CN104113940A - 用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置及方法，包括：无线传感器信息发送端，信息接收端，总控制端以及供电电路；在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去；无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲；如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理；接收端接收总控制端发来的控制信息并做出响应；带有相同信息的脉冲会被重复发送多次。

Description

用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置及方法

技术领域

本发明涉及无线传感网、智能楼宇与智能家居等技术应用领域，用于无线传感器以及智能控制开关信号的传输。

背景技术

随着工业控制和传感技术的发展，各种传感器以及控制开关的应用变得越来越普遍。在智能楼宇与智能家居的应用环境中，需要大量的传感器来采集建筑物各个角落的温度，湿度、状态以及开关控制信息，同时还需要将这些传感器采集的信息以及用户的各种命令发送到接收端。为了避免在室内过多的布线，这些传感器采集的信息均需要以无线的形式发送，以节省建筑成本，减轻装修的工作量。

传感器和控制开关需要传送的数据量一般都比较小，比如温度传感器采集的温度值或开关按下的ON/OFF值，一般只有几个字节。同时由于系统对实时性的要求较高，所以传感器的数据传输速率需要达到20Kbit/s以上。在此，我们提出一种用于建筑和工业控制中的高速且可靠的无线传感器信息传输方法以及相应的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其可以实现高速且可靠的无线传感器信息传输。

为解决以上技术问题，本发明提供了一种用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，包括：无线传感器信息发送端，信息接收端，总控制端以及供电电路；在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去；无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲；如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理；接收端接收总控制端发来的控制信息并做出响应；带有相同信息的脉冲会被重复发送多次。

本发明的有益效果在于：采用多次重复发送的方式以提高数据传输的准确度；通过控制不同传感器的脉冲间隔以避免不同传感器的脉冲之间的干扰；传感器发送的每一个数据包均有固定而有效的格式，实现了一种实时、高速、准确的小信息量无线收发装置。

相同信息的脉冲会被发送三次及三次以上，在接收端存在一个判决器，当收到的相同的脉冲信息的次数达到2次之后，即可判定已经接收到正确的信号。

相应于传感器ID号以及所发送的命令的不同，不同传感器发送的脉冲间隔也是不同的。

脉冲间隔可以采用固定的时间间隔，这个时间间隔与“ID+发送的命令”一一对应。

每个传感器发送的脉冲间隔可以采用随机的形式，随机的时间间隔由伪随机M序列生成。

当出现某个传感器的M序列产生器产生的随机数正好等于另外一个传感器M序列产生器的输入的情况时，将每个传感器的M序列产生器的初始输入设置为全“1”，接下来的M序列由前一个产生的M序列的后几位产生。

可以设置每个传感器M序列产生器的初始输入为其所传输的数据的部分数据位，接下来的M序列由前一个产生的M序列的后N位产生。需要发送的信息被调制在脉冲上，各个传感器每次发送的数据包应该均采用固定的格式。

各个传感器每次发送的数据包可以使用“命令+ID+数据”的格式，每个数据包的开头须有一段定位码，在数据包中每隔几个数据位加上校验码，字节末尾加上纠错码，发送的数据包可以采用汉明码或者卷积码的编码方式，在每个数据包的最后还加上几位的哈希校验位。

本发明还提供了一种用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的方法，包括以下步骤：

在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去；

无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲；

如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理；

接收端接收总控制端发来的控制信息并做出响应；

带有相同信息的脉冲会被重复发送多次。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是用于建筑和工业控制中无线信息传输的装置图。

图2是传感器多次发送数据脉冲的原理示意图。

图3是多个传感器同时发送脉冲时互相干扰的原理图。

图4是脉冲间隔不同时避免脉冲叠加的原理图。

图5是一种具体的M序列发生器的原理图。

图6是当一个M序列产生器的输出等于另一个M序列产生器的输入时发生脉冲叠加产生的原理图。

图7是产生M序列时M序列产生器的两种初始设置方法示意图。

图8是每个数据包的格式示意图。

具体实施方式

本发明提供一种实时、高速的无线传感器信息传输方法，以在建筑和工业控制中传输各种状态和命令信息。

在信息传输的过程中，传感器发送相同信息的脉冲间隔可以随机选择，这时需要用到M序列产生伪随机数，以这些伪随机数为基准来决定脉冲之间的间隔。M序列也叫最长线性反馈移位寄存器序列，由N级线性移位寄存器经过反馈和异或操作得到。N级寄存器的状态经历除全0之外的所有状态，每次产生新状态就会输出寄存器组的最高位作为M序列的一位输出，故N级寄存器会遍历2^N-1个状态，M序列的周期为2^N-1。

一个线性移位反馈寄存器能否产生M序列，决定于它的反馈系数C_i。反馈系数C_i由N位的本原多项式F(x)的系数决定，本原多项式F(x)需要满足三个条件：

1.F(x)是既约的（不能再分解因式）。

2.F(x)能整除x^m+1，其中m＝2^N-1，N为寄存器组的级数。

3.F(x)不能整除x^q+1，其中q<m。

通过选择不同的本原多项式，就可以产生不同的M序列，反馈系数C_i就是本原多项式F(x)的各阶分量的系数。在N级寄存器所产生的M序列中，游程（序列中连续相同码构成的子序列）的总个数为2^N-1，而长度为K的游程的个数在M序列总游程数中所占得比例为1/2^K，所以长度为N的游程在此M序列中不存在。

在本发明中，数据包在发送之前可以采用汉明码的形式进行编码，以提高数据包的纠错能力。汉明码是一种用于数据传送的纠错码码集，其在原有数据中插入若干冗余校验码，能检测所有一位和双位差错并纠正所有一位差错。下列通用算法可以为任意位数字产生一个可以纠错一位的汉明码：

1.从1开始给数字的数据位（从左向右）标上序号,1，2，3，4，5...。

2.将这些数据位的位置序号转换为二进制，1,10,11,100,101等。

3.数据位的位置序号中所有为二的幂次方的位（编号1，2，4，8等，即数据位位置序号的二进制表示中只有一个1）是校验位。

4.所有其它位置的数据位（数据位位置序号的二进制表示中至少2个是1）是数据位。

5.每一位的数据包含在特定的两个或两个以上的校验位中，这些校验位取决于这些数据位的位置数值的二进制表示，其中校验位1覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第一位是1的数据：1（校验位自身，这里都是二进制，下同），11，101，111，1001等；校验位2覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第二位是1的数据：10（校验位自身），11，110，111，1010，1011等；校验位4覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第三位是1的数据：100（校验位自身），101，110，111，1100，1101，1110，1111等；校验位8覆盖了所有数据位位置序号的二进制表示倒数第四位是1的数据：1000（校验位自身），1001，1010，1011，1100，1101，1110，1111等。简而言之，所有校验位覆盖了数据位置和该校验位位置的二进制与的值不为0的数。

通过控制脉冲之间的时间间隔以及采用汉明码的编码方式，就可以大大提高信息传输的准确度。

在本发明中，传感器采集到的信息是以脉冲的形式发送到接收端的，数据包里的各位信息被调制在持续时间非常短的脉冲上。如无特别说明，本文所说的脉冲均指由一整个数据包的数据调制成的一组脉冲组成的一个“大脉冲”。

在本发明中，为了保证发送信息的准确性，带有相同信息的脉冲会被重复发送三次及三次以上，在接收端存在一个判决器，如果接收到相同的信息的次数达到2次，即可以判断已经接收到了正确的信息。

所述的多次重复发送的方法中，会存在不同的传感器发送的信息脉冲之间的相互干扰，为了避免这种干扰，确保接收端能够接收到准确的信息，可以采用两种方法：

脉冲之间采用固定间隔的方式，以传感器的ID和所发开/关命令的组合按照固定的关系映射为脉冲时间间隔。因为不同传感器拥有不同的ID，所以不同的传感器发送的脉冲间隔是不同的，这样就可以保证多次重复发送的脉冲中至少有两个是时间不重合的。

脉冲之间也可以采用随机间隔的方式，随机间隔由M序列产生的随机数决定。

在随机脉冲间隔的方式中，可能会出现某个M序列发生器的输出正好等于其他的传感器的M序列发生器的输入的情况，这样会导致接下来的两个传感器发送的脉冲之间的间隔完全一样，这些脉冲会全部叠加而导致信息的丢失。为了解决这个问题，可以设置所有M序列发生器的初始输入均为全“1”，由于M序列发生器的输入是前一个M序列的后N位，而M序列中长度为N的游程数目为0，所以此次的输入必然不会是全“1”，这样就大大降低了这种情况发生的概率。另一种方法是将每次要发送的数据包中的某几个数据位作为M序列发生器的初始输入，也可以达到相同的效果。

本发明中所发送的数据包均具有统一的格式。具体的格式为“命令+ID+数据”，每隔几个数据位会加上一位的反转码用于校验。

本发明中的数据包也可以采用汉明码或者卷积码进行编码，以增强数据包的纠错能力。在每个数据包的最后可以加上几位哈希校验位，以提高数据传输的准确度。

综上所述，本发明所描述的是一种用于建筑和工业控制中无线传感器的信息传输方法与装置，所发明的无线传感器采用多次重复发送的方式以提高数据传输的准确度；通过控制不同传感器的脉冲间隔以避免不同传感器的脉冲之间的干扰；传感器发送的每一个数据包均有固定而有效的格式。总之是一种实时、高速、准确的小信息量无线收发装置。

以下描述和附图充分地表示本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

为使本发明的原理、特性和优点更加清楚，下面详细描述本发明的实现方案。

本发明的具体装置如图1所示，整体分为无线传感器信息发送端，信息接收端，总控制端以及供电电路。在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去。无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲。如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理。接收端也包括智能电器等设备，它们可以接收总控制端发来的控制信息并作出正确的响应。

本发明采用的是多次发送相同数据包脉冲的方式以确保传输的信息的准确度。如图2所示，相同信息的脉冲被发送了5次，相邻脉冲之间存在一定的间隔。在接收端存在一个判决器，对接收到的信号进行判决，如果发现接收到的连续的相同的信息包的数量达到两次，这时即可判断已经接收到了正确的信息。判决器的实现可以用累加器组，每次接收到相同的信息就将相应的累加器加1，当累加次数超过两次的时候即可确定收到正确信息，并且此时累加器被清零。

通过多次发送并判决的方式，可以确保接收到的信息是准确的，由于每个数据包的信息量比较少，所以在多次发送的条件下也可以保证较高的数据传输速率。

在存在多个不同的无线传感器的环境中，不同的传感器之间发送的脉冲会互相干扰。如图3所示，三个传感器中，由于它们发送的前两个脉冲的发送时间均相同，所以这些脉冲会叠加，从而淹没原有的信号，导致传输出错。

为了解决这个问题，可以控制不同传感器发送的连续脉冲之间的间隔。具体有两种设置脉冲间隔的方式：

第一种方式之中，同一个传感器发送的脉冲之间的间隔是固定的。脉冲之间的间隔由传感器的ID号和发送的开/关命令决定，脉冲的间隔与“ID号+开/关”是一一对应的。由于不同的传感器的ID号是不一样的，所以不同传感器发送的脉冲间隔是不一样的。

如图4所示，设传感器a发送的为脉冲序列a，传感器b发送的为脉冲序列b，两组脉冲序列的时间间隔不同。对于脉冲序列a，其1号脉冲与脉冲序列b的1号脉冲重合，导致两个脉冲的信息均被淹没。脉冲序列a的1号和2号脉冲的时间间隔为T₁，脉冲序列b的1号和2号脉冲的时间间隔为T₂，由于T₁≠T₂，所以脉冲序列a的2号脉冲和脉冲序列b的2号脉冲发送时间不会重合，这两个脉冲均可正确传输到接收端。同理，在这两个脉冲之后的其他脉冲也不会因为产生时间重合而发生叠加，从而保证了信息的正确传输。

在第二种方式之中，同一个传感器发送的脉冲之间的间隔是随机的。和图4一样，即使两组脉冲序列的某一个脉冲发送的时间重合，导致两个脉冲的信息均被淹没，接下来的两个脉冲的发送时间也不会重合，这样即可保证信息的准确传输。

在第二种方式之中，随机间隔的产生由M序列完成。如图5所示，在本实施方式之中，产生M序列的寄存器组有6级，即N＝6；M序列的本源多项式F(x)＝x⁶+x⁵+x³+x²+1；所产生的M序列的长度为63。

对于重复发送的5个脉冲，第一个脉冲间隔由第一组M序列决定。在产生这一组M序列的时候，寄存器组的初始状态为“111111”。而在接下来的随机脉冲间隔产生过程中，是以上一次生成的M序列的后六位作为本次M序列的寄存器组的输入的。

在第二种方法中，如果某一个传感器生成的M序列的后六位正好等于另外一个传感器M序列产生器的初始输入，这样会导致两个传感器接下来的脉冲间隔完全一样，两个传感器发送的信息都会被淹没，具体情形如图6所示。为了避免这种情况，可以设置每个传感器M序列产生器的初始状态均为“111111”。由于在N级寄存器产生的M序列之中，长度为N的游程数量为0，因此可以避开这种情况。另一种方式是将每次要发送的数据包的第三个字节的前六位数据位作为M序列发生器的初始输入，也可以达到相同的效果，这两种方式的具体实施情况如图7所示。

每个传感器发送的数据包应该都具有相同的固定格式，以便于对数据进行接收和处理。在本实施方式中，采用的是“命令+ID+数据”的格式。

如图8所示，每个数据包的数据有8个字节。第一个字节是命令信息，在第一个字节中，D5和D2之后均插入了一个反转位，这一位的取值与D5、D2的值相反，可以起到校验的效果；在D0之后加入了2位的纠错位，以增强纠错能力。第二个字节是ID信息，在本实施方式中每个ID有八位，同第一个字节一样，每隔3bit加上一个反转位，该反转位是它之前那一位的反转，用来对数据进行校验，在字节的末尾也会插上2位的纠错位。接下来的6个字节是数据信息，采用的格式也和之前一样，每隔3位加上反转位，每个字节后面加上2位的纠错位。除了这些信息位和校验位，在数据包的最前面需要加上12位的数据包起始标识符即“101010101001”，在数据包的最后还会加上6位的哈希校验位。由此，每个数据包的大小现在变为104个比特。

在每个数据包发送之前，也可以对每个数据包进行汉明码的编码，以进一步增强数据包的纠错能力。

综上所述，本发明提供了一种用于在建筑和工业控制中进行高速，准确通信的无线传感器信息传输方法和装置，并优化了其发送的数据包的格式，使之具有一定的纠错能力。

上述说明示出并描述了本发明的优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改、等同替换，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，包括：

无线传感器信息发送端，信息接收端，总控制端以及供电电路；

在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去；

无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲；

如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理；

接收端接收总控制端发来的控制信息并做出响应；

带有相同信息的脉冲会被重复发送多次。

2.如权利要求1所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，相同信息的脉冲会被发送三次及三次以上，在接收端存在一个判决器，当收到的相同的脉冲信息的次数达到2次之后，即可判定已经接收到正确的信号。

3.如权利要求2所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，相应于传感器ID号以及所发送的命令的不同，不同传感器发送的脉冲间隔也是不同的。

4.如权利要求3所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，脉冲间隔采用固定的时间间隔，这个时间间隔与“ID+发送的命令”一一对应。

5.如权利要求3所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，每个传感器发送的脉冲间隔采用随机的形式，随机的时间间隔由伪随机M序列生成。

6.如权利要求5所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，当出现某个传感器的M序列产生器产生的随机数正好等于另外一个传感器M序列产生器的输入的情况时，将每个传感器的M序列产生器的初始输入设置为全“1”，接下来的M序列由前一个产生的M序列的后几位产生。

7.如权利要求5所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，设置每个传感器M序列产生器的初始输入为其所传输的数据的部分数据位，接下来的M序列由前一个产生的M序列的后N位产生。

8.如权利要求1-7中任何一项所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，需要发送的信息被调制在脉冲上，各个传感器每次发送的数据包应该均采用固定的格式。

9.如权利要求8所述的用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的装置，其特征在于，各个传感器每次发送的数据包使用的是“命令+ID+数据”的格式，每个数据包的开头须有一段定位码，在数据包中每隔几个数据位加上校验码，字节末尾加上纠错码，发送的数据包采用汉明码或者卷积码的编码方式，在每个数据包的最后还加上几位的哈希校验位。

10.用于建筑和工业控制中无线传感器信息传输的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在无线传感器发送端中，脉冲间隔对应于固定的ID信息或者利用M序列产生器产生的伪随机数，经过编码电路编码后的数据调制到脉冲上发送出去；

无线传感器信息发送端发出的信息到达接收端时，接收端通过判决器判断是否收到了正确的信息脉冲；

如果判决器判断已经接收到了正确的脉冲信息，则将接收到的脉冲信号进行解调和解码，然后将解码后的数据发送到总控制端进行处理；

接收端接收总控制端发来的控制信息并做出响应；

带有相同信息的脉冲会被重复发送多次。