一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，包括服务器、传感器网络；传感器网络包括协调节点、传感器节点，传感器节点上挂载有时钟模块、GPS模块和监测环境信息的传感器；多个传感器节点与一个协调节点无线连接；多个协调节点与服务器通过GPRS模块无线连接。本实用新型采用精准稳定的外部时钟模块控制传感器节点的采样时间，具有良好的实时性，同时，通过GPS模块获取的地理位置信息，实现传感器感知信息与时空信息关联；外部时钟模块还可配合服务器发送的命令，对传感器网络进行同步和控制，解决了现存无线传感网络的时间同步性差的问题，具有时间可控的特点。
【专利说明】
一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统
技术领域
[0001]本实用新型属于无线通信技术领域，特别涉及一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统。
【背景技术】
[0002]无线传感网络是面向应用的，贴近客观物理世界的网络系统，其产生和发展一直都与应用相联系。在环境监控和精细农业方面，WSN系统最为广泛。早在2002年，英特尔公司率先在俄勒R建立了世界上第一个无线葡萄园，这是一个典型的精准农业、智能耕种的实例；在工业监控方面，美国英特尔公司为俄勒同的一家芯片制造厂安装了 200台无线传感器，用来监控部分工厂设备的振动情况，并在测量结果超出规定时提供监测报告。无线传感网络自动化、成本低、易于移植等优势让其在许多领域发挥出卓越的成效。然而，电源能量供给、时钟同步以及数据管理等核心问题仍然是现今无线传感网络发展的羁姅，其中，时钟同步是协同传感器网络各个节点统一工作的基础。
[0003]现有的无线传感网络均采用节点核心板的内部时钟，根据内部时钟对采样进行控制。基于核心板内部时钟的网络系统通常根据节点内部物理时钟和实时时钟的映射关系，采用一定的同步算法解决网络的时钟同步问题;并由该时钟生成固定的采样周期，实现以时钟间隔为基准的采样方式。在此类网络中，网络中某个节点通过接入的授时模块获取实时时钟，再通过无线传感网络将该实时时钟发送到其他节点，其他节点将该时钟加上一定的时间延迟后用作标记数据的时间戳。目前主要方法是通过无线传感网络唯一通道传播时钟信息，这种同步方法中，时钟标签的传播需经过多个节点，不仅加大网络的复杂性，而且很难实现与实时时钟的精准同步。此外，基于内部时钟的网络根据本地晶振生成的固定时间间隔进行采样，无法实现在某个精确的时间点上的采样，并且采样周期不能根据需求灵活地进行调整。因此，当下基于内部时钟的无线传感网络难以实现对环境长期稳定的监测。
[0004]基于此，本实用新型提供一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，旨在精确稳定、实时智能地监测环境信息，并能够长期工作。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型提供了一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，解决了现存无线传感网络的时间同步性差的问题。
[0006]本实用新型采用的技术方案如下:
[0007]—种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，包括服务器、传感器网络;传感器网络包括协调节点、传感器节点，传感器节点上挂载有时钟模块、GPS模块和监测环境信息的传感器;多个传感器节点与一个协调节点无线连接;多个协调节点与服务器通过GPRS模块无线连接。
[0008]所述的传感器网络采用CC2530核心板实现;时钟模块、GPS模块和监测环境信息的传感器分别与CC2530核心板连接。
[0009]所述的时钟模块采用DS3231时钟模块。
[0010]所述的GPS模块采用A1-GPS-V04模块。
[0011]传感器节点利用外挂的时钟模块给感知数据打上时间标签，并控制监测环境信息的传感器的采样周期。服务器可向传感器网络发送控制命令，利用外部时钟同步传感器网络的工作。
[0012]与现有技术相比，本实用新型的优点是，采用精准稳定的外部时钟模块控制传感器节点的采样时间，具有良好的实时性；同时，通过GPS模块获取的地理位置信息，实现传感器感知信息与时空信息关联；外部时钟模块还可配合由服务器发送的命令，对传感器网络进行同步和控制;本实用新型具有时间可控的特点。
【附图说明】
[0013]图1是传感器网络中单个传感器节点的结构示意图；
[0014]图2是传感器网络中协调节点的结构示意图；
[0015]图3是本实用新型的整体结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]本实用新型包括传感器网络、服务器。传感器网络包括协调节点和传感器节点，传感器节点上挂载有时钟模块、GPS模块和一个监测环境信息的传感器，如:土壤湿度传感器；多个传感器节点与一个协调节点无线连接。服务器用于数据接入和传感器网络的控制，称为数据接入与观测控制中心服务器，服务器与协调节点之间通过GPRS模块无线连接。
[0017]作为优选，所述的协调节点以及传感器节点均采用CC2530核心板，该板块集成了8051CPU、射频模块、GP1接口、RS232接口等多个功能部件，支持SP1、I2C、UART等多种通信模式;核心板还加载了 CC2591射频放大器，加大发射功率，提高网络传播距离。
[0018]作为优选，所述的时钟模块采用DS3231时钟模块。DS3231具有低成本、高特性，通过I2C接口和CC2530h核心板连接，最高传输速度400KHz;该模块工作电压为3.3-5V，0_40°C范围内，精度为2ppm，年误差为Is;具有集成的温补晶振和晶体，自带温度传感器;该器件包含电池输入端，断开外部电源仍可保持精确的计时。
[0019]作为优选，所述的GPS模块采用A1-GPS-V04模块，内部芯片为UBLOX NE0-6M。该模块高精度高、灵敏度高、搜星时间短，并且在信号不佳的环境下也具较好的准确性。
[0020]数据接入与观测控制中心服务器为后端服务器，面向决策者，用于收集传感器网络采集的信息和发送控制命令给协调器节点，控制传感器网络的工作。
[0021]下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型中所采用的处理方法均为现有技术。
[0022]如图1所示，带有外部时钟模块的传感器节点结构如下:Px_ySCC2530核心板的I/O接口；电源模块提供3.3V、5V、12V三种直流电压;CC2530核心板由3.3V的直流电源供电；时钟模块由3.3V的直流电源供电，根据GP1口的软件定义，I2C模拟信号线SDA接P0_6，SCL接P0_7; GPS模块由5V的直流电源供电，串口线RX接P0_3，TX接P0_2; 土湿模块由12V的直流电源供电，串口线RX接P1_5，TX接Pl_4。所有模块同传感器节点共地。
[0023]图1、2中的时钟模块用于记录实时时间，包括:年、月、日和时、分、秒，给传感器数据打上时间标签。通过外部时钟模块同步传感器网络和调整采样周期。
[0024]图1中的GPS模块用于获取传感器节点的地理位置信息，包括经度、玮度和海拔高度，给传感器数据打上位置标签。
[0025]图1中的监测环境信息的传感器，除了本申请所述的土壤湿度传感器SHTlO外，还可采用其他传感器，它们通过RS232接口或者I2C接口等与传感器节点连接。
[0026]图1中的电源模块可提供3.3V、5V、12V三种直流电源。在供电困难的地区可采用太阳能供电的方式对模块进行供电。
[0027]如图2所示，协调节点的结构如下:电源模块提供3.3V、5V、12V三种直流电压；CC2530核心板由3.3V的直流电源供电；时钟模块由3.3V的直流电源供电，根据GP1口的软件定义，它的I2C模拟信号线SDA接P0_6，SCL接P0_7;GPRS模块通过RS232接口同CC2530核心板连接，由12V直流电源供电，模块内置S頂卡，可接入2G/3G网络，实现协调节点和数据接入与观测控制中心服务器的通信。
[0028]如图3所示，传感器网络通过2G/3G网络与数据接入与观测控制中心服务器无线通信。传感器网络包括协调节点和传感器节点，节点间通过ZigBee协议无线通信。协调节点如图2所示，传感器节点如图1所示，其中土壤湿度传感器可换成其他监测环境信息的传感器。数据接入与观测控制中心服务器通过互联网获取准确的时钟信息，经由2G/3G网络将矫正时钟的命令传达到传感器网络，矫正各节点时钟模块的时钟偏差。考虑到节点之间的通信具有延时误差，无线传感器网络规模越大，时钟同步的误差将越大。鉴于此，为了保证时钟同步的精准性，传感器网络采用简单的星型结构:协调节点与传感器直接无线连接，其间不含有用于转发信息的节点。
【主权项】
1.一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，其特征在于:包括服务器、传感器网络;传感器网络包括协调节点、传感器节点，传感器节点上挂载有时钟模块、GPS模块和监测环境信息的传感器;多个传感器节点与一个协调节点无线连接;多个协调节点与服务器通过GPRS模块无线连接。2.根据权利要求1所述的一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，其特征在于:所述的传感器网络采用CC2530核心板实现;时钟模块、GPS模块和监测环境信息的传感器分别与CC2530核心板连接。3.根据权利要求2所述的一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，其特征在于:所述的时钟模块采用DS3231时钟模块。4.根据权利要求3所述的一种基于外部时钟控制观测时间的传感器系统，其特征在于:所述的GPS模块采用A1-GPS-V04模块。
【文档编号】H04W56/00GK205430617SQ201620210871
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】卜方玲, 李雅夫, 陈鸿宇, 杨剑轩, 李倩婷
【申请人】武汉大学