CN112422188A - 一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备 - Google Patents

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窦东瑜
方润泽
李孜涵
欧阳祖薇
田硕
靳淑雅
梁玉林
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Abstract

本发明公开了一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其包括主控模块、无线光通信模块、传感器模块与电源模块。其中，无线光通信模块有发光二极管和光电二极管，分别负责无线光信号的发射与接收，光信号采用强度调制直接检测的方式，由主控模块进行编码与译码。该设备可以通过无线光信号，在同类型节点之间自动建立信道，在不依赖基础设施的情况下形成自组织网络，可以使得网络一端的节点通过网络中其余节点进行多跳通讯，传达到网络另一端的，在自身通信范围外的节点。同时，该节点设备在有其他节点加入或离开网络时能够自动更换通信线路，改变网络拓扑结构，实现灵活可调的通信方式。

Description

一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备
技术领域
本发明属于无线光通信网络领域，具体涉及一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备。
背景技术
随着多媒体设备和服务的激增，通信网络对带宽和频谱资源的需求显著增长。虽然无线电射频波段正在提供新的频谱，用于满足这一需求，但射频通信不可避免地会面临各种问题，比如同频道干扰。射频频段中频谱过度拥挤的问题日益严峻，无线光通信的出现有望帮助缓解频谱短缺的问题，成为广为人知的射频通信的补充。此外，由于潜在危险电磁干扰的存在，因此射频的通信并不总是被允许。当设备产生射频信号时，通过电磁感应、静电耦合或传导从而可能影响到其他电路。
与传统的基于射频的无线通信，光通信作为有效的替代方案，已引起广泛关注。光通信分为两大类，基于光纤的无线通信。基于光纤的系统经常在骨干网络布线中使用，因为它们可以高速率的传输大量数据同时具有很好鲁棒性和可靠性。无线光通信（OpticalWireless Communications，OWC）作为一种新兴的无线技术，能够短距离进行快速数据传输，其受欢迎程度正在迅速提高。基于光无线的系统依靠光辐射在自由空间中传递信息，波长包含在红外线、可见光和紫外线波段中。过去几十年中，无线光通信被部署在中远通信距离环境中，而可见光通信则应用于室内无线通信。此外，紫外线通信最近在针对无线传感器网络的室外非视线方案中被广泛采用。同时，无线光通信已经被用于卫星通信和深空通信。由于最近使用LED的应用迅速增加，为开发基于利用可见光作为通信媒介的新通信系统铺平了道路。LED可以同时充当照明设备以及光通信发射机，从而以非常快的速度对发射的光束强度进行数字调制，从而传输数据。
无线光通信是一种无线通信技术。虽然近年来在了解可见光点对点链路的物理层技术方面取得了重大进展，但开发专用于无线光通信高效网络技术的核心问题基本上未得到解决。在无线光通信自组网络（Light Ad Hoc Networks，LANET）的出现致力于解决以上问题。无线光通信特设网络是指节点使用单、多跳可见光链路进行无线连接、以跨层设计和软件定义的方式配置其协议堆栈，以及通过在不同的前端收发器设备之间切换来适应各种网络环境的移动临时网络。无线光通信特设网络是一种典型的自组织网络，即在没有外部指令条件下，通信节点之间能自行按照某种规则形成网络。
物联网应用的自组网主要在射频波段，有工作在授权频段、与现有蜂窝基站复用的NB-IoT（Narrow Band－Internet of Things），也有工作在非授权频段、独立组网的LoRa（Long Range）网络。自组网使用蜂窝基站复用的NB-IoT需要向运营商缴费，而使用免费频段LoRa则受到工信部的限制。同时，射频波段自组网还有隐藏、暴露终端的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，使节点之间能自行组成网络。任意节点通过传感器获取的信息能够使用光载波经由自组织网络提供的路径传递到其他节点，再通过节点的外部接口从网络中传递到上位机中，进行进一步的分析与处理。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其包括：主控模块、无线光通信模块、传感器模块与电源模块。
所述主控模块负责统筹规划各个模块的功能，同时通过无线光通信模块使用自组织协议与周围节点进行通信。所述主控模块包括嵌入式处理器芯片、驱动模块及其外围接口模块；驱动模块为嵌入式处理器芯片提供帮助，包括含有晶振的外部时钟源和复位电路；外围接口模块通过总线与传感器和上位机连接，包括通用异步收发传输器、集成电路总线和串行外设接口。主控模块采用中断驱动有限状态机的方法对节点进行控制。
所述无线光通信模块包括第一无线光通信发射机、第二无线光通信发射机和无线光通信接收机；第一无线光通信发射机负责提供大范围低速率的无线光通信信号，包括一个大视场角发光二极管及驱动信号放大模块；第二无线光通信发射机负责提供小范围高速率的无线光通信信号，包括一个小视场角发光二极管及驱动信号放大模块；无线光通信接收机负责接收无线光通信信号，包括一个高灵敏度光电二极管、限幅放大模块、有源滤波模块和抽样整形模块。所述无线光通信模块，其中的两个无线光通信发射机位于无线光通信接收机前方，且安装在铝基板之上。
所述传感器模块，包括多种不同类型的传感器，通过总线协议将获取到的环境中的信息发送到主控模块。所述传感器模块采用插槽的方式与主控模块相连接，通过插入不同的类型的传感器实现对传感器模块的调整。
所述电源模块负责为整个设备供电。所述电源模块包括电压转换与稳压电路，用于产生5V 和3.3V电压。
本发明光载波自组网节点设备主要应用于在没有固定传送网（蜂窝网络）的情况下，使用无线光通信建立自组网不需要额外申请频段，光波段可以免费使用。目前，这一需求主要应用于物联网方面，一般是建立传感器网络。特别地，在水下无线传感器网络中，光通信比射频传输距离长，比声波传输速度快，有着显著优势。光载自组网因其有独立收发单元，便于双工通信，干扰小，能减轻隐藏、暴露终端的问题。
本发明用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，采用无线光通信技术，成本较低，简单可靠，同时使用嵌入式系统，自动化程度高。与现有技术相比，本发明具有自组织网络和无线光通信传输信息的能力。该设备可以通过无线光信号，在同类型节点之间自动建立信道，在不依赖基础设施的情况下形成自组织网络，可以使得网络一端的节点通过网络中其余节点进行多跳通讯，传达到网络另一端的，在自身通信范围外的节点。同时，该节点设备在有其他节点加入或离开网络时能够自动更换通信线路，改变网络拓扑结构，实现灵活可调的通信方式。
附图说明
图1为实施例的光载波自组网节点设备整体结构框图。
图2为实施例的自组织网络的连接图和应用布置示意图。
图3为实施例的单一节点的工作状态的状态转移图。
图4为实施例的光载波自组网在网络仿真器NS-3中的仿真结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
实施例：
参照图1，一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，该设备包括主控模块、无线光通信模块、传感器模块与电源模块。所述主控模块负责统筹规划各个模块的功能，同时通过无线光通信模块，使用自组织协议与周围节点进行通信。无线光通信模块按照主控模块提供的调制信号，对发光二极管进行操作，发出光信号进行通讯；再实用光电二极管接收光信号，把信号传给主控模块。传感器模块，将多种不同类型的传感器获取到的环境中的信息发送到主控模块。电源模块负责为整个设备供电。
所述主控模块包括嵌入式处理器芯片、驱动模块及其外围接口模块。驱动模块为嵌入式处理器芯片提供帮助，包括含有晶振的外部时钟源和复位电路。晶振为处理器芯片提供稳定的外部时钟源，复位电路在设备出现故障时提供手动复位的。外围接口模块通过总线与传感器和上位机连接，包括通用异步收发传输器、集成电路总线和串行外设接口。主控模块采用中断驱动有限状态机的方法对节点进行控制。
所述无线光通信模块包括第一无线光通信发射机、第二无线光通信发射机和无线光通信接收机。第一无线光通信发射机负责提供大范围低速率的无线光通信信号，包括一个大视场角发光二极管及驱动信号放大模块。第二无线光通信发射机负责提供小范围高速率的无线光通信信号，包括一个小视场角发光二极管及驱动信号放大模块。无线光通信接收机负责接收无线光通信信号，包括一个高灵敏度光电二极管、限幅放大模块、有源滤波模块和抽样整形模块。所述无线光通信模块，其中的两个无线光通信发射机位于无线光通信接收机前方，且安装在铝基板之上。无线光通信的调制方式采用方波的占空比调制，且用于发射、接收的发光二极管、光电二极管外侧有对所使用的光载波透明的外壳，对其他频率的光波有吸收和反射作用，该外壳相当于光波频段的滤波器。
所述传感器模块，包括多种不同类型的传感器，通过总线协议将获取到的环境中的信息发送到主控模块。所述传感器模块采用插槽的方式与主控模块相连接，通过插入不同的类型的传感器实现对传感器模块的调整。
所述电源模块负责为整个设备供电。所述电源模块包括电压转换与稳压电路，用于产生5V 和3.3V电压。
图2为实施例自组织网络的连接图和应用布置示意图，参照图2，实施可以在一范围不定区域内，建立一个自组织的多跳通信网络。同时，实施可以通过接口电路与上位机相互连接，如图中所示个人电脑，进一步的可以连接到互联网，以方便终端用户使用。
图3为实施例的单一节点的工作状态的状态转移图，参照图3，对于资源有限的嵌入式平台，采用状态机编程的设计方法。设备的状态有从其余节点的数据接收和转发、本节点传感器数据的获取与发送以及空闲状态。借助嵌入式设备内部不同优先级的中断和无线光通信独立的发射与接受单元，设备通过不同状态之间的转换实现了类似CSMA协议的效果，各个节点总是优先接收数据，在接收完毕后信道空闲时再发送数据。
图4为实施例的光载自组网在网络仿真器NS-3中的仿真结果图，参照图4，实施例的每个节点通信范围很小，但是可以通过多跳的转发扩大网络的范围。这种网络针对没有通信基础设施，信道条件不好的地方，自组织通信网络可以快速建立起来。光载自组织网络，在水下有着相比电磁波更大的优势。在范围不定密闭空间内，比如洞穴，自组织网络可以使探测器互相转接进行通讯。
自组织网络可以使节点互相连接，在不依赖基础设施的情况下自建网络，可以使得网络一端的节点通过网络中其余节点进行多跳通讯，传达到网络另一端的，在自身通信范围外的节点。这是传统网络所不能实现的功能。无线光通信相比与传统通信方式，结构简单，特别是采用直接检测、调制方式的无线光通信，具有结构简单、成本较低的优势。结构简单往往意味着可靠性相对较高。无线光通信在水下有着更为突出的表现，比电磁波的方式传输距离长、比水声通讯传输速率快，在水下无线传感器网络中有着广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其特征在于，包括：主控模块、无线光通信模块、传感器模块与电源模块；
所述主控模块负责统筹规划各个模块的功能，同时通过无线光通信模块使用自组织协议与周围节点进行通信；
所述传感器模块，包括多种不同类型的传感器，通过总线协议将获取到的环境中的信息发送到主控模块；
所述电源模块负责为整个设备供电；
所述主控模块包括嵌入式处理器芯片、驱动模块及其外围接口模块；
所述无线光通信模块包括第一无线光通信发射机、第二无线光通信发射机和无线光通信接收机；第一无线光通信发射机包括一个大视场角发光二极管及驱动信号放大模块；第二无线光通信发射机包括一个小视场角发光二极管及驱动信号放大模块。
2.根据权利要求1所述的用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其特征在于：所述主控模块具有复位按键，用于复位功能。
3.根据权利要求1所述的用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其特征在于：所述无线光通信模块的两个无线光通信发射机位于无线光通信接收机前方，且安装在铝基板之上。
4.根据权利要求1所述的用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其特征在于：所述传感器模块采用插槽的方式与主控模块相连接，通过插入不同的类型的传感器实现对传感器模块的调整。
5.根据权利要求1所述的用于分布式传感网络的光载波自组网节点设备，其特征在于：所述电源模块包括电压转换与稳压电路，用于产生5V 和3.3V电压。
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