一种面向农业大棚的集成wsn智能传感器统一接口系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供了一种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统，包括由集成WSN智能传感器节点构成的无线传感器网络；所述集成WSN智能传感器节点包括主控单元和外围单元；所述主控单元用于配置本节点的传感器模块并且对传感器模块提供的采集数据以统一数据接口协议进行数据格式转换生成传感器数据，以及基于传感器网络通信协议进行无线传感器网络组网以及传感器数据的无线传输；所述外围单元包括至少一种类型的传感器模块以及相应的数据接口电路。本系统使多类型且异构的传感器模块融合为具有统一数据和网络通信接口的传感器节点，基于统一的数据和通信接口协议实现网络组织和数据传输，有利于提高网络运行效率，易于实现传感器监测数据的整合和应用，降低系统开发的成本和难度。
【专利说明】—种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及农业信息化领域，更具体地，涉及一种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口。
【背景技术】
[0002]对农业大棚内的作物生长环境进行数据采集和分析在信息化农业生产中发挥着越来越重要的作用。现有的农业大棚大多是采用人工方式或者铺设有线环境监控网络的方式进行数据采集。传统的人工方式不仅增加了成本，而且由于人为因素的不确定性，所采集数据的准确性难以得到保证，最终将会被淘汰。使用有线环境监测网络采集数据的农业大棚受到环境、地理等因素的制约，具有一定的局限性，而且在有线的方式下，各种传感器之间进行通信受到很大的限制。
[0003]WSN(无线传感器网络)是由监测区域内的大量廉价微型传感器节点通过无线通信实现相互自组织和数据多跳传输而形成的低成本、低功耗、高通信率的网络形式。将WSN应用于面向农业大棚的数据采集，可以比较方便地实现传感器节点的安装和相互通信，能够消除有线网络因布线问题而受到的制约。
[0004]但是，与多数应用场景中采取统一类型的传感器节点不同，应用于农业大棚的传感器的类型非常多样，包括温湿度、风向、风速、光照、雨量等多种类型；不同生产厂家的传感器的通信方式和数据格式也存在比较大的差别，数据和指令的传输格式并不统一。可见，面向农业大棚的WSN网络中往往存在大量异构的数据源。这一异构性不但增加了 WSN的系统复杂程度，加大了硬件和软件开发成本，也影响整个网络的数据采集和处理效率。因此，如何为异构的传感器节点之间的数据传输以及传感器节点与网关及后台服务器的数据传输提供统一的通信接口，已经成为了现有技术中亟待解决的问题。
【发明内容】
[0005]为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统。该系统将将通用的不可配置的传感器与具有WSN功能的主控芯片相结合，使多类型且异构的传感器模块融合为具有统一数据和网络通信接口的传感器节点，屏蔽了传感器模块的差异性。
[0006]本发明所述的面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，该系统包括由集成WSN智能传感器节点构成的无线传感器网络；所述集成WSN智能传感器节点包括主控单元和外围单元；所述主控单元用于配置本节点的传感器模块并且对传感器模块提供的采集数据以统一数据接口协议进行数据格式转换生成传感器数据，以及基于传感器网络通信协议进行无线传感器网络组网以及传感器数据的无线传输；所述外围单元包括至少一种类型的传感器模块以及相应的数据接口电路。
[0007]优选的是，所述主控单元根据所述统一数据接口协议，将传感器模块提供的所述采集数据转换为具有统一数据长度的传感器数据，并且所述传感器数据包括表示传感器类型的标识字段。
[0008]优选的是，所述传感器数据还包括传感器模块的通道号及相应通道号的采样AD值。
[0009]优选的是，所述传感器数据还包括质量控制标识，所述质量控制标识用于表示传感器模块采样瞬时值的可靠性。
[0010]优选的是，根据传感器模块采样瞬时值是否处于正常测量范围以内以及采样瞬时值的变化量是否超过允许阈值，判断传感器模块采样瞬时值的可靠性并生成相应的质量控制标识。
[0011]优选的是，所述传感器网络通信协议包括物理层、MAC层、网络协议层以及高端应用层；所述物理层用于通过无线射频物理信道进行数据流收发、调制解调以及执行相关控制检测功能；所述MAC层用于为集成WSN智能传感器节点生成适于ZigBee传输的MAC地址以及基于MAC地址进行数据帧的传输；所述网络协议层用于为集成WSN智能传感器节点生成网络地址及网内节点地址，并形成网络协议层通信帧格式，并且基于网络协议层通信帧格式控制数据的发送、接收及路由；所述应用层用于对网络协议层提供的数据进行解析，确定数据相关的应用及应用命令。
[0012]优选的是，所述物理层执行的相关控制检测功能包括以下至少一种:低功耗休眠和激活射频传输、信道能量检测、检测收发数据包的链路质量指示以及空闲信道评估。
[0013]优选的是，所述网络协议层生成的网络协议层通信帧格式包括路由字段，所述路由字段用于指示集成WSN智能传感器节点对接收到的通信帧的路由方式。
[0014]优选的是，所述主控单元包括:微处理器，用于对本节点的传感器模块进行配置、对采集数据按照统一数据接口协议进行转换，以及执行电源和功耗管理；无线通信模块，用于基于所述传感器网络通信协议通过ZigBee通信方式进行无线传输。
[0015]优选的是，集成WSN智能传感器节点包括核心板和扩展板，并且所述主控单元设置于核心板，所述外围单元及节点电源模块设置于所述扩展板。
[0016]通过本发明所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，能够使传感器节点基于统一的数据和通信接口协议实现网络组织和数据传输，结合嵌入式的硬件结构，有利于提高网络运行效率，易于实现传感器监测数据的整合和应用，降低系统开发的成本和难度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细的说明:
[0018]图1是本发明所述面向农业大棚的集成WSN智能传感器网络的整体框架结构示意图；
[0019]图2是本发明所述集成WSN智能传感器的硬件架构示意图；
[0020]图3是本发明所述集成WSN智能传感器的软件功能模块架构示意图；
[0021]图4是本发明所述集成WSN智能传感器网络的网络协议层级架构示意图。
【具体实施方式】
[0022]为了使本【技术领域】的人员更好地理解本发明的技术方案，并使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合实施例及实施例附图对本发明作进一步详细的说明。
[0023]图1是本发明所述面向农业大棚的集成WSN智能传感器网络的整体框架结构示意图。各个集成WSN智能传感器I作为对农业大棚内多类型环境数据进行数据采集的监测点，同时也是WSN网络中实现自组织及数据收发的网络节点。各个集成WSN智能传感器I一方面相互之间进行数据传输，同时还向位于系统架构中更高一级的网关节点2进行采集数据的上传，并且响应网关节点2下达的远程控制指令。网关节点2自身具有CPU和GPRS模块，因而可以通过移动基站接入互联网，与网络的后台服务器3实现数据交互。后台服务器3基于各集成WSN智能传感器I上传的采集数据，对农业大棚的环境参数进行远程监控和数据分析，并可以为最终用户提供监测报告或异常预警等服务。
[0024]本发明的核心改进是提供了位于网络系统底层的集成WSN智能传感器，目标是在多类型且提供异构数据的传感器模块的基础上，将各类传感器模块均融合为具有统一数据和网络通信接口的传感器节点，屏蔽了传感器模块的差异性。
[0025]图2是本发明所述集成WSN智能传感器的硬件架构示意图。在硬件方面，本发明采用构件化结构，将集成WSN智能传感器I分为核心板和扩展板两个部分。如图2所示，核心板是集成WSN智能传感器I的主控单元，主要包括:具有最小系统的微处理器和无线通信模块102。其中，微处理器101的功能是:响应网关节点下达的指令，并对本节点的传感器模块进行配置；对传感器模块提供的原始采集数据按照本发明统一定义的数据接口协议进行转换，从而提供统一的数据格式及数据接口 ；执行必要的电源和功耗管理。无线通信模块102的功能是基于本发明统一定义的传感器网络通信协议进行WSN网络的组网和数据的无线传输，其中无线传输可基于ZigBee通信方式进行，无线通信模块102包含可在2.4GHz频率上进行无线通信的射频电路。可见，通过主控单元，使现有技术中通用的传感器模块具备了 WSN相关的无线网络功能，并且对高层提供了统一的数据接口。在系统软件开发过程中，可以针对该主控单元进行编程，从而将异构的传感器模块进行统一化管理和应用。
[0026]本发明将用于数据传感和采样的传感器硬件电路103、AD转换电路104、采集数据接口 105、通用串口 106、输入捕捉引脚以及整个系统的电源模块107均设计为扩展板，扩展板所提供的外围单元作为模块化构件，可嵌入至上述核心板，从而具有很高的灵活性、可扩展性以及可移植性。
[0027]图3是本发明所述集成WSN智能传感器的软件功能模块架构示意图。可见，集成WSN智能传感器从软件上可以分为上、下两层。上层为通讯与管理层，与硬件方面的核心板(主控单元)相对应，包括组网、电源管理、功耗管理、传感器配置、采集数据转换等功能。下层是传感与采样层，包括传感器接口、AD转换、输入捕捉等功能。
[0028]本发明基于统一定义的传感器网络通信协议来组织所述集成WSN智能传感器网络并执行传感器网络节点之间的通信。本发明参考了 OSI所定义的七层网络标准，但省略了其中大部分的中间层级，从而极大地方便了开发和拓展，同时仍然保留了 OSI协议中通过多个分为层次的协议架构使不同硬件厂商和软件系统的设备能够进行互联的设计思想。
[0029]图4是集成WSN智能传感器网络的网络协议层级架构示意图。可见，本发明的传感器网络通信协议包括物理层、MAC层、网络协议层和高端应用层。其中，物理层层的协议采用了 IEEE组织制订的IEEE802.15标准，本发明主要是在该标准的基础上进行应用协议的扩展。下面对各层协议分别进行介绍。
[0030](一 )物理层(PHY)协议
[0031]物理层主要由射频收发器以及底层的控制模块组成。物理层的数据服务通过无线射频模块的物理信道收发数据流。物理层(PHY)的主要功能是负责数据的调制和解调、发送和接收，向下可直接操作所述无线射频模块的开关和发送接收，向上为MAC层提供服务。具体包括以下几方面的功能:
[0032](I)低功耗休眠和激活射频收发器
[0033](2)信道能量检测(Energy detect)
[0034]信道检测目标是为上层提供信道选择的依据。该功能主要是用来测试接收数据中的信号的功率强度，通常用该功能进行Zigbee节点的通信质量的检测和定位节点的方位。在实际应用中，可以将该信息提取出来，通过该信息，对传感器节点的方位进行定位。
[0035](3)检测收发数据包的链路质量指示(link quality indicat1n, LQI)
[0036]链路质量指示为网络层或者应用层提供了接收数据帧时无线信号的强度和质量信息，与信道能量检测不同的是，它针对信号进行了解码处理，生成的是一个信噪比的物理量指标，可以将这个信噪比指标和物理层数据单元一道提交给上层处理。
[0037](4)空闲信道评估(clear channel assessment, CCA)
[0038]空闲信道评估判断的信道是否空闲。IEEE802.15.4定义了三种空闲信道评估模式:第一种为简单的判断信道的通信能量，当信号的能量低于某一个阀值时，就认为是空闲信道；第二种通过判断无线信号的特征判断信道是否空闲，这个特征主要是包括两个方面，即扩频信号特征和载波频率；第三种模式是前两种模式的综合，同时检测信号强度和信号特征，给出信道空闲判断。
[0039](5)收发实际数据。
[0040](二)MAC 层
[0041]MAC层主要是基于物理层提供的服务，进行设备之间的数据帧的传输。MAC层一共提供两种服务:MAC层数据服务和MAC层管理服务。两者保证MAC协议数据单元正确收发，后者通过维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的表来维持整个系统的运行。
[0042]在此基础上，本文对各个智能传感器节点设置了适用于ZigBee的MAC地址。MAC地址一共有8个字节，前4个字节为模块出厂的厂商标识，后4个字节为厂商内部自定义的物理编址。该地址在所有的系统中，地址是唯一的。并且MAC地址不可以擦写，具有设备的唯一性。只有在出厂值未设置的情况下，可以修改一次。
[0043](三)网络协议层
[0044]网络协议层是将物理层和MAC层上传的数据进行二次处理，通过设计对应的节点编号方式，使得节点和网络能够在不同局域网内被识别及处理，通过这层可以很好的处理各个传感器节点对应的数据，减少节点需要处理的多余的其他节点的数据，形成一对一的数据传输。
[0045]1.网络协议层的主要功能
[0046](I)射频接收器在固定的频段接收到数据，根据数据中设定的目标地址和目标网络号进行有效的判断该数据帧是应该转发还是接收，例如，如果是内网的数据，进行接收；判断是否是自己的数据，如果是，进入应用层进行处理，如果不是自己的数据，则丢弃该数据。
[0047](2) 一个网络中包含一个路由节点，该节点从传感器节点中接收数据，然后根据数据的网络号进行数据处理，并且将该数据提供给网关节点。
[0048](3)从应用层接收的数据包，进行数据的封装和处理，并且将源网络和源地址以及目标地址和目标网络号添加到数据帧中，然后交给射频收发器，然后将数据发送出去。
[0049]在网络层中，将每一个节点的地址设置成6个字节的地址。传感器节点的地址为:网络地址(2字节)+网内节点地址(4字节)。对于该节点的地址进行以下的约定，从而对节点的地址进行类型的标识:首先，网络地址取值范围I~10、网内节点地址取值10~100为内部测试使用；对于后续的实际产品出厂的网络地址一定要大于10，网内节点地址一定要大于100。其次，一个局域网内作为主控器的路由节点的地址固定为X.10，X为网络地址，10代表该节点是作为主控节点的地址，同样也是测试路由节点的地址，主控器含GPRS以及路由节点，进行互联网到WSN网络的数据转换，而WSN网络内的普通路由节点只负责WSN数据转发，传感器节点具有普通路由节点功能，而当某几个传感器节点相距太远，可增加路由节点进行WSN数据转发。
[0050]2.网络协议层的通信帧格式
[0051]在网络协议层，主控器与传感器节点的数据帧传输采用下面介绍的帧格式，参见表1。
[0052]
【权利要求】
1.一种面向农业大棚的集成WSN智能传感器统一接口系统,其特征在于,该系统包括由集成WSN智能传感器节点构成的无线传感器网络；所述集成WSN智能传感器节点包括核心板和扩展板，所述核心板上集成主控单元，所述扩展板上集成外围单元； 所述主控单元包括微处理器和无线通信模块；所述微处理器用于配置本节点的传感器模块并且对传感器模块提供的采集数据以统一数据接口协议进行数据格式转换生成传感器数据，并且提供统一数据接口 ；所述无线通信模块用于基于传感器网络通信协议进行无线传感器网络组网以及传感器数据的无线传输，所述无线传输基于ZigBee通信方式；无线通信模块包含可在2.4GHz频率上进行无线传输的射频电路； 所述外围单元包括至少一种类型的传感器模块以及相应的数据接口电路； 其中，所述统一数据接口协议使集成WSN智能传感器节点对外提供统一格式的传感器数据，所述统一格式的传感器数据具有统一数据长度，并且预留足够多的字节长度；所述传感器数据包括以下字段: 表示传感器类型的标识字段，长度为一个字节； 用于表示传感器模块采样瞬时值的可靠性的质量控制标识，长度为一个字节；所述质量控制标识通过不同的标识值描述不同类型的采样值质量状况，所述质量状况包括以下至少一种:数据正确、数据存疑、数据错误、数据不一致、数据缺失、未经数据控制检查以及无数据； 传感器模块的通道号及相应通道号的采样值，其中所述采样值包括直接采样值和计算出来的理论采样值； 其中，所述传感器网络通信协议包括物理层、MAC层、网络协议层以及高端应用层；所述物理层用于通过无线射频物理信道进行数据流收发、调制解调以及执行相关控制检测功能；所述MAC层用于为集成WSN智能传感器节点生成适于ZigBee传输的MAC地址以及基于MAC地址进行数据帧的传输；所述网络协议层用于为集成WSN智能传感器节点生成网络地址及网内节点地址，并形成网络协议层通信帧格式，并且基于网络协议层通信帧格式控制数据的发送、接收及路由；所述应用层用于对网络协议层提供的数据进行解析，确定数据相关的应用及应用命令。
2.根据权利要求1所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，根据传感器模块采样瞬时值是否处于正常测量范围以内以及采样瞬时值的变化量是否超过允许阈值，判断传感器模块采样瞬时值的可靠性并生成相应的质量控制标识。
3.根据权利要求1所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，所述物理层执行的相关控制检测功能包括以下至少一种:低功耗休眠和激活射频传输、信道能量检测、检测收发数据包的链路质量指示以及空闲信道评估。
4.根据权利要求1所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，所述网络协议层生成的网络协议层通信帧格式包括路由字段，所述路由字段用于指示集成WSN智能传感器节点对接收到的通信帧的路由方式。
5.根据以上权利要求任意一项所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，所述微处理器还用执行电源和功耗管理。
6.根据以上权利要求任意一项所述的集成WSN智能传感器统一接口系统，其特征在于，节点电源模块设置于所述扩展板。
【文档编号】H04W84/18GK104185307SQ201410452043
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月5日 优先权日:2014年9月5日
【发明者】王宜怀, 陈建明, 吴瑾, 沈玮 申请人:苏州大学