專利名稱：一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)及通訊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于利用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)，特別是一種數(shù)字化得傳感網(wǎng)絡(luò)及通訊方法。
背景技術(shù)：
大型傳感網(wǎng)絡(luò)在軍事、環(huán)境、醫(yī)療以及商務(wù)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，如地震勘探、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及軍事監(jiān)測(cè)方面，由于環(huán)境復(fù)雜、節(jié)點(diǎn)間距大、數(shù)據(jù)率大等原因，所以傳統(tǒng)的傳感應(yīng)器組網(wǎng)方式很難滿足要求。例如根據(jù)應(yīng)用需求，數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的傳輸大線采用雙絞線傳輸，節(jié)點(diǎn)間距離達(dá)220m。如此大的間距會(huì)造成雙絞線終端傳輸信號(hào)極大衰減，數(shù)據(jù)率迅速下降，再加上需要低功耗，沒有現(xiàn)成的解決方案可以達(dá)到傳輸速率 24Mb/s;從普通的通信網(wǎng)絡(luò)來看，其負(fù)荷是隨機(jī)的，數(shù)據(jù)流需要復(fù)雜的路由，有不同的業(yè)務(wù)等級(jí)，高層協(xié)議上還要提供大量的應(yīng)用服務(wù)，因而數(shù)據(jù)傳輸效率不高，實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，無法滿足傳感網(wǎng)絡(luò)要求。中國專利申請(qǐng)20061000M74. 0《傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)的傳輸方法》公開了“一種用于抑制在收容龐大數(shù)目的可移動(dòng)的傳感器節(jié)點(diǎn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)中的、服務(wù)器處理以及網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。利用管理服務(wù)器DRS為每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置從執(zhí)行傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)管理的多個(gè)分布式數(shù)據(jù)處理服務(wù)器DDS中的、成為存儲(chǔ)有可移動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的主服務(wù)器的分布式服務(wù)器DDS，在各分布式服務(wù)器DDS中，在接收了來自傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)的情況下，識(shí)別是應(yīng)由自己管理數(shù)據(jù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，還是由其他分布式服務(wù)器管理的傳感器節(jié)點(diǎn)，若該識(shí)別結(jié)果是由其他分布式服務(wù)器管理的傳感器數(shù)據(jù)，則基于管理服務(wù)器DRS的設(shè)置，向與主服務(wù)器相對(duì)應(yīng)的分布式服務(wù)器DDS-I傳送數(shù)據(jù)”的方案。該方案主要針對(duì)移動(dòng)傳感問題中網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，而沒有解決上述的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的提出一種數(shù)字化得傳感網(wǎng)絡(luò)及通訊方法，通過傳感節(jié)點(diǎn)之間的結(jié)構(gòu)和連接方式改進(jìn)來提高數(shù)據(jù)傳輸速度，及通道的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)簡化來達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸速度的提高，增強(qiáng)實(shí)時(shí)性和滿足低功耗長距離傳感網(wǎng)絡(luò)通訊要求。本發(fā)明通過如下方案實(shí)現(xiàn)一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，由傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)組成分布式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且相鄰傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的上行控制裝置之間通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的下行控制裝置通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)來自主機(jī)的指令傳遞。上所述的上行控制裝置之間采用HDTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；所述的下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進(jìn)行指令傳輸；上所述的上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結(jié)構(gòu)，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層；所述網(wǎng)絡(luò)線為雙絞線。一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊方法，為一種應(yīng)用于上述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)姆椒?，其特征在于，包括如下步驟傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)字化，并通過上行控制裝置及獨(dú)立的上行網(wǎng)絡(luò)通道向主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)通過下行控制裝置及獨(dú)立的下行網(wǎng)絡(luò)通道接收或傳遞來自主機(jī)的指令步驟。其中，所述的通過上行網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳過程步驟包括，上行網(wǎng)絡(luò)通道MAC 層從LLC層接收單元數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行介質(zhì)訪問規(guī)程，查看上行網(wǎng)絡(luò)是否可以發(fā)送；當(dāng)上行網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送，它將給數(shù)據(jù)封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點(diǎn)的MAC層接到其它傳感節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后，通過MAC幀內(nèi)目的地址進(jìn)行判斷，如果是發(fā)送給其它節(jié)點(diǎn)的過路數(shù)據(jù)，則立刻通過物理層轉(zhuǎn)發(fā)該幀；如果是給自己的數(shù)據(jù)，則將以包內(nèi)的CRC的數(shù)值來檢驗(yàn)包數(shù)據(jù)是否正確及數(shù)據(jù)送至LLC層；LLC層向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)；所述的通過下行網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行指令下傳過程步驟包括，下行網(wǎng)絡(luò)通道通過RS485 接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點(diǎn)向下位節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞絺鬟f來自主機(jī)的指令；下位節(jié)點(diǎn)收到命令幀后直接向下級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)判斷其命令地址是否和本節(jié)點(diǎn)地址相同，若相同則根據(jù)命令內(nèi)容做出響應(yīng)。綜上所述的本發(fā)明方法具有如下顯著特點(diǎn)1.傳感節(jié)點(diǎn)之間采用獨(dú)立的上行或下行控制裝置，并采用單獨(dú)的通道；充分考慮了數(shù)據(jù)上傳兩大，指令下行距離要求高的特點(diǎn)；2.數(shù)據(jù)或指令上傳的通訊協(xié)議棧進(jìn)行了簡化；3.提供了一種新的傳感器連接和通訊方法。


圖1是傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖；圖2是傳感節(jié)點(diǎn)的連接結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是通訊協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例一如圖1和2所示，本發(fā)明的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)和常見的傳感網(wǎng)絡(luò)一樣，都具有傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)組成，并采用級(jí)聯(lián)型鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即若干交叉節(jié)點(diǎn)串聯(lián)并與主機(jī)進(jìn)行通訊，而大部分節(jié)點(diǎn)通過就近串聯(lián)而成一條傳輸鏈后匯聚于交叉節(jié)點(diǎn)再與主機(jī)通訊。由于各節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間需要交換數(shù)據(jù)，根據(jù)大型有線數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求， 對(duì)數(shù)據(jù)通訊應(yīng)該具有以下性能需求1)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸傳感網(wǎng)絡(luò)一般在野外工作，環(huán)境條件惡劣，除在交叉節(jié)點(diǎn)及主機(jī)之間的傳輸干纜采用光纖，一般節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間傳輸大線多用傳統(tǒng)的電纜傳輸。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大，傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)日眾多，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)膲毫χ饕趥鬏敶缶€。當(dāng)數(shù)據(jù)采集速率大時(shí)，共享總線的傳輸方式就不能適應(yīng)，故必須采用逐級(jí)上傳的級(jí)聯(lián)方式。2)低功耗傳感節(jié)點(diǎn)采用較復(fù)雜的嵌入式系統(tǒng)，以高性能CPU芯片作為主控制器和數(shù)據(jù)處理器，還包含一路或幾路高精度數(shù)據(jù)采集電路；需要接收傳感器來的信號(hào)和傳輸大線送達(dá)的命令，完成從信號(hào)調(diào)理、數(shù)字化、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)成幀、本地存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)纫幌盗泄ぷ?。傳感?jié)點(diǎn)采用電池供電，對(duì)功耗極敏感，且對(duì)系統(tǒng)總功耗有很大影響。一般要求單個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的功耗小于2W。3)要求采集信息可靠、傳輸透明，采集數(shù)據(jù)在傳輸過程中一般不允許丟棄和誤碼。4)為滿足野外施工需要，盡量減輕傳輸大線重量，因此采用信號(hào)線與電源線復(fù)用技術(shù)。信號(hào)線在傳信號(hào)同時(shí)可向相鄰節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功率傳輸。針對(duì)上述要求，本發(fā)明方案中，傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有上行控制裝置和下行控制裝置(如圖2所示)；其中，上行控制裝置采用長距離以太網(wǎng)芯片如PHY芯片進(jìn)行傳輸大線的信號(hào)驅(qū)動(dòng)和信號(hào)均衡；而下行控制裝置則優(yōu)選采用如用RS485接口芯片進(jìn)行異步通信。如圖2所示，上行控制裝置之間通過單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)線如雙絞線進(jìn)行連接，并通過上行控制裝置實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)上傳；而下行控制裝置之間也通過單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)線如雙絞線進(jìn)行連接，并通過下行控制裝置實(shí)現(xiàn)主機(jī)指令的傳遞。上行控制裝置采用采用HDTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；而下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進(jìn)行指令傳輸。如圖3所示，上行控制裝置采用采用HDTP協(xié)議棧具有三層結(jié)構(gòu)，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中數(shù)據(jù)鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。物理層主要提供簡單但健壯的信號(hào)調(diào)制和數(shù)據(jù)收發(fā)，完成比特流的傳輸。數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、幀檢測(cè)、幀同步、介質(zhì)訪問控制、差錯(cuò)控制和透明傳輸， 主要包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質(zhì)訪問控制子層(MAC)。下面對(duì)本數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)通訊方法進(jìn)一步描述整體上包括兩大步驟，即傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)字化，并通過上行控制裝置及獨(dú)立的上行網(wǎng)絡(luò)通道向主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)通過下行控制裝置及獨(dú)立的下行網(wǎng)絡(luò)通道接收或傳遞來自主機(jī)的指令步驟。具體為下行網(wǎng)絡(luò)通道通過RS485接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點(diǎn)向下位節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞絺鬟f來自主機(jī)的指令；下位節(jié)點(diǎn)收到命令幀后直接向下級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)判斷其命令地址是否和本節(jié)點(diǎn)地址相同，若相同則根據(jù)命令內(nèi)容做出響應(yīng)。下行網(wǎng)絡(luò)通道，由于傳輸數(shù)據(jù)率要求較低(幾百ΙΛ-ps)，使用RS485接口芯片，通過一對(duì)雙絞線采用異步通信模式實(shí)現(xiàn)。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實(shí)現(xiàn)通信，功耗低，傳輸距離超過300m。上行網(wǎng)絡(luò)通道MAC層從LLC層接收單元數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行介質(zhì)訪問規(guī)程，查看上行網(wǎng)絡(luò)是否可以發(fā)送；當(dāng)上行網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送，它將給數(shù)據(jù)封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點(diǎn)的 MAC層接到其它傳感節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后，通過MAC幀內(nèi)目的地址進(jìn)行判斷，如果是發(fā)送給其它節(jié)點(diǎn)的過路數(shù)據(jù)，則立刻通過物理層轉(zhuǎn)發(fā)該幀；如果是給自己的數(shù)據(jù)，則將以包內(nèi)的CRC 的數(shù)值來檢驗(yàn)包數(shù)據(jù)是否正確。若檢驗(yàn)結(jié)果正確，則將數(shù)據(jù)送至LLC層；若檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤， 則告知發(fā)送節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送。LLC層向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)幀從一個(gè)節(jié)點(diǎn)無錯(cuò)誤傳輸?shù)搅硪粋€(gè)節(jié)點(diǎn)。LLC層需要完成的工作主要是接收應(yīng)用層下傳的數(shù)據(jù)隊(duì)列，構(gòu)建協(xié)議單元，向MAC子層傳遞；同時(shí)接收由MAC子層傳遞上來的協(xié)議幀數(shù)據(jù)，上傳給應(yīng)用層。擁塞控制采用過路幀數(shù)據(jù)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)的策略，這樣每個(gè)數(shù)據(jù)幀發(fā)送等待為傳送一幀時(shí)間。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，由傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)組成分布式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且相鄰傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的上行控制裝置之間通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的下行控制裝置通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)來自主機(jī)的指令傳遞。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述的上行控制裝置之間采用 HDTP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；所述的下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進(jìn)行指令傳輸。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結(jié)構(gòu)，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
4.如權(quán)利要求3所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)或一個(gè)以上。
5.如權(quán)利要求4所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)線為雙絞線。
6.一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊方法，為一種應(yīng)用于權(quán)利要求1至5任一所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)的數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)姆椒ǎ涮卣髟谟?，包括如下步驟傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信號(hào)采集和數(shù)字化，并通過上行控制裝置及獨(dú)立的上行網(wǎng)絡(luò)通道向主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點(diǎn)或交叉節(jié)點(diǎn)通過下行控制裝置及獨(dú)立的下行網(wǎng)絡(luò)通道接收或傳遞來自主機(jī)的指令步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊方法，其特征在于，所述的通過上行網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳過程步驟包括，上行網(wǎng)絡(luò)通道MAC層從LLC層接收單元數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行介質(zhì)訪問規(guī)程，查看上行網(wǎng)絡(luò)是否可以發(fā)送；當(dāng)上行網(wǎng)絡(luò)可以發(fā)送，它將給數(shù)據(jù)封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點(diǎn)的MAC層接到其它傳感節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)后，通過MAC幀內(nèi)目的地址進(jìn)行判斷， 如果是發(fā)送給其它節(jié)點(diǎn)的過路數(shù)據(jù)，則立刻通過物理層轉(zhuǎn)發(fā)該幀；如果是給自己的數(shù)據(jù)，則將以包內(nèi)的CRC的數(shù)值來檢驗(yàn)包數(shù)據(jù)是否正確及數(shù)據(jù)送至LLC層；LLC層向應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)鏈路服務(wù)。
8.如權(quán)利要求6或7所述的數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)的通訊方法，其特征在于所述的通過下行網(wǎng)絡(luò)通道進(jìn)行指令下傳過程步驟包括，下行網(wǎng)絡(luò)通道通過RS485接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點(diǎn)向下位節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)姆绞絺鬟f來自主機(jī)的指令；下位節(jié)點(diǎn)收到命令幀后直接向下級(jí)轉(zhuǎn)發(fā)， 同時(shí)判斷其命令地址是否和本節(jié)點(diǎn)地址相同，若相同則根據(jù)命令內(nèi)容做出響應(yīng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)傳感節(jié)點(diǎn)通訊的技術(shù)，特別是提出一種數(shù)字傳感網(wǎng)絡(luò)和通訊方法，其中傳感網(wǎng)絡(luò)由傳感節(jié)點(diǎn)、交叉節(jié)點(diǎn)和主機(jī)組成分布式結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，并且相鄰傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的上行控制裝置之間通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸；傳感節(jié)點(diǎn)和交叉節(jié)點(diǎn)的下行控制裝置通過獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)線連接以實(shí)現(xiàn)來自主機(jī)的指令傳遞。上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結(jié)構(gòu)，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。
文檔編號(hào)H04L12/28GK102223273SQ20111020161
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月14日
發(fā)明者盧忠云, 盧林發(fā), 葉燦才 申請(qǐng)人:中山愛科數(shù)字科技有限公司