一种大规模无线传感器感知系统及其M2M通信方法与流程

本发明属于无线通信与电子技术领域，特别是涉及一种大规模无线传感器感知系统及其m2m通信方法。

背景技术

无线传感器感知系统，是一种包含温湿度传感器，光传感器，气压传感器，颜色传感器，测距传感器多种无线传感器模块与中央处理器，网络传输模块的无线自组织系统，通过信息传感、环境监控以及网络传输将数据及时上传至服务器，之后服务器根据上传的数据做出所需要的判决指令，实现实时信息交换、智能化监控和调节的全封闭感知系统。伴随着“互联网+”，智慧农业等概念的提出，传感器感知系统已经广泛应用于各种领域，例如农业大棚种植，火灾报警，水位预警，战场侦察。

随着信息化与大数据的发展，未来物联网感知层将会有大规模的无线传感器进行部署，无线传感器感知系统中的监测与感知需要通过大量监控装置与传感器节点进行采样，采样后的数据将直接传输到本地中央处理器，然后通过网络传输模块将这些数据进行上传，最后服务器根据上传的数据做出所需要的指令。然而，这种通信方式在未来大规模无线传感器的部署下，会因为中央处理器覆盖范围内的传感器数量巨大而导致可供传感器连接的端口数将会明显不足，而为了满足连接来增加中央处理器数量则会导致成本急剧增加，并且中央处理器的过多负载无法保证每一条通信线路的丢包率与时延等通信质量要求。

如今面向大规模无线传感器感知系统数据传输，存在海量的数据需要传输，这其中也包含着瓦斯环境监测，森林火灾报警这种需要时刻保证通信链路畅通的数据。因此，未来大规模无线传感器感知系统通信方式问题的解决尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大规模无线传感器感知系统及其m2m通信方法，解决大规模传感器连接下传感器感知系统内部通信方式的问题，利用m2m技术实现降低端口需求数量，降低成本，大大降低中央处理器的负载。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种大规模无线传感器感知系统，包括服务器、网络传输模块、传感器模块与中央处理器，其中，

所述服务器，用于存储系统中央处理器传来的各传感器id号、工作模式、模块功能类型，以及环境信息的所有采集数据，以及采集数据时所对应的时间信息，同时也用于向各传感器模块本地时间调整时提供时间信息；

所述网络传输模块，用于完成中央处理器与服务器之间的指令转发与数据传输；

所述中央处理器，用于连接部分传感器模块，接收直接连接的传感器模块与所有从传感器模块以m2m通信方式发送来的数据信息，将数据进行打包，通过网络传输模块发送给服务器；

所述传感器模块，用于定时感知环境信息并进行采集，各传感器模块间通过无线发送与接收方式相互通信传输数据，采集完毕后根据自身的工作模式，将采集后的数据信息通过直连或m2m通信方式发送给中央处理器进行记录。

进一步的，所述环境信息包括光照、温度、湿度、土壤酸碱度四种。

本发明所采用的另一技术方案是，一种大规模无线传感器感知系统的m2m通信方法，按照以下步骤进行：

步骤101：中央处理器连接覆盖范围内部分传感器模块，记录所有连接的传感器模块的id，并通过网络传输模块发送记录信息数据包s1至服务器，所有连接完毕的传感器模块设置工作在normal工作状态；

步骤102：服务器接收记录信息数据包s1，将记录信息数据包s1中所有已连接的传感器模块的id及模块功能类型信息进行提取并记录进本地数据库，对应工作状态记录为normal；

步骤103：服务器记录完毕后通过网络传输模块发送时间信息指令c1至中央处理器；

步骤104：中央处理器接收时间信息指令c1，根据指令public采取广播模式，向覆盖范围内广播时间信息c2；

步骤105：覆盖范围内所有传感器模块接收到时间信息c2，调整自身时钟与时间信息c2中时间信息一致，并开启listen功能；

传感器模块调整完毕后，对自身状态进行判断：

如果传感器模块已连接至中央处理器，即自身工作方式为normal，传感器模块直接发送信息d1至中央处理器，listen功能始终开启，即监听来自其他传感器模块的数据，一旦接收直接转发至中央处理器；

如果传感器模块未连接至中央处理器，则传感器模块启动m2m工作模式传送信息d2至中央处理器，listen功能始终开启，即监听来自其他传感器模块的数据，一旦接收到数据后根据m2m链路转发至中央处理器；

步骤106：传感器模块判断自身是否已连接至中央处理器，如果是，进入步骤107，如果否，跳转至步骤108；

步骤107：传感器模块通过normal工作模式发送信息d1至中央处理器；

步骤108：传感器模块通过m2m工作模式完成信息d2的发送，将其最终协作转发至中央处理器；

步骤109：中央处理器对所有来自传感器模块的数据信息进行接收，然后发送数据包信息s2至中央处理器；

步骤110：服务器接收数据包信息s2，根据数据包信息s2中的数据，记录各m2m工作模式传感器模块的id与功能类型信息记录入本地数据库，并调整所有id对应时间信息，将新时间信息c3通过中央处理器进行广播；

步骤111：各传感器模块接收新时间信息c3，调整对应自身id时间信息与新时间信息c3中一致，根据自身工作模式开始定时发送传感器采集信息至中央处理器，中央处理器通过网络传输模块发送至服务器，服务器端记录数据。

进一步的，所述记录信息数据包s1中数据帧包含传感器id、模块功能类型，时间数据为null；所述数据包信息s2为时间调整时使用的数据信息，数据帧包含所有传感器id，工作模式，模块功能类型，采集数据为nulll，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为所接收的各数据包中的时间；

进一步的，所述时间信息指令c1中数据帧指令为public，即执行广播模式，时间信息‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制；所述时间信息c2中数据帧指令为‘offer’，即向覆盖范围内所有传感器模块要求返还接收后的时间信息，时间信息‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制；所述新时间信息c3中数据帧包含指令‘online’，即执行正常采样工作，各传感器id与对应新时间信息。

进一步的，所述信息d1中数据帧包含传感器id、模块功能类型，采集数据为null，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为调整后的时间；所述信息d2中数据帧包含传感器id，工作模式‘m2m’，模块功能类型，采集数据，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，时间‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制；信息d2若处于时间同步阶段，则数据帧中采集信息为null，并且时间信息为各传感器调整后的时间；若处于感知数据发送阶段，则数据帧中采集信息为正常采集数据，并且时间信息为采集数据时的对应时间。

进一步的，所述步骤108，按照以下步骤进行：

步骤201：传感器模块自身工作模式设置为m2m模式，listen功能始终开启，即一直监听来自其他传感器模块的数据信息，一旦接收到信息便直接发送至下一传感器模块；

步骤202：通过事先已布置好的传感器id部署方式，传感器模块将自身信息d2发送至下一传感器模块。

步骤203：下一id传感器模块接收信息d2；

如果此时传感器模块与中央处理器直接连接，即工作在normal模式，信息d2直接发送至中央处理器；

如果此时传感器模块没有与中央处理器直接连接，即工作在m2m模式，信息d2发送至下一传感器模块；

步骤204：传感器模块判断是否工作在normal模式，如果是则进入步骤205，如果否则跳转至步骤206；

步骤205：传感器模块通过normal工作模式直接将信息d2发送至中央处理器；

步骤206：传感器模块通过m2m工作模式继续将信息d2转发至下一传感器模块；

步骤207：中央处理器接收信息d2，根据信息d2数据帧中信息进行记录，最后将记录的所有传感器模块的数据包信息s2和s3通过网络传输模块发送至服务器；

其中，数据包信息s2为时间同步过程中的数据包，此时主要为了同步时间，将时间信息发送，不需要采集；

数据包信息s3为正常采集工作时使用的数据信息，数据帧包含所有传感器id，工作模式，模块功能类型，采集数据，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为所接收的各数据包中的时间；

步骤208：服务器接收数据包信息s2和s3，根据数据包信息s2和s3中数据信息更新本地数据库，完成数据接收。

本发明的有益效果是将感知系统的数据传输分为两个阶段：工作模式确定阶段和感知数据发送阶段。第一阶段由传感器模块，中央处理器与服务器的多次通信组成，根据与中央处理器的连接方式将所有传感器模块进行分为normal与m2m两类工作方式，在这个过程中，通过对传感器模块的分类，减少了中央处理器直接连接的负载数量，并且通过在分类过程中加入时间信息，为之后第二阶段各传感器模块定时向中央处理器发送感知信息奠定前提条件，避免了发送顺序的混乱，总体上不仅节省了中央处理器端口数量与通信开销，还提高了覆盖范围内可连接传感器模块的数量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明大规模无线传感器感知系统中m2m通信方法一实施例的流程图。

图2是本发明系统中未直连传感器模块利用m2m通信方法进行数据传输流程图。

图3是本发明中感知层无线传感器模块结构原理图。

图4是本发明大规模无线传感器感知系统的部署及数据传输方式原理图。

图中，1-服务器，2-网络传输模块，3-传感器模块，4-中央处理器，

301-感知模块，302-时钟模块，303-处理器，304-数据发送模块，305-数据接收模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，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。

本发明提供了一种大规模无线传感器感知系统，如图4所示，包括：服务器1，网络传输模块2，传感器模块3，中央处理器4，其中，

服务器1，用于存储系统中央处理器传来的各传感器id号、工作模式、模块功能类型，以及光照、温度、湿度、土壤酸碱度四种环境信息的所有采集数据，以及采集数据时所对应的时间信息，同时也用于向各传感器模块3本地时间调整时提供时间信息；服务器1作为提供服务和管理的控制中心；

网络传输模块2，用于完成中央处理器4与服务器1之间的指令转发与数据传输；

中央处理器4，用于连接部分传感器模块3，接收直接连接的传感器模块3与所有从传感器模块3以m2m通信方式发送来的数据信息，将数据进行打包，通过网络传输模块2发送给服务器1；

传感器模块3，用于定时感知环境信息并进行采集，环境信息包含光照、温度、湿度、土壤酸碱度四种，各传感器模块3间可以通过无线发送与接收方式相互通信传输数据，采集完毕后根据自身的工作模式，将采集后的数据信息通过直连或m2m通信方式发送给中央处理器4进行记录。

工作过程是，首先在中央处理器4覆盖范围内连接部分传感器模块3，这些直连传感器模块3工作于normal模式，为后续m2m通信方式奠定前提条件，之后通过服务器1、网络传输模块2、中央处理器4与各传感器模块3的通信，完成直接通信与m2m通信的分类，最后各传感器模块3根据所确定的工作模式进行数据采集上传。通过m2m通信方式与直接连接通信方式的结合，大大降低了中央处理器的直连负载数量，节省了数据端口，大大提高了原本可连接传感器模块的数量。

如图1所示，本发明提供了一种大规模无线传感器感知系统的m2m通信方法，具体按照以下步骤进行：

步骤101：中央处理器4连接覆盖范围内部分传感器模块3，记录所有连接的传感器模块3的id，并通过网络传输模块2发送记录信息数据包s1至服务器1，所有连接完毕的传感器模块3设置工作在normal工作状态。

其中，s1中数据帧包含传感器id、模块功能类型，时间数据为null。

步骤102：服务器1接收s1，将s1中所有已连接的传感器模块3的id及模块功能类型信息进行提取并记录进本地数据库，对应工作状态记录为normal。

步骤103：服务器1记录完毕后通过网络传输模块2发送时间信息指令c1至中央处理器4。

其中，c1中数据帧指令为public，即执行广播模式，时间信息‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制。

步骤104：中央处理器4接收c1，根据指令public采取广播模式，向覆盖范围内广播时间信息c2。

其中，c2中数据帧指令为‘offer’，即向覆盖范围内所有传感器模块要求返还接收后的时间信息，时间信息‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制。

步骤105：覆盖范围内所有传感器模块3接收到c2，调整自身时钟与c2中时间信息一致，并开启listen功能。

传感器模块3调整完毕后，对自身状态进行判断：

如果传感器模块3已连接至中央处理器4，即自身工作方式为normal，传感器模块3直接发送信息d1至中央处理器4，listen功能始终开启，即监听来自其他传感器模块3的数据，一旦接收直接转发至中央处理器4；

其中，d1中数据帧包含传感器id、模块功能类型，采集数据为null，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为调整后的时间；

如果传感器模块3未连接至中央处理器4，则传感器模块3启动m2m工作模式传送信息d2至中央处理器4，listen功能始终开启，即监听来自其他传感器模块3的数据，一旦接收到数据后根据m2m链路转发至中央处理器4；

其中，d2中数据帧包含传感器id、工作模式‘m2m’、模块功能类型，采集数据为nulll，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为调整后的时间。

步骤106：传感器模块3判断自身是否已连接至中央处理器4，如果是，进入步骤107，如果否，跳转至步骤108。

步骤107：传感器模块3通过normal工作模式发送信息d1至中央处理器4。

步骤108：传感器模块3通过m2m工作模式完成信息d2的发送，将其最终协作转发至中央处理器4。

步骤109：中央处理器4对所有来自传感器模块3的数据信息进行接收，然后发送数据包信息s2至中央处理器4。

其中，s2中数据帧包含所有传感器id、工作模式、模块功能类型，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为所接收的各数据包中的时间。

步骤110：服务器1接收s2，根据s2中的数据，记录各m2m工作模式传感器模块3的id与功能类型信息记录入本地数据库，并调整所有id对应时间信息，将新时间信息c3通过中央处理器4进行广播。

其中，c3中数据帧包含指令‘online’，即执行正常采样工作，各传感器id与对应新时间信息。

步骤111：各传感器模块3接收c3，调整对应自身id时间信息与c3中一致，根据自身工作模式开始定时发送传感器采集信息至中央处理器4，中央处理器4通过网络传输模块2发送至服务器1，服务器端记录数据。

本发明方法过程结构清晰，主要可以分为两个阶段：工作模式确定阶段和感知数据发送阶段。第一阶段由传感器模块3，中央处理器4与服务器1的多次通信组成，根据与中央处理器4的连接方式将所有传感器模块3进行分为normal与m2m两类工作方式，在这个过程中，通过对传感器模块3的分类，减少了中央处理器4直接连接的负载数量，并且通过在分类过程中加入时间信息，为之后第二阶段各传感器模块3定时向中央处理器4发送感知信息奠定前提条件，避免了发送顺序的混乱，总体上不仅节省了中央处理器4的端口数量与通信开销，还提高了覆盖范围内可连接传感器模块3的数量。第二阶段是在已部署好的系统中利用m2m通信方式完成数据的发送与接收。

如图2所示为本发明中系统m2m通信方式执行数据传输操作流程图，即步骤108按照以下步骤进行：

步骤201：传感器模块3自身工作模式设置为m2m模式，listen功能始终开启，即一直监听来自其他传感器模块3的数据信息，一旦接收到信息便直接发送至下一传感器模块。

步骤202：通过事先已布置好的传感器id部署方式，传感器模块3将自身信息d2发送至下一传感器模块。

其中，d2中数据帧包含传感器id，工作模式‘m2m’，模块功能类型，采集数据，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，时间‘abcd-ef-ghij:kl:mn’中的‘abcd’位为年份，‘ef’位为月份，‘gh’位为日期，‘ij’位为时，‘kl’位为分，‘mn’位为秒，时间信息中时分秒的格式采取二十四小时制。

步骤203：下一id传感器模块3接收d2；

如果此时传感器模块3与中央处理器4直接连接，即工作在normal模式，d2直接发送至中央处理器4；

如果此时传感器模块3没有与中央处理器4直接连接，即工作在m2m模式，d2发送至下一传感器模块。

步骤204：传感器模块3判断是否工作在normal模式，如果是则进入步骤205，如果否则跳转至步骤206。

步骤205：传感器模块3通过normal工作模式直接将d2发送至中央处理器4。

步骤206：传感器模块3通过m2m工作模式继续将d2转发至下一传感器模块。

步骤207：中央处理器4接收d2，根据d2数据帧中信息进行记录，最后将记录的所有传感器模块的数据包信息s2/s3通过网络传输模块2发送至服务器1。

其中，s2为时间调整时使用的数据信息，数据帧包含所有传感器id，工作模式，模块功能类型，采集数据为nulll，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为所接收的各数据包中的时间；

s3为正常采集工作时使用的数据信息，数据帧包含所有传感器id，工作模式，模块功能类型，采集数据，时间数据‘abcd-ef-ghij:kl:mn’，并且时间信息为所接收的各数据包中的时间；

步骤208：服务器1接收s2/s3，根据s2/s3中数据信息更新本地数据库，完成数据接收。

图3为本发明大规模无线传感器感知系统中感知层传感器模块的结构原理图，其传感器模块3由感知模块301、时钟模块302、处理器303、数据发送模块304以及数据接收模块305组成。其中，感知模块301、时钟模块302、数据发送模块304与数据接收模块305均保持与处理器303相互之间的通信。系统启动后在时间调整阶段里，时钟模块302用于计时与传感器模块3自身时钟调整，使其可以正常定时采样。本发明中采用的感知模块301中的传感器分为光照、温度、湿度、土壤酸碱度四种环境信息感知功能，在定时采集环境信息完毕后，将数据传给处理器303。在自身采集信息发送时，处理器303根据自身工作模式，将数据传送至数据发送模块304进行发送。在接收到来自其他传感器模块3的数据信息时，数据接收模块305将数据传送至处理器303进行判决，根据处理器303的判决结果将数据传送至数据发送模块304进行下一步的发送。

图4为本发明大规模无线传感器感知系统的部署及数据传输方式原理图，本发明中所有传感器模块3的部署方法如图4中所示，即以中央处理器4为中心采用均匀分布进行部署。本发明中中央处理器4近距离处传感器模块3均与中央处理器4直接连接，采用无线通信方式，中央处理器4覆盖范围远距离处各传感器模块3之间采用m2m通信方式，按图中箭头所示方向进行定向数据传输，所有传感器模块3中m2m工作模式的下一id设置即按图中箭头所示方向下一模块id设置即可，其总体上呈向中心方向汇集趋势。通过m2m通信方式与直连方式相结合完成数据向中央处理器4的传输，中央处理器4再将数据整理通过网络传输模块2发送给服务器1，服务器1完成最后数据的提取与记录。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。