物联网感知终端的制作方法

本发明涉及物联网技术领域，具体是一种物联网感知终端。

背景技术：

物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的新一轮信息技术革命和产业革命。1998年，美国麻省理工学院创造性地提出了当时被称作EPC系统的“物联网”构想。物联网的概念最早为，把RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成物联网，着重的是物品的标记。目前国际上对于物联网尚没有一个公认的定义，比较广泛的解释是，把感应器嵌入和装配到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中并构成物联网，然后将物联网与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合。在2010年我国的政府工作报告所附的注释中，对物联网有如下的说明：物联网是指通过信息传感设备，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

水是生命之源、生产之要、生态之基。水利是现代农业建设不可或缺的首要条件，是经济社会发展不可替代的基础支撑，是生态环境改善不可分割的保障系统。兴水利、除水害，事关人类生存、经济发展、社会进步，历来是治国安邦的大事。十二五期间我国在防汛抗旱、民生水利发展、重大水利建设、水生态文明建设等方面成效显著，随着水利改革事业的发展，水利管理部门对河道、湖泊、水网的重点参数，如水位、雨量、流量、闸位等的数据获取的实时性要求越来越迫切。为此我们设计一种物联网感知终端，通过对水位、流量、雨量和闸位等的测量，动态掌握区域水资源变化及利用情况，最大限度的调控使用效率，为防汛、水资源调度等工作提供技术支撑，是符合社会可持续发展要求的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能自动组网和多种远程通信的物联网感知终端，用于监测各种水位、闸位、流量、雨量、水质传感器，存储、上传监测信息。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

物联网感知终端，包括初始化模块、数据库读取模块、数据库存储模块、GPRS重连模块、闸位测量模块、水位测量模块、流量测量模块、雨量测量模块、GPRS发送模块、GSM发送模块、无线数传/zigbee组网模块、linux系统shell脚本模块、4-20MA信号测量模块、供电电压测量模块；所述的初始化模块、数据库读取模块、数据库存储模块、GPRS重连模块、闸位测量模块、水位测量模块、流量测量模块、雨量测量模块、GPRS发送模块、GSM发送模块、无线数传/zigbee组网模块、linux系统shell脚本模块、4-20MA信号测量模块、供电电压测量模块分别与控制器连接，由控制器控制和协调各模块的动作。

作为本发明进一步的方案：根据应用场合电源条件，所述的控制器为LPC1700系列Cortex-M3微控制器和ATMEL公司的AT91SAM9G20 ARM926EJ-S微控制器中的一种或两种。

作为本发明进一步的方案：所述的LPC1700系列Cortex-M3微控制器为LPC1768FBD100Cortex-M3微控制器。

作为本发明进一步的方案：所述的闸位测量模块集成了轴连接式光电闸位计、拉线式光电闸位计、激光闸位计、超声波闸位计、电磁测距闸位计；所述的水位测量模块集成了电子水尺、浮子水位计、雷达水位计、压力水位计；所述的流量测量模块集成了电磁流量计、超声波流量计、V-ADCP流量计、雷达流量计、远传水表；所述的雨量测量模块集成了翻斗式雨量计。

作为本发明进一步的方案：所述的无线数传/zigbee组网模块的组网流程分为节点组网流程、网关组网流程；

其中，节点组网流程为：

(1)开始，进入下一步；

(2)初始化，进入下一步；

(3)检测变量，进入下一步；

(4)判断是否变量改变：是，则进入下一步；否，则回到步骤(3)；

(5)判断是否满足发送条件：是，则进入下一步；否，则回到步骤(3)；

(6)监测网络b秒，进入下一步；

(7)监测计时，进入下一步；

(8)判断是否存在通讯：是，则进入步骤(10)；否，则进入下一步；

(9)判断是否计时超时：是，则回到步骤(3)；否，则回到步骤(6)；

(10)N＝0，进入下一步；

(11)N＝N+1，进入下一步；

(12)发送第N包，进入下一步；

(13)监测回令a秒，进入下一步；

(14)监测计时，进入下一步；

(15)判断是否收到回令：是，则进入步骤(17)；否，则进入下一步；

(16)判断是否超时：是，则回到步骤(3)；否，则回到步骤(12)；

(17)判断是否回令正确：是，则进入下一步；否，则进入步骤(16)；

(18)判断是否发完：是，则进入下一步；否，则回到步骤(11)；

(19)存储数据，完成一个循环；接着重复进行步骤(3)；

网关组网流程为：

1)开始，进入下一步；

2)初始化，进入下一步；

3)监听网络bS，进入下一步；

4)判断是否有信息：是，则进入下一步；否，则回到步骤3)；

5)判断是否解析过关：是，则进入下一步；否，则回到步骤3)；

6)回令过关，进入下一步；

7)监听计时，进入下一步；

8)监听网络bS，进入下一步；

9)判断是否有报文：是，则进入步骤11)；否，则进入下一步；

10)判断是否计时超时：是，则回到步骤3)；否，则回到步骤6)；

11)判断是否解析成功：是，则进入下一步；否，则进入步骤10)；

12)回令过关，进入下一步；

13)监听计时，进入下一步；

14)监听网络bS，进入下一步；

15)判断是否有报文：是，则进入步骤17)；否，则进入下一步；

16)判断是否计时超时：是，则回到步骤3)；否，则回到步骤12)；

17)判断是否解析成功：是，则进入下一步；否，则进入步骤16)；

18)判断是否最终包：是，则进入下一步；否，则回到步骤12)；

19)存储数据，进入下一步；

20)发送程序，完成一个循环；接着重复进行步骤3)。

作为本发明进一步的方案：所述的组网流程中，满足以下条件：

a)监测周期b，信号发送周期a，需满足a＞＝2b，即采样频率大于信号频率2倍；

b)设信号传播延时c，应满足b＞＝2c，此时即最快采样频率；

c)设程序周期T，n为报文分包数，应满足T＞n*a，即限定最慢的信号发送频率；

d)已知故障自处理时间W，应满足T＞W，即限定最小程序周期。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明终端可以连接各种提供透明传输信道的无线模块、zigbee模块等，自动完成多台终端的短距离(根据连接模块不同，距离50至2000米)组网监测，使用一个终端将这个测站的各种监测参量集中处理，通过一个SIM卡、或北斗通讯终端、或一个网口(一个IP)、发送出去，与传统终端相比，可以实现相同功能的前提下，成倍节约通讯资源，降低运行成本。同时无线组网可以简化现场综合布线，减少实施工程量，缩短工期。

本发明终端能实现自动组网和多种远程通信，监测各种水位、闸位、流量、雨量、水质传感器，存储、上传监测信息。

附图说明

图1是节点组网流程图；

图2是网关组网流程图；

图3是定时发送流程图；

图4是节点组网校时流程图；

图5是网关组网校时流程图；

图6是终端运行状态自诊断流程图；

图7是单水位测站流程图；

图8是本终端的实际应用流程图一；

图9是本终端的实际应用流程图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明实施例中，物联网感知终端，包括14个模块，该14个模块分为6类，分别为：初始化1种，存储模块2种，测量模块6种，通讯模块3种，组网模块1种，系统模块1种。具体地，该物联网感知终端包括初始化模块、数据库读取模块、数据库存储模块、GPRS重连模块、闸位测量模块、水位测量模块、流量测量模块、雨量测量模块、GPRS发送模块、GSM发送模块、无线数传/zigbee组网模块、linux系统shell脚本模块、4-20MA信号测量模块、供电电压测量模块；其连接关系如下：初始化模块、数据库读取模块、数据库存储模块、GPRS重连模块、闸位测量模块、水位测量模块、流量测量模块、雨量测量模块、GPRS发送模块、GSM发送模块、无线数传/zigbee组网模块、linux系统shell脚本模块、4-20MA信号测量模块、供电电压测量模块分别与控制器连接，由控制器控制和协调各模块的动作。

根据应用场合电源条件，上述控制器为LPC1700系列Cortex-M3微控制器和ATMEL公司的AT91SAM9G20 ARM926EJ-S微控制器中的一种或两种。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器用于处理要求高度集成和低功耗的嵌入式应用。ARM Cortex-M3是下一代新生内核，它可提供系统增强型特性，例如现代化调试特性和支持更高级别的块集成。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的操作频率可达100MHz。ARM Cortex-M3 CPU具有3级流水线和哈佛结构，带独立的本地指令和数据总线以及用于外设的稍微低性能的第三条总线。ARM Cortex-M3 CPU还包含一个支持随机跳转的内部预取指单元。

LPC1700系列Cortex-M3微控制器的外设组件包含高达512KB的Flash存储器、64KB的数据存储器、以太网MAC、USB主机/从机/OTG接口、8通道的通用DMA控制器、4个UART、2条CAN通道、2个SSP控制器、SPI接口、3个I2C接口、2-输入和2-输出的I2S接口、8通道的12位ADC、10位DAC、电机控制PWM、正交编码器接口、4个通用定时器、6-输出的通用PWM、带独立电池供电的超低功耗RTC和多达70个的通用I/O管脚。

具体地，所述的LPC1700系列Cortex-M3微控制器选用NXP公司的Cortex-M3内核的LPC1768FBD100，其参数如下：最高工作频率100MHz；512KB Flash；32KB SRAM；USB 2.0device/HOST/OTG；4路UART；一路以太网。

AT91SAM9G20 ARM926EJ-S微控制器的时钟频率为400MHz，在全功率模式、外围设备全开的情况下，其功耗仅为80mW。AT91SAM9G20面向这些具有功率限制并且需要高性能的应用。这类应用包括销售点终端、建筑自动化、安全摄像头以及条形码读出器等等。

AT91SAM9G20 ARM926EJ-S微控制器包含了32KB指令以及32KB数据缓存、两个16KB SRAM存储块以及64KB ROM，在最高处理器或总线速度下可实现单周期访问而且具备一个包含了许多控制器的外部总线接口，可控制SDRAM以及包括NAND Flash和CompactFlash在内的静态存储器。其广泛的外围设备集包括USB全速主机和设备接口、一个10/100Base T以太网MAC、图像传感器接口、多媒体卡接口(MCI)、同步串行控制器(SSC)、USART、主/从串行外围设备接口(SPI)、两个三通道16位定时计数器(TC)、一个双线接口(TWI)以及四通道10位模数转换器。三个32位并行输入/输出控制器让针脚与这些外围设备可以实现多路复用，从而减少了设备的针脚数量以及外围设备DMA通道，将接口与片上、片外存储器之间的数据吞吐量提升到了最高水平。

AT91SAM9G20拥有可实现高效系统管理的全功能系统控制器，其中包含了一个复位控制器、关机控制器、时钟管理、高级中断控制器(AIC)、调试单元(DBGU)、周期间隔定时器、看门狗定时器以及实时定时器。采用符合RoHS标准的217球LFBGA封装。

这14个模块的功能及用途如表1所示。

表1各模块的信息汇总

在实验和实际项目应用过程中，该物联网感知终端接入了雨量1类、水位4类、闸位计5类、流量计5类，共15款传感器，形成采集库。具体地，本物联网感知终端接入的传感器的信息如表2所示。各传感器与模块的对应集成关系是：闸位测量模块集成了轴连接式光电闸位计、拉线式光电闸位计、激光闸位计、超声波闸位计、电磁测距闸位计；水位测量模块集成了电子水尺、浮子水位计、雷达水位计、压力水位计；流量测量模块集成了电磁流量计、超声波流量计、V-ADCP流量计、雷达流量计、远传水表；雨量测量模块集成了翻斗式雨量计。

表2各传感器的信息表

请参阅图1-6，该物联网感知终端的工作流程包括组网流程、定时发送流程、组网校时流程以及终端运行状态自诊断流程。

1、组网流程归属于无线数传/zigbee组网模块，包括节点组网流程和网关组网流程；

节点组网流程如图1所示：

(1)开始，进入下一步；

(2)初始化，进入下一步；

(3)检测变量，进入下一步；

(4)判断是否变量改变：是，则进入下一步；否，则回到步骤(3)；

(5)判断是否满足发送条件：是，则进入下一步；否，则回到步骤(3)；

(6)监测网络b秒，进入下一步；

(7)监测计时，进入下一步；

(8)判断是否存在通讯：是，则进入步骤(10)；否，则进入下一步；

(9)判断是否计时超时：是，则回到步骤(3)；否，则回到步骤(6)；

(10)N＝0，进入下一步；

(11)N＝N+1，进入下一步；

(12)发送第N包，进入下一步；

(13)监测回令a秒，进入下一步；

(14)监测计时，进入下一步；

(15)判断是否收到回令：是，则进入步骤(17)；否，则进入下一步；

(16)判断是否超时：是，则回到步骤(3)；否，则回到步骤(12)；

(17)判断是否回令正确：是，则进入下一步；否，则进入步骤(16)；

(18)判断是否发完：是，则进入下一步；否，则回到步骤(11)；

(19)存储数据，完成一个循环；接着重复进行步骤(3)。

网关组网流程如图2所示：

1)开始，进入下一步；

2)初始化，进入下一步；

3)监听网络bS，进入下一步；

4)判断是否有信息：是，则进入下一步；否，则回到步骤3)；

5)判断是否解析过关：是，则进入下一步；否，则回到步骤3)；

6)回令过关，进入下一步；

7)监听计时，进入下一步；

8)监听网络bS，进入下一步；

9)判断是否有报文：是，则进入步骤11)；否，则进入下一步；

10)判断是否计时超时：是，则回到步骤3)；否，则回到步骤6)；

11)判断是否解析成功：是，则进入下一步；否，则进入步骤10)；

12)回令过关，进入下一步；

13)监听计时，进入下一步；

14)监听网络bS，进入下一步；

15)判断是否有报文：是，则进入步骤17)；否，则进入下一步；

16)判断是否计时超时：是，则回到步骤3)；否，则回到步骤12)；

17)判断是否解析成功：是，则进入下一步；否，则进入步骤16)；

18)判断是否最终包：是，则进入下一步；否，则回到步骤12)；

19)存储数据，进入下一步；

20)发送程序，完成一个循环；接着重复进行步骤3)。

上述组网流程中，满足以下条件：

a)监测周期b，信号发送周期a，需满足a＞＝2b，即采样频率大于信号频率2倍；

b)设信号传播延时c，应满足b＞＝2c，此时即最快采样频率；

c)设程序周期T，n为报文分包数，应满足T＞n*a，即限定最慢的信号发送频率；

d)已知故障自处理时间W，应满足T＞W，即限定最小程序周期。

2、定时发送流程，用于实现轮询工作模式下的定时发送功能。

具体的定时发送流程如图3所示：

a)开始，进入下一步；

b)net_preem＝1，进入下一步；

c)进入循环体，进入下一步；

d)判断是否到时间且抢占＝＝0：是，则进入下一步；否，则进入步骤f)；

e)发送标志＝1；抢占标志＝1；进入下一步；

f)判断是否发送或抢占＝＝1：是，则进入下一步；否，则进入步骤c)；

g)发送标志＝0，进入下一步；

h)判断是否发送成功：是，则进入下一步；否，则进入步骤c)；

i)抢占标志＝0，进入下一步；

j)sleep()，完成一个循环；接着重复进行步骤c)。

3、组网校时流程

组网校时流程包括节点组网校时流程和网关组网校时流程；

节点组网校时流程如图4所示：开始(节点)；通讯第一包；判断是否时间偏差＞1min：否则照常通讯，是则重设测量计时，并更新时间，再照常通讯；结束。

网关组网校时流程如图5所示：开始(网关)；接收第一包；回令自己时间；照常通讯；结束。

组网校时完成组网各个终端时间的统一，在原组网流程框架中加入如上图4-5的一个分支实现。

4、终端运行状态自诊断流程

终端进行状态自诊断，输出状态变量作为自诊断结果，状态变量值越小，表面系统运行情况越好。自诊断涵盖存储器故障，电源故障，通讯故障，传感器故障。在通讯时上传至服务器，可以实现远程终端工作状态监控，远程故障认定。

状态变量定义如下。

状态变量STATE用4位HEX表示(0x0000～0xFFFF)，为自诊断结果，输出到远程管理，设计要涵盖所以故障情况，最终可根据变量数值的大小评估测站运行的好坏。自诊断每日凌晨全部重新开始。

第一为0～F即(0000～1111).表示工况状态：主信道故障/传感器故障/存储器故障/电源故障。0为正常，1为故障。

第二位0～F.表示当日终端重启次数。范围0到15。检验终端运行质量。

第三位0～F.表示当日采集失败次数。范围0到15。检验数据采集质量。

第四位0～F.表示当日主信道通讯失败次数。范围0到15。检验报送通讯质量。

具体的终端运行状态自诊断流程如图6所示：

(1)每15min或每故障新增，进入下一步；

(2)判断是否the last check Hour＞当前：是，则进入下一步；否，则进入步骤(4)；

(3)STATE&＝0x0000，进入下一步；

(4)判断是否(主信道失败数＞10)&&(失败数＞3*成功数)：是，则进入下一步；否，则进入步骤(6)；

(5)STATE/＝0x8000，进入下一步；

(6)判断是否(传感器失败数＞10)&&(失败数＞3*成功数)：是，则进入下一步；否，则进入步骤(8)；

(7)STATE/＝0x4000，进入下一步；

(8)判断是否(存储失败数＞10)&&(失败数＞3*成功数)：是，则进入下一步；否，则进入步骤(10)；

(9)STATE/＝0x2000，进入下一步；

(10)判断是否电源电压超限：是，则进入下一步；否，则进入步骤(12)；

(11)STATE/＝0x1000，进入下一步；

(12)判断是否当日重启数＞15：是，则进入下一步；否，则进入步骤(14)；

(13)STATE/＝0x0F00，进入下一步；

(14)STATE&＝0xF0FF；STATE/＝当日重启数＜＜8，进入下一步；

(15)判断是否当日采集失败数＞15：是，则进入下一步；否，则进入步骤(17)；

(16)STATE/＝0x00F0，进入下一步；

(17)STATE&＝0xFF0F；STATE/＝当日失败数＜＜4，进入下一步；

(18)判断是否当日主信道失败数＞15：是，则进入下一步；否，则进入步骤(20)；

(19)STATE/＝0x000F，进入下一步；

(20)STATE&＝0xFFF0；STATE/＝当日失败数，进入下一步；

(21)结束。

将该物联网感知终端应用于实际过程中的典型站点，具体流程如图7-9所示。其中单水位测站流程如图7所示：

(1)开始，进入下一步；

(2)初始化变量，进入下一步；

(3)初始化串口及看门狗；

(4)调用GPRS连接程序，进入下一步；

(5)主循环开始A点，进入下一步；

(6)测量水位平均值，进入下一步；

(7)判断是否累计时间≥控制时长：是，则进入步骤(8)；否，则进入步骤(9)；

(8)发送标志＝1，进入下一步；

(9)判断是否水位变化＞2cm：是，则进入下一步；否，则进入步骤(12)；

(10)存储水位-时间，进入下一步；

(11)发送标志＝1，进入步骤(14)；

(12)判断是否水位变化＞1cm：是，则进入下一步；否，则进入步骤(14)；

(13)发数时长＝5min，进入下一步；

(14)判断是否到达整点自报时间：是，则进入下一步；否，则进入步骤(17)；

(15)发送标志＝1，进入下一步；

(16)调用补发数据进程，进入下一步；

(17)判断是否发送标志＝＝1：是，则进入下一步；否，则进入步骤(22)；

(18)上传数据，发送标志清零，进行下一步；

(19)判断是否发送成功：是，进入下一步；否，则进入步骤(21)；

(20)sleep(20)，进入步骤(22)；

(21)存入补发信息，进入下一步；

(22)A点。

本发明终端可以连接各种提供透明传输信道的无线模块、zigbee模块等，自动完成多台终端的短距离(根据连接模块不同，距离50至2000米)组网监测，使用一个终端将这个测站的各种监测参量集中处理，通过一个SIM卡、或北斗通讯终端、或一个网口(一个IP)、发送出去，与传统终端相比，可以实现相同功能的前提下，成倍节约通讯资源，降低运行成本。同时无线组网可以简化现场综合布线，减少实施工程量，缩短工期。

本发明终端能实现自动组网和多种远程通信，监测各种水位、闸位、流量、雨量、水质传感器，存储、上传监测信息。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。