CN104540243A - 一种无线传感器网络及数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无线传感器网络和数据处理方法，其中无线传感器网络，包括：多个终端节点和一个基站，每个终端节点采用低速率和低功耗的无线芯片，并且每个终端节点采用低速率和高灵敏度的模式通过各自的无线信道与所述基站进行通信，使得终端节点与基站之间点对点的传输距离增加，例如速率为100bps，灵敏度为-130dbm时，其点对点传输的距离是5-10千米，相对于现有终端节点来说其传输距离增加了5-10倍，因此终端节点和基站之间可以直接通过无线信道进行通信，这样减少无线传感器网络中路由节点的数量，从而在实现长距离传输的同时简化网络架构，并且降低对路由节点进行部署和维护的成本。

Description

一种无线传感器网络及数据处理方法
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，更具体地说，涉及一种无线传感器网络及数据处理方法。
背景技术
无线传感器网络是一种融合计算机技术、传感器技术和无线通信技术等而形成的全新的信息获取、处理和传输平台，其能够对网络分布区域内的各种终端节点进行实时监测和控制，具有快速部署、抗毁性强等特点，在工业、农业、建筑、交通、公共安全和军事等方面有着广阔的应用前景。
目前无线传感器网络所监测的各种终端节点众多，如汽车、玩具、心脏速率监视器、交通灯、路灯等，并且为了能够实现长距离传输通常采用现有基于IEEE802.15.4的无线传感器网络，该基于IEEE802.15.4的无线传感器网络以单跳点对点方式进行传输，并依靠多跳网络技术扩展网络覆盖范围以实现长距离传输。
由于基于IEEE802.15.4的无线传感器网络中每个节点的传输速率较高(100kbps)，传输距离较近(一般不超过1KM)，在实现长距离传输时需要对无线传感器网络中的多个路由节点进行布线。以一个路由节点连接10个终端节点为例，一万个终端节点需要1000个路由节点，这些路由节点都需要布线，部署成本很高，而且额外部署的1000个路由节点出故障的概率也比较高，维护成本也高，与二层网络相比，三层网络需要多部署和维护一层路由节点，成本显然高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种无线传感器网络，用于在实现长距离传输的同时降低部署和维护成本。本发明还提供一种数据处理方法，用于阐述上述无线传感器网络中的数据传输过程。技术方案如下：
本发明提供一种无线传感器网络，包括：多个终端节点和一个基站，其中，每个所述终端节点采用低速率和低功耗的无线芯片，并且每个所述终端节点采用低速率和高灵敏度的模式通过各自的无线信道与所述基站进行通信。
优选地，所述基站采用频分多址的方式对所述无线信道内传输的数据进行处理。
优选地，每个所述终端节点采用跳频机制通过各自的无线信道与所述基站进行通信。
优选地，每个所述终端节点中安装有传感器，所述传感器用于生成原始数据，如果所述传感器未生成原始数据则所述终端节点处于休眠状态。
优选地，所述传感器生成原始数据时，所述终端节点开启无线收发功能并主动上报数据，将所上报的数据通过各自的无线信道发送给所述基站，且所述终端节点每次接收到所述基站发送的应答信息后结束数据发送。
本发明还提供一种数据处理方法，应用于上述无线传感器网络中，所述数据处理方法包括：
终端节点对原始数据进行调制；
所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站；
所述基站采用每个所述无线信道各自的滤波器对所述调制后的数据进行滤波；
所述基站对滤波后的数据进行解调，得到所述原始数据。
优选地，所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站，包括：所述终端节点采用跳频机制将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站。
优选地，所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站，包括：所述终端节点在检测到传感器生成原始数据后，所述终端节点开启无线收发功能并将调制后的数据通过各自的无线信道主动发送给所述基站。
优选地，所述方法还包括：所述终端节点在接收到所述基站发送的应答消息中结束数据发送。
优选地，所述方法还包括：所述终端节点在检测到所述传感器未生成原始数据时，控制自身进入休眠状态。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
本发明提供的无线传感器网络中，终端节点可以采用低速率和高灵敏度的模式与基站进行通信，使得终端节点与基站之间点对点的传输距离增加，例如速率为100bps(Bits Per Second，比特/秒)，灵敏度为-130dbm(分贝)时，其点对点传输的距离是5-10千米，相对于现有终端节点来说其传输距离增加了5-10倍，因此终端节点和基站之间可以直接通过无线信道进行通信，这样减少无线传感器网络中路由节点的数量，从而在实现长距离传输的同时简化网络架构，并且降低对路由节点进行部署和维护的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的无线传感器网络的示意图；
图2为上述无线传感器网络中终端节点对原始数据调制后的频谱图；
图3为上述无线传感器中基站接收到的频谱图；
图4为本发明实施例提供的数据处理方法的流程图。
具体实施方式
本发明实施例提供的无线传感器网络的核心思想是：无线传感器网络中的每个终端节点采用低速率和低功耗的无线芯片，并且每个终端采用低速率和高灵敏度的模式，这种终端节点的点对点传输距离比高速率的终端节点的点对点传输距离长，使得终端节点可以和基站进行点对点的通信。
为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其示出了本发明实施例提供的无线传感器网络的示意图，其中该无线传感器网络包括多个终端节点1和一个基站2。每个终端节点1通过各自的无线信道与基站2进行通信，图1中CHi表示第i个终端节点1与基站2进行通信时使用的无线信道。由于每个终端节点1可以直接通过无线信道与基站2进行通信，且通信距离特别长，所以本发明实施例提供的无线传感器网络为一二级星型网络架构的无线传感器网络，具有单基站覆盖范围广的特点。
在本发明实施例中，每个终端节点1采用低功耗和低速率的无线芯片，如TI(美国德州仪器公司的名称)的型号为CC1125的无线芯片或Silicon Labs(美国某半导体公司名称)的型号为Si4463的无线芯片，这些终端节点1采用低速率和高灵敏度的模式进行数据收发。以速率为100bps，灵敏度为-130dbm为例，其点对点传输的距离是5-10千米，而传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络一般需要10跳以上的网络规模才能达到同样的网络覆盖范围，这就需要在终端节点1和基站2之间增加数个路由节点，使得网络架构相对复杂，并且增加对路由节点进行部署和维护的成本。其中低功耗是指发射功率一般不超过50mW，低速率一般是1kbps以下，灵敏度与速率相关，通常情况下，速率越低其灵敏度越高，以1kbps的速率来说其灵敏度能达到-120dbm。
进一步假如点对点(单跳)传输的数据成功率为95％时，采用10跳进行数据传输时其数据成功率只有0.9510＝0.6，而本发明实施例中终端节点1和基站2之间单跳就可以使数据成功发送，这样其数据成功率为95％，即相对于传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络提高数据成功率。在本发明实施例中基站2的接收灵敏度需要与终端节点1的灵敏度保持一致，如终端节点1的灵敏度为-130dbm时，基站2的接收灵敏度也应保持在-130dbm。
其中基站2的容量与基站使用的无线信道数量和终端节点1数据发送的频度相关，在数据发送频度不变的情况下无线信道数量变大，基站2的容量变大；在无线信道数量不变的情况下数据发送的频度变低，则基站2的容量变大。其中基站2的容量是指一个基站所能容纳的终端节点1数，频度则是数据发送的次数。
这里需要说明的一点是：本发明实施例中终端节点1按照低速率和高灵敏度的模式进行数据收发，以其发送1000个节点的数据，每个数据以30字节，数据速率100bps为例，发送一次需要(30*8)/100＝2.4s，1000个节点的数据需要2400s，这样，终端节点在完全没有冲突的情况下，其数据采集的周期大于40分钟，而在传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络中要求数据采集的周期较短且信道之间冲突较大，因此本发明实施例提供的终端节点1无法作为路由节点使用于传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络中。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例提供的无线传感器网络中，终端节点1可以采用低速率和高灵敏度的模式与基站进行通信，使得终端节点1与基站2之间点对点的传输距离增加，例如速率为100bps，灵敏度为-130dbm时，其点对点传输的距离是5-10千米，相对于现有终端节点来说其传输距离增加了5-10倍，因此终端节点1和基站2之间可以直接通过无线信道进行通信，这样减少无线传感器网络中路由节点的数量，从而在实现长距离传输的同时简化网络架构，并且降低对路由节点进行部署和维护的成本。
在上述图1所示的无线传感器网络中，由于每个终端节点1采用低功耗的无线芯片，所以每个终端节点1在低速率时占用的带宽较窄。以终端节点1采用FSK(Frequency-shift Keying，频移键控)调制方式对原始数据进行调制为例，其频谱图如图2所示，其中两个波峰之间的频谱距离设置为100Hz(赫兹)，则终端节点1占用的无线信道的带宽一般不超过1KHz(千赫兹)，图2中横轴为f(单位为Hz)，纵轴为PSD(Power Spectral Density，功率谱密度)。
当基站2与多个终端节点1进行通信时，基站2需要具备多信道数据同时收发功能，鉴于终端节点1所使用的低功耗芯片在低速率时占用的带宽较窄，基站2可以采用FDMA(Frequency Division Multiple Access,频分多址)的方式进行数据收发，采用FDMA的方式进行数据收发的频谱图如图3所示，图3中横轴为f(单位为Hz)，纵轴为PSD，有数据表示无线信道中有数据传输，无数据则表示无线信道中无数据传输。
其中采用FDMA的方式进行数据收发是指：在每个无线信道采用滤波器对数据进行滤波以消除其他无线信道的影响，并对滤波后的数据进行解调，如可以采用相干解调或包络解调，每个无线信道使用的滤波器可以是带通滤波器，其中心频率为无线信道的中心，带宽为无线信道的带宽。当然在本发明实施例也可以采用其他手段对所有无线信道中的数据进行统一的解调，对此本发明实施例不再阐述。
为了满足无线传感器网络部署的灵活性以及最大限度的提高无线信道利用率，终端节点1可以采用跳频机制通过各自的无线信道与所述基站进行通信，即终端节点1每次数据发送都选择不同的无线信道，基站根据接收的数据在相同的无线信道回复应答消息至终端节点1，以提示终端节点1此次通信结束，其中应答消息中携带有ACK(Acknowledgement，确认字符)和终端节点1的标识符，ACK是在数据通信中，基站2发给终端节点1的一种传输类控制字符，表示终端节点1发来的数据已被基站1确认接收无误。
假如终端节点1不采用跳频机制，则无线传感器网络在部署时必须严格考虑终端节点1使用的无线信道，以保证每个无线信道传输的业务量近似。例如按照终端节点1发送的业务量，为第1至10个终端节点1分配无线信道1，第11至20个终端节点1分配无线信道2，依次类推，这样每个终端节点1则在为其分配的无线信道上进行数据收发。
从上述技术方案可以看出，本发明实施例在基站侧使用FDMA的方式使芯片厂商提供的低速率和高灵敏度的无线芯片大规模组网应用成为可能，配合跳频机制，为城域范围的物联网应用提供有效的解决方案。
在本发明实施例中，终端节点1中安装有传感器，其中传感器用于生成原始数据，该原始数据经过终端节点1调制后发送给基站2。当传感器未生成原始数据时，终端节点1处于休眠状态以降低终端节点1的功耗；当传感器生成原始数据时，终端节点1开启无线收发功能并主动上报数据，为保证数据收发的可靠性，基站2收到数据会回复应答消息，终端节点1接收到应答消息后结束数据发送。其中应答消息中携带有ACK和终端节点1的标识符，ACK是在数据通信中，基站2发给终端节点1的一种传输类控制字符，表示终端节点1发来的数据已被基站1确认接收无误。
传感器生成的原始数据可以是传感器定时采集的数据或被外界触发产生的数据，传感器会将原始数据传到终端节点1的处理器内，由处理器判断是否有数据发送，并且在结束数据发送且判断无其他数据发送时关闭无线收发功能，以进一步降低功耗。
与上述实施例相对应，本发明实施例还提供一种应用于上述无线传感器网络中的数据处理方法，其流程图可以参阅图4所示，包括以下步骤：
101：终端节点对原始数据进行调制。其中原始数据是由安装在终端节点中的传感器生成，例如原始数据可以是传感器定时采集的数据或被外界触发产生的数据。
在本发明实施例中，每个终端节点采用低功耗和低速率的无线芯片，如TI(美国德州仪器公司的名称)的型号为CC1125的无线芯片或Silicon Labs(美国某半导体公司的名称)的型号为Si4463的无线芯片，这些终端节点采用低速率和高灵敏度的模式进行数据收发。以速率为100bps，灵敏度为-130dbm为例，其点对点传输的距离是5-10千米，而传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络一般需要10跳以上的网络规模才能达到同样的网络覆盖范围，这就需要在终端节点和基站之间增加数个路由节点，使得网络架构相对复杂，并且增加对路由节点进行部署和维护的成本。
进一步假如点对点(单跳)传输的数据成功率为95％时，采用10跳进行数据传输时其数据成功率只有0.9510＝0.6，而本发明实施例中终端节点和基站之间单跳就可以使数据成功发送，这样其数据成功率为95％，即相对于传统基于IEEE802.15.4的无线传感器网络提高数据成功率。
由于每个终端节点采用低功耗的无线芯片，所以每个终端节点在低速率时占用的带宽较窄。以终端节点采用FSK调制方式对原始数据进行调制为例，其频谱图如图2所示，其中两个波峰之间的频谱距离设置为100Hz(赫兹)，则终端节点占用的无线信道的带宽一般不超过1KHz(千赫兹)。当然终端节点除采用FSK对原始数据进行调制外还可以采用其他调制方式，对此本发明不再一一阐述。
102：终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站。
为了满足无线传感器网络部署的灵活性以及最大限度的提高无线信道利用率，终端节点可以采用跳频机制通过各自的无线信道与所述基站进行通信，即终端节点每次数据发送都选择不同的无线信道，基站根据接收的数据在相同的无线信道回复应答消息至终端节点，以提示终端节点此次通信结束，此时终端节点结束数据发送。其中应答消息中携带有ACK和终端节点的标识符，ACK是在数据通信中，基站发给终端节点的一种传输类控制字符，表示终端节点发来的数据已被基站确认接收无误。
假如终端节点不采用跳频机制，则无线传感器网络在部署时必须严格考虑终端节点使用的无线信道，以保证每个无线信道传输的业务量近似。例如按照终端节点发送的业务量，为第1至10个终端节点分配无线信道1，第11至20个终端节点分配无线信道2，依次类推，这样每个终端节点则在为其分配的无线信道上进行数据收发。
进一步为了降低终端节点的功耗，终端节点在检测到传感器生成原始数据后，终端节点方开启无线收发功能并将调制后的数据通过各自的无线信道主动发送给基站；终端节点在检测到传感器未生成原始数据时，控制自身进入休眠状态。
103：基站采用每个无线信道各自的滤波器对调制后的数据进行滤波。
在本发明实施例中基站的接收灵敏度需要与终端节点的灵敏度保持一致，如终端节点的灵敏度为-130dbm时，基站的接收灵敏度也应保持在-130dbm。
104：基站对滤波后的数据进行解调，得到原始数据。
当基站与多个终端节点进行通信时，基站需要具备多信道数据同时收发功能，鉴于终端节点所使用的低功耗芯片在低速率时占用的带宽较窄，基站可以采用FDMA的方式进行数据收发，采用FDMA的方式进行数据收发的频谱图如图3所示。
其中采用FDMA的方式进行数据收发是指：在每个无线信道采用滤波器对数据进行滤波以消除其他无线信道的影响，并对滤波后的数据进行解调，如可以采用相干解调或包络解调，每个无线信道使用的滤波器可以是带通滤波器，其中心频率为无线信道的中心，带宽为无线信道的带宽。当然在本发明实施例也可以采用其他手段对所有无线信道中的数据进行统一的解调，对此本发明实施例不再阐述。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络，其特征在于，包括：多个终端节点和一个基站，其中，每个所述终端节点采用低速率和低功耗的无线芯片，并且每个所述终端节点采用低速率和高灵敏度的模式通过各自的无线信道与所述基站进行通信。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于，所述基站采用频分多址的方式对所述无线信道内传输的数据进行处理。
3.根据权利要求2所述的无线传感器网络，其特征在于，每个所述终端节点采用跳频机制通过各自的无线信道与所述基站进行通信。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络，其特征在于，每个所述终端节点中安装有传感器，所述传感器用于生成原始数据，如果所述传感器未生成原始数据则所述终端节点处于休眠状态。
5.根据权利要求4所述的无线传感器网络，其特征在于，所述传感器生成原始数据时，所述终端节点开启无线收发功能并主动上报数据，将所上报的数据通过各自的无线信道发送给所述基站，且所述终端节点每次接收到所述基站发送的应答信息后结束数据发送。
6.一种数据处理方法，其特征在于，应用于如权利要求1至4任意一项所述的无线传感器网络中，所述数据处理方法包括：
终端节点对原始数据进行调制；
所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站；
所述基站采用每个所述无线信道各自的滤波器对所述调制后的数据进行滤波；
所述基站对滤波后的数据进行解调，得到所述原始数据。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站，包括：所述终端节点采用跳频机制将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述终端节点将调制后的数据通过各自的无线信道发送至基站，包括：所述终端节点在检测到传感器生成原始数据后，所述终端节点开启无线收发功能并将调制后的数据通过各自的无线信道主动发送给所述基站。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述终端节点在接收到所述基站发送的应答消息中结束数据发送。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：所述终端节点在检测到所述传感器未生成原始数据时，控制自身进入休眠状态。
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