CN102324192A - 无线传输控制网络实验教学平台及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种无线传输控制网络实验教学平台，包括PC机、汇聚节点和多个其他节点，每个节点包括单片机及通过SPI接口与单片机连接的无线射频模块，该多个节点之间通过无线射频模块进行无线通信，组成一个无线Ad Hoc网络；该PC机与汇聚节点通过串口接口电路进行通信，该汇聚节点负责收集并处理来自无线网络的数据，然后通过串口接口电路将数据发送给PC机并在PC机的显示器上显示，或者该PC机对操作指令进行解析，然后转化为控制命令数据，通过串口接口电路发送给汇聚节点，通过汇聚节点发送到其他节点。本发明的无线传输控制网络实验教学平台架构简单、能让学生能直观理解和操作。

Description

无线传输控制网络实验教学平台及其实现方法

技术领域

本发明涉及一种无线传输控制网络的实验教学平台及其实现的方法。 

背景技术

实验教学是理工科专业一种十分重要的教学手段。在现代科学技术的发展和教育理念的更新的背景下，通过使实验教学能更好地将理论和实践相结合，并创造新的教学模式，以及有利于培养学生的实践能力和创新思维，因此在高素质创新人才培养中具有重要的作用。 

目前，由于无线网络技术的内容较新且涉及大量的协议和算法，在高校的相关课程教学中，普遍存在内容枯燥抽象、实验设备昂贵等问题，导致教学效果不明显和学习效率不理想。为解决以上的问题，一种比较有效的途径是采用网络仿真技术，即利用OPNET、QualNet、NS2等软件进行模拟仿真。但运用这类软件时，要求学生掌握复杂的软件环境和脚本编写，并且这类网络仿真软件无法模拟复杂的真实环境，这些都限制了仿真软件在相关无线网络教学中的应用，无法让学生对无线网络有直观地的理解和实际的操作。 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种架构简单、能让学生能直观理解和操作的无线传输控制网络实验教学平台。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种无线传输控制网络实验教学平台，包括PC机、汇聚节点和多个其他节点，每个节点包括单片机及通过SPI接口与单片机连接的无线射频模块，该多个节点之间通过无线射频模块进行无线通信，组成一个无线Ad Hoc网络；该PC机与汇聚节点通过串口接口电路进行通信，该汇聚节点负责收集并处理来自无线网络的数据，然后通过串口接口电路将数据发送给PC机并在PC机的显示器上显示，或者该PC机对操作指令进行解析，然后转化为控制命令数据，通过串口接口电路发送给汇聚节点，通过汇聚节点发送到其他节点。 

该汇聚节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和串口接口电路；单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，串口接口电路与单片机连接。 

该多个其他节点包括传感器节点，该传感器节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和传感器模块标准接口；其中，单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，传感器模块标 准接口与单片机连接，外接的传感器可通过该传感器模块标准接口与单片机进行通信。 

该多个其他节点包括远程控制节点，该远程控制节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和继电器控制电路；其中，单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，继电器控制电路与单片机连接，单片机通过控制该继电器控制电路可控制外接设备的开关通断。 

本发明还提供了所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法。包括步骤： 

对该无线传输控制网络实验教学平台进行网络协议定义，制定物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层；其中，该物理层由该无线射频模块的收发芯片作为硬件支持，并向上层提供服务；该数据链路层包括由该无线射频模块的收发芯片的自动数据包处理功能实现的链路控制子层和决定该无线射频模块状态转换的MAC子层；该网络层具有一路由协议LOHR，该路由协议LOHR进行分布式的路由建立和路由维护，以获取任意两个节点间的最优路径；该传输层定义无线控制的报文格式；以及应用层由各节点的无线通信接口组成，对接收到控制信号进行处理。 

其中，该无线射频模块的状态转换步骤为：首先，节点处于侦听状态；当节点检测到信道存在数据发送，则自动进行接收数据；当成功接收到一帧后，则对帧进行差错校验与地址判断，若校验通过与地址匹配后则存储接收帧，并通知上层处理该帧，处理完成后返回侦听状态，否则丢弃帧，并返回侦听状态；当信道出现忙时，节点则进入退避延时状态，并利用退避机制进行信道的竞争，若节点竞争到信道则进入发送状态；节点发送完毕返回侦听状态。 

相对于现有技术，本发明提供的无线传输控制网络实验教学平台架构简单，提供可视化路由，可生动、直观地向学生展示网络的真实工作过程，从而达到提高无线网络的教学质量的目的。 

附图说明

图1是本发明无线传输控制网络实验教学平台的结构示意图。 

图2是图1所示第一节点11的结构示意图。 

图3是图1所示第二节点12的结构示意图。 

图4是图1所示第四节点14的结构示意图。 

图5是本发明网络协议栈模型。 

图6是图1所示无线射频模块22的状态转换图。 

图7是本发明路由协议LOHR中路由发现方法流程图。 

图8是本发明路由协议LOHR中路由维护方法流程图。 

图9是图1所示的PC机10的数据处理方法流程图。 

具体实施方式

请参阅图1，其是本发明无线传输控制网络实验教学平台的结构示意图。该无线传输控制网络实验教学平台包括PC机10、第一节点11、第二节点12、第三节点13、第四节点14至第N节点1N。 

该节点根据功能可分为汇聚节点、传感器节点和远程控制节点三种。在本实施例中，设置第一节点11为汇聚节点，第二节点12和第三节点13为传感器节点，第四节点14和第N节点1N为远程控制节点。 

请参阅图2，其是图1所示第一节点11的结构示意图。该第一节点11包括一单片机21、一无线射频模块22、单片机供电电路23、无线射频模块供电电路24、时钟电路25和串口接口电路26。单片机供电电路23为单片机21提供电源，无线射频模块供电电路24为无线射频模块22提供电源。无线射频模块22通过SPI接口与单片机21连接。时钟电路25与单片机21直接连接。串口接口电路26与单片机21连接，该PC机10通过该串口接口电路26与该第一节点11的单片机21进行通信。 

请参阅图3，其是图1所示第二节点12的结构示意图。该第二节点12包括一单片机21、一无线射频模块22、单片机供电电路23、无线射频模块供电电路24、时钟电路25和传感器模块标准接口27。其中，单片机供电电路23为单片机21提供电源，无线射频模块供电电路24为无线射频模块22提供电源。无线射频模块22通过SPI接口与单片机21连接。时钟电路25与单片机21直接连接。传感器模块标准接口27与单片机21连接，外接的传感器(图未示)可通过该传感器模块标准接口27与单片机21进行通信。因此，该传感器节点具有可扩展性，可根据应用需求，外接如温度、湿度等各类传感器。 

请参阅图4，其是图1所示第四节点14的结构示意图。该第四节点14包括一单片机21、一无线射频模块22、单片机供电电路23、无线射频模块供电电路24、时钟电路25和继电器控制电路28。其中，单片机供电电路23为单片机21提供电源，无线射频模块供电电路24为无线射频模块22提供电源。无线射频模块22通过SPI接口与单片机21连接。时钟电路25与单片机21直接连接。继电器控制电路28与单片机21连接，单片机21通过控制该继电器控制电路28可控制外接设备(图未示)的开关通断。 

具体地，该单片机21采用型号为STC12C5A60S2的增强型STC单片机。该无线射频模块22的型号为nRF4L01。 

此外，亦可在同一节点上同时实现汇聚、传感器及远程控制多种功能中的一种或几种功 能。即该节点同时包括串口接口电路、传感器模块标准接口及继电器控制电路等功能电路。 

该PC机10、第一节点11、第二节点12、第三节点13、第四节点14至第N节点1N组成一个无线Ad Hoc网络，网络为平面式网络拓扑结构，该网络结构中的所有节点的地位平等，无中心控制节点，每个节点均同时具有终端和路由器的双重功能。该网络结构具有动态拓扑的特点，在网络覆盖的范围内所有节点可以自由移动、加入或者退出，然后根据各自的物理位置自发地组成平面网络，并实现动态组网。 

请参阅图5，其是本发明网络协议栈模型。该无线传输控制网络协议首先制定物理层31、数据链路层32、网络层33、传输层34和应用层35。 

其中，该物理层31由该无线射频模块22的收发芯片作为硬件支持来实现，并向上层提供服务。该物理层31将向上层提供比特流传输、低功耗状态、信道选择、发射功率选择、物理载波侦听、数据包链路质量统计等数据。 

该数据链路层32包括链路控制子层和MAC子层(媒体访问控制子层)，其中，该链路控制子层由该无线射频模块的收发芯片的自动数据包处理功能实现，因此只需定义MAC子层。 

该无线射频模块状态的转换由定义MAC子层的协议来实现。MCA协议的特征在于：采用基于随机竞争的信道接入方式，利用带避免冲突的载波侦听多址接入机制(CSMA/CA)实现无线信道的共享；其中，载波侦听机制确定信道状态，使用RTS/CTS握手机制进行虚拟载波侦听，并利用物理层进行物理载波侦听；信道忙时利用二进制退避算法进行后退延迟；并利用休眠调度机制保证节点的能量的有效性。 

该MAC协议决定了无线信道的使用方式，请参阅图6，其是该无线射频模块状态转换图。侦听状态是初始状态，也是常驻状态，任何节点只要不发送数据，就处于侦听状态。节点在休眠调度机制的调度下，适时进入休眠状态，或从休眠状态唤醒回到侦听状态。 

节点检测到信道存在数据发送，则自动进行接收数据。成功接收到一帧后，则对帧进行差错校验与地址判断，若校验通过与地址匹配则存储接收帧，并通知高层处理该帧，处理完成返回侦听状态。否则丢弃帧，并返回侦听状态。 

如节点准备发送帧，接收首先进行物理载波侦听和虚拟载波侦听共同检测信道状态，检测持续一个帧间隔时间，信道持续空闲，节点立即进入发送状态。如信道出现忙，节点则进入退避延时状态，并利用退避机制进行信道的竞争，若节点竞争到信道则进入发送状态。节点发送完毕返回侦听状态。 

该网络层33具有一低开销的路由协议LOHR，该路由协议LOHR进行分布式的路由建 立和路由维护，以获取任意两个节点间的最优路径。请参阅图7和图8，其中，图7是该路由协议LOHR中路由发现方法流程图，图8是该路由协议LOHR中路由维护方法流程图。 

每个节点都设置有一个路由表，该路由表的内容是从本节点出发到不同目的节点的最优传播路径上的下一跳邻居节点的地址。该路由表的建立、更新和删除的维护过程是贯穿在数据分组的传播过程之中的。其中，该路由发现方法的具体步骤如下： 

步骤S1：帧发送开始，然后进入步骤S2； 

步骤S2：尝试点对点发送，然后进入步骤S3； 

步骤S3：查询发送结果，然后进入步骤S3； 

步骤S4：判断是否收到应答？若收到应答，则直接进入步骤S10；若未收到应答，则进入步骤S5； 

步骤S5：查找路由表，然后进入步骤S6； 

步骤S6：判断查找结果是否为空或为邻居节点？若查找结果为空或者为邻居节点之一，则直接进入步骤S11；若均为否，则进入步骤S7； 

步骤S7：尝试直接发送到下一跳节点，然后进入步骤S8； 

步骤S8：查询发送结果，然后进入步骤S9； 

步骤S9：判断是否收到应答？若收到应答，则进入步骤S10；若未收到应答，则进入步骤S11； 

步骤S10：添加或刷新邻居路由，并进入步骤S14。 

步骤S11：删除路由，然后进入步骤S12； 

步骤S12：以泛洪方式发送，然后进入步骤S13； 

步骤S13：延时保护时间，然后进入步骤S14； 

步骤S14：帧发送结束。 

该路由维护方法的具体步骤如下： 

步骤D1：帧接收开始；其中，帧接收分为两种模式：步骤D2的点对点接收模式，和步骤D3的泛洪接收模式。对于选择点对点接收还是泛洪接收模式，是基于上述路由发现步骤中的点对点发送或是泛洪方式发送。即路由发现是采用点对点发送模式，则帧接收亦采用点对点接收模式；路由发现是采用泛洪发送模式，则帧接收亦采用泛洪接收模式。 

步骤D2：以点对点模式接收帧数据，然后进入步骤D4； 

步骤D3：以泛洪模式接收帧数据，然后进入步骤D5； 

步骤D4：判断帧的目的地址是否为本机？若为是，则进入步骤D16进行帧处理；若为 否，则进入步骤D15丢弃帧； 

步骤D5：判断帧的源地址是否为本机？若为是，则进入步骤D15丢弃帧；若为否，则进入步骤D6； 

步骤D6：判断是否接收到新帧？若为否，则进入步骤D15丢弃帧；若为是，则进入步骤D7； 

步骤D7：记录新帧的序列号和源地址，然后进入步骤D8； 

步骤D8：判断帧的目的地址是否为本机？若为是，则进入步骤D16进行帧处理；若为否，则进入步骤D9； 

步骤D9：帧转发开始，然后进入步骤D10； 

步骤D10：判断帧转发的计数是否超过最大允许跳数？若为是，则进入步骤D15丢弃帧；若为否，则进入步骤D11； 

步骤D11：获取帧头携带的路由信息，然后进入步骤D12； 

步骤D12：更新本节点的路由表，然后进入步骤D13； 

步骤D13：向帧头添加本节点的地址信息，然后进入步骤D14； 

步骤D14：帧发送，发送到目的节点，帧头有目的节点的地址和ID，就发送该节点，然后进入步骤D17； 

步骤D15：丢弃帧，然后进入步骤D17； 

步骤D16：帧处理，即，对帧进行解封，送到往应用层进行节点任务功能的处理，然后进入步骤D17； 

步骤D17：帧接收结束。 

路由维护在发送帧、转发帧及接收帧的几个阶段都能进行，即贯穿在数据传播的整个过程。而路由发现只有在路由信息为空，或路由信息过时才发起。 

网络以无线的传输控制为对象，该传输层34和应用层35定义主要面向具体应用。其中，该传输层34定义适合无线控制的报文格式。该传输层通过控制节点的发送时间间隔进行流量控制，网络应用数据并不分组、重组和传输层的差错控制，因确认应答帧可携带路由信息，因此确认应答机制下推至网络层得以实现。 

应用层35由各节点的无线通信接口组成，对接收到的本地任务、组任务和网络任务进行处理。 

请参阅图9，其是图1所示的PC机10的数据处理方法流程图。作为汇聚节点的第一节点11负责收集并处理来自无线网络的数据，然后通过串口接口电路26将数据发送给PC机10。该第一节点11接收的数据主要为两种：网络信息数据和传感信息数据，其具有统一的数 据格式。其中，该网络信息数据为无线网络本身的信息，如节点运行状态、网络拓扑、传播路径等信息，而传感信息数据则是网络承载的数据，如物理环境信息、被控设备状态等。该PC机10通过串口数据接收线程实时接收串口数据，并把接收的数据排入数据队列中，通过数据解析处理线程从数据队列中取出数据进行解析处理，包括对出队的数据进行命令头解析，并执行委托处理，然后把数据在显示器的用户界面上呈现给用户。其中，串口数据接收线程与数据解析处理线程之间通过FIFO数据队列进行同步通信，使数据接收过程与数据处理过程分离而保证数据不丢失。进一步，用户可对显示器的用户界面进行控制操作，该PC机对用户操作进行控制解析，然后转化为控制命令数据，通过串口接口电路26发送给第一节点11，通过第一节点11发送到目标节点，即远程控制节点，进行控制。 

相对于现有技术，本发明提供的无线传输控制网络实验教学平台架构简单，硬件成本低，提供可视化路由，可生动、直观地向学生展示网络的真实工作过程，且可让学生可以自行管理各自的实验设备，把握对其的利用，从而达到提高无线网络的教学质量的目的。 

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。 

Claims (9)

1.一种无线传输控制网络实验教学平台，其特征在于：包括PC机、汇聚节点和多个其他节点，每个节点包括单片机及通过SPI接口与单片机连接的无线射频模块，该多个节点之间通过无线射频模块进行无线通信，组成一个无线Ad Hoc网络；该PC机与汇聚节点通过串口接口电路进行通信，该汇聚节点负责收集并处理来自无线网络的数据，然后通过串口接口电路将数据发送给PC机并在PC机的显示器上显示，或者该PC机对操作指令进行解析，然后转化为控制命令数据，通过串口接口电路发送给汇聚节点，通过汇聚节点发送到其他节点。

2.根据权利要求1所述的无线传输控制网络实验教学平台，其特征在于：该汇聚节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和串口接口电路；单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，串口接口电路与单片机连接。

3.根据权利要求1所述的无线传输控制网络实验教学平台，其特征在于：该多个其他节点包括传感器节点，该传感器节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和传感器模块标准接口；其中，单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，传感器模块标准接口与单片机连接，外接的传感器可通过该传感器模块标准接口与单片机进行通信。

4.根据权利要求1所述的无线传输控制网络实验教学平台，其特征在于：该多个其他节点包括远程控制节点，该远程控制节点还包括单片机供电电路、无线射频模块供电电路、时钟电路和继电器控制电路；其中，单片机供电电路为单片机提供电源，无线射频模块供电电路为无线射频模块提供电源，时钟电路与单片机直接连接，继电器控制电路与单片机连接，单片机通过控制该继电器控制电路可控制外接设备的开关通断。

5.如权利要求1所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法，其特征在于：包括步骤：

对该无线传输控制网络实验教学平台进行网络协议定义，制定物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层；其中，该物理层由该无线射频模块的收发芯片作为硬件支持，并向上层提供服务；该数据链路层包括由该无线射频模块的收发芯片的自动数据包处理功能实现的链路控制子层和决定该无线射频模块状态转换的MAC子层；该网络层具有一路由协议LOHR，该路由协议LOHR进行分布式的路由建立和路由维护，以获取任意两个节点间的最优路径；该传输层定义无线控制的报文格式；以及应用层由各节点的无线通信接口组成，对接收到控制信号进行处理。

6.根据权利要求5所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法，其特征在于：该无线射频模块的状态转换步骤为：首先，节点处于侦听状态；当节点检测到信道存在数据发送，则自动进行接收数据；当成功接收到一帧后，则对帧进行差错校验与地址判断，若校验通过与地址匹配后则存储接收帧，并通知上层处理该帧，处理完成后返回侦听状态，否则丢弃帧，并返回侦听状态；当信道出现忙时，节点则进入退避延时状态，并利用退避机制进行信道的竞争，若节点竞争到信道则进入发送状态；节点发送完毕返回侦听状态。

7.根据权利要求5所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法，其特征在于：该路由协议LOHR的路由发现方法包括以下步骤：

步骤S1：帧发送开始，然后进入步骤S2；

步骤S2：尝试点对点发送，然后进入步骤S3；

步骤S3：查询发送结果，然后进入步骤S3；

步骤S4：判断是否收到应答？若收到应答，则直接进入步骤S10；若未收到应答，则进入步骤S5；

步骤S5：查找路由表，然后进入步骤S6；

步骤S6：判断查找结果是否为空或为邻居节点？若查找结果为空或者为邻居节点之一，则直接进入步骤S11；若均为否，则进入步骤S7；

步骤S7：尝试直接发送到下一跳节点，然后进入步骤S8；

步骤S8：查询发送结果，然后进入步骤S9；

步骤S9：判断是否收到应答？若收到应答，则进入步骤S10；若未收到应答，则进入步骤S11；

步骤S10：添加或刷新邻居路由，并进入步骤S14。

步骤S11：删除路由，然后进入步骤S12；

步骤S12：以泛洪方式发送，然后进入步骤S13；

步骤S13：延时保护时间，然后进入步骤S14；

步骤S14：帧发送结束。

8.根据权利要求7所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法，其特征在于：该路由协议LOHR的路由维护方法包括以下步骤：

步骤D1：帧接收开始；其中，帧接收分为两种模式：步骤D2的点对点接收模式，和步骤D3的泛洪接收模式，若路由发现是采用点对点发送模式，则帧接收亦采用点对点接收模式；若路由发现是采用泛洪发送模式，则帧接收亦采用泛洪接收模式；

步骤D2：以点对点模式接收帧数据，然后进入步骤D4；

步骤D3：以泛洪模式接收帧数据，然后进入步骤D5；

步骤D4：判断帧的目的地址是否为本机？若为是，则进入步骤D16进行帧处理；若为否，则进入步骤D15丢弃帧；

步骤D5：判断帧的源地址是否为本机？若为是，则进入步骤D15丢弃帧；若为否，则进入步骤D6；

步骤D6：判断是否接收到新帧？若为否，则进入步骤D15丢弃帧；若为是，则进入步骤D7；

步骤D7：记录新帧的序列号和源地址，然后进入步骤D8；

步骤D8：判断帧的目的地址是否为本机？若为是，则进入步骤D16进行帧处理；若为否，则进入步骤D9；

步骤D9：帧转发开始，然后进入步骤D10；

步骤D10：判断帧转发的计数是否超过最大允许跳数？若为是，则进入步骤D15丢弃帧；若为否，则进入步骤D11；

步骤D11：获取帧头携带的路由信息，然后进入步骤D12；

步骤D12：更新本节点的路由表，然后进入步骤D13；

步骤D13：向帧头添加本节点的地址信息，然后进入步骤D14；

步骤D14：帧发送，发送到目的节点，帧头有目的节点的地址和ID，就发送该节点，然后进入步骤D17；

步骤D15：丢弃帧，然后进入步骤D17；

步骤D16：帧处理，即，对帧进行解封，送到往应用层进行节点任务功能的处理，然后进入步骤D17；

步骤D17：帧接收结束。

9.根据权利要求5所述的无线传输控制网络实验教学平台的实现方法，其特征在于：该PC机的数据处理方法流程为：该PC机通过串口数据接收线程实时接收串口数据，并把接收的数据排入数据队列中，通过数据解析处理线程从数据队列中取出数据进行解析处理，包括对出队的数据进行命令头解析，并执行委托处理，然后把数据在显示器的用户界面上呈现给用户；以及该PC机对操作指令进行解析，然后转化为控制命令数据，通过串口接口电路发送给汇聚节点，通过汇聚节点发送到其他节点。

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