專利名稱：一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無線通訊技術(shù)，尤其是涉及一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
背景技術(shù)：
礦難事故的頻發(fā)使得很多人將研究方向投向了礦井的安全維護(hù)，在礦井中存在著許多安全隱患，濕度、溫度、空氣中有害氣體的含量等等，為了保障井下人員的生命安全， 必須對這些安全隱患進(jìn)行監(jiān)控。但是礦井的地形復(fù)雜，信號不易傳輸，設(shè)備維修困難，將 ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用在礦井的檢測無疑是一種非常好的方法。
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低功耗、成本低、布置簡單等特點，但是在礦井下面的應(yīng)用任然存在一些問題，協(xié)調(diào)器和路由器的耗電量比較大，而在井下進(jìn)行大批量的電池更換是一件非常麻煩的事情，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中單節(jié)點的傳輸距離比較短，對于比較大的礦井需要布置非常多的路由節(jié)點和信號采集節(jié)點，加大了數(shù)據(jù)包的碰撞概率，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性較差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種可降低檢測的成本、加大網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性的基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括有線節(jié)點、信號采集節(jié)點、同軸電纜和服務(wù)器，所述的信號采集節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)與有線節(jié)點連接，所述的有線節(jié)點與同軸電纜連接，所述的同軸電纜與服務(wù)器連接；
信號采集節(jié)點將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給有線節(jié)點，正常情況下，同軸電纜對有線節(jié)點供電和充電，有線節(jié)點通過同軸電纜將接收到的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，當(dāng)當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點由自身所帶的充電電池供電，同時采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并向服務(wù)器發(fā)送故障報告。
所述的有線節(jié)點包括射頻模塊、微控制單元、功率調(diào)節(jié)器、充電電池和直流偏置單元，所述的射頻模塊依次連接微控制單元和功率調(diào)節(jié)器，所述的充電電池分別連接直流偏置單元、射頻模塊、微控制單元和功率調(diào)節(jié)器，所述的直流偏置單元與同軸電纜連接；正常情況下，有線節(jié)點通過同軸電纜進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，同時通過同軸電纜對充電電池進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點由充電電池進(jìn)行供電，且射頻模塊將射頻信號切換為無線方式。
所述的有線節(jié)點分為多個簇,一定范圍內(nèi)的多個有線節(jié)點組成一個簇,所述的簇中包括一個簇頭節(jié)點和多個簇成員節(jié)點；簇成員節(jié)點在收到信號采集節(jié)點的信息后在自己的時隙中將數(shù)據(jù)發(fā)往簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)由相鄰的簇頭節(jié)點用多跳的方式發(fā)送給服務(wù)器。
所述的相鄰的簇之間由簇頭節(jié)點通過同軸電纜或無線方式進(jìn)行信息交換。
所述的有線節(jié)點和信號采集節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時分別遵循一種超幀結(jié)構(gòu)，這兩種超幀結(jié)構(gòu)的活躍部分和不活躍部分相互錯開，且活躍部分和不活躍部分的長度相同。
所述的超幀結(jié)構(gòu)通過時隙分割法進(jìn)行Beacon幀的發(fā)送，所述的時隙分割法是指 將超幀結(jié)構(gòu)的第零個時隙進(jìn)行分割，分成不同的時間戳，相鄰的節(jié)點各使用其中的一個時間戳來發(fā)送Beacon中貞。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
I)不需要考慮FFD(Full Function Device)的供電問題,不用經(jīng)常更換電池；
2)安全性高，發(fā)生故障或者發(fā)生塌陷導(dǎo)致同軸電纜斷開后可以切換成無線模式， 向服務(wù)器發(fā)送警報；
3)有線節(jié)點和無線節(jié)點在不同的時隙進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸使得丟包率降低；
4)通過分割時隙來進(jìn)行Beacon幀的發(fā)送，避免了 Beacon幀的碰撞丟包，保證了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖2為本發(fā)明中有線節(jié)點的結(jié)構(gòu)示意圖3為本發(fā)明超幀結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法示意圖4為本發(fā)明時隙分割法的示意圖。
圖I中，“〇”表示簇頭節(jié)點；“ ”表示簇成員節(jié)點；“Λ”表示信號采集節(jié)點；圖2 中，《 - ，,表不數(shù)據(jù)信號；《 .................- 表不電源供應(yīng)。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明，本實施例在以本文發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實施例。
實施例
如圖I所示為基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括有線節(jié)點I、信號采集節(jié)點2、同軸電纜3和服務(wù)器4，所述的信號采集節(jié)點2通過無線網(wǎng)絡(luò)與有線節(jié)點I連接，所述的有線節(jié)點I與同軸電纜3連接，所述的同軸電纜3通過網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器 4連接。所述的有線節(jié)點I分為多個簇，一定范圍內(nèi)(本實施例中為半徑為R的范圍內(nèi))的多個有線節(jié)點組成一個簇，所述的簇中包括一個簇頭節(jié)點(cluster head)和多個簇成員節(jié)點。圖I中，空心圓點表示簇頭節(jié)點，一個簇中的簇成員節(jié)點在收到信號采集節(jié)點的信息后在自己的時隙中將數(shù)據(jù)發(fā)往簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)由相鄰的簇頭節(jié)點用多跳的方式發(fā)送給服務(wù)器，當(dāng)同軸電纜發(fā)生故障斷開以后，相鄰的簇之間由簇頭節(jié)點通過無線方式進(jìn)行信號的傳輸，并向服務(wù)器發(fā)送故障報告。相鄰的簇之間可由簇頭節(jié)點通過同軸電纜或無線方式進(jìn)行信息交換。
如圖2所示，有線節(jié)點I包括射頻模塊11、微控制單元12、功率調(diào)節(jié)器13、充電電池14和直流偏置單元15，所述的射頻模塊11依次連接微控制單元12和功率調(diào)節(jié)器13，所述的充電電池14分別連接直流偏置單元15、射頻模塊11、微控制單元12和功率調(diào)節(jié)器13，所述的直流偏置單元15與同軸電纜3連接；正常情況下，有線節(jié)點I通過同軸電纜3進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，同時通過同軸電纜3對充電電池進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點I由充電電池14進(jìn)行供電，且射頻模塊11將射頻信號切換為無線方式。
所述的有線節(jié)點和信號采集節(jié)點(無線節(jié)點)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時分別遵循一種超幀結(jié)構(gòu)，有線節(jié)點遵循協(xié)調(diào)器的超巾貞結(jié)構(gòu)，信號采集節(jié)點遵循cluster head的超巾貞結(jié)構(gòu),這兩種超幀結(jié)構(gòu)的活躍部分(active)和不活躍部分(inactive)相互錯開，且活躍部分和不活躍部分的長度相同，使得有線信號和無線信號的傳輸不會同時發(fā)生，從而降低了數(shù)據(jù)包的碰撞概率。如圖3所示，第二種超幀的開始時間為第一種超幀的的inactive部分的開始時間時，第一個超巾貞的inactive部分和第二個超巾貞的active部分將會在時間上疊加起來,這樣就使得有線節(jié)點和無線節(jié)點的active時間段相互錯開，減少了節(jié)點的間的信道競爭，增強(qiáng)了信號傳輸?shù)目煽啃浴?br> 在802. 15. 4協(xié)議中，Beacon幀的發(fā)送沒有采用CSMA/CA機(jī)制，也就是說，如果兩個 Beacon巾貞同時發(fā)送且發(fā)生碰撞時,那么這兩個Beacon巾貞都會丟失。Beacon巾貞是在每個超幀的第零個時隙發(fā)送的，如果將第零個時隙進(jìn)行分割，不同的節(jié)點在第零個時隙中的不同分割時隙中發(fā)送Beacon,這樣就可以避免相鄰節(jié)點Beacon巾貞的碰撞,但是超巾貞的每個時隙大小是受超幀長度限制的，為了保障有足夠的時間發(fā)送Beacon幀，每個分割后的時隙必須大于Beacon巾貞的發(fā)送時間。如圖4所示,本實施例的超巾貞結(jié)構(gòu)通過時隙分割法進(jìn)行Beacon 幀的發(fā)送，所述的時隙分割法是指將超幀結(jié)構(gòu)的第零個時隙進(jìn)行分割，分成不同的時間戳，相鄰的節(jié)點各使用其中的一個時間戳來發(fā)送Beacon巾貞,從而避免了 Beacon的碰撞。 802. 15. 4的傳輸距離并不遠(yuǎn)，根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中相鄰節(jié)點的距離不同，相鄰的節(jié)點Beacon幀可能會發(fā)生碰撞，但是相鄰節(jié)點的下一個節(jié)點可能就超出了本節(jié)點的監(jiān)聽范圍，所以不必繼續(xù)分割時隙而是重復(fù)利用前面已經(jīng)超出監(jiān)聽范圍節(jié)點的時隙。
權(quán)利要求
1.一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，包括有線節(jié)點、信號采集節(jié)點、同軸電纜和服務(wù)器，所述的信號采集節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)與有線節(jié)點連接，所述的有線節(jié)點與同軸電纜連接，所述的同軸電纜與服務(wù)器連接； 信號采集節(jié)點將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給有線節(jié)點，正常情況下，同軸電纜對有線節(jié)點供電和充電，有線節(jié)點通過同軸電纜將接收到的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，當(dāng)當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點由自身所帶的充電電池供電，同時采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并向服務(wù)器發(fā)送故障報告。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的有線節(jié)點包括射頻模塊、微控制單元、功率調(diào)節(jié)器、充電電池和直流偏置單元，所述的射頻模塊依次連接微控制單元和功率調(diào)節(jié)器，所述的充電電池分別連接直流偏置單元、射頻模塊、微控制單元和功率調(diào)節(jié)器，所述的直流偏置單元與同軸電纜連接；正常情況下，有線節(jié)點通過同軸電纜進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸，同時通過同軸電纜對充電電池進(jìn)行充電，當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點由充電電池進(jìn)行供電，且射頻模塊將射頻信號切換為無線方式。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的有線節(jié)點分為多個簇，一定范圍內(nèi)的多個有線節(jié)點組成一個簇，所述的簇中包括一個簇頭節(jié)點和多個簇成員節(jié)點；簇成員節(jié)點在收到信號采集節(jié)點的信息后在自己的時隙中將數(shù)據(jù)發(fā)往簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點將接收到的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，經(jīng)由相鄰的簇頭節(jié)點用多跳的方式發(fā)送給服務(wù)器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的相鄰的簇之間由簇頭節(jié)點通過同軸電纜或無線方式進(jìn)行信息交換。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的有線節(jié)點和信號采集節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時分別遵循一種超幀結(jié)構(gòu)，這兩種超幀結(jié)構(gòu)的活躍部分和不活躍部分相互錯開，且活躍部分和不活躍部分的長度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的超幀結(jié)構(gòu)通過時隙分割法進(jìn)行Beacon幀的發(fā)送，所述的時隙分割法是指將超幀結(jié)構(gòu)的第零個時隙進(jìn)行分割，分成不同的時間戳，相鄰的節(jié)點各使用其中的一個時間戳來發(fā)送Beacon 中貞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于有線/無線混合架構(gòu)的傳感器網(wǎng)絡(luò)，包括有線節(jié)點、信號采集節(jié)點、同軸電纜和服務(wù)器，所述的信號采集節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)與有線節(jié)點連接，所述的有線節(jié)點與同軸電纜連接，所述的同軸電纜與服務(wù)器連接；信號采集節(jié)點將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給有線節(jié)點，正常情況下，同軸電纜對有線節(jié)點供電和充電，有線節(jié)點通過同軸電纜將接收到的數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)器，當(dāng)當(dāng)發(fā)生故障導(dǎo)致同軸電纜斷開時，有線節(jié)點由自身所帶的充電電池供電，同時采用無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并向服務(wù)器發(fā)送故障報告。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有可降低檢測的成本、加大網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性等優(yōu)點。
文檔編號H04W84/18GK102984040SQ20121045440
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者裴家俊, 劉濤, 戎蒙恬, 劉文江, 魏來 申請人:上海交通大學(xué)