用於wsn與epon聯網的通信節點的製作方法

2023-09-10 23:19:05

專利名稱：用於wsn與epon聯網的通信節點的製作方法
技術領域：
本發明涉及物聯網領域、光通信領域以及無線傳感網絡領域，特別適用於將無線 傳感網絡(Wireless Sensor Network, WSN)技術融入到乙太網無源光網絡(Ethernet Passive Optical Network, EPON)中的一種業務接入設備。
背景技術：
本發明是基於物聯網的應用背景下，提出的新型網絡結構，並針對這一新型網絡 結構所設計的接入設備。物聯網是在網際網路的概念上提出來的。它將用戶端擴展到了物與物之間，進行信 息交換和通信。物聯網是通過射頻識別、紅外感應器、全球定位系統、雷射掃描器等信息傳 感設備，按照約定的協議，把物與網際網路連接起來，進行信息交換和通信，以實現智能化識 別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。EPON是乙太網和無源光網絡(Passive optical network, PON)融合後的產物。 PON具有節省光纖資源、對網絡協議透明等特點。乙太網技術經過幾十年的發展，由於它 的簡單實用、價格低廉等特性在區域網得到了廣泛的應用。EPON同時具備了乙太網和PON 的優點，已經成為光接入網當中的熱門解決方案。EPON網絡(見附圖1)包括光線路終端 (Optical Line Terminal, 0LT)、分光器(Passive Optical Splitter, P0S)和光網絡單 元(Optical Network Unit, 0NU)三要素。三要素通過光纖連接，在上行方向上OLT通過 GE (Gigabit Ethernet)或FE(Fast Ethernet)接口和乙太網連接，在下行方向OLT通過 POS將光從功率根據需要分為1:32、1:16、1:8等份數，然後通過光纖和ONU連接。ONU實現 對光信號的轉換，通過RJ45等接口和主機相連。由微機電系統(Micro Electronic Mechanical System, MEMS)、片上系統 (System on Chip, S0C)、無線通信和低功耗嵌入式技術派生出的無線傳感器網絡，以低功 耗、低成本、分布式和自組織的特點帶來了信息感知的革命。無線傳感器網絡是由部署在監 測區域的大量微型廉價的傳感器節點構成，通過無線通信技術形成一個多跳的分布式網絡 系統，用於感知、採集和處理網絡覆蓋區域內被感知對象的信息發送給觀測者，不僅在工業 控制、土壤檢測、環境監測等領域，而且在軍事、航天領域也有廣泛的應用前景。但是，EPON 無法實現的信息的多域通信。WSN網絡(見附圖2)包括傳感器節點，感知對象和觀察者三個要素。三個要素通過 無線網絡和乙太網等方式連接起來實現觀察者對感知對象的檢測。一般的工作方式是大量 的無線傳感器節點被布設在需要檢測的區域節點之間通過自組織快速形成一個感知網絡， 在網絡內部每個節點既可以採集信息又可以發送信息，採集的信息經過多跳傳遞到匯聚節 點。匯聚節點將接受到的信息匯總並轉發到外網比如乙太網上，同時還可以向無線傳感器 節點發送檢測任務，主要實現兩個通信網之間的數據交換。但是，WSN網絡無法實現長距離 的傳輸。本發明的工作就是將匯聚節點的功能集成到EPON的終端設備ONU上，以實現WSN和EPON的無縫對接。從理論上看，將EPON技術融入WSN將會使WSN技術更具優勢。其中，最顯著的優 勢是本發明主要解決三個方面的問題1) WSN-EPON的網絡結構；2) WSN-ONU節點的硬 件結構；3)物聯網背景下的WSN-EPON應用。

發明內容
為了克服現有的單一的EPON無法實現信息的多域通信，單一的WSN無法實現長距 離的多域通信的缺點，本發明提供了一種能將EPON和WSN無縫對接以實現信息的長距離、 多域通信，使得物聯網中多個區域WSN的通信更加可靠並支持業務的多樣性的用於WSN與 EPON聯網的通信節點。用於WSN與EPON聯網的通信節點，包括ARM處理器，電源模塊，RJ45接口，其特徵 在於所述的通信節點還包括一與WSN網絡中各節點連接的無線收發模塊和與EPON網絡的 POS節點連接的光電轉換模塊；所述的無線收發模塊具有接收各WSN節點轉發的數據、並將 數據轉變成電信號的無線接收單元，所述的無線接收單元與能將其輸出的電信號轉變成光 信號的、並將所述的光信號傳送至POS的光電轉換模塊連接；所述的無線接收單元和光電 轉換模塊受控於所述的ARM處理器。進一步，所述的無線收發模塊還包括能接收與乙太網連接的管理節點的指令、並 將指令發送至WSN節點的無線發送單元；所述的管理節點設有能對所有WSN節點進行網絡 配置、並將網絡配置以指令形式發出的網絡管理模塊，所述的網絡管理模塊與所述的無線 發送單元連接。所述的無線收發模塊帶有接收天線。進一步，所述的通信節點具有保存所述的網絡管理模塊做出的指令的存儲器。本發明中，以WSN-OUN節點來表示所述的通信節點。使用所述的WSN-OUN節點的WSN與EPON聯網，所述的WSN具有大量的、布設在觀 測區域的WSN節點，所述的WSN節點之間通過自組織的形式相互連接；所述的EPON包括接 收光信號的POS節點和將來自POS的光信號傳輸至乙太網的0LT，所述的OLT通過GE接口 將數據發送至乙太網；所述的WSN節點通過WSN-OUN節點與POS連接，所述的WSN節點與 WSN-OUN節點的無線接收單元連接，所述的POS通過光纖接口與WSN-OUN節點的光電轉換模 塊連接。進一步，所述的WSN與EPON聯網還具有與乙太網連接、能對所有WSN節點進行網 絡配置的管理節點，所述的管理節點的網絡管理模塊與所述的WSN-OUN節點的無線發送單 元連接。WSN-ONU和WSN節點通過無線鏈路連接。本發明的技術構思是；所述的WSN-OUN節點不但具備一般ONU的基本功能，而且還 融合WSN網絡中的無線收發模塊。考慮到當前WSN中不斷增加的WSN節點數量，以及WSN網絡對數據吞吐量的要求， 本發明提出了基於嵌入式處理器的WSN-ONU的硬體系統結構，無線收發模塊和光電轉換模 塊均受控於ARM9處理器。該結構中不但能通過光電轉換模塊與EPON光網絡連接、通過無 線收發模塊與WSN網絡連接，還設有RJ45接口實現與乙太網或計算機的連接，同時該結構 還包含SDRAM和FLASH等必要的存儲器以存儲管理節點發出的網絡配置指令。
本發明是WSN技術和EPON的融合，採用的是Zigbee無線通信模塊和嵌入式系統 的組合構成的核心接入模塊。這種方案不需要改動大量布設的WSN網絡節點，就可以實現 WSN和EPON的無縫融合，與傳統的WSN組網結構相比具有更強的市場競爭力。本發明的效益體現在
1、能實現WSN技術和EPON技術的融合，採用802. 15. 4通信模塊和嵌入式系統的組合 構成WSN和EPON聯網節點的核心接入模塊，從而實現數據的長距離、大容量、高速、多域通 信。EPON技術可以幫助WSN實現長距離多域的通信，即WSN融入到EPON中去可以實現WSN 節點之間的多域通信，擴大WSN的覆蓋範圍，從而使得WSN的網絡結構更加靈活。2、這種融合提高了在物聯網背景下，物與物、物與人之間的通信能力，並且不需要 改變現有的光纜敷設線路和設施，因此具有較低的實施成本。3、本發明在設計和研發中採用的WSN技術、EPON技術和嵌入式技術都是當前的成 熟技術，具有很低的技術風險性。4、隨著WSN技術的應用和推廣，WSN中網絡節點的數量必然急劇增加，因此本發明 將擁有非常好的應用前景。


圖1為現有的EPON的網絡結構。圖2為現有的WSN的網絡結構。圖3為本發明的WSN-ONU節點的系統框圖。圖4為單節點WSN-EPON聯網的網絡結構。圖5為多節點WSN-EPON聯網的網絡結構。圖6為WSN-EPON聯網在農業環境監測中的應用。圖7為WSN-EPON聯網在森林防火系統中的應用。
具體實施例方式實施例一
參照圖1-3
用於WSN與EPON聯網的通信節點，包括ARM處理器，電源模塊，RJ45接口，其特徵在於 所述的通信節點還包括一與WSN網絡中各節點連接的無線收發模塊和與EPON網絡的POS 節點連接的光電轉換模塊；所述的無線收發模塊具有接收各WSN節點轉發的數據、並將數 據轉變成電信號的無線接收單元，所述的無線接收單元與能將其輸出的電信號轉變成光信 號的、並將所述的光信號傳送至POS的光電轉換模塊連接；所述的無線接收單元和光電轉 換模塊受控於所述的ARM處理器。所述的無線收發模塊還包括能接收與乙太網連接的管理節點的指令、並將指令發 送至WSN節點的無線發送單元；所述的管理節點設有能對所有WSN節點進行網絡配置、並將 網絡配置以指令形式發出的網絡管理模塊，所述的網絡管理模塊與所述的無線發送單元連 接。所述的無線收發模塊帶有接收天線。所述的通信節點具有保存所述的網絡管理模塊做出的指令的存儲器。本發明的技術構思是；所述的WSN-OUN節點不但具備一般ONU的基本功能，而且還
5融合WSN網絡中的無線收發模塊。考慮到當前WSN中不斷增加的WSN節點數量，以及WSN網絡對數據吞吐量的要求， 本發明提出了基於嵌入式處理器的WSN-ONU的硬體系統結構，無線收發模塊和光電轉換模 塊均受控於ARM9處理器。該結構中不但能通過光電轉換模塊與EPON光網絡連接、通過無 線收發模塊與WSN網絡連接，還設有RJ45接口實現與乙太網或計算機的連接，同時該結構 還包含SDRAM和FLASH等必要的存儲器以存儲管理節點發出的網絡配置指令。本發明是WSN技術和EPON的融合，採用的是Zigbee無線通信模塊和嵌入式系統 的組合構成的核心接入模塊。這種方案不需要改動大量布設的WSN網絡節點，就可以實現 WSN和EPON的無縫融合，與傳統的WSN組網結構相比具有更強的市場競爭力。
圖1是當前EPON的網絡結構。該結構包括0LT、P0S和0NU。在上行方向上，OLT可以 通過GE或FE 口和乙太網連接；在下行方向上，OLT通過POS將光信號從功率上分為32、16 或8路信號，並通過光纖和ONU連接起來。ONU上有光電轉換模塊和乙太網等接口可以直接 和主機相連。圖2是傳統WSN的網絡結構。該網絡中包含三種節點WSN節點、匯聚節點和管理 節點。其中WSN節點之間在所在區域組成一個分布式的自組織網絡，匯聚節點和通過以太 網和另一端的管理節點相連。大量的WSN節點被布設在需要觀測的區域，採集的信息通過 廣播的方式發送。經過多次轉發後，所有WSN節點採集並發送出的數據在匯聚節點匯集，最 後傳送至乙太網。在另一端，管理節點和乙太網相連，可以接收到從匯聚節點發送過來的數 據。圖3是本發明WSN-ONU節點的系統框圖。WSN-EP0N節點中的基本模塊包括電源模 塊、ARM9處理器、光電轉換模塊、無線收發模塊、RJ45接口、光纖接口、天線、以及各種存儲 設備等。各種設備的連接情況如下
1. WSN-ONU裝置的處理器通過I2C和SPI接口實現對光電轉換模塊和無線收發模塊的 控制。2.光電轉換模塊的PON 口通過1000BASE-PX20-U接口採用單模光纖和EPON的局 端設備OLT相連。3. RJ45接口用於WSN-ONU節點與乙太網或者PC連接。4.無線收發模塊通過天線實現與WSN節點的通信。光電轉換模塊的技術可以參考普通的ONU產品。無線收發模塊對WSN-ONU非常重 要，因為在設計和選用無線收發模塊的時候要考慮三個不同的層面物理層、MAC層和網絡 層。物理層負責在發送端和接收端之間建立鏈路，主要任務是在有信道噪聲和信號幹擾的 情況下，保證通信質量。物理層可以使用適當的信號調製方式和編碼方式。為了與一般產 品兼容，本發明的工作頻段採用2. 4GHz。MAC層主要實現媒體的共享。網絡層負責建立消 息的傳輸路徑。本發明採用的是ZigBee標準。由於無線收發模塊也屬於無線設備，可以通 過對當前普通的無線模塊做適當的修改後得到符合要求的無線收發模塊。無線收發模塊可 以選用Chipcon公司或Ember公司的相關產品。在WSN-ONU系統軟體方面，本發明使用的作業系統是嵌入式Linux，這種作業系統 是當前最流行的一款開放原始碼的作業系統，它是以核心為基礎的完全內存保護的、多任務多進程的作業系統。在應用程式方面，除了要實現EPON的功能之外，還必須將無線收發 功能融入進來。考慮到系統對軟體的要求，同時為了減少軟體的調試難度，可將整個軟體分 成EPON和無線兩個相對獨立的部分分別調試。然而，除了實現網絡的對接之外還必須提供 一些其他的必要的服務。首先是將WSN-ONU的本地和遠程管理功能融合到一個管理模塊當 中。這些功能首先要能夠實現電信運營商對網絡的操作和設置；其次必須能夠對遠端的觀 察者在管理節點發出的命令做出響應；最後是網絡管理模塊，要確保WSN網絡的管理者可 以在管理節點登陸到管理模塊對WSN中的WSN節點進行網絡配置，如網絡劃分，對網絡分組 的增加、刪除、修改和查看，發布監測任務，節點的激活和禁止等。這些網絡配置將固定保存 到相應的存儲器設備當中。WSN-ONU主要實現網關的功能，實現WSN與乙太網的連接，接入方式是基於EPON技 術。網關的功能是實現WSN網絡與和EPON的連接。由於集成了 WSN的接入方式，WSN-ONU 可以很靈活的配置WSN的內部網絡，不會影響網絡的構架，不需要重新布線，WSN節點的添 加和拆除都比較方便。本發明中的WSN-ONU能夠將EPON中支持高速度長距離的優勢，和 WSN的海量節點的特點有機地結合起來。為WSN實現多域通信增加了更有優勢的可供選擇 的通信方式。
實施例二 參照圖3-5
使用所述的WSN-OUN節點的WSN與EPON聯網，所述的WSN具有大量的、布設在觀測區域 的WSN節點，所述的WSN節點之間通過自組織的形式相互連接；所述的EPON包括接收光信 號的POS節點和將來自POS的光信號傳輸至乙太網的0LT，所述的OLT通過GE接口將數據 發送至乙太網；所述的WSN節點通過WSN-OUN節點與POS連接，所述的WSN節點與WSN-OUN 節點的無線接收單元連接，所述的POS通過光纖接口與WSN-OUN節點的光電轉換模塊連接。所述的WSN與EPON聯網還具有與乙太網連接、能對所有WSN節點進行網絡配置的 管理節點，所述的管理節點的網絡管理模塊與所述的WSN-OUN節點的無線發送單元連接。WSN-ONU和WSN節點通過無線鏈路連接。圖4是本發明提出的單個節點的WSN-EPON網絡結構。WSN-EP0N網絡分為兩個 部分WSN部分將大量的WSN節點布設在觀測區域，這些節點通過自組織的形式連在一起。 WSN節點採集觀測區域的信息並將數據發送出去。數據在其他WSN節點之間轉發後到達 WSN-0NU。在EPON部分中，WSN-ONU中的無線收發模塊是一個增強型的傳感器節點，可以將 從傳感器節點上收集到的數據轉變成電信號。WSN-ONU的電光轉換模塊將電信號轉換為光 信號。光信號經過POS後到達OLT後，通過GE接口將數據發送到乙太網。WSN的管理節點 連在乙太網的另一端，通過管理節點可以對WSN節點發出命令，並通過相反的過程來控制 WSN節點對觀測對象的信息的採集。需要指出的是=WSN-ONU中的無線收發模塊既可以匯集 從傳感器節點發送來的信息並轉發到管理節點方向，又可以從另一個方向接收到管理節點 發來的檢測任務並發布給傳感器節點，從而實現管理者對傳感器節點的控制。所述WSN-EPON節點結構的優勢是節點本身就作為一個匯聚節點直接將WSN中的 數據轉換到光域進行傳輸。由於光通信網絡具有更大的傳輸容量和更高的傳輸速度，因此 可以更好的支持WSN中的數據傳輸。
圖5是本發明提出的WSN-EPON總體網絡結構。該網絡結構是WSN之間多域通信 的一種實現形式。WSN分布在不同的區域，通過EPON接入到乙太網，並且和管理節點相連。 WSN節點直接和EPON中的WSN-ONU相連。WSN-0NU通過POS和EPON中的OLT相連；OLT再 通過GE接口和乙太網相連；乙太網同時連接有多個ΕΡ0Ν，因此可以支持多個長距離連接的 WSN0管理節點通過乙太網和EPON實現對WSN節點的控制。所述WSN-EPON網絡結構中，WSN網絡是一個分層的網絡結構，每個WSN節點採集的 數據經過處理後通過WSN-ONU進入EPON網絡和乙太網，然後到達管理節點。其中，每個匯 聚節點所轄片區的WSN節點通過自組織形成一個小型網，網絡中節點之間傳遞信息採用多 跳路由協議，在每個片區中的節點都可以相互通信及進行數據轉發，具有很強的協調能力。 通過數據轉發，最終片區網絡中所有WSN節點採集到的數據都轉發到了具有較強數據處理 能力和通信能力的WSN-ONU中。然後依次通過EPON和乙太網將處理後的數據發送到管理 節點。本發明的優勢在於WSN中WSN節點採集並發送出的信息不再需要匯聚節點通過 電的形式接入乙太網，而是由WSN-ONU將匯集的數據以光信號的形式傳入ΕΡ0Ν，通過EPON 來支持節點數量龐大的WSN;而且EPON能夠提供更大的傳輸容量，更好的滿足日益增大的 WSN節點數量對網絡帶寬的要求。實施例三
結合本發明在農業環境監測中的應用與圖6，進一步說明
圖6顯示了 WSN-EPON在農業環境監測中的應用。溫度溼度和土壤的酸鹼度對植物的 生長具有很重要的作用，但是經常由專門的土壤分析人員對土壤做測量和化學分析費時費 力，是不現實的。分布於農田邊緣的具有傳感器功能的WSN節點，用於測定土壤中的水分含 量，土壤Ph值和氣溫等環境指標並將這些數據以無線的方式發送到WSN-0NU。然後這些數 據通過EPON中的局端設備OLT進入到乙太網；在乙太網的另一端管理節點將接收到這些信 息，並發送控制命令來激活或禁用某些WSN節點。這樣管理者可以在遠處了解到當前農田 的環境狀況，根據農時激活或限制節點的不同的監測功能。我國是農業大國，本發明的相關 技術的引用將便於大片農田的管理，節約人力，提高效率，有利於精準農業的推行。實施例四
結合本發明在森林防火系統中的應用於圖7，進一步說明
圖7顯示了將WSN-EPON應用於森林防火系統。引起火災的因素有很多如溫度、溼度、 氣壓和風速等都直接對森林的火情造成影響，所以在WSN節點上安裝有監測以上環境指標 的傳感器後可以對森林每塊區域的情況實時監控，當發生火災時能夠準確的找到發生火災 的位置。數據傳輸的流程是先由管理節點發出對森林各項情況指標進行查詢的請求命令， 通過乙太網進入ΕΡ0Ν，依次經過0LT、P0S和WSN-ONU根據請求命令的具體要求，向相應區域 的WSN節點發送請求命令。網絡中的所有設備的ZigBee的MAC層都擁有一個唯一的IEEE 地址。在放置節點時，把節點的編號和節點放置的地理位置相對應，並輸入控制中心的數據 庫。這樣只要記錄下終端地址，再根據節點編號就可以很容易確定傳感器的地理位置。在 控制中心收到數據以後，通過對數據的分析，根據溫度、溼度、氣壓、風速等信息的計算，可 以評估出是否超過了火災險情的界限，準確找到發送危險信息的地理位置，及時處理險情。本說明書實施例所述的內容僅僅是對發明構思的實現形式的列舉，本發明的保護範圍不應當被視為僅限於實施例所陳述的具體形式，本發明的保護範圍也及於本領域技術 人員根據本發明構思所能夠想到的等同技術手段。
權利要求
用於WSN與EPON聯網的通信節點，包括ARM處理器，電源模塊，RJ45接口，其特徵在於所述的通信節點還包括一與WSN網絡中各節點連接的無線收發模塊和與EPON網絡的POS節點連接的光電轉換模塊；所述的無線收發模塊具有接收各WSN節點轉發的數據、並將數據轉變成電信號的無線接收單元，所述的無線接收單元與能將其輸出的電信號轉變成光信號的、並將所述的光信號傳送至POS的光電轉換模塊連接；所述的無線接收單元和光電轉換模塊受控於所述的ARM處理器。
2.如權利要求1所述的用於WSN與EPON聯網的通信節點，其特徵在於所述的無線收 發模塊還包括能接收與乙太網連接的管理節點的指令、並將指令發送至WSN節點的無線發 送單元；所述的管理節點設有能對所有WSN節點進行網絡配置、並將網絡配置以指令形式 發出的網絡管理模塊，所述的網絡管理模塊與所述的無線發送單元連接。所述的無線收發 模塊帶有接收天線。
3.如權利要求1或2所述的用於WSN與EPON聯網的通信節點，其特徵在於所述的通 信節點具有保存所述的網絡管理模塊做出的指令的存儲器。
4.使用如權利要求1所述的通信節點的WSN與EPON聯網，WSN具有大量的、布設在觀 測區域的WSN節點，所述的WSN節點之間通過自組織的形式相互連接；EPON包括接收光信 號的POS節點和將來自POS的光信號傳輸至乙太網的0LT，所述的OLT通過GE接口將數據 發送至乙太網；其特徵在於所述的WSN節點通過WSN-OUN節點與POS連接，所述的WSN節 點與WSN-OUN節點的無線接收單元連接，所述的POS通過光纖接口與WSN-OUN節點的光電 轉換模塊連接。
5.如權利要求4所述的WSN與EPON聯網，其特徵在於所述的WSN與EPON聯網還具 有與乙太網連接、能對所有WSN節點進行網絡配置的管理節點，所述的管理節點的網絡管 理模塊與所述的WSN-OUN節點的無線發送單元連接。
6.如權利要求5所述的WSN與EPON聯網，其特徵在於WSN_0NU和WSN節點通過無線 鏈路連接。
全文摘要
用於WSN與EPON聯網的通信節點，包括ARM處理器，電源模塊，RJ45接口，通信節點還包括一與WSN網絡中各節點連接的無線收發模塊和與EPON網絡的POS節點連接的光電轉換模塊；無線收發模塊具有接收各WSN節點轉發的數據、並將數據轉變成電信號的無線接收單元，無線接收單元與能將其輸出的電信號轉變成光信號的、並將光信號傳送至POS的光電轉換模塊連接；無線接收單元和光電轉換模塊受控於ARM處理器。本發明具有一種能將EPON和WSN無縫對接以實現信息的長距離、多域通信，使得物聯網中多個區域WSN的通信更加可靠並支持業務的多樣性的優點。
文檔編號H04W84/18GK101908995SQ20101022625
公開日2010年12月8日 申請日期2010年7月14日 優先權日2010年7月14日
發明者樂孜純, 付明磊, 索凱華 申請人:浙江工業大學