CN101309135A - 一种提高工业无线传感器网络可靠性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工业无线传感器网络领域，它提供一种提高工业无线传感器网络可靠性的方法，该方法包括在传感器终端节点安装多个无线网卡；对终端节点的所有网卡依次进行初始化设置和初始生成该终端节点的网卡通信质量队列，所述网卡通信质量队列中，通信质量最好的网卡指定为当前主工作网卡，其余的网卡作为该节点的备份工作网卡；定时更新终端节点网卡通信质量队列，并根据网卡通信质量队列进行网卡切换，用于选择通信质量最好的网卡进行数据传输；在终端节点网卡通信质量队列更新的间隔期内，如果当前主工作网卡通信不正常，则按照网卡通信质量队列中通信质量由高到低的顺序切换到备份工作网卡进行数据重发，直到数据发送成功。该方法提高了工业无线传感器网络数据传输的可靠性，降低控制系统的造价，特别适合环境恶劣的工业控制现场。

Description

一种提高工业无线传感器网络可靠性的方法

技术领域

本发明涉及网络传输领域，尤其涉及工业无线传感器网络领域。

背景技术

工业无线传感器网络技术是继现场总线技术之后，工业控制领域的一个热点技术，是降低工业测控系统成本，提高工业测控系统应用范围和可靠性的革命性技术，是未来几年工业自动化产品新的增长点。

无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的具有感知、计算处理和无线通信能力的廉价小型传感器节点组成。每个节点通过传感器或控制参数实现与环境的交互，然后通过网络互联来完成一定的任务。在无线传感器网络中，每个传感器节点可以协作感知、采集和处理网络覆盖范围之内的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。

在工业环境中，无线传感器网络应用的主要特点有：

(1)网络的大规模性；无线传感器网络在工业环境中应用的大规模性包括两个方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内；另一个方面，传感器节点部署很密集。

(2)网络的自组织性；在无线传感器网络现有的一些应用中，节点在通常情况下都是被放置在没有基础结构的地方，这就要求无线传感器网络具有自组织性，能够自行配置管理。

(3)工业环境应用中对无线传感器网络有特殊要求，如实时数据采集，动作行为控制执行等，这些数据传输网络是不允许出现故障的，一旦出现故障，那将带来巨大的经济损失或灾难性的后果。

在网络中，设计的环节非常多，如通讯设备，数据处理设备等，这些都有可能出现问题，任何一个环节出现问题，都会导致整个网络数据传输的可靠性降低，所以一般的解决方案就是提供冗余网络，对于较重要的网络设备(如关键节点或路由器)，可以通过备份来实现网络的冗余，确保网络的畅通。工业环境应用中无线传感器网络的冗余是为了提高实时性和稳定性，无线传感器网络节点能量和通信范围有限，很容易发生节点失效。在这种情况下，有些采样数据就有可能没法传递至观察设备。因此在无线传感器网络中加入冗余方案，意义十分重大，可以大大提高工业无线传感器网络的稳定性，实时性和整个网络的生存期。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，在工业环境应用中，无线传感器网络进行实时数据采集、动作行为控制等操作的过程中出现故障而导致整个网络数据传输的可靠性降低，无线传感器网络节点能量和通信范围有限，很容易发生节点失效，而使得有些采样数据可能没法传递至观察设备的问题，

为解决上述问题，本发明提供了一种提高工业无线传感器网络可靠性的方法，该方法包括以下步骤：

在传感器终端节点安装多个无线网卡，用于终端节点的网卡冗余；终端节点所配备的冗余网卡数量，是由无线传感器网络终端在网络中所传输的数据的权重决定，该终端上传输数据的权重越大，分配的冗余网卡的数量越多；

对终端节点的所有网卡依次进行初始化设置和初始生成该终端节点的网卡通信质量队列，所述网卡通信质量队列中，通信质量最好的网卡指定为当前主工作网卡，其余的网卡作为该节点的备份工作网卡；

定时更新终端节点网卡通信质量队列，并根据网卡通信质量队列进行网卡切换，用于选择通信质量最好的网卡进行数据传输；

在终端节点网卡通信质量队列更新的间隔期内，如果当前主工作网卡通信不正常，则按照网卡通信质量队列中通信质量由高到低的顺序切换到备份工作网卡进行数据重发，直到数据发送成功。

进一步地，对终端节点进行初始化设置包括如下步骤：

所述终端节点检测无线网卡，按其端口地址分配基地址和注册中断向量，识别网卡型号，并初始化该网卡的MAC控制器，PHY控制器；

该无线网卡向无线网卡接入基站注册本网卡信息，无线网卡基站向该无线网卡返回应答信息，终端根据所述返回应答信息计算并记录该无线网卡通信链路的误码率；

重复执行上述步骤，直到该终端节点上所有无线网卡初始化完毕；

终端节点根据记录的无线网卡误码率数据进行信道通信质量的排序，形成终端无线网卡通信质量队列；

指定所述网卡通信质量队列中通信质量最好的网卡为主工作网卡，其余的网卡作为备份工作网卡。

作为优化，所述定时更新终端节点网卡通信质量队列，并根据网卡通信质量队列进行网卡切换的具体方式为：

所述终端系统设有心跳定时触发器，当心跳信号定时触发器定时溢出后，终端系统按照终端无线网卡通信质量队列中的顺序依次选择其队列中的网卡进行心跳测试，以便得到各网卡的通信链路质量信息，所述心跳测试即终端系统通过网卡向接入基站(sink)发出心跳信号；心跳信号由一组收发双发都已知的数据序列构成，当心跳序列由终端无线网卡通信质量队列中的某一块网卡发送到无线网卡接入基站(sink)之后，即等待应答信号(ACK)，若在规定的时限及重传次数限制下该网卡还未能收到有效的应答信号，即把当前测试的无线网卡放入终端无线网卡通信质量队列队尾，并标记为故障网卡；若该网卡及时收到应答信号，即根据收到的应答信号进行误码率计算评估，并根据误码率获得当前无线网卡通信链路质量，根据此网卡通信链路质量值的大小插入终端无线网卡通信质量队列中的适当位置；误码率越小，链路通信质量越好，则该网卡在通信质量队列排列位置越靠前。并且终端根据队列中的网卡通信质量排序及时将当前主工作网卡切换到通信质量最好的无线网卡上去。当该终端所有无线网卡都经过心跳轮询之后，即按照预先设定的心跳定时触发器延时准备下一次心跳测试。

作为进一步的优化，在无线传感器网络通信协议中的数据链路层设置信道切换层和链路状态监测层两个子层，所述链路状态监测层与物理层通讯，所述信道切换层与网络层通讯，

在终端节点与接入基站进行心跳测试中，链路状态监测层测量无线网卡的通信链路的误码率(BER)，将通信链路质量情况提供给信道切换层；

信道切换层收到所述链路状态监测层测量的通信链路的误码率(BER)，更新无线网卡通信质量队列；完成更新后，将当前通信链路队列顶部网卡的设备号提供给无线网卡驱动程序，无线网卡驱动程序将该顶部网卡设置为主工作网卡。

本发明所提供的提高工业无线传感器网络可靠性的方法，在工业无线传感器网络的终端节点处依据所传输数据的权重分配冗余无线网卡，建立节点网卡通信质量队列，并且采用心跳测试定时监测通信质量，及时更新节点网卡通信质量队列，选择队列中通信质量最好的网卡作为主工作网卡，提高关键数据网络传输的实时性和可靠性；通过在无线传感器网络数据链路层增加信道切换层与无线链路监测层两个子层的方式，实现无线网卡的无缝实时切换，减少数据传输由于切换网卡所带来的延迟，提高工业无线传感器网络的稳定性，实时性和整个网络的生存期。

附图说明

图1为本发明终端节点的初始化设置流程图。

图2为本发明终端节点与接入基站的通信过程流程图。

图3为本发明基于终端节点多网卡的网卡及信道切换流程图。

图4为本发明无线传感器网络协议层次模型示意图。

图5为数据链路层的链路状态监测层、信道切换层结构及数据流示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明实施例的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示为本发明终端节点的初始化设置流程图，具体包括如下步骤：

步骤：101，运行终端网卡驱动程序，目的在于依次对注册于系统的无线网卡按照其端口地址进行初始化设置；

步骤：102，设置变量N，赋初值为1；

步骤：103，选择第N块网卡；

步骤：104，设置该无线网卡的基地址和在系统中注册的中断向量；

步骤：105，初始化无线网卡N：对该无线网卡按照其型号，对其MAC控制器，PHY控制器进行初始化设置；

步骤：106，测试无线网卡N的信道质量，具体操作如图2所示的步骤201至204：

步骤：201，选择已初始化设置完毕的网卡N；

步骤：202，向无线网卡接入基站(sink)发送一心跳信息，其目的在于：一方面向无线网卡接入点注册本网卡信息，另一方面按照从无线网卡接入基站返回的ACK应答信息，计算并记录当前无线网卡通信链路的误码率，为其后主工作网卡的选择做准备；

步骤：203，根据是否收到ACK应答信息执行相应程序：是，则执行下一步操作；否，则执行步骤201；

步骤：204，计算并记录当前无线网卡通信链路的误码率；

步骤：107，判断是否所有无线网卡都已经完成初始化设置：是，所有网卡都已完成初始化设置，则执行步骤108；否，则变量N+1，选择下一块无线网卡执行步骤103；

步骤：108，当该终端节点上所分配的无线网卡依次初始化完毕，并得到其信道通信链路的误码率之后，即根据测得的误码率数据对所有网卡的信道通信质量的进行判断比较；

步骤：109，根据误码率数据比较所有网卡的信道通信质量，选择其中信号质量最好的一路作为当前工作的主网卡使用，其余无线网卡按照其测得的信号质量的好坏，在终端无线网卡通信质量队列中重新排序，作为当前主工作网卡的备份工作网卡。

如图2所示为本发明终端节点与接入基站的通信过程流程图，具体包括如下步骤：

步骤：201，心跳信号定时器到时后，终端系统按照终端无线网卡通信质量队列依次选择其中的网卡N；

步骤：202，向无线网卡接入基站(sink)发送一心跳信息，其目的在于：一方面向无线网卡接入基站注册本网卡信息，另一方面按照从无线网卡接入基站返回的ACK应答信息，计算并记录当前无线网卡通信链路的误码率，为其后主工作网卡的选择做准备；

步骤：203，根据是否收到ACK应答信息执行相应程序：是，则执行步骤204的操作；否，则执行步骤201，如果在规定的时限及重传次数限制下还未能收到应答信号，即把当前无线网卡放入终端无线网卡通信质量队列队尾，并标记为故障网卡；

步骤：204，计算并记录当前无线网卡通信链路的误码率，据此插入终端无线网卡通信质量队列中的适当位置；

步骤：205，判断是否所有冗余网卡都经过了心跳测试：是，则执行下步骤206的操作；否，则变量N+1，选择下一块无线网卡执行步骤201；

步骤：206，根据测得的误码率数据进行信道通信质量的判断，将通信链路切换到信号质量最好的一路上，使其作为当前工作的主网卡使用，其余无线网卡按照其测得的信号质量的好坏，在终端无线网卡通信质量队列中重新排序，作为当前主工作网卡的备份工作网卡；

步骤：207，根据是否有数据发送的情况选择具体操作方式：是，则执行步骤208的操作；否，等待下一轮终端无线网卡通信链路质量检测，从第一块网卡开始执行步骤201；

步骤：208，有数据需要发送时，发送数据。

图3所示为本发明基于终端节点多网卡的网卡及信道切换流程图，具体包括如下步骤：

步骤：401，数据包发送到数据链路层时，查看无线网卡通信链路监测的情况；

步骤：402，根据无线网卡通信链路监测情况，在无线网卡通信质量队列中选择通信质量最好的网卡和信道进行数据传输，无线网卡的通信质量由心跳测试结果得出；

步骤：403，在数据传输过程中，根据链路故障出现与否，选择具体操作：发生网卡链路故障，则立即在无线网卡通信质量队列中选择下一组网卡进行替换通信，执行下一步操作；没有发生链路故障，则执行下一步操作；

步骤：404，根据是否有数据信息需要发送的请求，选择具体操作：是，则执行步骤405；否，则执行步骤401；

步骤：405，发送待发送的数据信息；

步骤：406，根据是否收到ACK应答信息，选择具体操作：是，表示数据已经发送成功，结束操作；否，则重新发送数据信息，如果已经超过重传次数，则结束操作。

图4所示为无线传感器网络协议层次模型示意图，在传统的无线传感器网络通信协议中的数据链路层中包括了信道切换层和链路状态监测层子层。结合图5所示数据链路层内部的链路状态监测层、信道切换层结构及数据流示意图，链路状态监测层与物理层通讯。在终端节点与接入基站进行心跳测试中，链路状态监测层测量无线网卡的通信链路的误码率(BER)，将通信链路质量情况提供给信道切换层；

信道切换层收到所述链路状态监测层测量的通信链路的误码率(BER)，更新无线网卡通信质量队列；完成更新后，将当前通信链路队列顶部网卡的设备号提供给无线网卡驱动程序，无线网卡驱动程序将该顶部网卡设置为主工作网卡。

Claims (4)

1、一种提高工业无线传感器网络可靠性的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

在传感器终端节点安装多个无线网卡，用于终端节点的网卡冗余；终端节点所配备的冗余网卡数量，是由无线传感器网络终端在网络中所传输的数据的权重决定，该终端上传输数据的权重越大，分配的冗余网卡的数量越多；

对终端节点进行初始化设置，包括初始化网卡和初始化该终端节点网卡通信质量队列，并指定所述网卡通信质量队列中通信质量最好的网卡为主工作网卡，其余的网卡作为备份工作网卡；

定时更新终端节点网卡通信质量队列，并根据网卡通信质量队列进行网卡切换，用于选择通信质量最好的网卡进行数据传输；

在终端节点网卡通信质量队列更新的间隔期内，如果当前主工作网卡通信不正常，则按照网卡通信质量队列中通信质量由高到低的顺序切换到备份工作网卡进行数据重发，直到数据发送成功。

2、如权利要求1所述的提高工业无线传感器网络可靠性的方法，其特征还在于，对终端节点进行初始化设置包括如下步骤：

所述终端节点检测无线网卡，按其端口地址分配基地址和注册中断向量，识别网卡型号，并初始化该网卡的MAC控制器，PHY控制器；

该无线网卡向无线网卡接入基站注册本网卡信息，无线网卡基站向该无线网卡返回应答信息，终端根据所述返回应答信息计算并记录该无线网卡通信链路的误码率；

重复执行上述步骤，直到该终端节点上所有无线网卡初始化完毕；

终端节点根据记录的无线网卡误码率数据进行信道通信质量的排序，形成终端无线网卡通信质量队列；

指定所述网卡通信质量队列中通信质量最好的网卡为主工作网卡，其余的网卡作为备份工作网卡。

3、如权利要求1所述的提高工业无线传感器网络可靠性的方法，其特征还在于，所述定时更新终端节点网卡通信质量队列，并根据网卡通信质量队列进行网卡切换的具体方式为：

所述终端节点设有心跳定时触发器，当心跳信号定时触发器定时溢出后，终端系统按照终端无线网卡通信质量队列中的顺序依次选择其队列中的网卡进行心跳测试，以便得到各网卡的通信链路质量信息，所述心跳测试即终端系统通过网卡向接入基站发出心跳信号；心跳信号由一组收发双发都已知的数据序列构成，当心跳序列由终端无线网卡通信质量队列中的某一块网卡发送到无线网卡接入基站之后，即等待应答信号，若在规定的时限及重传次数限制下该网卡还未能收到有效的应答信号，即把当前测试的无线网卡放入终端无线网卡通信质量队列队尾，并标记为故障网卡；若该网卡及时收到应答信号，即根据收到的应答信号进行误码率计算评估，并根据误码率获得当前无线网卡通信链路质量，根据此网卡通信链路质量值的大小插入终端无线网卡通信质量队列中的适当位置；误码率越小，链路通信质量越好，则该网卡在通信质量队列排列位置越靠前。并且终端根据队列中的网卡通信质量排序及时将当前主工作网卡切换到通信质量最好的无线网卡上去。当该终端所有无线网卡都经过心跳轮询之后，即按照预先设定的心跳定时触发器延时准备下一次心跳测试。

4、如权利要求3所述的提高工业无线传感器网络可靠性的方法，其特征还在于，在无线传感器网络通信协议中的数据链路层设置信道切换层和链路状态监测层两个子层，所述链路状态监测层与物理层通讯，所述信道切换层与网络层通讯，

在终端节点与接入基站进行心跳测试中，链路状态监测层测量无线网卡的通信链路的误码率，将通信链路质量情况提供给信道切换层；

信道切换层收到所述链路状态监测层测量的通信链路的误码率，更新无线网卡通信质量队列；完成更新后，将当前通信链路队列顶部网卡的设备号提供给无线网卡驱动程序，无线网卡驱动程序将该顶部网卡设置为主工作网卡。

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