一種面向農業大棚的集成wsn智能傳感器統一接口系統的製作方法
2023-10-06 11:03:29 1
一種面向農業大棚的集成wsn智能傳感器統一接口系統的製作方法
【專利摘要】本發明提供了一種面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口系統，包括由集成WSN智能傳感器節點構成的無線傳感器網絡；所述集成WSN智能傳感器節點包括主控單元和外圍單元；所述主控單元用於配置本節點的傳感器模塊並且對傳感器模塊提供的採集數據以統一數據接口協議進行數據格式轉換生成傳感器數據，以及基於傳感器網絡通信協議進行無線傳感器網絡組網以及傳感器數據的無線傳輸；所述外圍單元包括至少一種類型的傳感器模塊以及相應的數據接口電路。本系統使多類型且異構的傳感器模塊融合為具有統一數據和網絡通信接口的傳感器節點，基於統一的數據和通信接口協議實現網絡組織和數據傳輸，有利於提高網絡運行效率，易於實現傳感器監測數據的整合和應用，降低系統開發的成本和難度。
【專利說明】—種面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及農業信息化領域，更具體地，涉及一種面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口。
【背景技術】
[0002]對農業大棚內的作物生長環境進行數據採集和分析在信息化農業生產中發揮著越來越重要的作用。現有的農業大棚大多是採用人工方式或者鋪設有線環境監控網絡的方式進行數據採集。傳統的人工方式不僅增加了成本，而且由於人為因素的不確定性，所採集數據的準確性難以得到保證，最終將會被淘汰。使用有線環境監測網絡採集數據的農業大棚受到環境、地理等因素的制約，具有一定的局限性，而且在有線的方式下，各種傳感器之間進行通信受到很大的限制。
[0003]WSN(無線傳感器網絡)是由監測區域內的大量廉價微型傳感器節點通過無線通信實現相互自組織和數據多跳傳輸而形成的低成本、低功耗、高通信率的網絡形式。將WSN應用於面向農業大棚的數據採集，可以比較方便地實現傳感器節點的安裝和相互通信，能夠消除有線網絡因布線問題而受到的制約。
[0004]但是，與多數應用場景中採取統一類型的傳感器節點不同，應用於農業大棚的傳感器的類型非常多樣，包括溫溼度、風向、風速、光照、雨量等多種類型；不同生產廠家的傳感器的通信方式和數據格式也存在比較大的差別，數據和指令的傳輸格式並不統一。可見，面向農業大棚的WSN網絡中往往存在大量異構的數據源。這一異構性不但增加了 WSN的系統複雜程度，加大了硬體和軟體開發成本，也影響整個網絡的數據採集和處理效率。因此，如何為異構的傳感器節點之間的數據傳輸以及傳感器節點與網關及後臺伺服器的數據傳輸提供統一的通信接口，已經成為了現有技術中亟待解決的問題。
【發明內容】
[0005]為了克服現有技術中的上述缺陷，本發明提供了一種面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口系統。該系統將將通用的不可配置的傳感器與具有WSN功能的主控晶片相結合，使多類型且異構的傳感器模塊融合為具有統一數據和網絡通信接口的傳感器節點，屏蔽了傳感器模塊的差異性。
[0006]本發明所述的面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，該系統包括由集成WSN智能傳感器節點構成的無線傳感器網絡；所述集成WSN智能傳感器節點包括主控單元和外圍單元；所述主控單元用於配置本節點的傳感器模塊並且對傳感器模塊提供的採集數據以統一數據接口協議進行數據格式轉換生成傳感器數據，以及基於傳感器網絡通信協議進行無線傳感器網絡組網以及傳感器數據的無線傳輸；所述外圍單元包括至少一種類型的傳感器模塊以及相應的數據接口電路。
[0007]優選的是，所述主控單元根據所述統一數據接口協議，將傳感器模塊提供的所述採集數據轉換為具有統一數據長度的傳感器數據，並且所述傳感器數據包括表示傳感器類型的標識欄位。
[0008]優選的是，所述傳感器數據還包括傳感器模塊的通道號及相應通道號的採樣AD值。
[0009]優選的是，所述傳感器數據還包括質量控制標識，所述質量控制標識用於表示傳感器模塊採樣瞬時值的可靠性。
[0010]優選的是，根據傳感器模塊採樣瞬時值是否處於正常測量範圍以內以及採樣瞬時值的變化量是否超過允許閾值，判斷傳感器模塊採樣瞬時值的可靠性並生成相應的質量控制標識。
[0011]優選的是，所述傳感器網絡通信協議包括物理層、MAC層、網絡協議層以及高端應用層；所述物理層用於通過無線射頻物理信道進行數據流收發、調製解調以及執行相關控制檢測功能；所述MAC層用於為集成WSN智能傳感器節點生成適於ZigBee傳輸的MAC地址以及基於MAC地址進行數據幀的傳輸；所述網絡協議層用於為集成WSN智能傳感器節點生成網絡地址及網內節點地址，並形成網絡協議層通信幀格式，並且基於網絡協議層通信幀格式控制數據的發送、接收及路由；所述應用層用於對網絡協議層提供的數據進行解析，確定數據相關的應用及應用命令。
[0012]優選的是，所述物理層執行的相關控制檢測功能包括以下至少一種:低功耗休眠和激活射頻傳輸、信道能量檢測、檢測收發數據包的鏈路質量指示以及空閒信道評估。
[0013]優選的是，所述網絡協議層生成的網絡協議層通信幀格式包括路由欄位，所述路由欄位用於指示集成WSN智能傳感器節點對接收到的通信幀的路由方式。
[0014]優選的是，所述主控單元包括:微處理器，用於對本節點的傳感器模塊進行配置、對採集數據按照統一數據接口協議進行轉換，以及執行電源和功耗管理；無線通信模塊，用於基於所述傳感器網絡通信協議通過ZigBee通信方式進行無線傳輸。
[0015]優選的是，集成WSN智能傳感器節點包括核心板和擴展板，並且所述主控單元設置於核心板，所述外圍單元及節點電源模塊設置於所述擴展板。
[0016]通過本發明所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，能夠使傳感器節點基於統一的數據和通信接口協議實現網絡組織和數據傳輸，結合嵌入式的硬體結構，有利於提高網絡運行效率，易於實現傳感器監測數據的整合和應用，降低系統開發的成本和難度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細的說明:
[0018]圖1是本發明所述面向農業大棚的集成WSN智能傳感器網絡的整體框架結構示意圖；
[0019]圖2是本發明所述集成WSN智能傳感器的硬體架構示意圖；
[0020]圖3是本發明所述集成WSN智能傳感器的軟體功能模塊架構示意圖；
[0021]圖4是本發明所述集成WSN智能傳感器網絡的網絡協議層級架構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了使本【技術領域】的人員更好地理解本發明的技術方案，並使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合實施例及實施例附圖對本發明作進一步詳細的說明。
[0023]圖1是本發明所述面向農業大棚的集成WSN智能傳感器網絡的整體框架結構示意圖。各個集成WSN智能傳感器I作為對農業大棚內多類型環境數據進行數據採集的監測點，同時也是WSN網絡中實現自組織及數據收發的網絡節點。各個集成WSN智能傳感器I一方面相互之間進行數據傳輸，同時還向位於系統架構中更高一級的網關節點2進行採集數據的上傳，並且響應網關節點2下達的遠程控制指令。網關節點2自身具有CPU和GPRS模塊，因而可以通過移動基站接入網際網路，與網絡的後臺伺服器3實現數據交互。後臺伺服器3基於各集成WSN智能傳感器I上傳的採集數據，對農業大棚的環境參數進行遠程監控和數據分析，並可以為最終用戶提供監測報告或異常預警等服務。
[0024]本發明的核心改進是提供了位於網絡系統底層的集成WSN智能傳感器，目標是在多類型且提供異構數據的傳感器模塊的基礎上，將各類傳感器模塊均融合為具有統一數據和網絡通信接口的傳感器節點，屏蔽了傳感器模塊的差異性。
[0025]圖2是本發明所述集成WSN智能傳感器的硬體架構示意圖。在硬體方面，本發明採用構件化結構，將集成WSN智能傳感器I分為核心板和擴展板兩個部分。如圖2所示，核心板是集成WSN智能傳感器I的主控單元，主要包括:具有最小系統的微處理器和無線通信模塊102。其中，微處理器101的功能是:響應網關節點下達的指令，並對本節點的傳感器模塊進行配置；對傳感器模塊提供的原始採集數據按照本發明統一定義的數據接口協議進行轉換，從而提供統一的數據格式及數據接口 ；執行必要的電源和功耗管理。無線通信模塊102的功能是基於本發明統一定義的傳感器網絡通信協議進行WSN網絡的組網和數據的無線傳輸，其中無線傳輸可基於ZigBee通信方式進行，無線通信模塊102包含可在2.4GHz頻率上進行無線通信的射頻電路。可見，通過主控單元，使現有技術中通用的傳感器模塊具備了 WSN相關的無線網絡功能，並且對高層提供了統一的數據接口。在系統軟體開發過程中，可以針對該主控單元進行編程，從而將異構的傳感器模塊進行統一化管理和應用。
[0026]本發明將用於數據傳感和採樣的傳感器硬體電路103、AD轉換電路104、採集數據接口 105、通用串口 106、輸入捕捉引腳以及整個系統的電源模塊107均設計為擴展板，擴展板所提供的外圍單元作為模塊化構件，可嵌入至上述核心板，從而具有很高的靈活性、可擴展性以及可移植性。
[0027]圖3是本發明所述集成WSN智能傳感器的軟體功能模塊架構示意圖。可見，集成WSN智能傳感器從軟體上可以分為上、下兩層。上層為通訊與管理層，與硬體方面的核心板(主控單元)相對應，包括組網、電源管理、功耗管理、傳感器配置、採集數據轉換等功能。下層是傳感與採樣層，包括傳感器接口、AD轉換、輸入捕捉等功能。
[0028]本發明基於統一定義的傳感器網絡通信協議來組織所述集成WSN智能傳感器網絡並執行傳感器網絡節點之間的通信。本發明參考了 OSI所定義的七層網絡標準，但省略了其中大部分的中間層級，從而極大地方便了開發和拓展，同時仍然保留了 OSI協議中通過多個分為層次的協議架構使不同硬體廠商和軟體系統的設備能夠進行互聯的設計思想。
[0029]圖4是集成WSN智能傳感器網絡的網絡協議層級架構示意圖。可見，本發明的傳感器網絡通信協議包括物理層、MAC層、網絡協議層和高端應用層。其中，物理層層的協議採用了 IEEE組織制訂的IEEE802.15標準，本發明主要是在該標準的基礎上進行應用協議的擴展。下面對各層協議分別進行介紹。
[0030](一 )物理層(PHY)協議
[0031]物理層主要由射頻收發器以及底層的控制模塊組成。物理層的數據服務通過無線射頻模塊的物理信道收發數據流。物理層(PHY)的主要功能是負責數據的調製和解調、發送和接收，向下可直接操作所述無線射頻模塊的開關和發送接收，向上為MAC層提供服務。具體包括以下幾方面的功能:
[0032](I)低功耗休眠和激活射頻收發器
[0033](2)信道能量檢測(Energy detect)
[0034]信道檢測目標是為上層提供信道選擇的依據。該功能主要是用來測試接收數據中的信號的功率強度，通常用該功能進行Zigbee節點的通信質量的檢測和定位節點的方位。在實際應用中，可以將該信息提取出來，通過該信息，對傳感器節點的方位進行定位。
[0035](3)檢測收發數據包的鏈路質量指示(link quality indicat1n, LQI)
[0036]鏈路質量指示為網絡層或者應用層提供了接收數據幀時無線信號的強度和質量信息，與信道能量檢測不同的是，它針對信號進行了解碼處理，生成的是一個信噪比的物理量指標，可以將這個信噪比指標和物理層數據單元一道提交給上層處理。
[0037](4)空閒信道評估(clear channel assessment, CCA)
[0038]空閒信道評估判斷的信道是否空閒。IEEE802.15.4定義了三種空閒信道評估模式:第一種為簡單的判斷信道的通信能量，當信號的能量低於某一個閥值時，就認為是空閒信道；第二種通過判斷無線信號的特徵判斷信道是否空閒，這個特徵主要是包括兩個方面，即擴頻信號特徵和載波頻率；第三種模式是前兩種模式的綜合，同時檢測信號強度和信號特徵，給出信道空閒判斷。
[0039](5)收發實際數據。
[0040](二)MAC 層
[0041]MAC層主要是基於物理層提供的服務，進行設備之間的數據幀的傳輸。MAC層一共提供兩種服務:MAC層數據服務和MAC層管理服務。兩者保證MAC協議數據單元正確收發，後者通過維護一個存儲MAC子層協議狀態相關信息的表來維持整個系統的運行。
[0042]在此基礎上，本文對各個智能傳感器節點設置了適用於ZigBee的MAC地址。MAC地址一共有8個字節，前4個字節為模塊出廠的廠商標識，後4個字節為廠商內部自定義的物理編址。該地址在所有的系統中，地址是唯一的。並且MAC地址不可以擦寫，具有設備的唯一性。只有在出廠值未設置的情況下，可以修改一次。
[0043](三)網絡協議層
[0044]網絡協議層是將物理層和MAC層上傳的數據進行二次處理，通過設計對應的節點編號方式，使得節點和網絡能夠在不同區域網內被識別及處理，通過這層可以很好的處理各個傳感器節點對應的數據，減少節點需要處理的多餘的其他節點的數據，形成一對一的數據傳輸。
[0045]1.網絡協議層的主要功能
[0046](I)射頻接收器在固定的頻段接收到數據，根據數據中設定的目標地址和目標網絡號進行有效的判斷該數據幀是應該轉發還是接收，例如，如果是內網的數據，進行接收；判斷是否是自己的數據，如果是，進入應用層進行處理，如果不是自己的數據，則丟棄該數據。
[0047](2) 一個網絡中包含一個路由節點，該節點從傳感器節點中接收數據，然後根據數據的網絡號進行數據處理，並且將該數據提供給網關節點。
[0048](3)從應用層接收的數據包，進行數據的封裝和處理，並且將源網絡和源地址以及目標地址和目標網絡號添加到數據幀中，然後交給射頻收發器，然後將數據發送出去。
[0049]在網絡層中，將每一個節點的地址設置成6個字節的地址。傳感器節點的地址為:網絡地址(2位元組)+網內節點地址(4位元組)。對於該節點的地址進行以下的約定，從而對節點的地址進行類型的標識:首先，網絡地址取值範圍I~10、網內節點地址取值10~100為內部測試使用；對於後續的實際產品出廠的網絡地址一定要大於10，網內節點地址一定要大於100。其次，一個區域網內作為主控器的路由節點的地址固定為X.10，X為網絡地址，10代表該節點是作為主控節點的地址，同樣也是測試路由節點的地址，主控器含GPRS以及路由節點，進行網際網路到WSN網絡的數據轉換，而WSN網絡內的普通路由節點只負責WSN數據轉發，傳感器節點具有普通路由節點功能，而當某幾個傳感器節點相距太遠，可增加路由節點進行WSN數據轉發。
[0050]2.網絡協議層的通信幀格式
[0051]在網絡協議層，主控器與傳感器節點的數據幀傳輸採用下面介紹的幀格式，參見表1。
[0052]
【權利要求】
1.一種面向農業大棚的集成WSN智能傳感器統一接口系統,其特徵在於,該系統包括由集成WSN智能傳感器節點構成的無線傳感器網絡；所述集成WSN智能傳感器節點包括核心板和擴展板，所述核心板上集成主控單元，所述擴展板上集成外圍單元； 所述主控單元包括微處理器和無線通信模塊；所述微處理器用於配置本節點的傳感器模塊並且對傳感器模塊提供的採集數據以統一數據接口協議進行數據格式轉換生成傳感器數據，並且提供統一數據接口 ；所述無線通信模塊用於基於傳感器網絡通信協議進行無線傳感器網絡組網以及傳感器數據的無線傳輸，所述無線傳輸基於ZigBee通信方式；無線通信模塊包含可在2.4GHz頻率上進行無線傳輸的射頻電路； 所述外圍單元包括至少一種類型的傳感器模塊以及相應的數據接口電路； 其中，所述統一數據接口協議使集成WSN智能傳感器節點對外提供統一格式的傳感器數據，所述統一格式的傳感器數據具有統一數據長度，並且預留足夠多的字節長度；所述傳感器數據包括以下欄位: 表示傳感器類型的標識欄位，長度為一個字節； 用於表示傳感器模塊採樣瞬時值的可靠性的質量控制標識，長度為一個字節；所述質量控制標識通過不同的標識值描述不同類型的採樣值質量狀況，所述質量狀況包括以下至少一種:數據正確、數據存疑、數據錯誤、數據不一致、數據缺失、未經數據控制檢查以及無數據； 傳感器模塊的通道號及相應通道號的採樣值，其中所述採樣值包括直接採樣值和計算出來的理論採樣值； 其中，所述傳感器網絡通信協議包括物理層、MAC層、網絡協議層以及高端應用層；所述物理層用於通過無線射頻物理信道進行數據流收發、調製解調以及執行相關控制檢測功能；所述MAC層用於為集成WSN智能傳感器節點生成適於ZigBee傳輸的MAC地址以及基於MAC地址進行數據幀的傳輸；所述網絡協議層用於為集成WSN智能傳感器節點生成網絡地址及網內節點地址，並形成網絡協議層通信幀格式，並且基於網絡協議層通信幀格式控制數據的發送、接收及路由；所述應用層用於對網絡協議層提供的數據進行解析，確定數據相關的應用及應用命令。
2.根據權利要求1所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，根據傳感器模塊採樣瞬時值是否處於正常測量範圍以內以及採樣瞬時值的變化量是否超過允許閾值，判斷傳感器模塊採樣瞬時值的可靠性並生成相應的質量控制標識。
3.根據權利要求1所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，所述物理層執行的相關控制檢測功能包括以下至少一種:低功耗休眠和激活射頻傳輸、信道能量檢測、檢測收發數據包的鏈路質量指示以及空閒信道評估。
4.根據權利要求1所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，所述網絡協議層生成的網絡協議層通信幀格式包括路由欄位，所述路由欄位用於指示集成WSN智能傳感器節點對接收到的通信幀的路由方式。
5.根據以上權利要求任意一項所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，所述微處理器還用執行電源和功耗管理。
6.根據以上權利要求任意一項所述的集成WSN智能傳感器統一接口系統，其特徵在於，節點電源模塊設置於所述擴展板。
【文檔編號】H04W84/18GK104185307SQ201410452043
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】王宜懷, 陳建明, 吳瑾, 沈瑋 申請人:蘇州大學