CN104184786A - 面向林区环境的无线传感器云网关系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向林区环境的无线传感器云网关系统，该网关是连接在云平台和无线传感器网络的枢纽，可以根据用户的控制命令或自动与云平台的任务列表进行同步更新，以启发式的节点唤醒方式将云网关管理下的各传感器节点进行唤醒，接收无线传感器网络中的各类传感器节点采集的数据，并将所接收的数据进行存储；通过无线通信方式将数据采集模块存储的采集数据发送到云平台。

Description

面向林区环境的无线传感器云网关系统

技术领域

本发明涉及林业资源监测领域，具体而言，涉及一种面向林区环境的无线传感器云网关系统。

背景技术

随着生态环境的恶化，人类对生态环境监测的需求越来越迫切，而无线传感器网络以其大范围、易部署以及实时监测等特点，也被大量应用于生态环境监测，而森林作为陆地最大的生态系统，在维持生物圈的稳定、涵养水源、保育土壤、固碳释氧、净化大气、改善生态环境方面发挥着不可替代的作用，因此对森林生态环境监测在预防和监测森林火灾、保护森林，维持森林生态平衡有着至关重要的意义。

目前，在林业无线传感器的应用中，大量监测主要集中在基础设施较好的区域，借助于有线或者无线（如GPRS等）进行传输，在传感器节点内部主要通过ZigBee进行组网，没有充分考虑到林区环境的恶劣性以及位置的偏远性，对于环境恶劣的深山密林的监测几乎处于空白，其面临的主要问题是：1)传感器节点数据汇集与传输问题；2)长期监测能量供给问题；3)林区不确定环境适应性；4)成本问题等。

发明内容

本发明提供一种面向林区环境的无线传感器云网关系统，用以克服现有应用以及技术中存在的至少一个问题。

为达到上述目的，本发明提供了一种面向林区环境的无线传感器云网关系统，该系统包括核心控制模块、数据采集模块、数据通信模块和电源管理模块，其中：

所述核心控制模块存储有系统管理配置信息和数据管理配置信息，按照预定的时间唤醒所述云网关，根据用户的控制命令或自动与云平台的任务列表进行同步更新，并根据任务列表中任务的执行时间，开启所述数据采集模块或所述数据通信模块的功能；

所述数据采集模块启动后，以启发式的节点唤醒方式将所述云网关管理下的所述无线传感器网络中的各传感器节点进行唤醒，接收所述无线传感器网络中的各传感器节点采集的数据，并将所接收的数据进行存储；

所述数据通信模块启动后，通过无线通信方式将所述数据采集模块存储的采集数据发送到所述云平台；

所述电源管理模块用于判断当前任务与下一条任务的时间间隔是否大于设定阈值，若大于设定阈值，则当前任务结束后所述云网关进入休眠状态，否则所述云网关继续保持工作状态，等待执行下一条任务。

无线传感器云网关同时具有管理无线传感器网络的能力，所管理的无线传感器网络包括多个传感器节点。云网关会定期向后台的云平台同步各传感器节点的信息，以保障云网关对所有无线传感器网络内的传感器和节点进行有效管理，同时传感器和节点也可自主向网关更新自身的信息。这些信息包括节点的编号、名称、MAC地址、节点的位置和传感器属性等。所述云网关根据这些信息，对各传感器节点进行统一管理及数据收割，传感器节点在接收到所述云网关的唤醒命令后进行林业数据的采集，并将采集到的数据聚合到汇聚节点，通过汇聚节点发送给所述云网关。

可选的，所述无线通信方式包括以下至少一种：数传电台通信、卫星通信、3G通信和WiFi通信。

可选的，所述电源管理模块包括太阳能电池板、DC-DC转化单元、电源控制单元和蓄电池，所述DC-DC转化单元连接在所述太阳能电池板与所述电源控制单元之间，所述电源控制单元与所述蓄电池相连接，当所述DC-DC转化单元的电流值不小于设置值时，所述电源控制单元控制所述太阳能电池板对硬件供电，并将多余的电能转存至所述蓄电池；当所述DC-DC转化单元的电流值小于所述设置值时，所述电源控制单元控制所述蓄电池对硬件供电。

可选的，所述任务列表中的任务分为数据采集任务、数据传输任务和信息同步任务，并分别为相应任务建立任务标志，所述云网关根据每条任务的任务标志启动执行该条任务的相应模块。

可选的，当根据当前任务的任务标志确定当前任务是数据传输任务时，所述云网关根据当前时间建立一个以设定的未传输标志开头并加上当前年月日时分为名称的文件，以便对采集到的数据进行存储；所述数据采集模块根据当前任务中的节点ID检索传感器节点列表，获得传感器节点的MAC、传感器的通道数以及所使用的通信协议；所述数据采集模块按照节点的ID依次与相应的传感器相连，获取其监测到的数据，其中所述数据采集模块按照节点ID依次与相应传感器相连时，通过调用相应协议的不同函数，然后向相应传感器发出唤醒事件命令，将处于低功率休眠的传感器唤醒，传感器开始获得监测数据，并通过通信协议传输给所述数据采集模块。

可选的，当根据当前任务的任务标志确定当前任务是数据传输任务时，所述云网关启动所述任务传输模块，检索存储空间中未传输的数据文件，其中未传输的数据文件是以设定的未传输标志开头的文件，将检索到的未传输的数据文件压缩后，通过无线通信方式传输给所述云平台，并将传输成功的文件的标志修改为已传输标志；其中未传输成功的文件重新进入传输列表中，再次尝试传输，尝试设定次数还未成功的文件，保存在所述云网关中，在执行下次数据传输任务时再次尝试传输。

本发明通过采用能源转储与调度策略、WiFi、3G、数传电台和卫星等多种通讯方式以及可靠的数据管理和系统自恢复等方法解决了网关的能耗、通信、数据管理以及环境适应性等诸多问题，可以为林区特别是深山密林区监测提供一个可靠高效的网关设备，提供实时的森林生态环境的基础资料数据，为森林的深入实时监测提供保障。同时基于云计算思想，提供了与管理云平台链接的接口，实现用户对设备透明化管理和配置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本发明一实施例的面向林区环境的无线传感器云网关系统示意图；

图2为本发明一个实施例的云网关架构示意图；

图3为本发明一个实施例的云网关的软件系统示意图；

图4为本发明一个实施例的定时器时间控制流程图；

图5a、图5b、图5c分别是ASCENT算法触发、建立和稳定阶段示意图；

图6为本发明一个实施例的数据采集收割流程示意图；

图7为本发明一个实施例的数据传输流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为根据本发明一实施例的面向林区环境的无线传感器云网关系统功能的示意图。如图所示，云网关连接在云平台和无线传感器网络之间，云网关是整个系统的枢纽和核心，它下端连接着无线传感器设备，负责对无线传感器网络内的传感器以及节点的管理；承担对林业传感器设备获得的数据进行采集、处理以及传输的任务；担负着传感器底层协议和互联网高层协议的转换职能；云网关上端和云平台连接，通过提供云平台访问接口，使用户实现通过浏览器等客户端对云网关、无线传感器网络的管理及林业数据任务的获取。

以下结合云网关的功能进行具体阐述。

云网关包括核心控制模块、数据采集模块、数据通信模块和电源管理模块，核心控制模块存储有系统管理配置信息和数据管理配置信息，按照预定的时间唤醒云网关，根据用户的控制命令或自动与云平台的任务列表进行同步更新，并根据任务列表中任务的执行时间，开启数据采集模块或数据通信模块的功能；数据采集模块启动后，以启发式的节点唤醒方式将云网关管理下的无线传感器网络中的各传感器节点进行唤醒，接收无线传感器网络中的各传感器节点采集的数据，并将所接收的数据进行存储；数据通信模块启动后，通过无线通信方式将数据采集模块存储的采集数据发送到云平台；电源管理模块用于判断当前任务与下一条任务的时间间隔是否大于设定阈值，若大于设定阈值，则当前任务结束后云网关进入休眠状态，否则云网关继续保持工作状态，等待执行下一条任务。

通过模块化的设计，提高了云网关的灵活性，实现即插即用以及方便操作和升级等。图2为本发明一个实施例的云网关架构示意图；如图所示，在具体实现云网关时，可以从以下层面进行构建：

（1）硬件层。云网关的硬件层主要包括基于ARM11的嵌入式开发板、存储设备、供电系统设备以及网关与节点和服务器相连的通讯设备，为系统层提供通讯、处理、存储、管理等功能的硬件支持。

（2）系统层。云网关是基于开源的linux操作系统进行软件开发，在完成对开发板的上的所需接口驱动后，针对网关设备管理、传感器节点管理、数据管理、系统配置以及能源管理的功能，形成控制函数库，以利于网关功能的开发和实现，同时保障整个软件系统的轻量级和可移植性。

（3）应用层。用户和管理者可以通过Web和ssh的方式远程或者本地访问网关，以便于用户和管理者发送任务请求、获得数据以及管理整个无线传感器网络，同时也可以通过短消息的方式进行任务的请求和数据的获取。此外用户也可通过访问与网关相连的云平台系统，获取网关发送的最新数据或者历史数据，以便于分析和研究。

图3为本发明一个实施例的云网关的软件系统示意图；如图所示，软件设计分为前端显示交互部分和后端自动运行两个部分。前段显示交互部分主要是用户和管理者可以通过网络（web）浏览器与云平台相连，再通过身份验证后，根据权限，云平台用3G、数传电台、WIFI或者卫星等方式与特定网关的WebServer（网络服务器）相连，根据用户需求通过服务器中的CGI（CommonGateway Interface，通用网关接口）程序来实现用户和管理者对特定网关任务的编辑、文件的管理、网关内所存储数据的访问和传感器节点的管理等操作。同时本地的管理者也可通过网关自带的浏览器本地访问云网关，对其进行管理和控制。后端自动运行是不需要人机交互的，在任务列表文件和定时器的控制下，自动实现对数据进行采集、上传以及管理和控制管理命令文件的同步功能。云网关通过人工和自动对系统进行配置和管理。用户和管理者可以通过云平台的中转直接访问到特定的网关进行配置和管理，本地管理者则可直接通过网关自带的浏览器或者SSH的方式对网关进行管理。

无线传感器网络包括多个传感器节点，各传感器节点的信息在云平台注册，并同步至云网关，该信息包括节点的编号、名称、MAC地址、节点的位置和传感器属性，云网关根据注册的信息，对各传感器节点进行统一管理及数据收割，传感器节点在接收到云网关的唤醒命令后进行林业数据的采集，并将采集到的数据聚合到汇聚节点，通过汇聚节点发送给云网关。

在能源管理方面，林区野外传感器以及通讯设备的能源问题一直是制约林业监测和应用的瓶颈问题。本发明实施例中的云网关通过能量转储与调度的“开源”和设备的低功耗定时休眠的“节流”的策略来解决。

（1）能量的转储及调度方式

对太阳能电池板进行扩展，提出结合大容量的铅蓄电池进行储能的林区野外环境的补给方案。电源管理模块包括太阳能电池板、DC-DC转化单元、电源控制单元和蓄电池，DC-DC转化单元连接在太阳能电池板与电源控制单元之间，电源控制单元与蓄电池相连接，当DC-DC转化单元的电流值不小于设置值时，电源控制单元控制太阳能电池板对硬件供电，并将多余的电能转存至蓄电池；当DC-DC转化单元的电流值小于设置值时，电源控制单元控制蓄电池对硬件供电。亦即，在阳光充裕时，电源管理控制太阳能电池板对节点供电，并将剩余电能转至储能蓄电池中，在阳光不足或者无阳光时，太阳能电池板供电不足时，电源管理将结合蓄电池防回流技术，控制储能蓄电池供电，使云网关系统能够具备林区野外环境自供电能力，提高其生存周期。

（2）低功耗定时休眠方式

如前面实施例所述，采用文件任务管理的方式，以一个任务时间列表文件为核心，利用休眠设置和看门狗设置，使得云网关在任务时间间隔内处于低功耗的休眠状态。进入休眠状态时，需要进行下一任务时间间隔的判断，若时间间隔大于阈值，则启动休眠程序，如若不然，则继续保持工作状态，等待下一个任务完成。因为如果两个任务间隔时间较短，系统由休眠态恢复到工作态所消耗的能源功耗将远远大于休眠所节省的能源功耗。

在对任务进行管理时，可以将任务列表中的任务分为数据采集任务、数据传输任务和信息同步任务，并分别为相应任务建立任务标志，例如，可以用标志“1”表示数据采集任务；标志“2”表示数据传输任务；标志“3”表示与云平台同步任务。云网关根据每条任务的任务标志启动执行该条任务的相应模块。云网关自动根据任务列表中与服务器同步的任务与云平台相连，获取和更新最新的任务列表以及管理配置信息。

在系统配置过程，对定时器的配置是最为重要的。定时器配置关系到数据采集、数据传输、任务列表文件和管理信息同步以及网关休眠等，是网关任务的核心。定时器按照任务列表的唤醒网关或者任务间隔达到一定阈值后使网关系统休眠。图4为本发明一个实施例的定时器时间控制流程图；如图所示，定时器的任务控制流程包括：

（1）当网关进入由休眠态进入工作态后，首先获取当前时间，并检索任务列表文件，找到当前时间的任务以及下一条任务。

（2）根据任务中的标志，进行数据采集收割、数据传输以及同步信息的任务。

（3）当任务执行结束后，节点根据当前时间和下一条任务时间的时间间隔，判断是否进入休眠状态。如果时间间隔小于阈值，则等待间隔时间后，执行下一条任务。否则节点进入休眠状态。

以下详细阐述传感器节点的管理方法：

1)节点注册

通过在云网关注册需要加入到云网关的节点及传感器信息，包括节点的编号，名称，MAC地址，节点的位置，传感器属性等。云网关采用主动方式发现在网关中注册的节点，然后对节点进行统一管理及数据收割。其信息如表1、表2及表3所示，表1为节点属性表，表2为节点通道属性表，表3为传感器属性表。

表1

表2

表3

2)节点控制

节点控制主要是云网关通过向指定节点发送控制指令来获取相关节点的传感器数据，以达到按需采集的目的。云网关采用基于ASCENT（adaptiveself-configuring ensor networks topology，自适应自配置传感器网络的拓扑结构）算法的启发式节点唤醒和休眠机制对节点进行休眠调度管理。

基于ASCENT算法可以均衡网络骨干节点的数量，保证数据通路的顺畅。当节点在接收数据时发现丢包严重，就向数据源方向的邻居节点发出求助消息。节点探测到周围的通信节点丢包率很高或者邻居节点发出的帮助请求时，就主动由休眠状态变为活动状态，帮助邻居节点转发数据包。

ASCENT算法包括三个阶段，图5a、图5b、图5c分别是ASCENT算法触发、建立和稳定阶段示意图。

触发阶段如图5a所示，在汇聚节点与数据源节点不能正常通信时，汇聚节点向它的邻居节点发出求助信息。

建立阶段如图5b所示，当节点收到邻居节点的求助信息时，通过计算决定自己是否成为活动节点。如果成为活动节点就向邻居节点发送通告消息，同时这个消息是邻居节点判断自身是否成为活动节点的因素之一。

稳定阶段如图5c所示，数据源节点和汇聚节点之间的通信恢复正常，活动节点个数保持稳定，此时网络达到稳定状态。

3)状态查询

云网关通过Web交互界面或者命令行方式获取指定节点及所属传感器状态，根据返回的状态对节点及传感器进行管理。

4)信息同步

云网关通过信息同步，与云平台同步节点及传感器注册信息。云网关通过云平台最终面向用户，用户通过云平台注册传感器节点信息后，通过云网关信息同步，将节点及传感器信息同步到云网关系统中，云网关通过主动方式，发现在云网关注册的节点及传感器信息。

以下对数据收割的过程进行详细阐述。

数据的收割是在无线传感器网络的基础上，通过数据收割算法，结合传感器网络组网方式，对传感器、节点设备获得的林业数据进行采集，聚合到汇聚节点的过程。

1)数据收割流程

当时间控制任务为数据采集标识时，云网关就进入到数据采集状态。图6为本发明一个实施例的数据采集收割流程示意图；如图所示，具体过程为：

（1）首先云网关根据当前时间建立一个以未传输标志如字母“A”为首字母，加上当前年月日时分为名称的文件，以便对采集的到的数据进行存储。

（2）接着云网关根据当前任务中的节点ID检索传感器节点列表，获得传感器节点的MAC、传感器的通道数以及所使用的通信协议。

（3）然后按照节点的ID依次与相应的传感器相连，获得监测到的数据。云网关按照节点ID依次与传感器相连时，要调用相应协议的不同函数，然后向传感器发出唤醒事件命令，使处于低功率休眠的传感器唤醒，并开始获得监测数据，并通过通信协议传输给网关。

以下对数据传输过程进行详细阐述。

当时间控制任务是数据传输标识时，网关就进入到数据传输状态。图7为本发明一个实施例的数据传输流程图；如图所示，具体流程为：首先系统会检索存储空间中未传输的数据文件，未传输的数据文件是以未传输标志如字母“A”开头的标志文件，对这个文件进行遍历，对每一个文件先进行压缩，之后用3G、数传电台或卫星的方式进行传输。对传输成功的文件修改其标志名为已传输标志如字母“B”，未传输成功的文件重新进入传输列表中，再次尝试传输，尝试设定次数（如三次）还未成功的文件，保存在云网关中，下次任务再次尝试传输。对改为“B”标志的文件，根据存储空间的大小阈值进行删除和销毁。

在林区野外的大部分区域，没有公共网络的覆盖，无法采用3G方式进行数据传输。而采用数传电台进行数据传输时，需要有各种通讯等基础设施。而卫星通讯可以在全球范围内提供全天候全球范围的数据传输。虽然卫星通信在大数据传输时，由于天气等原因会产生中断，但对于短数据形式的传感器数据传输还是可行的。卫星通信对于在林区野外的无线传感器数据传输显得尤为重要。

由于林区环境的复杂与恶劣，云网关系统程序可能会出现不稳定的状态，系统自恢复是系统健壮性的重要功能，确保系统崩溃时能够恢复正常，能将损失降低到最低。本发明实施例中的云网关采用简便的自恢复方式，使用看门狗和定时器进行监控和自重启。

综上所述，本发明基于林区的特殊环境，结合云计算，设计了一种无线传感器云网关，通过结合网关数据收割技术和IaaS云服务模式，将大规模的无线传感器网络设备与云平台进行链接，对下端进行无线传感器网络的管理，负责传感器设备数据的收割及传输，对上端云平台提供云网关访问接口，使整个物联网形成一个整体，成为林业物联网的枢纽及核心。本发明上述实施例的有益效果为：

（1）通过WiFi、3G、数传电台和卫星等多种通讯方式以及节点之间的ZigBee（紫蜂）、蓝牙、wifi等多种组网方式实现了林区复杂环境下的通讯，完成了对林区的全方位监测。并且本发明的网关的通讯方式可以根据实际情况进行添加和删减，只要提供相应通讯设备的接口驱动即可。

（2）通过能源转储与调度策略以及系统自恢复等策略解决了林区能源供给的问题以及林区复杂环境适应性的问题，能够是网关更好地适应林区监测的需要。

（3）通过与云平台的接口，以及对云平台命令的接收和解析实现用户对网关以及无线传感器网络的管理和配置。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种面向林区环境的无线传感器云网关系统，其特征在于，包括核心控制模块、数据采集模块、数据通信模块和电源管理模块，其中：

所述核心控制模块存储有系统管理配置信息和数据管理配置信息，按照预定的时间唤醒所述云网关，根据用户的控制命令或自动与云平台的任务列表进行同步更新，并根据任务列表中任务的执行时间，开启所述数据采集模块或所述数据通信模块的功能；

所述数据采集模块启动后，以启发式的节点唤醒方式将所述云网关管理下的所述无线传感器网络中的各传感器节点进行唤醒，接收所述无线传感器网络中的各传感器节点采集的数据，并将所接收的数据进行存储；

所述数据通信模块启动后，通过无线通信方式将所述数据采集模块存储的采集数据发送到所述云平台；

所述电源管理模块用于判断当前任务与下一条任务的时间间隔是否大于设定阈值，若大于设定阈值，则当前任务结束后所述云网关进入休眠状态，否则所述云网关继续保持工作状态，等待执行下一条任务。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述无线通信方式包括以下至少一种：

数传电台通信、卫星通信、3G通信和WIFI通信。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电源管理模块包括太阳能电池板、DC-DC转化单元、电源控制单元和蓄电池，所述DC-DC转化单元连接在所述太阳能电池板与所述电源控制单元之间，所述电源控制单元与所述蓄电池相连接，当所述DC-DC转化单元的电流值不小于设置值时，所述电源控制单元控制所述太阳能电池板对硬件供电，并将多余的电能转存至所述蓄电池；当所述DC-DC转化单元的电流值小于所述设置值时，所述电源控制单元控制所述蓄电池对硬件供电。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述任务列表中的任务分为数据采集任务、数据传输任务和信息同步任务，并分别为相应任务建立任务标志，所述云网关根据每条任务的任务标志启动执行该条任务的相应模块。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，当根据当前任务的任务标志确定当前任务是数据传输任务时，所述云网关根据当前时间建立一个以设定的未传输标志开头并加上当前年月日时分为名称的文件，以便对采集到的数据进行存储；所述数据采集模块根据当前任务中的节点ID检索传感器节点列表，获得传感器节点的MAC、传感器的通道数以及所使用的通信协议；所述数据采集模块按照节点的ID依次与相应的传感器相连，获取其监测到的数据，其中所述数据采集模块按照节点ID依次与相应传感器相连时，通过调用相应协议的不同函数，然后向相应传感器发出唤醒事件命令，将处于低功率休眠的传感器唤醒，传感器开始获得监测数据，并通过通信协议传输给所述数据采集模块。

6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，当根据当前任务的任务标志确定当前任务是数据传输任务时，所述云网关启动所述任务传输模块，检索存储空间中未传输的数据文件，其中未传输的数据文件是以设定的未传输标志开头的文件，将检索到的未传输的数据文件压缩后，通过无线通信方式传输给所述云平台，并将传输成功的文件的标志修改为已传输标志；其中未传输成功的文件重新进入传输列表中，再次尝试传输，尝试设定次数还未成功的文件，保存在所述云网关中，在执行下次数据传输任务时再次尝试传输。