一种混合型远距离无线传感器网络系统及其通信方法技术方案

本发明专利技术涉及一种混合型远距离无线传感器网络系统及其通信方法。所述混合型远距离无线传感器网络系统，其包括若干个无线终端、一个以上的中继和一个网关，其中无线终端作为网络的端节点，为可移动节点，用于采集用户信息，并将信息发送给网关，同时接收来自网关的信息；中继作为通信的中间节点，用于转发来自终端及网关的信息，并提供其覆盖范围内通信的同步机制和数据路由的功能；网关作为网络的汇聚点，接收来自无线终端及中继转发的信息，同时提供无线传感器网络的同步机制，并负责管理网络内的无线终端。本发明专利技术的无线传感器网络采用低功耗远距离无线技术构建，如LoRa调制技术，Sigfox技术，具有功耗低，传输距离远的优点。

Hybrid long distance wireless sensor network system and communication method thereof

The invention relates to a mixed type long distance wireless sensor network system and a communication method thereof. The hybrid wireless sensor network system, which comprises a plurality of wireless relay terminals, more than one and a gateway to the wireless terminal as the terminal node of the network, as the mobile node is used to collect user information, and sends the information to the gateway, and receive information from the gateway relay as intermediate nodes; for communication, transmitted from the terminal and gateway information, and provides the range of communication synchronization and data routing function; network gateway as a focal point, received from the wireless terminal and relay forwarding information, while providing synchronization mechanism for wireless sensor networks, and is responsible for the management of wireless terminals within the network. The wireless sensor network of the invention is constructed with low power consumption and long distance wireless technology, such as LoRa modulation technology and Sigfox technology, and has the advantages of low power consumption and long transmission distance.

【技术实现步骤摘要】
一种混合型远距离无线传感器网络系统及其通信方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种混合型远距离无线传感器网络系统(WSN)及其通信方法。
技术介绍
在抢险救援、户外探险等野外活动中，经常会出现信息传输的需求。如救援队员的地理位置信息的传递，指挥信息的下达等。目前在该类活动中，通常使用对讲机系统实现数据传输。然而对讲机方式通常只能实现半双工通信，且功耗大、中继架设不便，不能满足野外活动中对通信设备的电池续航能力，网络的快速灵活架设的要求。近年来，随着通信技术的发展尤其是物联网技术的发展，不同的物联网技术尤其是无线传感器网络(WSN)开始应用到户外/野外活动中，用以解决数据传输问题。目前户外/野外场景中常用的WSN技术包括Zigbee技术、RFID技术。其中RFID技术具有终端RFID标签成本低，数据率高的优点。但极大地限制了RFID标签与读卡器之间的距离，通常小于几米。且通常只支持单向的数据传输，终端与终端之间无法通信，不适用于具有远距离、自组网需求的应用场景，如探险、救援等野外活动中的数据传输。Zigbee技术终端功耗低，支持双向通信。但终端传输距离近，主要应用于短距离的无线传输场景，对于远距离的无线传输需求，则需要搭建大量中继，大大提高了通信的成本和通信协议的复杂性。近年来，支持低功耗远距离的无线通信技术开始出现，如Semtech公司的LoRa调制技术，Sigfox技术等。这些技术的出现，使得构建一个低功耗远距离的WSN成为了可能。目前对于这些技术的应用及研究，大多集中在利用其传输距离远的特点，构建星型网络，从而大大降低网络拓扑结构和通信协议的复杂度，实现对一定分布范围内的数量众多的网络终端的数据传输和控制。中国专利CN105813099A公开了一种基于LoRa自组网的户外无线通信系统，用于解决现有户外无线通信系统存在的恶劣环境移动网络信号差、传输距离近和无信息共享的交互界面的技术问题，其包括中央处理器、定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块、LoRa通信模块和手机APP终端；中央处理器分别与定位模块、蓝牙模块、外围设备接口、电源模块和LoRa通信模块连接；LoRa通信模块与其他系统LoRa通信模块构建无线Mesh网络，通过CSMA/CA协议和AODV路由算法进行可靠的数据通信；手机APP终端与蓝牙模块通过蓝牙进行数据交换。但该专利只对网络终端系统的构成进行了说明，在网络本身的构建及其通信方法方面则采用了传统的MESH网络和CSMA/CA协议。在MESH拓扑结构中，网络各个终端同时承担终端和中继路由的功能。在流量非平均分布的网络结构中，如抢险救援中，其指挥中心通常为信息的主要汇聚点和发出点，会造成靠近汇聚点的节点承载的数据流量大、耗能多，从而对这些节点的数据处理能力和供电提出了要求。而基于竞争机制的CSMA/CA协议会导致随着终端节点的增多，网络冲突增多，网络效率急剧下降。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服上述技术的缺陷和不足，提供一种混合型远距离无线传感器网络系统及其通信方法，用于在野外等环境下，灵活方便地搭建通信网络，提供避免冲突、传输可靠、终端续航能力强的远距离无线通信。本专利技术采用的技术方案是：一种混合型远距离无线传感器网络系统，其包括若干个无线终端、一个以上的中继和一个网关，其中无线终端作为网络的端节点，为可移动节点，用于采集用户信息，并将信息发送给网关，同时接收来自网关的信息；中继作为通信的中间节点，用于转发来自终端及网关的信息，并提供其覆盖范围内通信的同步机制和数据路由的功能；网关作为网络的汇聚点，接收来自无线终端及中继转发的信息，同时提供无线传感器网络的同步机制，并负责管理网络内的无线终端；所述的混合型无线传感器网络拓扑结构分为两层：无线终端与其上一级节点即网关或中继构成第一层星型网，网关与中继构成第二层MESH网络。优选地，所述的无线终端基于低功耗远距离无线技术，所述终端采用电池供电。优选地，所述无线终端包括第一MCU、第一射频模块、传感器模块、电源管理模块和天线，射频模块、传感器模块和电源管理模块分别与第一MCU连接，第一射频模块连接天线。所述第一MCU可采用超低功耗单片机如STM8L系列单片机。所述第一射频模块可基于低功耗远距离无线通信芯片构成，如基于Semtech公司SX12x芯片的LoRa模块。所述传感器模块可为低功耗传感器模块，如UbloxNEO系列GPS定位模块，Sensirion高精度SHT系列温湿度传感器。所述电源管理模块可采用型号为RT9013的CMOS线性稳压器。优选地，所述的中继包括第二MCU、基于低功耗远距离无线技术的第二射频模块和天线，第二射频模块分别与第二MCU和天线连接。所述第二MCU可采用超低功耗单片机如STM8L系列单片机。所述第二射频模块可基于低功耗远距离无线通信芯片构成，如Semtech公司SX12xLoRa调制芯片。优选地，所述的网关包括第三MCU、基于低功耗远距离无线技术的第三射频模块和天线，第三射频模块分别与第三MCU和天线连接。所述第三MCU可采用ARM单片机如STM32系列单片机。所述第三射频模块可基于低功耗远距离无线通信芯片构成，如Semtech公司SX12xLoRa调制芯片。优选地，所述的网关还包括Internet接入模块，提供无线传感器网络向Internet的接入，Internet接入模块与第三MCU连接。所述Internet接入模块可根据不同需求提供不同接入方式，如ESP-12FWIFI模块，ATK-RM04以太网模块。优选地，所述的射频模块为基于低功耗远距离无线技术的通信模块，如基于Semtech公司SX12xLoRa调制解调器的通信模块。优选地，所述的传感器模块为低功耗传感器模块，为不同的应用需求提供终端感知信息。再优选地，所述的传感器模块包括低功耗GPS定位模块和低功耗温湿度传感器，比如UbloxNEO系列GPS定位模块，Sensirion高精度SHT系列温湿度传感器。一种所述混合型远距离无线传感器网络系统的通信方法，包括如下步骤：1)所述网关周期性发送网关信标帧，用以标志网络同时提供同步机制；所述网关之后进入接收模式，等待接收中继或无线终端的数据；2)所述中继上电后，自动搜索网关或其他中继发出的信标信息，并构建路由表信息；3)所述中继周期性发送中继信标帧，为在其覆盖范围内的无线终端提供同步机制；所述中继之后进入接收模式，等待接收其它中继、无线终端或网关的数据，并选择路由进行转发；4)所述中继与中继之间，中继与网关之间形成MESH网络；5)所述的无线终端上电后，自动搜寻网络，并向网关发送注册请求申请加入网络；成功加入网络后，所述终端定时或在有发送请求时同步到网关或中继所在网络，选择时隙进行通信；所述终端与上一级节点即网关或中继形成星型网，终端与终端之间不进行通信；6)所述网关收到终端注册请求后，根据网络状况决定接受或拒绝该请求；并定期检测已注册终端情况，更新并维护网络终端活跃表；7)所述节点在发送数据时，采用同步机制和基于优先级的退避机制以避免冲突，网关优先级别最高，中继和终端优先级别低。所述中继可采用小型外接电池如充电宝、小型太阳能电板供电。所述网关可采用小型外接电池如充电宝、小型太阳能电板供本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：其包括若干个无线终端、一个以上的中继和一个网关，其中无线终端作为网络的端节点，为可移动节点，用于采集用户信息，并将信息发送给网关，同时接收来自网关的信息；中继作为通信的中间节点，用于转发来自终端及网关的信息，并提供其覆盖范围内通信的同步机制和数据路由的功能；网关作为网络的汇聚点，接收来自无线终端及中继转发的信息，同时提供无线传感器网络的同步机制，并负责管理网络内的无线终端；所述的混合型无线传感器网络拓扑结构分为两层：无线终端与其上一级节点即网关或中继构成第一层星型网，网关与中继构成第二层MESH网络。

【技术特征摘要】
1.一种混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：其包括若干个无线终端、一个以上的中继和一个网关，其中无线终端作为网络的端节点，为可移动节点，用于采集用户信息，并将信息发送给网关，同时接收来自网关的信息；中继作为通信的中间节点，用于转发来自终端及网关的信息，并提供其覆盖范围内通信的同步机制和数据路由的功能；网关作为网络的汇聚点，接收来自无线终端及中继转发的信息，同时提供无线传感器网络的同步机制，并负责管理网络内的无线终端；所述的混合型无线传感器网络拓扑结构分为两层：无线终端与其上一级节点即网关或中继构成第一层星型网，网关与中继构成第二层MESH网络。2.根据权利要求1所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的无线终端基于低功耗远距离无线技术，所述终端采用电池供电。3.根据权利要求2所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述无线终端包括第一MCU、第一射频模块、传感器模块、电源管理模块和天线，第一射频模块、传感器模块和电源管理模块分别与第一MCU连接，第一射频模块连接天线。4.根据权利要求1所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的中继包括第二MCU、基于低功耗远距离无线技术的第二射频模块和天线，第二射频模块分别与第二MCU和天线连接。5.根据权利要求1所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的网关包括第三MCU、基于低功耗远距离无线技术的第三射频模块和天线，第三射频模块分别与第三MCU和天线连接。6.根据权利要求5所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的网关还包括Internet接入模块，提供无线传感器网络向Internet的接入，Internet接入模块与第三MCU连接。7.根据权利要求3或4或5所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的射频模块为低功耗远距离通信模块。8.根据权利要求3所述的混合型远距离无线传感器网络系统，其特征在于：所述的传感器模块包括低功耗GPS定位模块和低功耗温湿度传感器。9.一种权利要求1所述混合型远距离无线传感器网络系统的通信方法，其特征在于包括如下步骤：1)所述网关周期性发送网关信标帧，用以标志网络同时提供同步机制；所述网关之后进入接收模式，等待接收中继或无线终端...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴芹，洪飞谊，
申请(专利权)人：浙江科技学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33