賈鵬

（生茂光電科技股份有限公司，鄭州450000）

一種適用于智慧城市建設(shè)的雙通道跳頻無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

賈鵬

（生茂光電科技股份有限公司，鄭州450000）

提出了一種雙通道發(fā)射、自動(dòng)跳頻的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。與常見的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，雙發(fā)跳頻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有良好的抗干擾性能，同時(shí)具有極快的通信故障檢測及自我修復(fù)功能。

智慧城市；智能家居；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；雙通道結(jié)構(gòu)

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.180

1 引言

伴隨著智慧城市規(guī)劃建設(shè)的逐步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用也日益頻繁和深入，通過物物相連的智能化信息傳遞，使人們的生活更加精細(xì)化和便捷化。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的各項(xiàng)技術(shù)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)作為承載感知層的重要組成部分，其傳輸性能及穩(wěn)定性將直接影響整體物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的工作效率。

智能家居在智慧城市項(xiàng)目建設(shè)中的應(yīng)用，無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的組成部分,其成本應(yīng)盡可能低廉，以減少整體項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用支出；其功耗也應(yīng)盡可能節(jié)省，來降低項(xiàng)目在運(yùn)行中的維護(hù)開銷，同時(shí)還需要面對各種復(fù)雜的環(huán)境因素對無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_[1]。針對上述問題，本文提出一種雙通道跳頻無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用自動(dòng)偵測空閑信道、智能跳頻、雙通道心跳偵聽的方式，確保通信網(wǎng)絡(luò)能夠在盡可能減少節(jié)點(diǎn)功耗的前提下，第一時(shí)間反饋通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)可能出現(xiàn)的信號(hào)遮擋、干擾源、節(jié)點(diǎn)故障等問題，并及時(shí)處理以保證數(shù)據(jù)傳輸正常工作。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

在大型的智慧城市項(xiàng)目應(yīng)用中，經(jīng)常會(huì)包含多個(gè)不同的感知層區(qū)域，這些感知層區(qū)域內(nèi)部需要使用成本和功耗均較為低廉的無線節(jié)點(diǎn)作為感知手段，同時(shí)需要感知層區(qū)域能夠?qū)⒆陨淼男畔R總上傳。因此，最佳方案是使用免費(fèi)的射頻通訊信道資源搭建單個(gè)感知層區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，完成內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸，并使用區(qū)域中心節(jié)點(diǎn)搭載4G傳輸模塊、有線傳輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多個(gè)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸交互，形成遠(yuǎn)距離的大型無線傳感網(wǎng)絡(luò)集群。

3 射頻通信模組

感知層的建設(shè)需要鋪設(shè)大量無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且要求各節(jié)點(diǎn)長期穩(wěn)定工作，因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)選擇免費(fèi)頻段，同時(shí)在保障網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定工作的前提下，各無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行功耗應(yīng)盡可能降低。433MHz射頻通信技術(shù)和2.4GHz射頻通信技術(shù)均符合上述特點(diǎn)，同時(shí)在當(dāng)前市場上有諸多使用這兩種通信技術(shù)的芯片、模塊可供使用，價(jià)格低廉，恰好符合智慧城市項(xiàng)目建設(shè)中對設(shè)備成本的控制需求。

433 MHz射頻通訊屬于ISM免執(zhí)照頻段，可以直接使用，其

優(yōu)勢是傳輸過程衰減較小，抗干擾性強(qiáng)，信號(hào)穿透性強(qiáng)，繞射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)。但傳輸能力較差，一般使用最大帶寬為100kbps。通常用于數(shù)據(jù)量較小，而要求穩(wěn)定性高的無線通信應(yīng)用。

2.4 GHz射頻通訊同屬于ISM免執(zhí)照頻段，其優(yōu)勢是傳輸能力較高，能夠進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸，但傳輸能力受到傳輸距離的限制，在進(jìn)行1km距離傳輸時(shí)，一般使用最大帶寬為2Mbps。同時(shí)信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力較差，且應(yīng)用于此頻段的無線傳輸類產(chǎn)品較多，容易發(fā)生被其他同頻信號(hào)源噪聲干擾的情況。

4 雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)

將433MHz射頻通訊的抗干擾及遠(yuǎn)距離特性與2.4GHz射頻通訊的寬帶寬特性相結(jié)合，即可建立一個(gè)可靠有效的雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)[2]。此結(jié)構(gòu)利用433MHz射頻通訊的可靠性和距離覆蓋能力，使中心節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間建立起帶寬為200kbps的穩(wěn)定數(shù)據(jù)鏈接，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過此鏈接傳輸數(shù)據(jù)前導(dǎo)信息，前導(dǎo)信息包括即將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長度和優(yōu)先級(jí)參數(shù)，中心節(jié)點(diǎn)在獲取到待傳數(shù)據(jù)的長度和優(yōu)先級(jí)后，根據(jù)數(shù)據(jù)具體長度，指示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包進(jìn)行分拆，并告知通信信道和密匙，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在被告知的信道進(jìn)行監(jiān)聽，由中心節(jié)點(diǎn)在該信道發(fā)起通信要求，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到通信要求并校驗(yàn)密匙成功后，反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)包，直至雙方通信完成，如圖1所示。

圖1 雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)圖

5 多節(jié)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常會(huì)有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在同一時(shí)刻上傳信息，若使用單一的頻率、信道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，必然出現(xiàn)信道占用沖突的情況。即使制定通信協(xié)議時(shí)引入消息競爭機(jī)制，依然會(huì)使數(shù)據(jù)傳輸效率大幅度降低。使用雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)，配合基于優(yōu)先級(jí)的權(quán)限時(shí)域分配機(jī)制，即可將信道占用沖突的影響降至最低。

從圖1可知，雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)無線傳感網(wǎng)絡(luò)工作過程中，數(shù)據(jù)上傳由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，使用抗干擾性較好的433MHz射頻通信，傳遞前導(dǎo)數(shù)據(jù)至中心節(jié)點(diǎn)。前導(dǎo)數(shù)據(jù)僅包含待傳數(shù)據(jù)長度、優(yōu)先級(jí)，以及自身節(jié)點(diǎn)編號(hào)等信息，因此傳輸所需時(shí)間非常短，能夠大幅度避免信道占用沖突發(fā)生。

中心節(jié)點(diǎn)接收到前導(dǎo)數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分片排隊(duì)，輪流傳輸，根據(jù)優(yōu)先級(jí)依次擠占機(jī)會(huì)。在分配隊(duì)列過程中，數(shù)據(jù)包的優(yōu)先級(jí)逐次提高，防止低優(yōu)先級(jí)數(shù)據(jù)長期擱置。此過程使用2.4GHz射頻通信，由中心節(jié)點(diǎn)發(fā)起，不會(huì)出現(xiàn)信道占用沖突的情況，且多個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)能夠按照各自優(yōu)先級(jí)并行傳輸。避免了多無線節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)傳輸中經(jīng)常出現(xiàn)的信道占用沖突問題。

6 智能抗干擾設(shè)置

在實(shí)際項(xiàng)目運(yùn)用中,布置無線傳感網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域環(huán)境存在各種各樣突發(fā)性的遮擋或噪聲干擾，使數(shù)據(jù)傳輸受到極大影響。如使用單一的頻率信道進(jìn)行射頻數(shù)據(jù)通信，有極高風(fēng)險(xiǎn)被連續(xù)干擾，造成通信大幅度延遲甚至中斷，從而影響到整個(gè)項(xiàng)目系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用前述雙通道發(fā)射結(jié)構(gòu)，若通信過程被其他信號(hào)源干擾。此時(shí)中心節(jié)點(diǎn)監(jiān)聽到信道內(nèi)的無序噪聲，或連續(xù)若干次要求數(shù)據(jù)均未得到反饋，即判定當(dāng)前使用信道發(fā)生問題，并通過433MHz頻段與目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)重新發(fā)起通訊，通知網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)更換其他信道進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)傳輸[3]。這樣能夠保證在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)無線數(shù)據(jù)通信，從而保障整個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的及時(shí)性和有效性。

7 結(jié)語

本研究提出了一種適用于智慧城市項(xiàng)目建設(shè)的雙通道發(fā)射、自動(dòng)跳頻的無線傳感網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對433MHz和2.4GHz兩種不同頻段射頻通訊的優(yōu)勢互補(bǔ)，充分發(fā)揮出433MHz頻段射頻通訊的可靠性、抗干擾能力，以及2.4GHz頻段射頻通訊的寬帶寬能力，搭建出通信性能極為適用于智慧城市項(xiàng)目感知層應(yīng)用的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

【1】劉杰，章韻，陳建新.利用433MHz射頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012,32(S2):68-72.

【2】齊楠，韓波，李平.基于ZigBee的智能家庭無線傳感網(wǎng)絡(luò)[J].機(jī)電工程，2007,24(2):21-22.

【3】黃進(jìn)宏，左菲，曾明.一種基于能量優(yōu)化的無線傳感網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)組織結(jié)構(gòu)和協(xié)議[J].網(wǎng)絡(luò)與通信，2002(6):118-121.

The Architecture Design of Wireless Sensor Network Suitable for Intelligent City Construction Based on Bouble Channel and Frequency Hopping

JIA Peng
(Samost Optoelectric Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450000,China)

This paper presents a wireless sensor network structure of dual channel transmission and automatic frequency hopping.Compared with common wireless sensor network structures,double frequency hopping network structure has a good anti-interference capability,fast communication failure detection and self-repair capability.

smart city;smart home;wireless sensor network(WSN);double-channel

TN915.02

A

1007-9467（2016）11-0175-02

2016-07-22

賈鵬（1984～），男，河南鄭州人，從事無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究。