CN106714282A - 无线网络系统 - Google Patents

无线网络系统 Download PDF

Info

Publication number
CN106714282A
CN106714282A CN201510797257.9A CN201510797257A CN106714282A CN 106714282 A CN106714282 A CN 106714282A CN 201510797257 A CN201510797257 A CN 201510797257A CN 106714282 A CN106714282 A CN 106714282A
Authority
CN
China
Prior art keywords
gateway
time
wireless sensor
sensor module
unit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510797257.9A
Other languages
English (en)
Inventor
王鸿基
陈文峰
沈哲平
沈钟潜
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bosch Division Intelligent Ltd By Share Ltd
Original Assignee
Bosch Division Intelligent Ltd By Share Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bosch Division Intelligent Ltd By Share Ltd filed Critical Bosch Division Intelligent Ltd By Share Ltd
Priority to CN201510797257.9A priority Critical patent/CN106714282A/zh
Publication of CN106714282A publication Critical patent/CN106714282A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • H04W52/0229—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal where the received signal is a wanted signal
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W52/00—Power management, e.g. TPC [Transmission Power Control], power saving or power classes
    • H04W52/02—Power saving arrangements
    • H04W52/0209—Power saving arrangements in terminal devices
    • H04W52/0225—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal
    • H04W52/0248—Power saving arrangements in terminal devices using monitoring of external events, e.g. the presence of a signal dependent on the time of the day, e.g. according to expected transmission activity
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W64/00—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management
    • H04W64/003—Locating users or terminals or network equipment for network management purposes, e.g. mobility management locating network equipment
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明提出一种无线网络系统，包含无线感测模块、网关及服务器。无线感测模块包含感测单元、射频单元及控制单元；感测单元获取环境信号；射频单元对环境信号进行扩频处理以产生扩频后环境信号，且射频单元根据控制信号发射扩频后环境信号；控制单元操作于休眠模式及工作模式，于休眠模式时，控制单元根据预设时间值或预设时间差以切换至工作模式，于工作模式时，控制单元产生控制信号。网关通讯连接于无线感测模块，以接收并解调扩频后环境信号以获得环境信号，且网关转发环境信号。服务器自网关接收环境信号。

Description

无线网络系统
技术领域
本发明是关于一种无线网络系统。
背景技术
随着无线通讯技术蓬勃发展，人类的生活与无线通讯密不可分，以大范围无线通讯为例，人们可藉由持有的行动装置例如手机、笔电经由4G行动通讯技术来浏览网页或收发mail；此外，于医学或保全系统的小范围无线通讯例如无线感测网络、无线区域网络的相关应用也相当普遍。
习知的无线通讯技术有ZigBee或2.5G、3G、4G、LTE等，然而，由此些无线通讯技术所发射的射频信号易受干扰，若欲将此些无线通讯技术应用于复杂场域时，例如密集都会地区、工业厂区、地下化交通捷运设施与矿坑等，其通讯品质通常不佳；再者，如家中常使用的Wi-Fi其通讯距离约为数公尺至数十公尺等级，部分无线通讯技术传输距离较短，若欲于较广的区域布建无线网络时，需要布建较大量的基地台(Access point)才能涵盖较大的范围，如此成本昂贵；再者，此些无线通讯技术的基地台必须仰赖电源供应方能运作，若是欲将无线通讯布建于无电源供给的区域时，收发端装置依靠现有的电池容量并无法长时间使用(如常见的智能手机于1-2日长时间使用后即须重新充电)，且此些无线通讯技术也必须支付固定通讯费用或租用特定频段才能进行通讯。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种无线网络系统。
在一些实施例中，前述无线网络系统包含无线感测模块、网关及服务器。其中无线感测模块包含感测单元、射频单元及控制单元；感测单元获取环境信号；射频单元对环境信号进行扩频处理以产生扩频后环境信号，且射频单元根据控制信号发射扩频后环境信号；控制单元操作于一休眠模式及一工作模式，于休眠模式时，控制单元根据预设时间值或预设时间差以切换至工作模式，于工作模式时，控制单元产生控制信号。网关通讯连接于无线感测模块，以接收并解调扩频后环境信号以获得环境信号，且网关转发环境信号。服务器自网关接收环境信号。
在一些实施例中，网关经由长距离无线传输技术(Long Range)通讯连接于无线感测模块。
在一些实施例中，其中感测单元更用以判断环境信号是否异常，当环境信号异常时，感测单元输出一警告信号至控制单元，控制单元更用以根据警告信号由休眠模式切换至工作模式。
在一些实施例中，其中感测单元选自气体侦测器、烟雾侦测器、温度侦测器、震动侦测器、亮度侦测器、音量侦测器与湿度侦测器，环境信号选自特定气体浓度信息、烟雾信息、温度信息、震动信息、亮度信息、音量信息与湿度信息。
在一些实施例中，服务器产生预设时间值或预设时间差，网关接收并转发预设时间值或预设时间差至无线感测模块。
在一些实施例中，其中网关经由具避免碰撞机制的载波侦测多重存取、分时多工存取及分频多工存取将环境信号转发至服务器。
在一些实施例中，其中网关包含多个射频单元，且网关的每一射频单元工作于不同频段。
在一些实施例中，于控制单元操作于工作模式时，若感测单元为关闭，控制单元传送另一控制信号至感测单元以开启感测单元来获取环境信号。
在一些实施例中，射频单元更用以根据实时时间纪录扩频后环境信号的发射时间，网关更用以根据实时时间纪录扩频后环境信号的接收时间，服务器更用以根据下式计算无线感测模块与网关之间的一第一估算距离d：
d＝c×t；
其中，c代表该扩频后环境信号自该射频单元至该网关之间的传递速度，t代表该发射时间与该接收时间的时间差，且该服务器以类神经网络演算法根据该第一估算距离d、该网关接收的该扩频后环境信号的信号强度对应的第二估算距离、该网关接收的该扩频后环境信号的信噪比对应的第三估算距离及该网关与该无线感测模块之间的实际距离训练该网关与该无线感测模块之间的距离误差，以产生该网关与该无线感测模块之间的第四估算距离。
在一些实施例中，射频单元更用以根据一实时时间纪录该扩频后环境信号的一发射时间，该网关更用以根据该实时时间纪录该扩频后环境信号的一接收时间，该服务器更用以根据下式计算该无线感测模块与该网关之间的一估算距离d：
d＝c×t；
其中，c代表该扩频后环境信号自该射频单元至该网关之间的传递速度，t代表该发射时间与该接收时间的时间差，且该服务器以类神经网络演算法根据该估算距离d、该网关接收的该扩频后环境信号的信号强度、该网关接收的该扩频后环境信号的信噪比及该网关与该无线感测模块之间的实际距离训练该网关与该无线感测模块之间的距离误差，以产生该网关与该无线感测模块之间的另一估算距离。
在一些实施例中，服务器根据下式自动调整该网关与该无线感测模块之间的通讯品质以产生该预设时间值或该预设时间差：
α1P1×α2P2-1×α3P3-1×α4P4-1；
其中，α1、α2、α3、α4代表权重，P1代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的封包成功率、P2代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的总封包次数、P3代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的失败封包次数，及P4代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的成功封包最长耗时。该每单位时间的封包成功率、该每单位时间的总封包次数、该每单位时间的失败封包次数及该每单位时间的成功封包最长耗时相应于该网关的每单位时间的数据传送量、该网关的每单位时间的数据接收量、该网关的每单位时间的发射功率、该无线感测模块的每单位时间的数据传送量、该无线感测模块的每单位时间的数据接收量、该无线感测模块的每单位时间的发射功率及该无线感测模块的每单位时间的休眠时间。
综上所述，根据本发明的无线网络系统的一实施例，无线感测模块可进入休眠模式，且无线感测模块可经由扩频技术来发射信号，因此，无线感测模块可提供高抗干扰、高穿透性的通讯技术，且无线感测模块可以低功率方式运作于无电力供给的区域，其电池的电力可维持数个月甚至数年，于此，无线网络系统可收集复杂场域中的大范围的多种环境信号，并经由网关传送至后台服务器以供分析利用，并可得出各无线感测模块位置。
附图说明
图1为根据本发明的无线网络系统的一实施例的装置示意图。
图2为图1的无线感测模块的功能方块图。
图3为图1的服务器使用的类神经网络演算法的示意图。
图4为根据本发明的无线网络系统的网关的通讯频段的一实施例的示意图。
【符号说明】
11 无线感测模块 C4 警告信号
111 感测单元 S1 环境信号
112 射频单元 S2 扩频后环境信号
113 控制单元 T1 实时时间
114 唤醒单元 N1 输入层
115 实时时钟 N11～N19 神经元
116 储存单元 N2 隐藏层
12 网关 N21～N23 神经元
13 服务器 N3 输出层
C1 唤醒信号 N31～N34 神经元
C2、C3 控制信号 F1、F2、F3、F4 频段
具体实施方式
图1为根据本发明的无线网络系统一实施例的装置示意图，请参照图1，揭露一无线网络系统，无线网络系统包含无线感测模块11、网关(gateway)12以及服务器13。无线感测模块11用以发射扩频后环境信号，网关12通讯连接于无线感测模块11与服务器13之间，网关12接收并解调扩频后环境信号以获得环境信号，且网关12将解调后产生的环境信号发送至服务器13。在本实施例中，无线感测模块11经由长距离无线传输技术(Long Range)通讯连接于网关12，网关12可经由以太网络(EtherNet)通讯连接于服务器13。
值得说明的是，图1中无线感测模块11及网关12的数量仅为示意，无线感测模块11及网关12的数量可为一个、两个甚至超过三个，设计者可自行调整，举例来说，若需侦测不同位置的环境信号，无线感测模块11可为多个，并设置于不同的位置，以获取不同位置的环境信号，再经由涵盖不同无线感测模块11的网关12转发至服务器13。并且，无线网络系统更可包含至少一中继单元例如Wi-Fi基地台，中继单元经由无线网络或有线网络通讯连接于网关12与服务器13之间，中继单元可经由多重跳接(multi-hop)的方式将扩频后环境信号转传至服务器13。
图2为图1的无线感测模块11的功能方块图，请同时参照图1及图2，如图2所示，无线感测模块11包含感测单元111、射频单元112及控制单元113；感测单元111及射频单元112依序串接，控制单元113耦接于感测单元111及射频单元112。
感测单元111用以获取环境信号S1，举例来说，感测单元111选自气体侦测器、烟雾侦测器、温度侦测器、震动侦测器、亮度侦测器、音量侦测器及湿度侦测器，此时，感测单元111所获取得的环境信号S1选自特定气体浓度、烟雾信息、温度信息、震动信息、亮度信息、音量信息或湿度信息，感测单元111产生属于类比信号或数位信号的环境信号S1。射频单元112接收感测单元111产生的环境信号S1，射频单元112包含多个扩频码码片(chip)，射频单元112经由一个以上的扩频码码片对环境信号S1进行扩频处理，以将环境信号S1转换为封包形式且为宽频的扩频后环境信号S2，并且，射频单元112根据控制信号C3来决定是否发射扩频后环境信号S2。其中，前述的扩频处理可为直接序列(direct-sequence)扩频或随机序列(random-sequence)扩频。
控制单元113可操作于工作模式与休眠模式，当控制单元113操作于休眠模式时，控制单元113根据预设时间值或预设时间差以切换至工作模式，其中，预设时间差可为一小时、数小时、一天甚至是一个星期，而预设时间值可为实际的日期时间，例如，西元2015年8月8日下午8:58；在实作上，如图2所示，无线感测模块11更包含唤醒单元114及实时时钟(real-time clock)115，唤醒单元114耦接控制单元113，实时时钟115耦接唤醒单元114及射频单元112。实时时钟115产生可表示实际时间的实时时间T1；以预设时间值为例，唤醒单元114的一输入端接收实时时间T1，藉以判断实际时间是否到达预设时间值，若唤醒单元114判断其两者相同时，唤醒单元114产生唤醒信号C1并传送至控制单元113，使其由休眠模式切换至工作模式；以前述的西元2015年8月8日下午8:58为例，控制单元113于西元2015年8月8日下午8:58被唤醒而切换至工作模式。
再者，以预设时间差为例，唤醒单元114根据实时时间T1判断控制单元113操作于休眠模式的时间(以下称为休眠时间)是否等于预设时间差来发送唤醒信号C1，也就是说，唤醒单元114于控制单元113进入休眠模式后即开始计数，若其休眠时间等于预设时间差，唤醒单元114产生唤醒信号C1并传送至控制单元113，使其由休眠模式切换至工作模式；以前述的一小时为例，控制单元113的休眠时间达一小时后即切换至工作模式。基此，在控制单元113根据预设时间差或预设时间值切换至工作模式后，控制单元113产生控制信号C3以驱动射频单元112发射扩频后环境信号S2。
前述的控制单元113及唤醒单元114可以微控制器(Micro controlling unit；MCU)、中央处理单元(Central processing unit；CPU)或微处理器(Micro processingunit；MPU)来实现，以微控制器为例，控制单元113及唤醒单元114可为同一微控制器的一部分，或可为不同微控制器中一部分，并藉由固件(Firmware)或软件来控制。在其他实施态样中，控制单元113及唤醒单元114亦可以特殊应用集成电路(Application-specific IC；ASIC)来实现。实时时钟115可以石英振荡器(crystal oscillator)来实现，其消耗功率低且具高精准度。
感测单元111可在控制单元113休眠时自动获取环境信号S1，设计者可经由服务器13产生预设时间差或预设时间值，并经由网关12发送至无线感测模块11，以唤醒控制单元113，使控制单元113驱动射频单元112发射扩频后环境信号S2，待射频单元112发射扩频后环境信号S2后，控制单元113再由工作模式切换至休眠模式。
在本实施例中，无线感测模块11更包含储存单元116，感测单元111所获取的环境信号S1可先储存于储存单元116中，待控制单元113操作于工作模式后始驱动射频单元112将单元模块116中的环境信号S1转换为扩频后环境信号S2并进行发射；或者，将射频单元112转换产生的扩频后环境信号S2储存于储存单元116中，待控制单元113操作于工作模式后始驱动射频单元112将储存单元116中的扩频后环境信号S2进行发射。此外，若感测单元111于控制单元113操作于工作模式时为关闭，控制单元113可传送另一控制信号C2至感测单元111以启动并设定感测单元111，使感测单元111获取环境信号S1，而控制单元113可在感测单元111启动后即进入休眠。再者，控制单元113更可根据感测单元111产生的警告信号C4来唤醒控制单元113，详言的，感测单元111更判断其获取得的环境信号S1是否异常，当环境信号S1异常时，感测单元111产生警告信号C4，控制单元113在接收警告信号C4后即自休眠切换至工作模式，以驱动射频单元112发射异常的扩频后环境信号S2。
在实作上，射频单元112可由Long Range无线传输芯片及无指向天线来实现，且射频单元112可透过付费频段或免费频段(以台湾为例，免费的频段可为920MHz频段)来发射扩频后环境信号S2。因Long Range无线传输芯片的长距离传输特性，射频单元112产生的扩频后环境信号S2可传输距离达10km以上，且其感度(sensitivity)可达至少-130.5dBm。于此，网关12与无线感测模块10之间的距离可位于100m至10km的范围间，设计者可根据无线网络系统的建置区域来调整，举例来说，若无线网络系统建置于建筑物密集的都会区或复杂作业场域，网关12与无线感测模块10之间的距离位于100m至2km的范围间，若无线网络系统建置于建筑物密度一般的都会区，网关12与无线感测模块10之间的距离位于3km至5km的范围间，若无线网络系统建置于郊区时，网关12与无线感测模块10之间的距离位于5km至10km的范围间。
再者，以前述射频单元112包含Long Range无线传输芯片为例，网关12亦包含LongRange无线传输芯片，网关12可对扩频后环境信号S2进行解调以获得环境信号S1，并将环境讯S1号转发至服务器13。并且，服务器13可经由通讯连接的方式将其产生的预设时间差或预设时间值传送至网关12，网关12接收并对预设时间差或预设时间值进行扩频处理，并将扩频后为封包形式且为宽频的预设时间差或预设时间值发送至无线感测模块11。
于网关12转发环境信号S1时，网关12经由具避免碰撞机制的载波侦测多重存取(CSMA/CA)、分时多工存取(TDMA)及分频多工存取(FDMA)将环境信号S1转发至服务器13；基此，网关12可先侦测其通讯范围中是否有与其工作频段相同频段的无线信号，若其侦测结果为「是」，那么网关12可由乱数方式产生一时间延迟，待其通讯范围不具有相同频段的无线信号后再发射扩频后预设时间差或扩频后预设时间值，如此便完成具避免碰撞机制的载波侦测多重存取；再者，当无线感测模块11的数量至少为二时，网关12根据其实时时钟将时隙(Time slot)顺序发送至各无线感测模块11，各无线感测模块11则根据实时时钟115依指定的时隙顺序发射扩频后环境信号S2，而网关12的实时时钟与各无线感测模块11的实时时钟115所产生的实时时间需进行对时校正，以进行分时多工存取；并且，网关12包含多个可扩充的射频单元，每一网关12的每一个射频单元可工作于不同频段，以进行分频多工存取。
在本实施例中，服务器13根据下式调整网关12与无线感测模块11之间的通讯品质以产生预设时间值或预设时间差以唤醒无线感测模块11的控制单元113：
ENE＝α1P1×α2P2-1×α3P3-1×α4P4-1……公式1.1
其中，ENE代表网络层评估参数，α1、α2、α3、α4代表权重，各权重可依据无线网络系统建置场地的实务现况调整，P1代表网关12与无线感测模块11之间的一每单位时间的封包成功率、P2代表网关12与无线感测模块11之间的一每单位时间的总封包次数、P3代表网关12与无线感测模块11之间的一每单位时间的失败封包次数，及P4代表网关12与无线感测模块11之间的一每单位时间的成功封包最长耗时；而前述的每单位时间的封包成功率、每单位时间的总封包次数、每单位时间的失败封包次数及每单位时间的成功封包最长耗时相应于网关12的每单位时间的数据传送量、网关12的每单位时间的数据接收量、网关12的每单位时间的发射功率(以上三者简称为网关12的优化因子)、无线感测模块11的每单位时间的数据传送量、无线感测模块11的每单位时间的数据接收量、无线感测模块11的每单位时间的发射功率及无线感测模块11的每单位时间的休眠时间(以上四者简称为无线感测模块11的优化因子)。
基此，设计者可调整无线感测模块11的优化因子与网关12的优化因子及不同的权重α1、α2、α3、α4的值来产生多个相应的网络层评估参数ENE，并且，服务器13再藉由公式1.2及公式1.3进行多次迭代群寻求网络层评估参数ENE的全域较佳解，进而找到前述的网关12的3个优化因子以及前述的无线感测模块11的4个优化因子等7个优化因子的彼此值域的较佳组合。
Vi＝w×Vi-1+2×r1×(pbest-Xi-1)+2×r2×(gbest-Xi-1)……公式1.2
Xi＝Xi-1+Vi……公式1.3
在实作上，多组网络层评估参数ENE可视为一求解空间中的多个粒子，Vi表示第i个粒子的移动速度，Vi-1表示第i个粒子的前次迭代的移动速度，w表示惯性因子，r1与r2表示均匀分布的随机乱数，位于0至1的范围间，Xi-1表示第i个粒子的前次迭代的位移，pbest表示第i个粒子的最佳解，gbest表示所有粒子的最佳解，而Xi表示第i个粒子的前次迭代的位移。基此，经公式1.2及公式1.3多次迭代后，多组网络层评估参数ENE收敛于求解空间中的一点而可得较佳的网络层评估参数ENE。基此，服务器13于长时间运行后自动调整网关12的优化因子及无线感测模块11的优化因子以改善网关12与无线感测模块11之间的通讯品质，并据以产生预设时间值或预设时间差。
在本实施例中，服务器13更可计算无线感测模块11与网关12之间的相对距离，就无线网络系统建置于小范围区域例如100m2至2km2的范围间而言，服务器13以类神经网络演算法根据无线感测模块11与网关12之间的第一估算距离、网关12接收的扩频后环境信号S2的信号强度对应产生的第二估算距离及网关12接收的扩频后环境信号S2的信噪比对应产生的第三估算距离来改善网关12与无线感测模块11之间的距离误差，以计算出网关12与无线感测模块11之间较第一估算距离、第二估算距离及第三估算距离更为精准的第四估算距离。于此，服务器根据公式1.4来计算前述的第一估算距离：
d＝c×t……公式1.4
其中，d代表第一估算距离，c代表的扩频后环境信号S2自射频单元112至网关12之间的传递速度，t代表扩频后环境信号S2自射频单元112至网关12的时间差；在实作上，射频单元112根据实时时钟115产生的实时时间T1将可表示扩频后环境信号S2的发射时间的数位码填入扩频后环境信号S2的封包栏位，以纪录扩频后环境信号S2的发射时间，而网关12根据其实时时钟产生的实时时间将可表示扩频后环境信号S2的接收时间的数位码填入经解调所得的环境信号S1的封包栏位，以记录扩频后环境信号S2的接收时间，于服务器13自网关12接收环境信号S1后，服务器13即依环境信号S1的封包栏位计算出发射时间与接收时间的时间差t，并计算时间差t与扩频后环境信号S2的已知传递速度的乘积来计算无线感测模块11与网关12之间的第一估算距离d(即，d＝c×t)。
前述的网关12接收的扩频后环境信号S2的信号强度可为RSSI(Received SignalStrength Indicator)，于网关12转发解调后所得的环境信号S1之前，网关12将侦测得扩频后环境信号S2的RSSI值填入环境信号S1的封包栏位；于服务器13自网关12接收环境信号S1后，服务器13可根据RSSI值与第二估算距离之间已知的对应关系来产生无线感测模块11与网关12之间的第二估算距离。
并且，前述的网关12接收的扩频后环境信号S2的信噪比可为SNR(Signal tonoise ratio)，于网关12转发解调后所得的环境信号S1之前，网关12将侦测得扩频后环境信号S2的SNR值填入环境信号S1的封包栏位；于服务器13自网关12接收环境信号S1后，服务器13可根据SNR值与第三估算距离之间已知的对应关系来产生无线感测模块11与网关12之间的第三估算距离。
基此，服务器13以前述的第一估算距离、由RSSI值对应产生的第二估算距离、由SNR值对应产生的第三估算距离来作为训练数据而提供给类神经网络演算法中位于输入层的神经元，以改善无线感测模块11与网关12之间的推估距离精度。并且，以无线感测模块11与网关12之间的实际距离与量测误差作为类神经网络演算法中位于输出层的神经元以作为目标值。类神经网络演算法中隐藏层的神经元连结于输出层及输入层的神经元的连结权重根据前述目标值来调整，以进行反复校调，使连结权重收敛而产生第四距离。就无线网络系统建置于小范围区域的例子来说，前述的作为目标值的无线感测模块11与网关12之间的实际距离可经由人工量测而得。
图3为图1的服务器13使用的类神经网络演算法的示意图，请参照图3，其中隐藏层N2的数量不以一层为限，在其他实施态样中，隐藏层N2的数量亦可为两层以上，而输入层N1、隐藏层N2、输出层N3的神经元的数量可根据网关12的数量来调整。以服务器13根据至少三个网关12所接收的扩频后环境信号S2来计算同一无线感测模块11的位置为例，其中，于类神经网络演算法的三个神经元N11～N13分别接收三个网关12根据公式1.4所计算得的第一估算距离，神经元N14～N16接收三个网关12产生的三个RSSI值对应产生的三个第二估算距离，神经元N17～N19接收三个网关12产生的三个SNR对应产生的三个第三估算距离，输出层N3的神经元N31～N33的输出分别表示三个网关12与无线感测模块11之间的第四估算距离，神经元N34的输出表示前述距离的误差程度。于此，在无线网络系统运行数日后，服务器13汇整数日所得的多个无线感测模块11与多个网关12间的第一估算距离、第二估算距离及第三估算距离作为样本数据，服务器13取样本数据的一部分(例如，80％)反复训练各神经元N21～N23与其他神经元之间的连结权重，且服务器13取样本数据的另一部分(例如，20％)作为测试检验，当各神经元之间的连结权重收敛并通过测试检验后，服务器13根据输出层N3的神经元N31～N33分别输出的第四距离计算出无线感测模块11的位置，其精确度可达公尺等级甚至是公分等级。
再者，就无线网络系统建置于大范围区域例如具都市级规模的建置区域(如涵盖范围达100-500km2)而言，服务器13连结多个网关12与数千个无线感测模块11，由于其涵盖范围较大，以前述的第二估算距离及第三估算距离作为输入层的神经元而据以计算出的第四估算距离因应计算区域涵盖尺度相异而需调整算法，因此，当无线网络系统建置于大范围区域中，服务器13使用的类神经网络演算法以无线感测模块11与网关12之间由公式1.4计算得的估算距离(即，前述的第一估算距离)、网关12侦测得扩频后环境信号S2的RSSI值及SNR值作为输入层神经元，并以无线感测模块11与网关12之间的实际距离作为输出层神经元以作为目标值。基此，于无线网络系统运行数日后，服务器13汇整数日所得的多个无线感测模块11与多个网关12间的第一估算距离、多个RSSI值及多个SNR值作为样本数据，服务器13取样本数据的一部分(例如，80％)反复训练各神经元之间的连结权重，且服务器13取样本数据的另一部分(例如，20％)作为测试验证，使各神经元之间的连结权重收敛。服务器13再以连结权重已收敛的类神经网络演算法来计算至少三个网关12与同一无线感测模块11之间的另一估算距离，且服务器13可参照各网关12的空间分布情况来产生无线感测模块11的坐标位置。
当无线网络系统建置于大范围区域中，前述的作为目标值的无线感测模块11与网关12之间的实际距离根据全球定位系统(Global Positioning System；GPS)或HPS来产生，也就是说，无线网络系统更包含全球定位系统，网关12将无线感测模块11的GPS信息/HPS信息传送至服务器13，服务器13根据无线感测模块11的GPS信息/HPS信息与网关12的实际位置而计算出网关12与无线感测模块11之间的实际距离以作为目标值。
请重新参照图3，在无线网络系统建置于大范围区域中的例子中，同样以服务器13根据三个网关12所接收的扩频后环境信号S2来计算同一无线感测模块11的位置为例说明，神经元N11～N13分别接收三个网关12根据公式1.4计算产生的估算距离，神经元N14～N16接收三个网关12侦测得的三个RSSI值，神经元N17～N19接收三个网关12侦测得的三个SNR值，神经元N31～N33的输出分别表示三个网关12与无线感测模块11之间的另一估算距离。基此，根据神经元N31～N33分别输出的另一估算距离计算出无线感测模块11的位置，结合环境区域图资(如街廓图、路网图、建物图等)，其精确度亦可达5公尺等级。
图4为根据本发明的无线网络系统的网关12的通讯频段的一实施例的示意图，当无线网络系统建置于各场域中，为使不同网关12的通讯范围之间可涵盖不同的无线感测模块11，如图4所示，以四个网关12分别操作于四个相异频段F1、F2、F3、F4为例，任意相邻的网关12操作于相异的频段，且相邻的网关12之间的距离位于10km至20km的范围间，使各网关12与其涵盖的无线感测模块11之间可独立进行通讯。
综上所述，根据本发明的无线网络系统的一实施例，无线感测模块可进入休眠模式，且无线感测模块可经由扩频技术来发射信号，因此，无线感测模块可提供高抗干扰、高穿透性的通讯技术，且无线感测模块可以低功率方式运作于无电力供给的区域，其电池的电力可维持数个月甚至数年，并且，无线感测模块可收集大范围中的多种不同的环境信号，并经由网关传送至后台服务器以供分析利用，并可得出各无线感测模块位置。
虽然本发明已以实施例揭露如上然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的权利要求书所界定者为准。

Claims (11)

1.一种无线网络系统，包含：
一无线感测模块，包含：
一感测单元，用以获取一环境信号；
一射频单元，用以对该环境信号进行扩频处理以产生一扩频后环境信号，且该射频单元根据一控制信号发射该扩频后环境信号；及
一控制单元，用以操作于一休眠模式及一工作模式，于该休眠模式时，该控制单元根据一预设时间值或一预设时间差以切换至该工作模式，于该工作模式时，该控制单元产生该控制信号；
一网关，通讯连接于该无线感测模块，用以接收并解调该扩频后环境信号以获得该环境信号，且该网关转发该环境信号；及
一服务器，用以自该网关接收该环境信号。
2.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该网关经由长距离无线传输技术通讯连接于该无线感测模块。
3.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该感测单元更用以判断该环境信号是否异常，当该环境信号异常时，该感测单元输出一警告信号至该控制单元，该控制单元更用以根据该警告信号由该休眠模式切换至该工作模式。
4.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该感测单元选自气体侦测器、烟雾侦测器、温度侦测器、震动侦测器、亮度侦测器、音量侦测器与湿度侦测器，该环境信号选自特定气体浓度信息、烟雾信息、温度信息、震动信息、亮度信息、音量信息与湿度信息。
5.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该网关经由具避免碰撞机制的载波侦测多重存取、分时多工存取及分频多工存取将该环境信号转发至该服务器。
6.如权利要求5所述的无线网络系统，其中该网关包含多个射频单元，该网关的每一该射频单元工作于不同频段。
7.如权利要求1所述的无线网络系统，其中，于该控制单元操作于该工作模式时，若该感测单元为关闭，该控制单元传送另一控制信号至该感测单元以开启该感测单元以获取该环境信号。
8.如权利要求1所述的无线网络系统，其中，该射频单元更用以根据一实时时间纪录该扩频后环境信号的一发射时间，该网关更用以根据该实时时间纪录该扩频后环境信号的一接收时间，该服务器更用以根据下式计算该无线感测模块与该网关之间的一第一估算距离d：
d＝c×t；
其中，c代表该扩频后环境信号自该射频单元至该网关之间的传递速度，t代表该发射时间与该接收时间的时间差，且该服务器以类神经网络演算法根据该第一估算距离d、该网关接收的该扩频后环境信号的信号强度对应的第二估算距离、该网关接收的该扩频后环境信号的信噪比对应的第三估算距离及该网关与该无线感测模块之间的实际距离训练该网关与该无线感测模块之间的距离误差，以产生该网关与该无线感测模块之间的第四估算距离。
9.如权利要求1所述的无线网络系统，其中，该射频单元更用以根据一实时时间纪录该扩频后环境信号的一发射时间，该网关更用以根据该实时时间纪录该扩频后环境信号的一接收时间，该服务器更用以根据下式计算该无线感测模块与该网关之间的一估算距离d：
d＝c×t；
其中，c代表该扩频后环境信号自该射频单元至该网关之间的传递速度，t代表该发射时间与该接收时间的时间差，且该服务器以类神经网络演算法根据该估算距离d、该网关接收的该扩频后环境信号的信号强度、该网关接收的该扩频后环境信号的信噪比及该网关与该无线感测模块之间的实际距离训练该网关与该无线感测模块之间的距离误差，以产生该网关与该无线感测模块之间的另一估算距离。
10.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该服务器产生该预设时间值或该预设时间差，该网关接收并转发该预设时间值或该预设时间差至该无线感测模块。
11.如权利要求1所述的无线网络系统，其中该服务器根据下式自动调整该网关与该无线感测模块之间的通讯品质以产生该预设时间值或该预设时间差：
α1P1×α2P2-1×α3P3-1×α4P4-1；
其中，α1、α2、α3、α4代表权重，P1代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的封包成功率、P2代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的总封包次数、P3代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的失败封包次数，及P4代表该网关与该无线感测模块之间的一每单位时间的成功封包最长耗时；该每单位时间的封包成功率、该每单位时间的总封包次数、该每单位时间的失败封包次数及该每单位时间的成功封包最长耗时相应于该网关的每单位时间的数据传送量、该网关的每单位时间的数据接收量、该网关的每单位时间的发射功率、该无线感测模块的每单位时间的数据传送量、该无线感测模块的每单位时间的数据接收量、该无线感测模块的每单位时间的发射功率及该无线感测模块的每单位时间的休眠时间。
CN201510797257.9A 2015-11-18 2015-11-18 无线网络系统 Pending CN106714282A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510797257.9A CN106714282A (zh) 2015-11-18 2015-11-18 无线网络系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510797257.9A CN106714282A (zh) 2015-11-18 2015-11-18 无线网络系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN106714282A true CN106714282A (zh) 2017-05-24

Family

ID=58933578

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510797257.9A Pending CN106714282A (zh) 2015-11-18 2015-11-18 无线网络系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106714282A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000038415A1 (en) * 1998-12-22 2000-06-29 California Institute Of Technology Highly miniaturized, battery operated, digital wireless camera
CN1981313A (zh) * 2004-05-27 2007-06-13 L·卡特斯 无线传感器系统
CN201130952Y (zh) * 2007-07-18 2008-10-08 湖南省建筑工程集团总公司 一种基于ZigBee技术的数字化社区家居智能控制系统
CN101461151A (zh) * 2005-06-01 2009-06-17 米伦尼尔网络股份有限公司 在无线网络上的通信
CN102045133A (zh) * 2009-10-23 2011-05-04 中国科学院计算技术研究所 用于无线传感器网络节点的芯片及芯片上的数字基带系统

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000038415A1 (en) * 1998-12-22 2000-06-29 California Institute Of Technology Highly miniaturized, battery operated, digital wireless camera
CN1981313A (zh) * 2004-05-27 2007-06-13 L·卡特斯 无线传感器系统
CN101461151A (zh) * 2005-06-01 2009-06-17 米伦尼尔网络股份有限公司 在无线网络上的通信
CN201130952Y (zh) * 2007-07-18 2008-10-08 湖南省建筑工程集团总公司 一种基于ZigBee技术的数字化社区家居智能控制系统
CN102045133A (zh) * 2009-10-23 2011-05-04 中国科学院计算技术研究所 用于无线传感器网络节点的芯片及芯片上的数字基带系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106714102A (zh) 一种利用智能手机辅助室内定位的方法
CN104361765A (zh) 一种基于磁阻传感器和ZigBee的车位检测系统
Mikhaylov et al. Wireless sensor networks in industrial environment: Real-life evaluation results
KR101125968B1 (ko) 전력 사용량 원격 검침 시스템 및 방법
CN102196560B (zh) 一种Zigbee网络中的高精度节点定位方法
CN107507419A (zh) 一种基于wifi信号的交通流量检测器
CN102367743A (zh) 矿用无线混频多数据监控系统
CN103581974B (zh) 链路质量评估方法及其系统
EP2059835A2 (en) Wireless systems and methods for seismic data acquisition
Sommer et al. Low-power wide-area networks for industrial sensing applications
Daud et al. Performance evaluation of low cost lora modules in iot applications
Mayer et al. LoRa vs. LoRa: In-field evaluation and comparison for long-lifetime sensor nodes
CN101667333B (zh) 无线抄表方法和设备
Gu et al. One-hop out-of-band control planes for multi-hop wireless sensor networks
Carratù et al. Adopting smart metering RF networks for particulate matter distributed measurements
Duisebekova et al. Environmental monitoring system for analysis of climatic and ecological changes using LoRa technology
CN106714282A (zh) 无线网络系统
CN202582603U (zh) 水环境监测传感网汇聚节点
Lee Towards a general wireless sensor network platform for outdoor environment monitoring
CN101558326A (zh) 用于获取地震数据的无线系统和方法
Meng et al. Design of urban parking space monitoring system based on LPWAN
Vallathan et al. Detection of hazardous gas using wearable wireless sensor networks for industrial applications
CN202025078U (zh) 煤矿井下超宽带定位系统
CN201839445U (zh) 一种基于ZigBee组网无线市政表计远程数据采集系统
CN201035138Y (zh) 蓝牙井下无线定位基站

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20170524