專利名稱：一種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的gprs網(wǎng)關(guān)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的GPRS網(wǎng)關(guān)，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
物聯(lián)網(wǎng)的概念是在1999年提出的。它是一種通過(guò)射頻識(shí)別(RFID)、紅外感應(yīng)器、 全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接， 進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的網(wǎng)絡(luò)。目前綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測(cè)等各個(gè)行業(yè)均有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的成功案例。從技術(shù)架構(gòu)上來(lái)看，物聯(lián)網(wǎng)可分為三層感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由傳感器系統(tǒng)構(gòu)成，包括二氧化碳濃度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器、RFID標(biāo)簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無(wú)線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為感知層重要組成部分，是由大量的具有無(wú)線通信與計(jì)算能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成、能夠完成指定任務(wù)的多跳、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它具有規(guī)模大、成本低、節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功耗低、自組織等特點(diǎn)，是連接計(jì)算機(jī)世界與真實(shí)物理世界的橋梁。但WSN節(jié)點(diǎn)受自身資源、部署環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等條件限制，直接接入到網(wǎng)絡(luò)層的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中不切實(shí)際。GPRS網(wǎng)關(guān)，作為一個(gè)傳感器網(wǎng)關(guān)，位于傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)終端之間，是WSN與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相融合的關(guān)鍵所在。GPRS網(wǎng)關(guān)作為傳感網(wǎng)絡(luò)與外界連接的紐帶，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間的協(xié)議的轉(zhuǎn)換，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)聚集、存儲(chǔ)、處理和轉(zhuǎn)發(fā)工作等重要角色。因此 GPRS網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有一定的處理能力、存儲(chǔ)能力和通信能力。本發(fā)明基于以上GPRS網(wǎng)關(guān)的特性，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種GPRS網(wǎng)關(guān)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中傳感器網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)應(yīng)用的要求和特點(diǎn)，在 TinyOS和"TelosB節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的GPRS網(wǎng)關(guān)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下整個(gè)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分簇內(nèi)通信子系統(tǒng)(收集內(nèi)部傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù))和簇外通信子系統(tǒng)(與外部數(shù)據(jù)終端通訊)。由以下五個(gè)部分組成中央處理器模塊、簇內(nèi)通信模塊、GPRS通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊。所述的中央處理器模塊分別接簇內(nèi)通信模塊、GPRS模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊。它運(yùn)行TinyOS操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊控制命令以及傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行工作。所述的簇內(nèi)通信模塊通過(guò)射頻收發(fā)器連接內(nèi)部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入中央處理模塊進(jìn)行分析處理。所述的GPRS通訊模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接外部數(shù)據(jù)終端，用于將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，并由此進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與應(yīng)用。所述的存儲(chǔ)模塊作為輔助模塊，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。所述的電源模塊由鋰電池、太陽(yáng)能電池板和LDO電路構(gòu)成，為其他模塊提供必要的電源。在軟件設(shè)計(jì)方面，GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)針對(duì)所采用的處理器芯片進(jìn)行TinyOS操作系統(tǒng)的移植。在移植時(shí)，修改抽象層(HAA)相關(guān)代碼，主要包含1) MSPGCC編譯指令修改；2)增加處理器相關(guān)硬件資料的定義；3)針對(duì)處理器時(shí)鐘的移植；4)調(diào)整處理器啟動(dòng)功能；5)調(diào)整硬件部分驅(qū)動(dòng)。另外，針對(duì)GPRS簇外通信子系統(tǒng)，由于TinyOS中并沒(méi)有GPRS功能，所以在TinyOS 操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了 GPRS功能驅(qū)動(dòng)代碼。為實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸功能，系統(tǒng)中需要增加對(duì)一組串口和電源的控制。本發(fā)明的有益效果是采用基于TinyOS操作系統(tǒng)的帶GPRS模塊的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，適用于大規(guī)模遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；接口靈活方便，易于控制；具有良好的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，較好的經(jīng)濟(jì)性，制造方便，成本低。


圖1具有GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖2GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖。圖3CC2420與微處理器MSP430 F5438的接口電路圖。圖4GPRS部分連接結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施例?；赥inyOS的GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)中至關(guān)重要。它是WSN內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)終端的接口，如圖1，可以連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與hternet等外部網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)協(xié)議棧之間的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，同時(shí)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)任務(wù)，并把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)上。實(shí)施例1，如圖2:1.中央處理器模塊受到功能設(shè)計(jì)、功耗以及系統(tǒng)的要求，原TelosB在資源和功能上很難滿足GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的需求。本設(shè)計(jì)中，GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)中所使用的MSP430FM38與TelosB為同一系列， 具備超低功耗特性并具有高達(dá)25MHZ的處理速度，優(yōu)化了處理器的功耗和計(jì)算能力；以及具備256KB的Flash ROM和16KB的RAM，為整個(gè)系統(tǒng)提供更大的程序存儲(chǔ)空間和運(yùn)行空間。 另外MSP430FM38還提供了 4個(gè)串行通訊口 USCI以及等通訊功能，可訪問(wèn)連接GPRS等設(shè)備。2.簇內(nèi)通信模塊為實(shí)現(xiàn)與簇內(nèi)TelosB節(jié)點(diǎn)的無(wú)線通訊，簇內(nèi)無(wú)線通訊部分選用了與TelosB相同的RF芯片CCM20。CCM20數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2501cbpS，發(fā)射和接收時(shí)電流消耗極低。在典型的應(yīng)用中，僅需要少數(shù)幾個(gè)外部元件。CCM20與微處理器MSP430F5438的接口電路如圖3所示。中央處理器按照TinyOS的程序要求，通過(guò)CCM20與簇內(nèi)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，獲取數(shù)據(jù)。3. GPRS通訊模塊簇外通信模塊負(fù)責(zé)將待發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送到遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)終端。設(shè)計(jì)中使用了西門(mén)子公司的MC55i模塊。該模塊具有很高的可靠性，內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，使用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令，使用ZIF連接接口。實(shí)際中為了簡(jiǎn)化中央處理器處理?yè)芴?hào)和建立連接時(shí)的復(fù)雜狀態(tài)機(jī)工作，增加了協(xié)處理器STM32以完成以上工作，直接控制MC55i。MSP430F5438通過(guò)串口與協(xié)處理器通訊，發(fā)送建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和斷開(kāi)連接等指令，即可完成GPRS控制和數(shù)據(jù)接發(fā)工作。 此外，設(shè)計(jì)中增加了對(duì)GPRS和STM32供電控制。通過(guò)增加MOS開(kāi)關(guān)電路，可以實(shí)現(xiàn)GPRS部分的完全斷電關(guān)閉，進(jìn)一步降低了外部功耗。GPRS部分連接結(jié)構(gòu)如圖4所示。4.存儲(chǔ)模塊GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)系統(tǒng)主要指因低功耗而增加的臨時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的Flash。設(shè)計(jì)中采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的M25P80，該芯片具備1MB的存儲(chǔ)容量和極低的功耗和較小的體積。MSP430FM38與M25P80采用SPI總線通訊。實(shí)施例操作系統(tǒng)的移植及GPRS功能的設(shè)計(jì)由于MSP430F5438與iTelosB平臺(tái)處理器MSP430F1611屬相同系列，因此在移植時(shí)，主要包含Dplatform文件中向編譯器提供了目標(biāo)處理器的型號(hào)，需將原有的替換成-mmcu =msp430x5438。2) Hardware, h文件主要描述處理器與外圍設(shè)備的鏈接方式，需要修改此文件中相應(yīng)的描述信息。3) TinyOS在對(duì)系統(tǒng)低功耗方面作相應(yīng)功能設(shè)計(jì)，在處理器方面充分利用了處理器的多模式低功耗特性，采用對(duì)比的方式，修改MoteClockP. nc和MotePlatformC. nc文件中對(duì)應(yīng)的模式代碼，使處理器能在對(duì)應(yīng)低功耗模式上進(jìn)行。4)修改tinyos-2. 1. 0/tos/lib/tosboot/msp430/目錄下的系統(tǒng)引導(dǎo)時(shí)的初始化代碼。如HardwareC. nc中包含了處理器基本時(shí)鐘的初始化代碼。5)修改 tinyos-2. 1. 0/tos/chips/msp430/ 目錄下 MSP430 表示層的驅(qū)動(dòng)代碼。另外，實(shí)施例中使用了 MSP430F5438的串口 UCA2和P9. O來(lái)實(shí)現(xiàn)GRRS的驅(qū)動(dòng)功能。1)在 tinyos-2. 1. 0/tos/chips/msp430/ 中增加對(duì)所使用的 UCA2 串口 的驅(qū)動(dòng)代碼，并提供對(duì)應(yīng)的訪問(wèn)接口，包含 MSP430Uart2C. nc、MSP430Uart2P. nc、MSP430Usart 2C. nc、MSP430Usart2P. nc 等驅(qū)動(dòng)代碼。2)增加GPRS模塊功能的組件。包括GPRSControl 接口，定義了
start (ip_addr_t ipAddr, uintl6_t port) ；//與客戶端連接stop () ；//斷開(kāi)與客戶端連接startDone (error_t err) ；//是否連接成功stopDone () ;//是否斷開(kāi)成功enterlowPowerState () ；//進(jìn)入睡眠模式quitLowPowerO ；//退出睡眠模式，進(jìn)入工作狀態(tài)GPRSSend 接口，定義了Send(uint8_t*msg, uintl6_t length) -J/ ^ 以及對(duì)應(yīng)的kndDone(error_t err) ；//是否發(fā)送成功GPRSMessageC. nc連接所定義的接口組件。GPRSMessageP. nc 實(shí)現(xiàn)各組件功能。至此，實(shí)現(xiàn)了一套物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的GPRS網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)方案。該方案采用MSP430超低功耗微處理器MSP430FM38與CCM20芯片為核心，利用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊 MC55i為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)接口，較好地解決了 WSNs數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)終端的傳輸問(wèn)題。
權(quán)利要求
1. 一種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的GPRS網(wǎng)關(guān)，其特征在于，整個(gè)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分簇內(nèi)通信子系統(tǒng)和簇外通信子系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)由五個(gè)部分組成中央處理器模塊、簇內(nèi)通信模塊、GPRS通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊；所述的中央處理器模塊分別接簇內(nèi)通信模塊、GPRS模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊； 它運(yùn)行TinyOS操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊控制命令以及傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理，協(xié)調(diào)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行工作；所述的簇內(nèi)通信模塊通過(guò)射頻收發(fā)器連接內(nèi)部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入中央處理模塊進(jìn)行分析處理；所述的GPRS通訊模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接外部數(shù)據(jù)終端，用于將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，并由此進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合與應(yīng)用；所述的存儲(chǔ)模塊作為輔助模塊，負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)；所述的電源模塊由鋰電池、太陽(yáng)能電池板和LDO電路構(gòu)成，為其他模塊提供必要的電源。GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)針對(duì)所采用的處理器芯片進(jìn)行TinyOS操作系統(tǒng)的移植。 在移植時(shí)，修改抽象層相關(guān)代碼，包含 DMSPGCC編譯指令修改；2)增加處理器相關(guān)硬件資料的定義；3)針對(duì)處理器時(shí)鐘的移植；4)調(diào)整處理器啟動(dòng)功能；5)調(diào)整硬件部分驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的GPRS網(wǎng)關(guān)，屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域。整個(gè)系統(tǒng)分為簇內(nèi)通信子系統(tǒng)和簇外通信子系統(tǒng)；網(wǎng)關(guān)包括中央處理器模塊、簇內(nèi)通信模塊、GPRS通訊模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊；中央處理器模塊分別接簇內(nèi)通信模塊、GPRS模塊、存儲(chǔ)模塊和系統(tǒng)電源模塊；簇內(nèi)通信模塊通過(guò)射頻收發(fā)器連接內(nèi)部無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送入中央處理模塊進(jìn)行分析處理；GPRS通訊模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接外部數(shù)據(jù)終端，存儲(chǔ)模塊負(fù)責(zé)臨時(shí)存儲(chǔ)傳感器節(jié)點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。GPRS網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)針對(duì)所采用的處理器芯片進(jìn)行了移植，修改了HAA相關(guān)代碼。本發(fā)明采用適用于大規(guī)模遠(yuǎn)程物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)；接口方便易于控制，具有良好的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，制造方便，成本低。
文檔編號(hào)H04W88/16GK102548055SQ20111045611
公開(kāi)日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月31日
發(fā)明者奚強(qiáng)健, 朱明 , 王雷, 覃振權(quán) 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)