无线自组网系统的制作方法

1.本实用新型涉及无线组网技术领域，具体涉及无线自组网系统。


背景技术：

2.随着无线通信技术的高速发展，远距离无线电技术传输距离远的特性被越来越多地应用到传感数据采集和传输领域，例如在环境监测领域利用远距离无线电技术将传感器进行无线组网，能够方便采集到各种环境数据，如气温、相对湿度、气体浓度和光照强度等数据。
3.现在用于环境监测与调控的无线自组网系统主要有zigbee，蓝牙mesh，wifi，gprs、4g和5g等，这些常用的无线网络传输技术都具备无线网络传输能力，但是通常需要专业人员配置才能形成网络，组网过程复杂多变，还不具备网络自愈能力，不能满足现代无线组网的需求。


技术实现要素：

4.针对现有技术中所存在的不足，本实用新型提供的无线自组网系统，其解决了现有技术中的无线自组网系统需要专业人员配置的问题，具备无线自动组网能力和网络自愈能力，满足了现代无线组网的需求。
5.本实用新型提供一种无线自组网系统，所述组网系统包括：服务器、若干个网关、若干个中继器和若干个监测终端；每个监测终端用于将采集到的第一监测数据发送到第一目标通信设备，每个中继器用于将接收到的第二监测数据发送到第二目标通信设备；当所述第一目标通信设备或/和所述第二目标通信设备为网关时，所述网关将所述第一监测数据或/和所述第二监测数据发送到所述服务器；所述服务器用于根据所述第一监测数据和所述第二监测数据的传输路径，生成路径信息图；所述每个中继器和所述每个监测终端均包括：通信状态检测模块和第一无线通信模块，所述通信状态检测模块用于检测所述监测终端或所述中继器的无线通信状态，当检测到所述无线通信状态处于断开状态时，发送连接信号到所述第一无线通信模块；所述第一无线通信模块用于根据所述连接信号在目标频率组广播网络搜索协议数据，使所述网关和已组网中继器根据所述网络搜索协议数据进行应答，还用于根据应答数据与所述第一目标通信设备或所述第二目标通信设备建立通信连接。
6.可选地，所述每个中继器还包括：处理器，与所述第一无线通信模块相连，用于将当前中继器的设备id封装与所述第二监测数据进行封装，还用于根据所述第二目标通信设备的类型设置自身的中继深度；数据存储模块，与所述第一无线通信模块相连，还与所述处理器相连，用于存储自身的设备id和所述第二目标通信设备的设备id，还用于存储所述第二监测数据。
7.可选地，所述每个中继器还包括：信号强度检测模块，与所述第一无线通信模块相连，用于检测所述第一无线通信模块接收到所述网络搜索协议数据的信号强度值；所述处
理器还与所述信号强度检测模块相连，还用于将所述信号强度值与预设强度阈值进行比较，当所述信号强度值大于所述预设强度阈值时，通过所述第一无线通信模块发送应答数据。
8.可选地，所述网关包括：双核处理器、主控制器、第二无线通信模块、接口模块；所述双核处理器用于进行参数设置和数据缓存；所述主控制器与所述第二无线通信模块相连，用于将所述第二无线通信模块接收到的所述第一监测数据或所述第二监测数据进行解析和协议转换；所述接口模块与所述主控制器相连，用于实现物理层接口转换，使所述主控制器通过所述接口模块将转换后的监测数据发送到所述服务器。
9.可选地，所述第二无线通信模块包括：无线收发芯片、调节电路和收发天线；所述无线收发芯片通过i/o接口与所述主控制器通信连接，所述无线收发芯片通过所述调节电路与所述收发天线相连。
10.可选地，所述调节电路包括：第一电容，所述第一电容的第一端与所述无线收发芯片的信号收发端相连；第一电感，所述第一电感的第一端与所述第一电容的第二端相连；第二电容，所述第二电容的第一端与所述第一电感的第二端相连；第二电感，所述第二电感的第一端与所述第二电容的第二端相连；第三电感，所述第三电感的第一端与所述第二电感的第二端相连，所述第三电感的第二端与所述收发天线相连。
11.可选地，所述调节电路还包括：第三电容，所述第三电容的第一端与所述第一电感的第二端相连，所述第三电容的第二端接地；第四电容，所述第四电容的第一端与所述第二电感的第二端相连，所述第四电容的第二端接地。
12.可选地，所述调节电路还包括：第四电感，所述四电感的第一端与所述第一电容的第一端相连；第五电容，所述第五电容的第一端与所述第四电感的第二端相连，所述第五电容的第二端接地；第六电容，所述第六电容的第一端与所述第五电容的第一端相连，所述第六电容的第一端还与电源相连，所述第六电容的第二端接地。
13.可选地，所述网关还包括：显示模块，与所述双核处理器相连，用于通过所述显示模块进行参数设置和显示缓存数据。
14.可选地，所述每个中继器和所述每个监测终端均还包括：通信状态显示模块，所述通信状态显示模块包括电阻和发光二极管，所述电阻的第一端与所述通信状态检测模块相连，所述电阻的第二端与所述发光二极管的阴极相连，所述发光二极管的阳极与电源相连。
15.相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
16.本实用新型提供的无线自组网系统通过通信状态检测模块实时监测组网设备的当前无线通信状态，当检测到处于断开或者初始未连接状态时，使第一无线通信模块在相应的频率组中进行目标通信设备的搜索和连接，因此本系统在组网设备上电后不需要人工干预就自动形成一个无线局域网络，具备无线自动组网能力，并且该网络还具备连接断开后自动重新搜索其他目标通信设备的自愈能力；本实用新型根据组网实际情况，组网系统中的监测终端可以直接和网关建立通信连接，不是所有的监测终端发送的数据都需要多级中继器的层层转发后才能到网关，不仅提高了网络的覆盖范围，还提高了网络通信效率，满足了现代无线组网的需求。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
18.为了更清楚地说明本实用新型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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1所示为本实用新型实施例提供的一种无线自组网系统的电路示意图；
20.图2所示为本实用新型实施例提供的一种无线自组网方法的流程示意图；
21.图3所示为本实用新型实施例提供的另一种无线自组网方法的流程示意图；
22.图4所示为本实用新型实施例提供的一种路径信息示意图；
23.图5所示为本实用新型实施例提供的一种网关结构示意图；
24.图6所示为本实用新型实施例提供的一种第二无线通信模块的电路示意图。
具体实施方式
25.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.本实用新型实例中相同标号的功能单元具有相同和相似的结构和功能。
27.实施例一
28.图1所示为本实用新型实施例提供的一种无线自组网系统的结构示意图，如图1所示，本实施例提供的无线自组网系统具体包括：
29.服务器、若干个网关、若干个中继器和若干个监测终端；
30.每个监测终端用于将采集到的第一监测数据发送到第一目标通信设备，每个中继器用于将接收到的第二监测数据发送到第二目标通信设备；当所述第一目标通信设备或/和所述第二目标通信设备为网关时，所述网关将所述第一监测数据或/和所述第二监测数据发送到所述服务器；所述服务器用于根据所述第一监测数据和所述第二监测数据的传输路径，生成路径信息图；
31.所述每个中继器和所述每个监测终端均包括：通信状态检测模块和第一无线通信模块，所述通信状态检测模块用于检测所述监测终端或所述中继器的无线通信状态，当检测到所述无线通信状态处于断开状态时，发送连接信号到所述第一无线通信模块；所述第一无线通信模块用于根据所述连接信号在目标频率组广播网络搜索协议数据，使所述网关和已组网中继器根据所述网络搜索协议数据进行应答，还用于根据应答数据与所述第一目标通信设备或所述第二目标通信设备建立通信连接。
32.基于上述实施例的无线自组网系统，本实施例提供一种无线自组网方法，如图2所示本实用新型实施例提供的无线自组网方法具体包括以下步骤：
33.步骤s101，组网设备检测当前无线通信状态；
34.步骤s102，所述组网设备当检测到所述当前无线通信状态处于断开状态时，在目标频率组广播网络搜索协议数据，使所述网关和已组网中继器根据所述网络搜索协议数据
进行应答；
35.步骤s103，所述组网设备接收多个应答数据；
36.步骤s104，所述组网设备根据所述多个应答数据获取建立组网连接的目标通信设备。
37.结合图1和图2需要说明的是，本实施例中的组网设备包括待组网的监测终端和待组网的中继器，其中每个中继器和每个监测终端均包括通信状态检测模块和第一无线通信模块，当所述通信状态检测模块检测到当前组网设备的无线通信状态为初始状态或断开状态时，控制第一无线通信模块在目标频率组广播网络搜索协议数据，使收到所述组网设备发送的网络搜索协议数据的网关和已组网中继器进行应答，所述组网设备根据应答数据确定相应的目标通信设备。
38.在本实施例中，所述第一目标通信设备包括与当前监测终端建立通信连接的网关或中继器，所述第二目标通信设备包括与当前中继器建立通信的网关或其他中继器，若干个中继器根据中继深度分成一级中继器、二级中继器和三级中继器，如图1可知，监测终端的第一目标通信设备也就是监测终端的父节点可能是网关、一级中继器、二级中继器和三级中继器中的任意一个；以此类推，中继器的第二目前通信设备也可能是网关和其他中继器的任意一个，当然第二目前通信设备中的其他中继器的中继深度比当前中继器的中继深度低，例如当前中继器的中继深度为三级，那么当前中继器的第二目标通信设备包括网关、一级中继器和二级中继器中的任意一个。
39.在本实施例中，当第一目标通信设备接收到第一监测数据时，将所述第一监测数据转发到所述第一目标通信设备所对应的目标通信设备中，依次转发，直到所述第一监测数据被转发到网关为止；基于相同的原理，当所述第二目标通信设备接收到第二监测数据时，将所述第二监测数据转发到所述第二目标通信设备所对应的目标通信设备中，依次转发，直到所述第二监测数据被转发到网关为止；所述监测终端上传的监测数据每经过一次数据转发都会在协议数据帧后追加上中继器或网关的设备id信息，当监测数据上传至服务器后，服务器根据监测终端上传的监测数据识别出该帧数据的路径信息，动态生成路径信息图。
40.在本实施例中，环境监测调控无线自组网由网关、中继、终端组成，网关主要功能就是把无线自组网内部协议转换为以太网协议、gprs、3g、4g、wifi网络协议。中继主要实现无线信号覆盖、信号中继传输，监测终端实现各类环境参数监测，如温湿度、光照、紫外、二氧化碳、甲醛、二氧化硫、有机挥发物、含硫污染物、有机污染物、无机污染物等。
41.需要说明的是，为了增加系统终端接入容量，终端设计有多组工作频率点，就是多组不同频率相互独立的无线自组网络群，在网络搜索时，网关、中继、终端设计有频率组选择开关，终端根据用户设置的频率，跳频到对应频点上按以上方法搜索网络，系统默认为0组频率；相当于网关、中继和终端都有相互独立的频率组，一个中继在同一个频率可以接入多个终端，并且一个中继还可以接入不同频率组中的多个终端。
42.相比于现有技术，本实用新型具有如下有益效果：
43.本实用新型提供的无线自组网系统通过通信状态检测模块实时监测组网设备的当前无线通信状态，当检测到处于断开或者初始未连接状态时，使第一无线通信模块在相应的频率组中进行目标通信设备的搜索和连接，因此本系统在组网设备上电后不需要人工
干预就自动形成一个无线局域网络，具备无线自动组网能力，并且该网络还具备连接断开后自动重新搜索其他目标通信设备的自愈能力；本实用新型根据组网实际情况，组网系统中的监测终端可以直接和网关建立通信连接，不是所有的监测终端发送的数据都需要多级中继器的层层转发后才能到网关，不仅提高了网络的覆盖范围，还提高了网络通信效率，满足了现代无线组网的需求。
44.在本实施例中，所述每个中继器还包括：处理器，与所述第一无线通信模块相连，用于将当前中继器的设备id封装与所述第二监测数据进行封装，还用于根据所述第二目标通信设备的类型设置自身的中继深度；数据存储模块，与所述第一无线通信模块相连，还与所述处理器相连，用于存储自身的设备id和所述第二目标通信设备的设备id，还用于存储所述第二监测数据；信号强度检测模块，与所述第一无线通信模块相连，用于检测所述第一无线通信模块接收到所述网络搜索协议数据的信号强度值；所述处理器还与所述信号强度检测模块相连，还用于将所述信号强度值与预设强度阈值进行比较，当所述信号强度值大于所述预设强度阈值时，通过所述第一无线通信模块发送应答数据。
45.图2步骤s102中所述网关和已组网中继器根据所述网络搜索协议数据进行应答，包括：所述网关和所述已组网中继器获取接收到所述网络搜索协议数据的信号强度信息；所述网关和所述已组网中继器判断所述信号强度信息是否大于预设强度阈值；当所述信号强度信息大于所述预设强度阈值时，所述网关和所述已组网中继器对所述网络搜索协议数据进行应答。
46.需要说明的是，当组网设备发送网络搜索协议数据后，在组网设备一定范围内的多个网关和多个中继器会收到所述网络搜索协议数据，但是所述多个网关和多个中继器会对接收到的信号强度进行判断，当信号强度大于预设强度阈值时才发送相应的应答数据，信号强度较弱时则不回应，提高了网络的通信质量。
47.如图3所示，本实施例中当所述组网设备为中继器时，所述组网设备根据所述多个应答数据获取建立组网连接的目标通信设备具体包括以下步骤：
48.步骤s201，待组网中继器获取每个应答数据中应答设备的设备id；
49.步骤s202，待组网中继器根据每个设备id，判断所有应答设备中是否存在网关，当所有应答设备中存在网关时执行步骤s203，当所有应答设备中不存在网关时执行步骤s204；
50.步骤s203，将所述网关作为所述目标通信设备，并将自身的中继深度设置为一级中继；
51.步骤s204，判断所有应答设备中是否存在一级中继器，当所述所有应答设备中存在所述一级中继器时执行步骤s205，当所述所有应答设备中不存在所述一级中继器时步骤s206；
52.步骤s205，将所述一级中继器作为目标通信设备，并将自身的中继深度设置为二级中继；
53.步骤s206，判断所有应答设备中是否存在二级中继器，当所述所有应答设备中存在所述二级中继器时执行步骤s207，当所述所有应答设备中不存在所述二级中继器时步骤s208；
54.步骤s207，将所述二级中继器作为目标通信设备，并将自身的中继深度设置为三
级中继；
55.步骤s208，待组网中继器进入休眠模式，预设时长后继续发送网络搜索协议数据。
56.需要说明的是，为了环境监测系统的实际需要，在本实施例中的无线自组网系统中将中继器的中继深度设计了三级，中继器自组网工作原理如下：
57.第一步：中继器第一次上电后会主动发出网络搜索协议数据，当中继器收到网关的应答数据后，中继保存好数据传输路径，然后把自己设置为1级中继。
58.第二步：如果中继器没有搜索到网关应答数据，中继器继续搜索1级中继，如果收到1级中继器应答，中继器保存好数据传输路径，然后把自己设置为2级中继。
59.第三步：如果中继器没有搜索到1级中继应答数据，中继器继续搜索2级中继，如果收到2级中继应答，中继器保存好数据传输路径，然后把自己设置为3级中继。
60.如果中继器搜索2级中继不成功，则重复第一步、第二步、第三步重新搜索网络，如果重复三次都不成功，中继进入休眠模式，1小时后重复以上步骤。
61.在本实施例中，当所述组网设备为监测终端时，所述组网设备根据所述多个应答数据获取建立组网连接的目标通信设备，包括：待组网监测终端获取每个应答数据中应答设备的设备id；所述待组网监测终端根据每个设备id，判断所有应答设备中是否存在所述网关；当所有应答设备中存在所述网关时，所述待组网监测终端将所述网关作为所述目标通信设备；当所有应答设备中不存在所述网关时，所述待组网监测终端判断所有应答设备中是否存在一级中继器；当所述所有应答设备中存在所述一级中继器时，所述待组网监测终端将所述一级中继器作为所述目标通信设备。
62.需要说明的是，监测终端自组网工作原理为：无线自组网络监测终端第一次上电后会主动发出网络搜索协议数据，为了提高网络通信效率，终端首先发出搜索网关协议数据，当终端收到网关的应答数据后，终端保存好数据传输路径，然后停止发送网络搜索协议数据。当终端没有收到网关应答数据，监测终端将依次搜索一级中继、二级中继、三级中继，监测终端搜索到任何一级中继应答，都会保存好数据传输路径，停止发送网络搜索协议数据，终端以后需要发送数据时主动按此路径发送。
63.在本实用新型的另一个实施例中，所述组网设备根据所述多个应答数据获取建立组网连接的目标通信设备之后，所述方法还包括：监测终端发送监测数据到所述目标通信设备，使所述监测数据被依次发送到所述网关；所述网关将所述监测数据封装成tcp/ip协议帧发送到服务器；所述服务器根据所述监测数据中的路径信息，生成路径信息图。
64.图4所示为本实用新型实施例提供的一种路径信息示意图，由图4可知，组网设备的设备id可以通过设备类型和设备序号进行设置，例如设备id的前三位表示设备类型，004表示网关，003表示三级中继，002表示二极中继，001表示一级中继，000表示监测终端，设备id的后三位表示设备序号。
65.图5所示为本实用新型实施例提供的一种网关结构示意图，本实施例提供的所述网关具体包括：双核处理器、主控制器、第二无线通信模块、接口模块；所述双核处理器用于进行参数设置和数据缓存；所述主控制器与所述第二无线通信模块相连，用于将所述第二无线通信模块接收到的所述第一监测数据或所述第二监测数据进行解析和协议转换；所述接口模块与所述主控制器相连，用于实现物理层接口转换，使所述主控制器通过所述接口模块将转换后的监测数据发送到所述服务器；显示模块，与所述双核处理器相连，用于通过
所述显示模块进行参数设置和显示缓存数据。
66.需要说明的是，网关主要由cortex a9双核处理器，主处理器，7寸lcd显示屏+电容触摸屏，移动通讯模块，tf数据缓存卡，无线数据收发模块，wifi/rj-45接口模块等；cortex a9双核处理器，安装android系统，网关专用app软件主要实现弯网关数据显示、参数设置、数据缓存等，32位stm32 cortex f103，实现无线自组网协议与以太网络、移动通讯网络数据协议转换，移动通讯模块，无线数据收发模块，wifi/rj-45接口模块实现各协议间的物理层接口转换，实现网关的核心功能。网关主控制器收到无线模块串口传来数据，首先分析数据帧内部指令类型，如果为路由搜索指令，网关直接应答路由搜索成功指令；如果收到的数据是终端的传感器监测数据，网关软件将该数据通过串口把数据发送到以太网通讯模块，数据经该模块封装为tcp/ip协议帧传送至服务器。
67.图6所示为本实用新型实施例提供的一种第二无线通信模块的电路示意图，如图6所示，所述第二无线通信模块包括：无线收发芯片、调节电路和收发天线；所述无线收发芯片通过i/o接口与所述主控制器通信连接，所述无线收发芯片通过所述调节电路与所述收发天线相连。
68.在本实施例中，所述调节电路包括：第一电容c1，所述第一电容c1的第一端与所述无线收发芯片的信号收发端相连；第一电感l1，所述第一电感l1的第一端与所述第一电容c1的第二端相连；第二电容c2，所述第二电容c2的第一端与所述第一电感l1的第二端相连；第二电感l2，所述第二电感l2的第一端与所述第二电容c2的第二端相连；第三电感l3，所述第三电感l3的第一端与所述第二电感l2的第二端相连，所述第三电感l3的第二端与所述收发天线相连。
69.在本实施例中，所述调节电路还包括：第三电容c3，所述第三电容c3的第一端与所述第一电感l1的第二端相连，所述第三电容c3的第二端接地；第四电容c4，所述第四电容c4的第一端与所述第二电感l2的第二端相连，所述第四电容c4的第二端接地；第四电感l4，所述四电感的第一端与所述第一电容c1的第一端相连；第五电容c5，所述第五电容c5的第一端与所述第四电感l4的第二端相连，所述第五电容c5的第二端接地；第六电容c6，所述第六电容c6的第一端与所述第五电容c5的第一端相连，所述第六电容c6的第一端还与电源相连，所述第六电容c6的第二端接地。
70.在本实施例中，所述每个中继器和所述每个监测终端均还包括：通信状态显示模块，所述通信状态显示模块包括电阻和发光二极管，所述电阻的第一端与所述通信状态检测模块相连，所述电阻的第二端与所述发光二极管的阴极相连，所述发光二极管的阳极与电源相连。
71.在本实用新型的另一个实施例中，中继器主要实现无线信号覆盖，提供无线通讯通道，把接收到的数据通过已有路径传输到监测平台，中继主要由32位处理器，无线通讯单元，数据存储单元，为了提高数据转发效率，上行和下行通讯采用独立无线通讯单元。
72.本实用新型提供的无线自组网方法，通讯防碰撞方法，通讯路径建立方法，动态路径建立方法，一种无线自组网中继、网关、无线通讯模块、监测终端装置，无线自组网频率资源分配，根据环境监测调控的实际应用需要，系统上电后不需要人工干预自动形成一个无线局域网络，该网络还应具备网络路由、设备状态等管理能力等，无线传感器网络大部分终端都是电池供电，续航时间要求达到几年或更长，满足了环境监测的实际需求。
73.需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
74.以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。