容蓝牙V1.1以及V1.2规范，接收灵敏度为-78dBm传输速率可达到721kbps，射频前端信号经过放大以后可以使得蓝牙通信距离达到50m左右。蓝牙模块内置8Mbit容量FLASH存储器，在模块上可以运行蓝牙的相关底层协议包括蓝牙链路管理协议和基带协议从而可以通过串口与上层协议栈进行通信。

3)WLAN采集模块

WLAN是指以无线信道作传输媒介的计算机局域网，是有线联网方式的重要补充和延伸，并逐渐成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，广泛适用于需要可移动数据处理或无法进行物理传输介质布线的领域。覆盖范围则可达数百米，其传输速率可达数百Mbps，如IEEE802.11g标准速度可达到108Mbps。广泛嵌入各类计算机、手机和消费电子产品。目前，无线局域网技术以其成本、体积、功耗较低、传输速率较高，已经得到了广泛的应用。

本实施例中所采用的是新岸线公司的WIFI芯片NL6621，该芯片NL6621支持802.11b/g/n/p/e，最大发射功率可达19dBm。该芯片在成本、功耗、集成度和扩展性等具有很大优势。

数据传输模块主要是负责网关与云平台之间通信，将采集后存储在网关的数据发送给云平台，以及用户通过云平台发送控制信息或者任务信息到网关，实现对网关的控制和管理，进而实现对整个无线传感器网络的控制和管理。当前传感器网络中常用的传输方式主要有3G、GPRS、数传电台、WLAN、卫星以及有线接入。本实用新型结合林区环境的恶劣性、复杂性，设计采用3G、数传电台以及卫星三种方式进行通信传输：。

1)3G传输单元

3G（3rd-generation）是第三代移动通信技术的简称，目前存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。其主要的优势是在传输声音和数据的速度上的提升，其速率一般在几百kbps以上。3G移动通信网络以其在广覆盖率、高传输速率、高可靠性以及丰富的功能和出色的灵活性等优势，被应用与社会生活的很多方面，尤其是将3G移动通信网络与传感器网络融合起来，可以为物联网中多种不同速率、不同业务类型的应用提供更适合的网络传输平台。

本实用新型采用的3G模块是ZTE公司的MC2716CDMA20003G通信模块，该模块上行速度是1.8Mbps，发射频段是869MHz～894MHz，具有功耗小、传输速率快的特点。

2)数传电台传输单元

无线数传电台是采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的一种无线数据传输电台。工作频率为220～240MHz或400～470MHz频段，有效覆盖半径约有几十公里。广泛应用在航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等领域。数传电台具有传输速率高、易集成、覆盖范围广等优点，在林区有着广泛的应用。

本实用新型中数传电台采用GE MDS iNET300模块，其理论传输距离为24公里，经过在林区实地测试，由于山脉阻挡等原因，其传输距离为6公里范围内，该覆盖范围也能一定程度上满足林业的需求。

3)卫星传输模块

卫星传输的覆盖范围非常大，但是传输速率有延迟。对于林区中没有3G、电台等通信方式覆盖的深山密林地区，卫星通信是必要可行的。Digi卫星产品使用的是ORBCOMM卫星***。图2为本实用新型一个实施例的ORBCOMM***示意图。图2中，201为ORBCOMM卫星，202为用户通信器，203为网关地面站，204为网关控制中心，205为终端计算机。该卫星***是目前全球唯一的专门针对双向短数据/信息传输的已经商用的低轨道卫星***。ORBCOMM***由三个主要的组成部分：空间部分(低轨道卫星)、地面部分(包括网关控制中心、网关地面站和设在美国的网络控制中心)和用户通信器。用户通信器和卫星之间拥有2.4kb/s的上行链路和4.8kb/s的下行链路，卫星***一次上传的数据量不大于8KB。

Digi（迪进）公司发布了三种卫星通信模块，即M10，M100和M200。Digi M10是现有的最小的ORBCOMM卫星通信模块，它功耗低，性能优越，很容易集成到嵌入式应用中。它提供UART串口和用户的微处理器通信，这样用户就可以通过卫星模块二次开发，集成卫星通信模块到用户设备来接收和发送数据。

本无线传感器网关采用的卫星通信模块是Digi公司的M10卫星接收模块，该模块是现有的最小的ORBCOMM卫星调制解调器，它功耗低，性能优越，很容易集成到嵌入式应用中。它提供UART串口和用户的微处理器通信，设备就可以轻松地通过卫星来接收和发送数据。

上述实施例通过采用能源转储与调度策略、3G、数传电台和卫星等多种通信方式以及可靠的数据管理和***自恢复等方法解决了网关的能耗、通信、数据管理以及环境适应性等诸多问题，可以为林区特别是深山密林区监测提供一个可靠高效的网关设备，为森林的深入实时监测提供保障，为科研人员更深入地研究森林提供基础资料。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本实用新型所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种无线传感器网关，其特征在于，包括：数据采集模块、处理器控制模块、数据传输模块和电源模块，其中：

所述数据采集模块包括紫蜂通信单元、蓝牙通信单元、无线局域网络通信单元中的至少一个，所述数据采集模块与设置在林区的无线传感器节点通信连接；

所述处理器控制模块包括可扩展开发板和处理器，所述处理器安装在所述可扩展开发板相应接口上，所述可扩展开发板通过第一数据接口与所述数据采集模块相连接；

所述数据传输模块与所述可扩展开发板的第二数据接口相连接，所述数据传输模块包括3G通信单元、数传电台传输单元和卫星传输单元；

所述电源模块分别与所述数据采集模块、所述处理器控制模块和所述数据传输模块相连接。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网关，其特征在于，所述可扩展开发板为飞凌OK6410开发板，所述处理器为三星S3C6410处理器。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网关，其特征在于，所述可扩展开发板的扩展模块包括以下至少一种：

3G、GPS、GPRS、WIFI、摄像头、CAN/485总线和VGA/TV。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网关，其特征在于，所述卫星传输单元为迪进M10。

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