基于NB-IoT和WSN异构的低功耗工业监测系统

基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统
技术领域
1.本发明涉及工业无线传感网技术领域，具体涉及一种基于nb-iot与wsn异构的低功耗工业监测系统。


背景技术：

2.工业监测系统是一套能够对工业仪表数据进行远程传输、管理、显示的完整系统，其中数据的远程传输必须有网络作为支撑，传统的有线传感网铺设线路成本高，布线困难，已经难以满足其需求，无线传感网低成本、体积小、易部署的特点，使得工业监测系统普遍采用的是无线传感网。
3.无线传感器网络中节点通信遵循多对一模式且通过多跳传输的通信方式。这种多跳通信会导致节点间的能量分配不均，其中靠近基站的节点承担较重的数据负载，由于它们负责从整个网络接收和转发数据，它们的电量会比其他节点更容易消耗殆尽，一旦能量耗尽导致能量孔的出现，便无法再将数据发送到基站上。此外，能量孔附近的节点也势必承担这些死亡节点的数据负载，以使能量消耗的更快，从而导致能量孔的延伸，这种能量孔效应最终会导致无线传感网的过早死亡或停滞，因而解决节点能量受限，延长无线传感网的生命周期是无线传感网的根本问题。
4.在工业无线传感网中，节点常被放置在固定位置采集数据，长期处于无法更换的状态，电池就成为节点的唯一能量来源，为避免在部署万点的传感网中更换电池浪费大量的人力资源，为传统工业传感网引入了nb-iot技术，从而带来两点好处，第一点，使无法更换的工业仪表无需转发其他数据只传输自身数据，从而节省能耗；第二点，由于加入的nb-iot节点较少，即使需要更换电池，人工成本也比以前低。
5.nb-iot技术属于窄带物联网，是低功耗广域网(lpwan)无线通信技术的其中一种，是3gpp(国际电信联盟)提出的一种工作在授权频谱上课平滑演进到5g的一种技术标准，支持海量连接、深度覆盖能力、低功耗、低速率等特性，这些与生俱来的优势使nb-iot节点非常适合于传感、计量、监控等物联网应用。由于工业上对数据传输品质要求不高，nb-iot具有低速率、低带宽、非实时的网络特性，这些特性使得简单构造、简化的模组电路依然能够满足工业物联网通信的需要，并且nb-iot采用半双工通信方式，终端不同时发送和接收信号数据，相对全双工通信方式的终端，减少了元器件的配置，节省了成本。
6.现有技术为了提高工业无线传感网的生命周期，主要采用以下几种方法：
7.(1)路由算法和组网算法通过优化传输路径和网络的有效覆盖，以降低节点能耗和避免能量洞延长无线传感网的生命周期，但均从能量均衡的角度考虑，未从本质上解决节点能量受限；
8.(2)回路取电法通过在节点电量不足时，依靠有线电缆回路进行充电，来延长无线传感网的生命周期，但从为节点充能角度且回路取电法受有线电缆限制，此方法未实现节能；
9.(3)移动可充电技术和风能太阳能自供电技术通过增加充电小车和能量采集单元
为节点进行充电，延长无线传感网的生命周期，但二者均从为节点充能的角度，并未实现节能；
10.(4)工业异构网络均是对这种异构网络实现工业场景，均未考虑异构网络节能。
11.现有技术虽延长了无线传感网的生命周期，没有考虑在不增加外设条件下从根本上解决节点能量受限的问题。


技术实现要素：

12.本发明提出了一种基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，为传统传感网引入了nb-iot技术，目的在于解决工业无线传感网中节点能量受限的问题，通过在原有传感网中加入混合节点，使传感网节点无需转发其他节点的数据节省能耗，这种异构形式从根本上解决了节点能量受限问题，延长了工业无线传感网的生存周期，且nb-iot技术本身低功耗的特性，保证了工业生产线的持续高效输出，且使节点无需转发其他节点数据从而从根本上达到节省电量的目的。
13.本发明采用如下技术方案：基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，在传感网节点中扩展nb-iot模块，构成混合节点，包括：
14.无线通信模块，用于监听传感网节点请求，当接收到二进制数据后，向数据处理与控制模块发送请求进行组网，组网后发送二进制数据至数据处理与控制模块；
15.数据处理与控制模块，用于接收无线通信模块的请求完成组网，并接收无线通讯模块发送的二进制数据进行编码处理，并将编码处理完的数据通过串口通信传输至nb-iot模块；
16.nb-iot模块，用于将接收到的数据打包通过at命令接入基站，连接到核心网，将一跳直接将数据包转发至云服务器端。
17.所述传感网节点为无nb-iot模块的节点。
18.通过在混合节点内扩展的nb-iot模块，一跳直接将数据包转发至云服务器端，包括以下步骤：
19.无线通信模块监听传感网节点请求，当接收到二进制数据后，向数据处理与控制模块发送请求进行组网，组网后发送二进制数据至数据处理与控制模块；
20.数据处理与控制模块接收无线通信模块的请求完成组网，并对接收无线通讯模块发送的二进制数据依据编码规则进行编码处理，并将编码处理完的数据通过串口通信传输至nb-iot模块；
21.nb-iot模块将接收到的数据打包通过at命令接入基站，连接到核心网，将一跳直接将数据包转发至云服务器端。
22.所述编码处理通过编码格式实现；编码格式包括nodeid、time、batlev、flag、lengthdata；其中，nodeid是传感网节点的标识码；time是传感网节点的上传时间；batlev是传感网节点的剩余电量；flag是传感网节点采集的数据类型标志位；lengthdata是传感网节点采集的数据。
23.所述nb-iot模块，执行以下步骤：
24.发送at命令，请求入网；
25.若入网成功，则显示已连接，进入空闲状态，若没有入网成功，则一直请求入网；
26.若有数据从数据处理与控制模块传来，则nb-iot模块会切换至连接态进行接收，否则等待；
27.将接收到的数据进行打包，发送至阿里云物联网云平台，定时器计时，nb-iot远程设备根据阿里云服务器的固定ip地址和端口，建立tcp连接；基于mqtt协议封装数据包，基于at命令发送数据请求，nb-iot远程设备等待服务器响应，若服务器响应，则此次数据上传成功；否则服务器响应超时，且重传次数大于3次，则说明此次数据上传失败。
28.混合节点与传感网节点之间采用tdma方式设置时隙，时隙表为二维坐标系，横轴为时间，纵轴为信道；混合节点与传感网节点在1帧内完成数据传输，依照传感网节点序号顺序依次传输，序号在前的先发送数据，直至所有传感网节点传输完成。
29.传感网节点的cc2420无线通信模块与混合节点的cc2420无线通信模块均采用802.15.4协议。
30.本发明的有益之处在于：
31.1、本发明的基于窄带物联网和无线传感网的异构网络采用低功耗广域网nb-iot技术构建，具有支持海量连接、深度覆盖能力、低功耗等特性，且nb-iot技术可平滑演进到5g的特性，意味着本发明的工业监测系统将可以与5g技术进行完美的整合对接，形成极高生产效率的工业无线智能工厂，本发明为工业监测系统引入了nb-iot技术将推动工业智能发展。
32.2、本发明的基于窄带物联网和无线传感网的异构形式，通过在原有的工业无线传感网中，为剩余电量不足的传感网节点部署混合节点，从而延长传感网节点的生命周期，从根本上解决传统工业无线传感网存在节点电量受限的问题。
33.3、本发明所诉的混合节点是在传感网节点的基础上扩充了bc35-g模块，使得混合节点在与传感网节点进行收发数据时，无需进行协议栈转换，降低了实施难度，并且混合节点在无传感网数据转发时会自动切换至psm低功耗模式，在此模式下，功耗仅为0.3μw，能最大程度优化无线传感网的能耗。
34.4、本发明的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，混合节点在与传感网节点通信时设定了传输规则，采用tdma方式构建时隙，能够避免两个或两个以上的传感网节点与混合节点进行通信时使用相同信道产生的碰撞问题。
附图说明
35.下面结合附图对本发明作进一步描述：
36.图1为本技术的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统整体结构示意图；
37.图2为混合节点硬件结构示意图；
38.图3为混合节点内部通信规则示意图。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明进行详细说明。
40.如图1所示，一种基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，系统分为感知层、通信层、服务层、用户层四层，感知层由若干个无线传感网节点和较少的混合节点组成，所述传感网节点用于收集监测领域数据，所述混合节点用于转发来自传感网节点收集的数
据，通信层由基站、核心网组成，服务层由服务器、数据库组成，应用层为上位机管理软件。所诉系统工作原理为感知层的传感网节点采集数据，将采集的数据经过无线通信传到混合节点上，混合节点将接收到的数据处理联网一跳转发至到云服务器上，iot云平台推送到前台管理软件界面显示；管理软件下发命令，iot云平台将命令封装为下发命令协议格式，混合节点接收命令，并将命令传到指定传感网节点，传感网节点执行命令。
41.一种基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，为传统传感网引入了nb-iot技术，目的在于解决工业无线传感网中节点能量受限的问题，通过在原有传感网中加入混合节点，其硬件结构如附图2所示，所述混合节点是在原有传感网节点模块结构基础上扩展了一个bc35-g模块，使之具有nb-iot技术单跳通信的特性，从而使传感网节点无需转发其他节点的数据来节省能耗，这种异构形式从根本上解决传感网节点能量受限问题，延长了工业无线传感网的生存周期，且nb-iot技术本身低功耗的特性，保证了工业生产线的持续高效输出，且节点无需转发其他节点数据从而从根本上吧达到节省电量的目的。
42.混合节点实现整个无线传感网络的管理功能，能够将传感网节点采集的数据转发到基站，也可以接收命令下发到指定的传感网节点，完成对其的控制操作。通过混合节点结构中bc35-g无线通讯模块通过发送at+连接到服务层的服务器的公网ip地址实现终端入网，socket连接成功，即可将传感网节点的数据传到指定的云服务器上，也可接收云服务器下发的控制指令到指定传感网节点，完成对其的控制操作，通过bc35-g无线通讯模块以实现终端远程设备与云服务器的数据通信功能。
43.所述感知层中的混合节点包括msp430数据处理与控制模块、cc2420无线传输模块及天线、bc35-g通讯模块及天线、供电模块，所述msp430数据处理与控制模块用于处理传感网节点采集到的数据，所述cc2420无线通讯模块连接一根天线，用于与传感网节点无线通信进行收发数据，所述bc35-g通讯模块连接一根gsm天线，用于接收经msp430数据处理与控制模块处理好的数据包并入网转发至基站传至云服务器显示，所述供电模块负责给上述模块提供正常工作所需的电量，确保各个模块正常工作。
44.所述传感网节点采用电池供电，所述混合节点采用电池供电。
45.系统感知层包括若干个传感网节点、少量混合节点，一个及以上的传感网节点和混合节点之间构成异构网络通信，系统各部分之间均支持无线连接，同时混合节点内部可以支持有线连接。
46.所述感知层的混合节点部署方法，本发明主要考虑解决工作一段时间后的工业无线传感网中节点间电量分配不均，混合节点部署方法是针对无线传感网中电量不足的节点，为其优先部署混合节点，使其无需转发其他节点的数据，只传送自身的数据，从根本上上解决由传感网节点自身多跳通信方式所导致的节点电量受限的问题。并且由于是在原有基础上扩展一个nb-iot模块，故在传感网节点与混合节点通信时都使用802.15.4协议，无需进行协议转换，降低实施难度。
47.所述感知层的若干个传感网节点和较少的混合节点的异构组网方式，均采用tdma方式设置时隙，混合节点与传感网节点在进行spi通信以帧为周期以时隙为单位，通过事先约定相同时刻、同一信道来避免多个数据包在相同信道发生干扰问题，“干扰”会导致有些数据包没有传输至混合节点上，那么传感网节点重传这些数据包势必会造成能量消耗，为避免不必要的能量浪费，通过设置时隙来保证数据传输的可靠性。在802.15.4协议中，时隙
表为二维坐标系横轴时间纵轴信道，混合节点与传感网节点要在1帧内完成数据传输，依照传感网节点id序号顺序依次传输，id序号在前的表明节点剩余电量较小，优先为其部署混合节点进行数据传输，直至所有传感网节点传输完成。
48.所述感知层的混合节点的内部通信规则，其格式如图3所示，通信规则由5个字段组成，分别为”nodeid”、”time”、”batlev”、”flag”、”lengthdata”。其中”nodeid”是传感网节点的标识码；”time”是传感网节点的上传时间；”batlev”是传感网节点的剩余电量；”flag”是传感网节点采集的数据类型标志位；”lengthdata”是传感网节点采集的数据。设置通信规则的目的是为了让混合节点能够识别由哪个传感网节点传来的数据，上传数据的时间，通过识别标志位来判断传感网节点采集数据的类型，例如flag为1，该传感网节点采集的数据类型是温度数据；flag为2，此传感网节点采集的数据类型是压力数据。标志位后紧接着识别的就是传感网节点采集的监测领域数据，研究人员可通过管理软件查询传感网节点上传的数据类型及相关信息，针对经常报错的故障节点以及剩余电量不足的节点采取更换电池操作，避免节点因电量耗尽形成能量洞导致大量数据不能实时上传，以致于工业生产线的数据输出率大大降低。
49.所述混合节点内部数据传输流程，所述混合节点在感知范围内监听到传感网节点数据包传来时，首先通过msp430数据处理与控制模块对传来的数据进行解析，依据附图3编码规则实施编码处理，再将数据打包经由串口通信传至bc35-g模块，由nb-iot模块联网一跳转发至上位机管理软件上。所述混合节点内部数据传输流程及每个功能模块的具体实施步骤为：
50.step1：传感网节点将采集的数据通过spi通信发送给混合节点内部的cc2420无线通信模块，cc2420无线通信模块首先收到一串纯二进制数据串，此模块的功能流程，step1 cc2420无线通信模块开始时一直监听传感网节点是否有通信请求，如果有就接收数据，如果没有就进入睡眠状态节省能耗；step2在接收到传感网节点的数据后，将向msp430数据处理与控制模块发送通信请求，当msp430数据处理与控制模块收到接收请求，会向cc2420无线通信模块反馈通信信号，cc2420无线通信模块向msp430数据处理与控制模块发送数据，在发送完数据后cc2420无线通信模块将进入睡眠模式，若msp430数据处理与控制模块没有收到请求，则cc2420模块就一直发送请求，直至数据处理与控制模块收到请求。
51.step2：msp430数据处理与控制模块将收到的数据依据图3的编码规则进行编码处理，通过编码规则封装二进制数据串，包含传感网节点采集的数据类型、上传时间点、剩余电量等信息。此模块的功能流程：step1在无通信请求时，一直处于低功耗模式，step2一旦有接收请求，中断时钟立即将数据处理与控制模块切换至活跃状态接收数据，对接收的数据进行处理，处理完成后通过串口通信发送给bc35-g无线通讯模块，等待若无接收请求就直接进入低功耗模式
52.step3：:bc35-g无线通讯模块接收到数据后，此模块的功能流程：step1nb-iot模块发送at命令请求入网，step2入网成功，则显示已连接，进入idle空闲态，若没有入网成功，则一直请求入网；step3判断是否有来自msp430数据处理与控制模块的上行数据需要转发，若有则切换至active活跃态进行接收并转发，否则等待；step4处于活跃态的nb-iot模块会依据at命令自动将接收到的数据封装到mqtt协议消息队列中，并发送到已配置的阿里云物联网平台，定时器计时，超时将进入低功耗psm模式，否则将继续接收数据。
53.本发明的有益之处在于：
54.1、本发明的基于窄带物联网和无线传感网的异构网络采用低功耗广域网nb-iot技术构建，具有支持海量连接、深度覆盖能力、低功耗等特性，且nb-iot技术可平滑演进到5g的特性，意味着本发明的工业监测系统将可以与5g技术进行完美的整合对接，形成极高生产效率的工业无线智能工厂，本发明为工业监测系统引入了nb-iot技术将推动工业智能发展。
55.2、本发明的基于窄带物联网和无线传感网的异构形式，通过在原有的工业无线传感网中，为剩余电量不足的传感网节点部署混合节点，从而延长传感网节点的生命周期，从根本上解决传统工业无线传感网存在节点电量受限的问题。
56.3、本发明所述的混合节点是在传感网节点的基础上扩充了bc35-g模块，使得混合节点在与传感网节点进行收发数据时，无需进行协议栈转换，降低了实施难度，并且混合节点在无传感网数据转发时会自动切换至psm低功耗模式，在此模式下，功耗仅为0.3μw，能最大程度优化无线传感网的能耗。
57.4、本发明的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，所诉混合节点在与传感网节点通信时设定了传输规则，采用tdma方式构建时隙，能够避免两个或两个以上的传感网节点与混合节点进行通信时使用相同信道产生的碰撞问题。
58.5、本发明的上位机管理软件能实时观测到传感网节点上传的数据，用户可以基于自身需求保存备用，还能下发控制指令到指定的传感网节点，方便实时观测。

技术特征：
1.基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测系统，其特征在于，在传感网节点中扩展nb-iot模块，构成混合节点，包括：无线通信模块，用于监听传感网节点请求，当接收到二进制数据后，向数据处理与控制模块发送请求进行组网，组网后发送二进制数据至数据处理与控制模块；数据处理与控制模块，用于接收无线通信模块的请求完成组网，并接收无线通讯模块发送的二进制数据进行编码处理，并将编码处理完的数据通过串口通信传输至nb-iot模块；nb-iot模块，用于将接收到的数据打包通过at命令接入基站，连接到核心网，将一跳直接将数据包转发至云服务器端。2.基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，所述传感网节点为无nb-iot模块的节点。3.基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，通过在混合节点内扩展的nb-iot模块，一跳直接将数据包转发至云服务器端，包括以下步骤：无线通信模块监听传感网节点请求，当接收到二进制数据后，向数据处理与控制模块发送请求进行组网，组网后发送二进制数据至数据处理与控制模块；数据处理与控制模块接收无线通信模块的请求完成组网，并对接收无线通讯模块发送的二进制数据依据编码规则进行编码处理，并将编码处理完的数据通过串口通信传输至nb-iot模块；nb-iot模块将接收到的数据打包通过at命令接入基站，连接到核心网，将一跳直接将数据包转发至云服务器端。4.根据权利要求3所述的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，所述编码处理通过编码格式实现；编码格式包括nodeid、time、batlev、flag、lengthdata；其中，nodeid是传感网节点的标识码；time是传感网节点的上传时间；batlev是传感网节点的剩余电量；flag是传感网节点采集的数据类型标志位；lengthdata是传感网节点采集的数据。5.根据权利要求3所述的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，所述nb-iot模块，执行以下步骤：发送at命令，请求入网；若入网成功，则显示已连接，进入空闲状态，若没有入网成功，则一直请求入网；若有数据从数据处理与控制模块传来，则nb-iot模块会切换至连接态进行接收，否则等待；将接收到的数据进行打包，发送至阿里云物联网云平台，定时器计时，nb-iot远程设备根据阿里云服务器的固定ip地址和端口，建立tcp连接；基于mqtt协议封装数据包，基于at命令发送数据请求，nb-iot远程设备等待服务器响应，若服务器响应，则此次数据上传成功；否则服务器响应超时，且重传次数大于3次，则说明此次数据上传失败。6.根据权利要求3所述的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，混合节点与传感网节点之间采用tdma方式设置时隙，时隙表为二维坐标系，横轴为时间，纵轴为信道；混合节点与传感网节点在1帧内完成数据传输，依照传感网节点序号顺序依次传输，序号在前的先发送数据，直至所有传感网节点传输完成。
7.根据权利要求3所述的基于nb-iot和wsn异构的低功耗工业监测方法，其特征在于，传感网节点的cc2420无线通信模块与混合节点的cc2420无线通信模块均采用802.15.4协议。

技术总结
本发明公开了基于NB-IoT和WSN异构的低功耗工业监测系统，属于工业无线传感网技术领域。其结构在系统层次上分为用户层、服务层、通信层、感知层，其特征在于感知层包括：若干个传感网节点、较少的混合节点。混合节点是在原有的传感网节点的基础上扩充了NB-IoT模块，由于NB-IoT技术单跳通信的特性，传感网节点在数据传输时会由原来多跳的通信方式变成只需单跳就可将数据传到基站上，无需转发其他节点数据从而节省能耗，解决了节点电量不足的问题。本发明利用在原有传感网中加入混合节点的方式从根本上解决了节点能量受限的问题，延长了工业传感网的生命周期，且NB-IoT技术本身节能，在传感网节点不工作时，进入低功耗模式节能，从而最大化提高了工业监测系统的使用寿命。从而最大化提高了工业监测系统的使用寿命。从而最大化提高了工业监测系统的使用寿命。


技术研发人员：关锁玲 金曦 夏长清 许驰 曾鹏
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：2020.11.04
技术公布日：2022/5/25