专利名称：物联网系统的接入网关及其运行方法
技术领域：
本发明属于无线通信网络技术领域，特别涉及一种基于ZigBee与GPRS或WiFi的物联网系统接入网关及该网关的运行方法。
背景技术：
物联网是通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。从技术架构上来看，物联网可分为三层感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及接入网关(传感器网关)构成、网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成、应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口。目前，流行的接入网关一般基于 ZigBee技术建立，如中国专利CN101784132公开的“基于WiFi和ZigBee的无线网络设备”， 包括主控模块、ZigBee通信模块、电源模块等；CN200810139162. 8 “用于WiFi与ZigBee无线网络协议转换的嵌入式网关”，还公开了嵌入式网关的运行方法；CN10178342A “一种支持 ZigBee协议和GPRS通信标准的无线传感器网络网关设备”，还公开了网关设备包括按键、 液晶等单元。现有的接入网关存在诸多的不足，仅能固定ZigBee与GPRS或WiFi之间的通信，设备运行不稳定，工作寿命较低，网关体积较大。
发明内容
本发明提供了一种可以自动选择上行方式，设备运行稳定，工作寿命长，较强的可扩展性，体积较小的物联网系统接入网关。同时，本发明还提供了基于上述网关的运行方法。本发明的详细技术方案如下本发明的一种物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，其中处理器模块采用STM32F103VCT6 微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，复位模块为处理器模块，GPRS模块，WIFI模块提供复位信号，电源模块为其他模块进行供电。本发明的物联网系统接入网关中，ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现； WiFi模块采用EMW3180芯片实现；GPRS模块采用SIM900A芯片实现。本发明的物联网接入网关，其中电源模块采用TPS5430D与LM2575来实现；复位模土夬采用 MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S 来实现。本发明的物联网接入网关，其中输入输出接口模块提供IIC接口、UART接口、GPIO接口。本发明还提供了一种物联网接入网关的运行方法，具体包括如下步骤(1)系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；(2)处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；(3)初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；(4)初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；(5)明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；(6)系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；(7)系统将步骤(6)读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器。上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤O)中自适应初始化的处理方法为(1)读取电子标签模块的信息；(2)判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；(3)根据电子标签内容进行系统初始化。上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(3)中，自动选择上行网络设备(1)判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；(2)如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；(3)如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；(4)如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(5)中明确ZigBee网络情况发送至公网服务器(1)发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；(2)将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(6)、(7)中(1)系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；(2)系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；(3)将⑴、⑵中封装好的数据内容发送到公网服务器。上述一种物联网接入网关的运行方法的步骤(1)、(2)订制物联网私有协议格式， 物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。本发明所用的元器件来源为STM32F103VCT6 内核ARM 32 位的 Cortex_M3CPU，最高 72MHz 工作频率， 1. 25DMips/MHz ；FLASH :256K 字节；RAM :48K 字节；供电2. 0 3. 6V ；ADC :3 个 12 位模数转换器；1 μ S转换时间；21个输入通道；转换范围0至3. 6V ；DAC 2通道12位D/A转换器； DMA: 12通道DMA控制器；5个串口，USB接口，CAN总线单片机，7个16位定时器。
STM32W ST公司生产，是高性能的IEEE802. 15. 4无线片上系统(SoC)，集成了 2.4GHz IEEE802. 15. 4兼容的收发器，32位ARMCortex-M3微处理器，U8KB RAM存储器以及基于ZigBee系统的外设。微处理器工作频率为6、12或24MHz，收发器有极好的RF性能，正常模式链接高达102dB，可配置到107dB，RX灵敏度为_99dBm，可配置到-IOOdB,正常模式输出功率+3dBm，可配置到+7daii。EMW3X80系列上海庆科信息技术有限公司开发的高速串口 /Wi-Fi数据传输模块， 它内部集成了 TCP/IP协议栈和WiFi通讯模块驱动，包括EMW3080、EMW3180等不同型号产
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BFI οSIM900A 是一个 2 频的 GSM/GPRS 模块，工作频段为EGSM900MHZ 和 DCS1800MHZ。 SIM900A支持GPRS multi-slot classl0/class8 (可选)和 GPRS编码格式 CS-1，CS-2，CS-3 和 CS-4.MC74VHC1G09是一种先进的高速CMOS 2_input并与开漏输出与硅栅制作CMOS技术.它实现了高速操作类似等效双极肖特基TTL同时保持低功耗CMOS耗散.内部电路由三个阶段，包括开放漏极输出，提供了功能设置输出开关水平.这使得MC74VHC1G09将用于界面5VVCC之间的任何电压电路电路和7V使用外部电阻和电源.该MC74VHC1G09输入结构时提供保护电压高达7V得到应用，无论电源电压.高速tPD =在4. 3ns (Typ) VCC = 5V低内部功耗ICC = 2μΑ在TA = 25°C (最大)掉电保护的输入端 引脚和功能兼容与其他标准逻辑系列闭锁性能超过300mAESD 性能=HBM > 2000V ；MM > 200V, CDM > 1500VSN74LVC1G08DBVR,采用 S0T-23 封装方式，制造商Texas hstruments，产品种类门(与/非与/或/非或)；产品=AND逻辑系列74LVC电路数量Single高电平输出电流_32mA低电平输出电流32mA传播延迟时间4. 5nsi3. 3V电源电压(最大值):5. 5V电源电压(最小值)1.65V最大工作温度85C最小工作温度_40C。本发明的有益效果在于，可以自动的选择GPRS或WiFi模式，工作寿命可达20年， 扩展性较强设备，设备外形较小。
图1、电源模块LM2575、TPS5430DDA电路原理图；图2、GPRS模块电路原理图；图3、WiFi模块电路原理图4、处理器模块电路原理图；图5、ZigBee模块电路原理图；图6、复位模块电路原理图；图7、电子标签模块原理图。
具体实施例方式实施例1网关本发明的物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，结合图1所示，所述处理器模块采用 STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为处理器模块，GPRS模块，WIFI模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电。结合图1所示，ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现；WiFi模块采用 EMW3180芯片实现；GPRS模块采用SIM900A芯片实现。结合图1所示，电源模块采用TPS5430D与LM2575来实现；所述复位模块采用 MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S 来实现。结合图1所示，输入输出接口模块提供IIC接口、UART接口、GPIO接口。实施例2运行方法包括如下步骤(1)系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；(2)处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；自适应初始化的处理方法为1)读取电子标签模块的信息；2)判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；3)根据电子标签内容进行系统初始化。步骤(1)、(2)订制物联网私有协议格式，物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。(3)初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；自动选择上行网络设备具体步骤为1)判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；2)如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；3)如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；4)如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。(4)初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；
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(5)明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；明确ZigBee网络情况发送至公网服务器1)发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；2)将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。(6)系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；(7)系统将步骤(6)读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器。1)系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；2)系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；3)将⑴、⑵中封装好的数据内容发送到公网服务器。以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
权利要求
1.一种物联网系统接入网关，包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，其特征在于，所述处理器模块采用 STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为处理器模块，GPRS模块，WIFI模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电。
2.如权利要求1所述的物联网系统接入网关，其特征在于，所述ZigBee模块采用ST公司的STM32W芯片实现；所述WiFi模块采用EMW3180芯片实现；所述GPRS模块采用SIM900A 芯片实现。
3.如权利要求1所述的物联网接入网关，其特征在于，所述电源模块采用TPS5430D与 LM2575 来实现；所述复位模块采用 MC74VHC1G09、SN74LVC1G08DBVR、CAT811S 来实现。
4.如权利要求1所述的物联网接入网关，其特征在于，所述输入输出接口模块提供IIC 接口、UART 接口、GPIO 接口。
5.如权利要求1-4所述的任一物联网接入网关的一种运行方法，包括如下步骤(1)系统上电，复位模块工作，处理器模块、GPRS模块、WiFi模块复位；(2)处理器模块读取电子标签模块内容，根据电子标签模块内容进行自适应初始化；(3)初始化上行网络设备，自动选择上行网络设备；(4)初始化ZigBee网络设备，建立ZigBee网络；(5)明确ZigBee网络情况，通过定制的物联网私有协议将ZigBee网络情况发送到公网服务器；(6)系统工作，接收ZigBee网络报文，监测ZigBee网络变化，同时可以直接通过所述的输入输出接口模块读取传感器模块数据；(7)系统将步骤(6)读取的ZigBee报文及传感器数据通过定制的物联网私有协议进行格式转换后，发送到公网服务器。
6.如权利要求5所述的物联网接入网关的一种实现方法，其特征在于步骤O)中自适应初始化的处理方法为(1)读取电子标签模块的信息；(2)判断电子标签内容，包括支持传感器类型，是否限制上行方式；(3)根据电子标签内容进行系统初始化。
7.如权利要求6所述的物联网接入网关的一种实现方法，其特征在于步骤(3)中自动选择上行网络设备(1)判断是否电子标签模块对上行方式进行指定，如果已经指定上行方式，则按照已经指定的上行方式进行，退出上行方式选择；(2)如果电子标签模块没有指定上行模式，首先尝试WiFi模式上行，通过WiFi模块连接公网服务器，如果成功，则选择WiFi模式为系统上行模式，退出上行模式选择；(3)如果WiFi模式无法连接公网服务器，尝试GPRS模式上行，通过GPRS模块连接公网服务器，如果成功，则选择GPRS模式为系统上行模式，退出上行模式选择；(4)如果WiFi及GPRS都无法连接公网服务器，系统报警，提示用户处理。
8.如权利要求5所述的物联网接入网关的一种实现方法，其特征在于步骤(5)中明确ZigBee网络情况发送至公网服务器(1)发送ZigBee网内广播，明确ZigBee网络组成情况；(2)将ZigBee组网情况按照定制的物联网私有协议格式上行发送到公网服务器。
9.如权利要求5所述的物联网接入网关的一种实现方法，其特征在于步骤(6)、(7)中(1)系统将接收到的ZigBee数据报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；(2)系统将接收到的ZigBee协议报文进行汇总，按照订制的物联网私有协议格式进行封装；(3)将(1)、⑵中封装好的数据内容发送到公网服务器。
10.如权利要求5所述的物联网接入网关的一种实现方法，其特征在于步骤(1)、(2)订制物联网私有协议格式，物联网私有数据协议格式包含该网关节点及所属ZigBee网络各个节点的传感器属性及数值。
全文摘要
本发明涉及一种基于ZigBee与GPRS或WiFi的物联网系统接入网关及该网关的运行方法。包括处理器模块，WiFi模块，ZigBee模块，电源模块，输入输出接口模块，复位模块，电子标签模块，其特征在于，所述处理器模块采用STM32F103VCT6微处理器芯片实现，通过SPI总线与ZigBee模块进行连接，通过UART总线与WiFi模块相连，通过UART总线与GPRS模块相连，通过IIC总线与电子标签模块相连，所述复位模块为其他模块提供复位信号，所述电源模块为其他模块进行供电。本发明的有益效果在于，可以自动的选择GPRS或WiFi模式，工作寿命可达20年，扩展性较强。
文档编号H04W88/16GK102421208SQ20121000826
公开日2012年4月18日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者于家凤, 何宜根, 刘硕, 徐静, 王晓宁, 管伟, 陆欲飞 申请人:刘硕