CN102984040A - 一种基于有线/无线混合架构的传感器网络 - Google Patents

一种基于有线/无线混合架构的传感器网络 Download PDF

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CN102984040A CN201210454402XA CN201210454402A CN102984040A CN 102984040 A CN102984040 A CN 102984040A CN 201210454402X A CN201210454402X A CN 201210454402XA CN 201210454402 A CN201210454402 A CN 201210454402A CN 102984040 A CN102984040 A CN 102984040A
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裴家俊
刘涛
戎蒙恬
刘文江
魏来
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Abstract

本发明涉及一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，包括有线节点、信号采集节点、同轴电缆和服务器，所述的信号采集节点通过无线网络与有线节点连接，所述的有线节点与同轴电缆连接，所述的同轴电缆与服务器连接；信号采集节点将现场采集的数据通过无线网络传送给有线节点，正常情况下，同轴电缆对有线节点供电和充电，有线节点通过同轴电缆将接收到的数据传送给服务器，当当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点由自身所带的充电电池供电，同时采用无线方式进行数据传输，并向服务器发送故障报告。与现有技术相比，本发明具有可降低检测的成本、加大网络的稳定性和安全性等优点。

Description

一种基于有线/无线混合架构的传感器网络
技术领域
本发明涉及一种无线通讯技术，尤其是涉及一种基于有线/无线混合架构的传感器网络。
背景技术
矿难事故的频发使得很多人将研究方向投向了矿井的安全维护，在矿井中存在着许多安全隐患，湿度、温度、空气中有害气体的含量等等，为了保障井下人员的生命安全，必须对这些安全隐患进行监控。但是矿井的地形复杂，信号不易传输，设备维修困难，将ZigBee无线传感器网络用在矿井的检测无疑是一种非常好的方法。
ZigBee无线传感器网络具有低功耗、成本低、布置简单等特点，但是在矿井下面的应用任然存在一些问题，协调器和路由器的耗电量比较大，而在井下进行大批量的电池更换是一件非常麻烦的事情，ZigBee网络中单节点的传输距离比较短，对于比较大的矿井需要布置非常多的路由节点和信号采集节点，加大了数据包的碰撞概率，网络的稳定性较差。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可降低检测的成本、加大网络的稳定性和安全性的基于有线/无线混合架构的传感器网络。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，包括有线节点、信号采集节点、同轴电缆和服务器，所述的信号采集节点通过无线网络与有线节点连接，所述的有线节点与同轴电缆连接，所述的同轴电缆与服务器连接；
信号采集节点将现场采集的数据通过无线网络传送给有线节点，正常情况下，同轴电缆对有线节点供电和充电，有线节点通过同轴电缆将接收到的数据传送给服务器，当当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点由自身所带的充电电池供电，同时采用无线方式进行数据传输，并向服务器发送故障报告。
所述的有线节点包括射频模块、微控制单元、功率调节器、充电电池和直流偏置单元，所述的射频模块依次连接微控制单元和功率调节器，所述的充电电池分别连接直流偏置单元、射频模块、微控制单元和功率调节器，所述的直流偏置单元与同轴电缆连接；正常情况下，有线节点通过同轴电缆进行供电和数据传输，同时通过同轴电缆对充电电池进行充电，当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点由充电电池进行供电，且射频模块将射频信号切换为无线方式。
所述的有线节点分为多个簇，一定范围内的多个有线节点组成一个簇，所述的簇中包括一个簇头节点和多个簇成员节点；簇成员节点在收到信号采集节点的信息后在自己的时隙中将数据发往簇头节点，簇头节点将接收到的信号进行数据融合，经由相邻的簇头节点用多跳的方式发送给服务器。
所述的相邻的簇之间由簇头节点通过同轴电缆或无线方式进行信息交换。
所述的有线节点和信号采集节点进行数据传输时分别遵循一种超帧结构，这两种超帧结构的活跃部分和不活跃部分相互错开，且活跃部分和不活跃部分的长度相同。
所述的超帧结构通过时隙分割法进行Beacon帧的发送，所述的时隙分割法是指：将超帧结构的第零个时隙进行分割，分成不同的时间戳，相邻的节点各使用其中的一个时间戳来发送Beacon帧。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)不需要考虑FFD(Full Function Device)的供电问题，不用经常更换电池；
2)安全性高，发生故障或者发生塌陷导致同轴电缆断开后可以切换成无线模式，向服务器发送警报；
3)有线节点和无线节点在不同的时隙进行数据传输使得丢包率降低；
4)通过分割时隙来进行Beacon帧的发送，避免了Beacon帧的碰撞丢包，保证了网络结构的稳定。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中有线节点的结构示意图；
图3为本发明超帧结构的实现方法示意图；
图4为本发明时隙分割法的示意图。
图1中，“○”表示簇头节点；“●”表示簇成员节点；“△”表示信号采集节点；图2中，
Figure BDA00002398266800031
表示数据信号；
Figure BDA00002398266800032
表示电源供应。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本文发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
实施例
如图1所示为基于有线/无线混合架构的传感器网络的网络拓扑结构，包括有线节点1、信号采集节点2、同轴电缆3和服务器4，所述的信号采集节点2通过无线网络与有线节点1连接，所述的有线节点1与同轴电缆3连接，所述的同轴电缆3通过网关与服务器4连接。所述的有线节点1分为多个簇，一定范围内(本实施例中为半径为R的范围内)的多个有线节点组成一个簇，所述的簇中包括一个簇头节点(cluster head)和多个簇成员节点。图1中，空心圆点表示簇头节点，一个簇中的簇成员节点在收到信号采集节点的信息后在自己的时隙中将数据发往簇头节点，簇头节点将接收到的信号进行数据融合，经由相邻的簇头节点用多跳的方式发送给服务器，当同轴电缆发生故障断开以后，相邻的簇之间由簇头节点通过无线方式进行信号的传输，并向服务器发送故障报告。相邻的簇之间可由簇头节点通过同轴电缆或无线方式进行信息交换。
如图2所示，有线节点1包括射频模块11、微控制单元12、功率调节器13、充电电池14和直流偏置单元15，所述的射频模块11依次连接微控制单元12和功率调节器13，所述的充电电池14分别连接直流偏置单元15、射频模块11、微控制单元12和功率调节器13，所述的直流偏置单元15与同轴电缆3连接；正常情况下，有线节点1通过同轴电缆3进行供电和数据传输，同时通过同轴电缆3对充电电池进行充电，当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点1由充电电池14进行供电，且射频模块11将射频信号切换为无线方式。
所述的有线节点和信号采集节点(无线节点)进行数据传输时分别遵循一种超帧结构，有线节点遵循协调器的超帧结构，信号采集节点遵循cluster head的超帧结构，这两种超帧结构的活跃部分(active)和不活跃部分(inactive)相互错开，且活跃部分和不活跃部分的长度相同，使得有线信号和无线信号的传输不会同时发生，从而降低了数据包的碰撞概率。如图3所示，第二种超帧的开始时间为第一种超帧的的inactive部分的开始时间时，第一个超帧的inactive部分和第二个超帧的active部分将会在时间上叠加起来，这样就使得有线节点和无线节点的active时间段相互错开，减少了节点的间的信道竞争，增强了信号传输的可靠性。
在802.15.4协议中，Beacon帧的发送没有采用CSMA/CA机制，也就是说，如果两个Beacon帧同时发送且发生碰撞时，那么这两个Beacon帧都会丢失。Beacon帧是在每个超帧的第零个时隙发送的，如果将第零个时隙进行分割，不同的节点在第零个时隙中的不同分割时隙中发送Beacon，这样就可以避免相邻节点Beacon帧的碰撞，但是超帧的每个时隙大小是受超帧长度限制的，为了保障有足够的时间发送Beacon帧，每个分割后的时隙必须大于Beacon帧的发送时间。如图4所示，本实施例的超帧结构通过时隙分割法进行Beacon帧的发送，所述的时隙分割法是指：将超帧结构的第零个时隙进行分割，分成不同的时间戳，相邻的节点各使用其中的一个时间戳来发送Beacon帧，从而避免了Beacon的碰撞。802.15.4的传输距离并不远，根据拓扑结构中相邻节点的距离不同，相邻的节点Beacon帧可能会发生碰撞，但是相邻节点的下一个节点可能就超出了本节点的监听范围，所以不必继续分割时隙而是重复利用前面已经超出监听范围节点的时隙。

Claims (6)

1.一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，包括有线节点、信号采集节点、同轴电缆和服务器，所述的信号采集节点通过无线网络与有线节点连接，所述的有线节点与同轴电缆连接，所述的同轴电缆与服务器连接；
信号采集节点将现场采集的数据通过无线网络传送给有线节点，正常情况下，同轴电缆对有线节点供电和充电，有线节点通过同轴电缆将接收到的数据传送给服务器，当当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点由自身所带的充电电池供电，同时采用无线方式进行数据传输，并向服务器发送故障报告。
2.根据权利要求1所述的一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，所述的有线节点包括射频模块、微控制单元、功率调节器、充电电池和直流偏置单元，所述的射频模块依次连接微控制单元和功率调节器，所述的充电电池分别连接直流偏置单元、射频模块、微控制单元和功率调节器，所述的直流偏置单元与同轴电缆连接；正常情况下，有线节点通过同轴电缆进行供电和数据传输，同时通过同轴电缆对充电电池进行充电，当发生故障导致同轴电缆断开时，有线节点由充电电池进行供电，且射频模块将射频信号切换为无线方式。
3.根据权利要求1所述的一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，所述的有线节点分为多个簇，一定范围内的多个有线节点组成一个簇，所述的簇中包括一个簇头节点和多个簇成员节点；簇成员节点在收到信号采集节点的信息后在自己的时隙中将数据发往簇头节点，簇头节点将接收到的信号进行数据融合，经由相邻的簇头节点用多跳的方式发送给服务器。
4.根据权利要求3所述的一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，所述的相邻的簇之间由簇头节点通过同轴电缆或无线方式进行信息交换。
5.根据权利要求1所述的一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，所述的有线节点和信号采集节点进行数据传输时分别遵循一种超帧结构，这两种超帧结构的活跃部分和不活跃部分相互错开，且活跃部分和不活跃部分的长度相同。
6.根据权利要求5所述的一种基于有线/无线混合架构的传感器网络，其特征在于，所述的超帧结构通过时隙分割法进行Beacon帧的发送，所述的时隙分割法是指：将超帧结构的第零个时隙进行分割，分成不同的时间戳，相邻的节点各使用其中的一个时间戳来发送Beacon帧。
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