基于Modbus协议的无线传感器节点及其构成的网络的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于Modbus协议的无线传感器节点，包括：通信模块、微处理器和传感器模块；通信模块与微处理器连接，用于实现无线网络通信；传感器模块与微处理器连接，用于采集传感数据，并将传感数据发送给微处理器进行处理。无线传感器节点处于定时唤醒状态，当定时唤醒时间到时，通信模块对空气无线电磁波进行侦听，如果侦听到本机通信信号则通信模块接收数据，否则通信模块进入休眠状态。基于上述节点构建的网络，当没有数据需要接收时，传感器节点处于休眠状态，避免在其不工作时产生功耗，只有在进行数据传输时才将传感器节点唤醒，进行通信，可以避免传感器节点长期总过产生大量功耗，还能增加网络的自组网功能，提高适应性。
【专利说明】基于Modbus协议的无线传感器节点及其构成的网络
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及图像处理【技术领域】，尤其涉及一种基于Modbus协议的无线传感器节点及其构成的网络。
【背景技术】
[0002]近年来，由于各种新技术的快速发展，使得无线传感器网络的成本降低，同时也推动其在路由、能源优化、数据融合等基础领域的研究，促进其在农业生产中的应用。无线传感器网络以其节点设置灵活、数据采集兼容性强、布线和维护成本低等优势，在温室信息采集和环境控制领域也获得了广泛应用。
[0003]目前，将无线传感器网络节点应用于温室信息采集中的技术方案如下:
[0004](I)采用多种射频，用户或供应商多使用自定义通讯协议，或在现有通信协议的基础上进行修改，传感器开发商亦可根据自己的需求自定义相关协议构建无线传感器网络。部分厂商在推出无线射频芯片的同时推出其支持的协议，如NORDIC公司的ANT，Digi公司的Digi mesh,第三方公司也会推出相关无线通讯协议,如tinyOS等。
[0005](2)采用标准Zigbee、WiFi\蓝牙、6LoWPAN等成熟的通信协议，一般采用2.4G频段，由于具有相应国际标准支撑，采用该协议的无线传感器网络当前应用较为广泛，目前都有较成熟的技术方案，但是该方案由于协议栈较为复杂，能耗比也很高，仅部分传感器节点能够相互通用。
[0006](3)采用传感器与无线收发终端分离的设计，该种应用方案主要是针对传统有线设备改造成无线设备，能够以较低的成本安装无线透明收发终端，与相关设备通过串口连接。该方案应用无线透明传输模块或者具有协议转换的装置来实现两种网络的融合。例如目前Modbus协议网络的设备在PLC、采集器、控制器等方面应用广泛，如果需要将这些设备与无线传感器结合则需要提供相关网关设备。当前Modbus协议在工业现场中的应用较为广泛，支持的相关设备较多，但是如果采用专用无线传感器则需要修改相关设备协议，以适应无线传感器网络，而且不能和传统设备进行无缝结合，增加科研成本。
[0007]根据上述三种方案，无线传感器网络实现方式有多种，但是还需要考虑射频波段、通讯距离、功耗多少、组网方式等方面的要求。温室环境应用无线传感器对设备环境适应性、稳定性都有很高的要求，上述方案除了室外应用无线传感器，由于无线传感器节点不能适应高温高湿环境，导致无线频点漂移，产品稳定性不够；多数无线传感器节点采用复杂的通讯协议，直接导致网络负载大，在实际运行过程中功耗偏大，难以控制，当网络庞大时导致数据实时性不强；很多无线传感器只支持单一传感器实现单一功能采集，以最大限度降低功耗，同时测量多种传感器的节点很多采用太阳能电池、大容量电池，会增加整体节点与硬件成本。
[0008]综上所述，现有方案中对网络产生的负载大，且在工作过程中功耗也很大。
实用新型内容[0009](一)要解决的技术问题
[0010]针对上述缺陷，本实用新型要解决的技术问题是如何降低无线传感器网络节点的网络负载和功耗。
[0011](二)技术方案
[0012]为解决上述问题，本实用新型提供了一种基于Modbus协议的无线传感器节点，包括:通信模块、微处理器和传感器模块；
[0013]所述通信模块与所述微处理器连接，用于实现无线网络通信；
[0014]所述传感器模块与所述微处理器连接，用于采集传感数据，并将所述传感数据发送给所述微处理器进行处理；
[0015]所述无线传感器节点具有搜寻组网指令功能，处于定时唤醒状态，当达到定时唤醒时间时，所述通信模块对空气无线电磁波进行侦听，如果侦听到本机通信信号则所述通信模块接收数据，否则所述通信模块进入休眠状态。
[0016]进一步地，所述通信模块为无线射频模块。
[0017]进一步地，所述微处理器为单片机。
[0018]进一步地，所述传感器模块包括:模拟传感器、脉冲传感器和数字传感器。
[0019]进一步地，所述无线传感器节点还包括调整电路模块，所述调整电路模块分别与所述模拟传感器和所述脉冲传感器连接，将所述模拟传感器采集的模拟信号转换为标准电压信号，将所述脉冲传感器采集的高压脉冲信号转换成标准脉冲信号。
[0020]进一步地，所述数字传感器与所述微处理器连接，所述数字传感器采集的数据直接传送给所述微处理器进行处理。
[0021]进一步地，所述无线传感器节点还包括设置模块，所述设置模块包括节点编号设置模块和传感器种类设置模块，所述节点编号设置模块用于对该无线传感器节点进行编号，所述传感器种类设置模块采用拨码开关对传感器的种类进行设置。
[0022]进一步地，所述无线传感器节点还包括供电转换模块，所述供电转换模块包括:电源模块、升压电路和供电管理模块，所述电源模块为所述无线传感器节点提供电源，所述升压电路对所述电源模块提供的电源进行电压转换，转换后的电压输入到所述微处理器模块，所述供电管理模块与所述传感器模块连接，为所述传感器模块提供电源。
[0023]为解决上述问题，本实用新型还提供了一种基于Modbus协议的无线传感器网络，除了包括上述无线传感器节点，还包括:网关节点，至少一个无线传感器节点与所述网关节点连接，基于Modbus协议组成星形网络。
[0024]进一步地，所述无线传感器网络还包括:路由节点，至少一个路由节点与所述网关节点连接，每个路由节点与至少一个所述无线传感器节点连接，基于Modbus协议组成树形网络。
[0025](三)有益效果
[0026]本实用新型提供了一种基于Modbus协议的无线传感器节点及其构成的网络，无线传感器节点中包括:通信模块、微处理器和传感器模块；通信模块与微处理器连接，用于实现无线网络通信；传感器模块与微处理器连接，用于采集传感数据，并将传感数据发送给微处理器进行处理。无线传感器节点处于定时唤醒状态，当定时唤醒时间到时，通信模块对空气无线电磁波进行侦听，如果侦听到通信信号则通信模块接收数据，否则通信模块进入休眠状态。本实用新型还提供了基于上述无线传感器节点基于Modbus协议进行组网得到的网络，网络形式为星形网络或树形网络，简化无线通信网络结构，当没有数据需要接收时，传感器节点处于休眠状态，避免在其不工作时也产生功耗，只有在进行数据传输时才将传感器节点唤醒，进行通信，可以避免传感器节点长期总过产生大量功耗，实现超低功耗。同时在传感器节点处于休眠状态时其它传感器节点工作，还可以降低网络负载。本实用新型中的无线传感器节点网络由于能够支撑多种传感器，可以根据需求对传感器的种类进行选择和更换，同时由于该网络基于Modbus协议进行构建，还能增加网络的自组网功能，能够适应大规模应用，应用范围更广，提高了无线传感器节点网络的普遍性和适应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本实用新型一种基于Modbus协议的无线传感器节点的组成示意图；
[0028]图2为本实用新型一种基于Modbus协议的无线传感器网络的星形网络拓扑结构图；
[0029]图3为本实用新型一种基于Modbus协议的无线传感器网络的树形网络拓扑结构图；
[0030]图4为本实用新型基于Modbus协议的无线传感器节点中电路板的组成结构图；
[0031]图5为本实用新型基于Modbus协议的无线传感器节点仪器的外观图；
[0032]图6为本实用新型基于Modbus协议的无线传感器节点仪器安装时的布局图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例，对本实用新型的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。
[0034]本实施例中提供了一种基于Modbus协议的无线传感器节点，其组成示意图如图1所示，包括:通信模块11、微处理器12和传感器模块13 ；
[0035]通信模块11与微处理器12连接，用于实现无线网络通信；
[0036]传感器模块13与微处理器12连接，用于采集传感数据，并将传感数据发送给微处理器12进行处理；
[0037]无线传感器节点具有搜寻组网指令功能，处于定时唤醒状态，当定时唤醒时间到时，通信模块11对空气无线电磁波进行侦听，如果侦听到本机通信信号则通信模块接收数据，否则通信模块11进入休眠状态。
[0038]上述无线传感器节点利用传感器模块采集数据，将数据发送给微处理器进行处理，微处理器不仅用户传感器数据的获取，还用于实现无线网络通信。该无线传感器节点处于定时唤醒状态，达到定时唤醒时间时才被唤醒，侦听空气无线电波，如果没有侦听到通信信号则该无线传感器节点进入休眠状态，以节省功耗，只有侦听到通信信号时才通过通信模块接收数据，并且在接收数据完成时自动接入到休眠状态，通过这种节能换换模式可以将无线通信的功耗降到最低。
[0039]优选地，通信模块11为无线射频模块，本实施例中的无线通信模块采用ACP240，该射频模块具有较低的功耗，同时具备多种节能模式。
[0040]优选地，微处理器12为单片机，用于传感器数据放入获取以及实现无线网络通信等功能，本实施例中的微处理器采用MSP430系列单片机。MSP430系列是美国德州仪器(TI)生产的一种16位超低功耗、具有精简指令集(RISC)的混合信号处理器(Mixed SignalProcessor)，称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上。MSP430系列单片机具有处理能力强、运算速度快、超低功耗以及片内资源丰富等优点。具体的，本实施例中单片机型号为MSP430F249。
[0041]优选地，本实施例中的传感器模块13包括:模拟传感器131、脉冲传感器132和数字传感器133。模拟传感器131用于获取模拟传感数据，脉冲传感器132用于获取高压脉冲信号，由于模拟传感数据和高压脉冲信号均不数据数字信号，所以还要对其进行调整，得到数字信号后才能传输给微处理器11进行处理。
[0042]本实施例中只是以上述三种传感器为例进行说明的，在实际应用中传感器的种类还可以根据应用需求进行其他选择。
[0043]优选地，本实施例中的无线传感器节点还包括:调整电路模块14，调整电路模块14分别与模拟传感器131和脉冲传感器132连接，将模拟传感器131采集的模拟信号转换为标准电压信号，调整电路模块14的作用为调整模拟信号，使得非标准模拟信号转换为标准电压信号，之后才能发送给微处理器11进行处理。调整电路模块14与脉冲传感器132连接，将脉冲传感器采集的高压脉冲信号转换成标准脉冲信号，调整电路模块14的作用将高压脉冲信号经过隔离转换得到标准的能够测量的标准脉冲信号，此处的标准脉冲信号是3V脉冲信号。
[0044]传感器模块13的数字传感器133与微处理器11连接直接，数字传感器133采集的数据不需要调整电路模块14进行调整，直接传送给微处理器11进行处理。
[0045]优选地，本实施例中的无线传感器节点还包括:设置模块15，包括节点编号设置模块151和传感器种类设置模块152，节点编号设置模块151用于对该无线传感器节点进行编号，采用BCD编码器为组成无线传感器网络中的各个节点进行编号，传感器种类设置模块152采用拨码开关对传感器的种类进行设置，具体编码与传感器种类的对应关系如表I所示。
[0046]表I
【权利要求】
1.一种基于Modbus协议的无线传感器节点，其特征在于，包括:通信模块、微处理器和传感器模块； 所述通信模块与所述微处理器连接，用于实现无线网络通信； 所述传感器模块与所述微处理器连接，用于采集传感数据，并将所述传感数据发送给所述微处理器进行处理； 所述无线传感器节点具有搜寻组网指令功能，处于定时唤醒状态，当达到定时唤醒时间时，所述通信模块对空气无线电磁波进行侦听，如果侦听到本机通信信号则所述通信模块接收数据，否则所述通信模块进入休眠状态。
2.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述通信模块为无线射频模块。
3.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述微处理器为单片机。
4.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述传感器模块包括:模拟传感器、脉冲传感器和数字传感器。
5.如权利要求4所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器节点还包括调整电路模块，所述调整电路模块分别与所述模拟传感器和所述脉冲传感器连接，将所述模拟传感器采集的模拟信号转换为标准电压信号，将所述脉冲传感器采集的高压脉冲信号转换成标准脉冲信号。
6.如权利要求4所述的无线传感器节点，其特征在于，所述数字传感器与所述微处理器连接，所述数字传感器采集的数据直接传送给所述微处理器进行处理。
7.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器节点还包括设置模块，所述设置模块包括节点编号设置模块和传感器种类设置模块，所述节点编号设置模块用于对该无线传感器节点进行编号，所述传感器种类设置模块采用拨码开关对传感器的种类进行设置。
8.如权利要求1所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器节点还包括供电转换模块，所述供电转换模块包括:电源模块、升压电路和供电管理模块，所述电源模块为所述无线传感器节点提供电源，所述升压电路对所述电源模块提供的电源进行电压转换，转换后的电压输入到所述微处理器模块，所述供电管理模块与所述传感器模块连接，为所述传感器模块提供电源。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的基于Modbus协议的无线传感器节点进行组网构成的无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器网络还包括:网关节点，至少一个无线传感器节点与所述网关节点连接，基于Modbus协议组成星形网络。
10.如权利要求9所述的无线传感器节点，其特征在于，所述无线传感器网络还包括:路由节点，至少一个路由节点与所述网关节点连接，每个路由节点与至少一个所述无线传感器节点连接，基于Modbus协议组成树形网络。
【文档编号】H04W52/02GK203504759SQ201320493220
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】郑文刚, 张馨, 梁居宝, 单飞飞, 鲍锋, 郭瑞, 李文龙, 吴文彪 申请人:北京农业智能装备技术研究中心