一种基于物联网的无线传感控制网络系统

摘要

本发明公开了一种基于物联网的无线传感控制网络系统，主要由一个或多个无线感控节点和一个或多个无线协调器组成。此发明利用无线协调器接入互联网，终端用户可以通过无线传感网络系统中的无线感控节点，对周边环境进行感知和反向控制。通过感应节点集成的感应器，用户可以远程监控感应器的周边环境，如：温度，湿度，气压等。在反向控制方面，无线感控节点可以为用户提供人工远程控制或者根据用户制定自动控制方案。本发明中的无线感应节点从硬件架构上是一个完整的微型嵌入式系统，具有低功耗，高移动性和低成本的特性。

权利要求

1.一种基于物联网的无线感控网络系统，其特征在于，所述系统包括，一个或多个无线协调器、一个或多个无线感控节点；所述无线协调器与无线感控节点以无线的方式进行数据通信，并通过集成的互联网通讯接口，利用互联网，将无线感控网的数据发送至远程用户平台；其中无线感控节点收集并监测环境参数，并以无线的方式通过无线感控网络发送至无线协调器；所述无线感控节点包括传感单元、控制单元、处理单元、存储单元、无线射频单元、供电单元；其中传感单元负责采集监测数据；控制单元执行自动或人工的远程反向控制；通过处理单元和无线射频单元进行组网，将数据传输至无线协调器，进而利用互联网发送至远程用户平台；所述无线协调器具有互联网接入功能，利用现有的互联网接入技术，将汇总的无线感控网络数据发送至远程用户平台；所述无线感控节点可扩展数字或模拟式传感器；所述无线感控节点在网络受限的情况下具有本地数据存储功能；为达到延长工作时间的目的，所述无线感控节点还具有休眠功能；所述无线感控节点与无线协调器具有远程更新设备固件和更新执行策略的功能，因此降低了此无线感控网络系统的维护难度；在无线数据传输方面，支持加密数据传输，为数据安全提供保障。

说明书

一种基于物联网的无线传感控制网络系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种控制网络系统，尤其涉及由感应控制器、无线节点与无线协调器组成的一种基于物联网的无线传感控制网络系统。

背景技术

[0002] 物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。由此，顾名思义，“物联网就是物与物相连的互联网”。这有两层意思：第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。因此，物联网的定义是通过射频识别RFID、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

[0003] 物联网的概念是划时代的，区别于以往强调人与人连接的互联网概念，物联网将互联的范围扩展到了物与物。不仅在规模上更大，而且在语义上更丰富。传统的互联网和电信网均是以信息传送为中心，而物联网是以信息服务为中心，把对物理世界的感知、认识、影响和控制与计算机系统进行融合，实现物理世界、数字虚拟世界和人类感知的统一。但要实现这一目标，必须有传感网的支持。传感网又称传感器网络，在物联网领域中，传感网中很大一部分是指无线传感器网络。

[0004] 传感器网络是利用各种传感器(光、电、温度、湿度、压力等)加上中低速的近距离无线通信技术构成一个独立的网络，是由多个具有有线或无线通信与计算能力的低功耗、小体积的微小传感器节点构成的网络系统，它一般提供局域或小范围物与物之间的信息交换功能。

[0005] 进入本世纪以来，微电子、计算机和无线通信能力等技术的进步，大大推进了低功耗小体积传感器的发展，然而这种发展却是一把“双刃剑”。在传感器微小化，高集成化的过程中，传输距离短、功能单一、数据处理能力低等问题日趋显著。因此基于现有传统传感网开发一种具备双向通信能力以及远程互联网接入装置的新型网络迫在眉睫。

发明内容

[0006] 本发明的目的是实现无线传感网在实际应用中的双向管理控制机制，将之前单纯的短距无线传感网扩展成具有本地感知与远程控制于一身的无线传感控制网络，又称无线感控网。本发明不但有效的解决了先前的无线传感网数据传输的单向性，并可借助无线协调器的互联网通讯接口将此无线感控网桥接于现有的互联网，以扩大覆盖范围，加速其普及速度，为实现物联网与云计算的远程对接奠定坚实的基础。

[0007] 为达到上述目的，本发明提出一种基于物联网的无线传感控制网络系统，本发明是通过以下技术方案实现的：

[0008] 本发明的网络系统基于一个或多个无线感控节点和一个或多个无线协调器；本无线感控节点还提供了对多种外接存储设备的支持，包括但不限于：USB接口存储器、SD卡以及CF卡。

[0009] 所述的无线感控节点，它具有数据处理和无线收发功能，并可根据实际应用集成多种数字式或模拟式感应控制器以及反向控制器，以实现反向控制功能，此节点属于无线感控网络的末端设备，从硬件架构上是一个完整的微型嵌入式系统；所述的无线协调器，用于收集无线感应节点的信息，并利用集成的互联网接入功能将数据通过任意一种Internet接入技术发送至互联网，以便用户对无线感控网进行实时的远程管控。

[0010] 所述无线感控节点具有休眠功能，因此在较低频率的数据采集中，可以进一步降低功耗，延长其工作时间。

[0011] 在反向控制机制方面，本无线感控节点为用户提供了比较灵活的选择，用户可以选择传统的人工远程控制外，也可以根据应用需求制定自动执行策略，并将此自动执行策略提前导入节点的存储模块以便其在实际工作中实现对外界环境的快速响应，从而实现情景智能。

[0012] 所述的无线协调器是一个特殊的网关节点，拥有相对比较强的数据处理、存储和通信能力，区别于传统传感网协调器，此无线协调器集成了互联网通讯接口，并可通过多种不同的互联网接入技术，包括但不限于ADSL、GSM以及3G将无线感控网桥接到其他的通信网络，如Internet。从网络结构上看，它扮演着无线感控网与Internet等外部网络的纽带，实现两种协议栈之间的通信协议转换，同时发布管理无线感控节点的监测任务并把收集到的数据转发到外部网络，从而使终端用户能够方便实时的通过图形界面进行远程监测与控制。

[0013] 所述的无线协调器，为适应不同的应用场景，本发明将提供两个不同无线协调器的版本：版本一被设计为一个具有增强功能的感控节点，有足够的能量供给、更多的内存与计算资源和外部网络通讯接口；而版本二则被设计为没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备；此外，由于此无线协调器肩负着整个无线感控网的数据汇总及集中处理，因此区别于无线感控节点，常规模式下其电源模块均推荐采用固定电源。

[0014] 本发明的有益效果为：本发明网络中的无线感控节点从硬件架构上是一个完整的微型嵌入式系统，其具备低功耗，高移动性，低成本，以及电池驱动等显著特性。从网络功能上看，每个无线感控节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息感知和数据处理外，还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时作为具备远程控制功能的节点，此无线感控节点还要保持监听无线信道的使用情况，检查、接收或转发由上级无线协调器发回的远程用户控制指令。在无线数据传输过程中，为了确保数据的信息安全，在通讯信道上采用了加密方式，这样可以有效的防止数据被滥用或盗用。本无线感控节点还提供了对多种外接存储设备的支持，方便了数据采集的过程中对收集到的信息进行本地备份。

附图说明

[0015] 附图l是本发明中的无线感控网络应用系统组成结构图；

[0016] 附图2是基于典型的感控节点的系统模型示意图；

[0017] 附图3是基于无线感控节点多工作模式切换流程示意图；

[0018] 附图4是基于感控网协调器系统组成示意图；

[0019] 附图5是本发明中的无线感控网系统逻辑流程图。

具体实施方式

[0020] 下面图1、图2、图3、图4、图5对本发明做进一步说明。

[0021] 实施例1

[0022] 如图1所示，本发明中的无线感控网络应用系统由两大要素组成，即无线感控节点101和无线协调器102。在图中白色的监控区域中103，有大量无线感控节点随机分布部署，并通过自组织的方式构成网络。每个节点都可以采集其覆盖区域的实时数据并将且沿着其他无线感控节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据将被多个节点处理，经过多跳后路由到无线协调器。图中节点A就是经过了A—B—C一种无线协调器的多跳路由来实现数据转发的，其他感控节点的情况依此类推。无线协调器是一个特殊的网关节点，它的处理、存储和通信能力相对较强，能够通过其自身集成的互联网通讯接口将无线感控网桥接到其他的通信网络，如Internet l04，从而使终端用户l05能够方便实时的通过图形界面进行远程监测与控制。

[0023] 实施例2

[0024] 图2是一个典型无线感控节点系统模型示意图，它描述了无线感控节点所包括的六大组成单元，即：

[0025] 1.(中央)处理单元201

[0026] (中央)处理单元负责控制整个无线感控节点的操作，为本地采集的数据以及其他节点转发的数据提供简单加密计算处理和发送前的必要缓存。

[0027] 2.存储单元202

[0028] 存储单元可以记录传感单元所采集的实时数据，其作用是在网路连接受限的情况下仍可以对数据进行本地备份存储，带连接恢复时再将数据发送至初始目标设备。

[0029] 3.无线射频单元203

[0030] 无线射频单元主要负责与其他无线控制网设备包括无线感控节点以及无线协调器进行无线通信，交换远程控制指令和收发本地感知数据以及从其它节点转发的数据。

[0031] 4.传感单元204

[0032] 传感单元的主要作用是用于采集无线感控节点可覆盖区域内的实时数据。根据不同的应用场景，此单元可集成多种数字式或模拟式感应器以达到协作感知目的。

[0033] 5.控制单元205

[0034] 控制单元的工作机制分为两种：一种为被动式接受远程用户控制指令并执行相应控制；而另一种则为结合用户预先设定好的执行策略以及本地感知信息完成本地主动快速自动控制响应。

[0035] 6.供电单元206

[0036] 供电单元将选取电池作为电源以确保此无线感控节点的便携机动性。电池方案多采用碱性电池，锂电池以及镍氢电池。在执行高耗能任务时，为保证持续的电力供应，则将采用太阳能电池。

[0037] 实施例3

[0038] 如图3所示，为了提高电源能量的使用效能，进而最大化本无线感控网的工作周期，本发明中的无线感控节点的工作模式被划分为了四种，即：

[0039] 1.空闲模式301

[0040] 空闲模式被设置为此无线感控节点的初始默认工作模式。当节点工作在空闲模式时，其将一直监听信道的使用情况，检查是否有数据发送给自己。

[0041] 2.接收模式302

[0042] 当处在空闲模式的无线感控节点检测到有数据发送给本地的时候，其将会自动将工作模式切换为接收模式，并开始接收、处理及存储相应数据。

[0043] 3.发送模式303

[0044] 当处在接收模式的无线感控节点确认完成了对所接受数据的计算处理，其将会自动将工作模式切换为空闲模式以便开始下一轮的数据收发。

[0045] 4.休眠模式304

[0046] 为了有效地减少电源能量的消耗，本发明中的无线感控节点提供了对休眠模式的支持。当节点在空闲模式下停留超过用户预设空闲时间上限(可远程设置)，其将自动切换至休眠模式并关闭通信模块。依此类推，当节点在休眠模式下停留超过用户预设休眠时间上限(可远程设置)，其将自动唤醒切换回空闲模式。需要注意的是用户预设空闲时间上限与用户预设休眠时间上限之总和不得超过最小数据收发间隔。为避免数据包丢失，推荐使用系统预设自动休眠策略。

[0047] 实施例4

[0048] 如图4所示，本发明中的无线协调器的组成部分可大体分为四大单元，即感控网通信单元(401)、中央处理单元402、互联网接入单元403和供电单元404。作为区别于传统传感网协调器的特殊网关设备，此无线协调器集成了互联网通讯接口，并可根据不同的应用场景通过多种不同的互联网接入技术包括但不限于ADSL、GSM以及3G将无线感控网桥接到其他的通信网络，如Internet。从功能意义上看，此协调器建立了无线感控网与外部网络的通讯枢纽，实现了两种协议栈之间的通信协议实时转换。其具体工作流程如下：

[0049] ·感控网通信单元通过无线低功率通信技术接收由无线感控节点405汇总路由至无线协调器的实时监控数据。此外，在实现反向控制机制时，此感控网通信单元将被用于向目标无线感控节点发布经由上级设备发回的远程用户控制指令。

[0050] ·通过感控网通信单元接收到的原始感控信息将会被输入至中央处理单元进行必要的数据计算、加密和打包，为下一步的数据转发做好准备。此外，在实现反向控制机制时，此中央处理单元将被用于解码经由上级设备发回的远程用户控制指令。

[0051] ·经由中央处理单元融合加工过的数据包将通过互联网接入单元被转发到外部网络上，如Internet406，从而使终端用户能够方便实时的通过图形界面进行远程监测与控制。

[0052] ·供电单元将为本无线协调器集成的所有其它单元提供电力能源支持。由于此无线协调器肩负着整个无线感控网的数据汇总及集中处理，区别于无线感控节点，其可以不设有休眠模式，因此常规模式下其供电单元均推荐采用固定电源。

[0053] 实施例5

[0054] 如图5所示，本发明所述的无线感控网的具体逻辑流程如下：

[0055] 1.第一步501：开启无线协调器，使其进入初始状态。

[0056] 2.第二步502：开启无线感控节点，使其进入初始状态。

[0057] 3.第三步503：待网路检测到无线协调器及无线感控节点均为开启状态时，会自动为其进行配对绑定。

[0058] 4.第四步504：当无线协调器与无线感控节点的配对绑定任务执行完毕，系统会进行自检。如若配对绑定不成功则重复第三步503，反之则继续执行下一步骤，即第五步505。

[0059] 5、第五步505：无线协调器与无线感控节点成功配对绑定，无线感控网络初始化，开启对监控区域的感控。