多速率抗干擾自適應(yīng)無線通信平臺(tái)及其決策方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是自適應(yīng)切換通信方式。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸發(fā)展，無論是在工控場(chǎng)合的應(yīng)用條件下，還是在普通的生活應(yīng)用中，中短距離的無線傳輸都受到非常密切的關(guān)注。中短距離無線局域網(wǎng)具有設(shè)備簡(jiǎn)單、自組網(wǎng)、高可靠、低成本等特點(diǎn)，并且逐漸的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。目前中短距離無線通信技術(shù)主要包括:無線保真(WiFi)、短距離無線通信技術(shù)(Zigbee)、特高頻(UHF)技術(shù)等。單一的通信技術(shù)無法滿足多動(dòng)態(tài)，自適應(yīng)，多速率可調(diào)，以及抗干擾的要求。因此本發(fā)明提出的多速率抗干擾自適應(yīng)通信平臺(tái)將無線保真(WiFi)、短距離無線通信技術(shù)(Zigbee)和特高頻(UHF)三種無線通信技術(shù)融合在一起，通過評(píng)估信道情況和應(yīng)用需求的變化自適應(yīng)的切換通信方式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)性能的魯棒性和最優(yōu)化。下面對(duì)三種無線通信技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行分析。
[0003]Zigbee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議，其低速率、低功耗、低成本等特性成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要支撐技術(shù)。Zigbee作為一種新興的短距離無線通信技術(shù)，正推動(dòng)著低速率無線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。
[0004]WiFi技術(shù)主要基于IEEE 802.11系列標(biāo)準(zhǔn)，是一種可以將個(gè)人電腦、手持設(shè)備(如平板、手機(jī))等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。與Zigbee技術(shù)的低速率、低功耗等特性不同，WiFi技術(shù)具有高速率、高可靠、低延時(shí)等特點(diǎn)。
[0005]特高頻(UHF)則是指使用頻段為300?3000MHz特高頻的無線通信技術(shù)，具有穩(wěn)定性高，輻射能力強(qiáng)的特點(diǎn)。并且UHF通信技術(shù)終端實(shí)用性強(qiáng)，可以利用簡(jiǎn)易的硬件或硬件接口進(jìn)行快速通信。相對(duì)于Zigbee和Wifi無線傳輸技術(shù)，具有低速率，穿透性強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，可用于中短距離的無線傳輸。
[0006]無線保真(WiFi)具有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持多用戶接入。但是工作頻段在全球免申請(qǐng)2.4Ghz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用頻段)頻道，頻段較高，干擾強(qiáng)，傳播路徑的損耗大，傳輸距離近，且無法支持多跳傳輸。其次Wifi無線傳輸技術(shù)的功耗大，不支持對(duì)能量敏感的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。Zigbee具有低功耗、支持無線自組網(wǎng)、兼容多跳傳輸模式等特點(diǎn)。但是Zigbee的數(shù)據(jù)傳輸速率低，多跳傳輸會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延較大，無法滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用。UHF輻射能力強(qiáng)，穿透力好，在障礙物較多的室內(nèi)環(huán)境，傳輸距離遠(yuǎn)。在室外環(huán)境下，對(duì)于1Km以內(nèi)的直視距離可以單跳傳輸數(shù)據(jù)，減小了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)延。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了克服現(xiàn)有無線通信技術(shù)中單一通信方式的應(yīng)用范圍窄，數(shù)據(jù)傳輸速率不可調(diào)，無法動(dòng)態(tài)切換頻段抗干擾，以及低功耗節(jié)能的特點(diǎn)，分析發(fā)現(xiàn)將上述三種無線通信技術(shù)融合在一起，通過自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)多種無線通信技術(shù)的切換。無線通信平臺(tái)的主控芯片選用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)切換通信方式算法。FPGA芯片內(nèi)的數(shù)字邏輯主要通過采集應(yīng)用條件，數(shù)據(jù)時(shí)延要求，無線信道干擾情況，以及平臺(tái)能量等信息，動(dòng)態(tài)的分析判決，最終實(shí)現(xiàn)三種無線通信方式的切換。
[0008]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0009]多速率抗干擾自適應(yīng)無線通信平臺(tái)的硬件系統(tǒng)主要包括:控制單元1、無線傳輸單元2以及傳感器單元3三部分組成；控制單元I主要由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA組成，負(fù)責(zé)通信模式的判決和切換以及通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)；無線傳輸單元2由UHF無線模塊21，Wifi無線模塊22以及Zigbee無線模塊23組成，負(fù)責(zé)平臺(tái)的無線傳輸數(shù)據(jù)；傳感器單元3主要由溫濕度傳感器31，圖像傳感器32以及加速度傳感器33組成，負(fù)責(zé)采集平臺(tái)周圍的環(huán)境和圖像信息；
[0010]所述的控制單元I作為平臺(tái)的調(diào)度和控制中心，無線傳輸單元2和傳感器單元3通過電氣接口和控制單元I相連接，作為外設(shè)，完成固定功能；
[0011]所述的無線傳輸單元2由UHF無線模塊21，Wifi無線模塊22以及Zigbee無線模塊23組成，三個(gè)無線模塊通過集成電路總線IIC、同步串行外設(shè)接口 SP1、通用串行總線USB、異步串口接口 RS232與控制單元I的FPGA相連；
[0012]所述的傳感器單元3主要由濕度傳感器31，圖像傳感器32以及GPS全球定位系統(tǒng)傳感器33組成；當(dāng)無線通信平臺(tái)上電后，濕度傳感器31，圖像傳感器32以及全球定位系統(tǒng)GPS傳感器33完成初始化，等待FPGA控制信號(hào)；當(dāng)控制單元IFPGA通過集成電路總線IIC、同步串行外設(shè)接口 SP1、通用串行總線USB、異步串口接口 RS232通信接口發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)的命令后，傳感器讀取相應(yīng)指令，將采集的溫濕度數(shù)據(jù)、地理坐標(biāo)信息通過上述通信接口傳送給控制單元I的FPGA，F(xiàn)PGA將相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中；
[0013]所述FPGA切換選擇無線保真WiF1、短距離無線通信Zigbee、特高頻UHF三種無線通信方式，然后將無線通信模塊的使能信號(hào)拉高，通過通用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)包發(fā)送給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊將接收的數(shù)據(jù)包緩存在本地的內(nèi)存中，然后通過無線鏈路發(fā)送出去，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，返回?cái)?shù)據(jù)傳輸結(jié)束信號(hào)給FPGA ;數(shù)字信號(hào)的傳輸是由FPGA將選擇發(fā)射的控制指令或者傳感器獲取的數(shù)據(jù)傳遞給上述三種無線傳輸模塊，然后無線模塊緩存數(shù)據(jù)，通過調(diào)制，將數(shù)據(jù)通過無線信道發(fā)射出去。
[0014]本發(fā)明還提供涉及控制單元I進(jìn)行決策和分析的方法。
[0015]本發(fā)明所述的控制單元I負(fù)責(zé)整個(gè)無線通信平臺(tái)的任務(wù)調(diào)度，通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)分析處理，以及通信方式切換的功能，具體實(shí)現(xiàn)步驟為:
[0016]步驟1:整個(gè)無線通信平臺(tái)上電初始化參數(shù)或設(shè)置完定時(shí)任務(wù)后進(jìn)入休眠狀態(tài)；
[0017]步驟2:當(dāng)有數(shù)據(jù)請(qǐng)求到達(dá)或者定時(shí)任務(wù)時(shí)間到達(dá)，控制單元I的FPGA內(nèi)部邏輯自動(dòng)喚醒，進(jìn)行數(shù)據(jù)任務(wù)的傳輸；
[0018]步驟3:控制單元I完成無線傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)；
[0019]步驟4:控制單元I在進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸前，先進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策，選擇最優(yōu)化的無線通信方式完成切換；
[0020]所述的動(dòng)態(tài)決策和選擇最優(yōu)化的具體判斷方法為:
[0021]步驟4.1:控制單元I的FPGA先分析和計(jì)算與相鄰?fù)ㄐ殴?jié)點(diǎn)的傳輸距離，通信距離參數(shù)通過獲取自身與通信節(jié)點(diǎn)的地理坐標(biāo)計(jì)算得到，外部節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包或者指令時(shí)主動(dòng)攜帶自身的地理坐標(biāo)，無線通信平臺(tái)將接收到的含有鄰節(jié)點(diǎn)地理坐標(biāo)的信息存儲(chǔ)在本地內(nèi)存中，所述鄰節(jié)點(diǎn)是指距離本節(jié)點(diǎn)只有單跳傳輸距離的節(jié)點(diǎn)；
[0022]步驟4.2:當(dāng)無線通信平臺(tái)與鄰節(jié)點(diǎn)的傳輸距離大于Ikm時(shí)，控制單元I選擇UHF21無線通信方式，將UHF21無線通信模塊使能后，退出決策判斷過程，開始通信數(shù)據(jù)傳輸；
[0023]步驟4.3:當(dāng)通信距離在10m?100m的距離以內(nèi)，并且2.4Ghz的信道不存在干擾時(shí)，打開Zigbee23的射頻放大器，使能選用Zigbee23無線通信方式后，退出決策判斷過程，開始通信數(shù)據(jù)傳輸；
[0024]步驟4.4:如果2.4Ghz頻段內(nèi)存在較大的信道衰落或者人為的干擾，使能選擇433Mhz的UHF21無線通信方式后，退出決策判斷過程，開始通信數(shù)據(jù)傳輸；
[0025]步驟4.5:如果傳輸距離在10m以內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延要求小，數(shù)據(jù)任務(wù)量大，采用Wifi22進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，退出決策判斷過程，開