CN1713233A

CN1713233A - 用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法及装置

Info

Publication number: CN1713233A
Application number: CN 200510041064
Authority: CN
Inventors: 王宏; 张群
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2005-07-15
Filing date: 2005-07-15
Publication date: 2005-12-28
Anticipated expiration: 2025-07-15
Also published as: CN100353389C

Abstract

本发明公开了一种用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法及其装置，通过设置中继构成星形拓扑的动态树形结构，每一结点采用微功率发射和接收信号，利用时间延迟和识别标识屏蔽其它通道，由此在某一时刻构成根结点与特定叶结点间的唯一动态传输通道，实现监测或控制信号的传递。本发明的装置通过设定多个DIP开关使得中心点、中继点和叶结点可采用同一硬件实现，并通过接口扩展实现与监测、控制仪表的连接。本发明可以实现在微功率发射下的较大范围内的无线传输通信，按设置8级中继计算，通信距离大于2千米，在某一时刻仅有一个通道开放，系统结构简单、灵活。

Description

用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微功率无线通信的方法及装置，具体涉及一种用于对局部区域的监测信号及控制信号通过在开放频段的微功率无线通信进行信号传输的方法及其实现装置。

背景技术

在生产过程控制，以及一些需要远程监测的场合，需要将传感器或仪表获得的信号传递给计算机，或者将计算机给出的控制信号传递给控制装置，这类信号传输一般在车间、厂区、大楼、住宅小区等局部区域进行，其传输距离通常在数百米至数千米之间。采样点或被控点的数量通常为数十个至近百个之间，经过传输系统与上位计算机连接运行。

现有技术中，这类监测、控制信号传输通过采用有线方式进行，需要事先进行布线。这一方面增加了应用成本，同时，在某些生产控制场合，传感或被控对象是运动的，例如监控对象位于行车中，这大大增加了布线的难度，也导致使用的可靠性下降。为此，人们开始考虑采用无线通信的方法来进行监测、控制信号的传输，但目前在监控领域被报道的技术方案基本采用GSM系统实现，例如，《广东通信技术》2003年第4期公开了一种“SMS方式远程监控软件的设计与实现”，即是通过GSM网络，以短消息的方式传输数据，对远端设备进行监控的。采用这种GSM网络系统，可以实现传感、控制信号的传输通信，但一方面，需要给每个节点配置工业控制计算机或者是较复杂的连接装置；另一方面，由于GSM网络是商业化运行的，应用者需要向GSM服务商交纳相应的费用，造成监控成本的增加。

在无线通信领域，设置有开放频段，可用于特定区域内的通信传输，但为了符合无线电管理的规定，使用时只能进行微功率传输，可靠传送距离通常在300-400米。由于在局域监测、控制中，每个信号传递的数据量不大，可以考虑通过提供信号中继来增加传送距离，然而，无线传输与有线传输不同，没有明确的传输方向，如果通过信号中继来增加传送距离，会存在多个数据通道同时传递的问题，造成接收机处理上的困难。因此，需要提供一种微功率通信方法来解决上述问题。再者，如何采用比较简单的装置来实现传输，特别是与传感、仪表、控制装置间的接口实现，也是需要解决的问题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，通过对传递信号的设置及传递方式的控制，以中继方式实现在数千米范围内的监测、控制信号传递；

本发明的第二个目的是提供一种用于局域监测、控制的微功率无线通信的装置；

本发明的再一个目的是提供这种装置在采用这种无线通信方法的通信网中的应用方法。

为达到本发明的第一发明目的，本发明采用的技术方案是：一种用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，以中心点为根结点，监测、控制端为叶结点，中继为子结点，构成星形拓扑的动态树形结构，每一结点采用微功率发射和接收信号；根结点在发送信号时，在数据中加入接收该信号的叶结点的身份识别标识和信号次序识别标识，叶结点在发送信号时，在数据中加入本结点的身份识别标识和信号次序识别标识；当一个结点接收到信号时，延时1～5毫秒，再进行下一次接收或发送，对每一接收到的信号，根据其信号次序识别标识与前一个有效信号进行比较，若信号次序识别标识相同，则丢弃，若信号次序识别标识不同，则作为有效信号处理，当根结点到叶结点的距离大于无线微功率发射接收的有效距离时，信号通过中继子结点的传递到达叶结点，由此构成根结点与特定叶结点间的唯一动态传输通道，实现监测或控制信号的传递。

上述技术方案中，所述有效信号的处理包括，若该结点为根结点，识读数据串并传递给上位计算机处理；若该结点为叶结点，判断身份识别标识，是本结点，则进行处理，提供监测数据或者传送控制信号，不是本结点，则丢弃；若该结点为中继子结点，则传送该数据。

优选的数据信号的传递方式为，中心点为主控方，采用发送—接收应答方法；中继子结点不应答，采用接收—发送方式；叶结点为受控方，采用接收—发送应答方式。

进一步的技术方案，根据与根结点的距离将中继子结点分级，并给每个中继子结点一个身份识别标识，当中继子结点传送信号时，在数据中加入其中继级别号和身份识别标识，每一中继子结点仅传递其上一级结点或下一级结点的信号。

为实现本发明的第二发明目的，本发明给出了一种用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，包括单片机、无线接收发送控制部件和天线，单片机的输入输出接口上连接有通用异步通信接口扩展电路、至少一组8位控制开关、显示电路，所述通用异步通信接口扩展电路的另一端分别连接所述无线接收发送控制部件、一个RS-232接口和一个RS-485接口。

进一步的技术方案，设有两组8位控制开关。

上述装置的应用方法是，通过设定可以分别作为中心点、中继子结点或者监测、控制端叶结点使用，采用8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，其余5位用于设定身份识别编码，在发送信号时，根据身份识别编码生成身份识别标识。

当设有两组8位控制开关时，采用其中一组8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，3位定义中继级别，采用另一组8位控制开关用于设定身份识别编码，在发送信号时，根据身份识别编码生成身份识别标识。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1.由于本发明采用动态树形结构进行通信，可以实现在微功率发射下的较大范围内的传输通信，按设置8级中继计算，通信距离大于2千米。

2.由于无线通信的特殊性，可能存在多个数据传送通道，例如，直接传送，从其它中继传送，等等，本发明通过设置1～5毫秒的延时，可以屏蔽大部分通过其它通道传递的重复信息，再对数据包的信号次序设别标识进行判定，可以保证系统构成一对多的星形结构，在某一时刻仅有一个通道开放。由于通道开放的不确定性，本发明的树状关系是动态的。

3.设置中继级别，可以进一步限定通道，即中继往上只接收中心点或上级中继的信号，往下只接收叶结点或下级中继的信号，提高数据处理的效率。

4.本发明的装置中设置了多位控制开关(DIP开关)，通过开关控制设定装置是作为中心根结点使用，作为中继机使用，还是作为叶结点使用，使得各种类型的结点可以使用同样的逻辑电路设计和装置，不需要单独制造，降低了系统成本，提高了系统变更的灵活性。

5.本发明装置的接口可以选择通用的RS-232口或RS-485口，因而可以方便地与各种仪表接口连接，或者与计算机连接，接口的选择通过电子开关切换实现；同时，由于上述方法的应用，本发明的装置建网时不需要网络操作系统支持，每个装置会自动根据身份和级别设置进行转发或应答操作。

附图说明

附图1为本发明实施例一的电路框图；

附图2为本发明实施例一中控制命令示意图；

附图3为本发明实施例一的中心点数据传递工作流程图；

附图4为本发明实施例一的中继数据传递工作流程图；

附图5为本发明实施例一的叶结点数据传递工作流程图；

附图6为本发明实施例一中星形网络中动态的信号传输通道例图；

附图7为本发明实施例一中发射、接收和控制部分的逻辑原理图；

附图8为本发明实施例一中显示部分的逻辑原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1至附图8所示，一种用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，包括单片机(Atmega8系列CPU)、无线接收发送控制部件(以nRF401为无线收发器的PTRs2000系列微功率数传模块)和天线，单片机的输入输出接口上连接有通用异步通信接口扩展电路、两组8位控制开关(DIP开关)、显示电路(8段数码管和发光二极管)，所述通用异步通信接口扩展电路的XP3插座连接所述无线接收发送控制部件、XP4插座连接一个RS-232接口或一个RS-485接口，所述显示电路用于显示本机ID及其它状态数据。从Atmega8系列CPU的PB0-PB5和PD6-PD7输入8位DIP开关状态，通过PC0或PC1选定其中二组开关之一；PC2-PC5分别连接一个或多个发光二极管，控制其亮或不亮，以表示装置当前的状态；8段数码管显示的数据由DB0-DB7信号控制；PD2、PD3为电子切换开关。

本装置使用时，通过设定分别作为中心点、中继子结点或者监测、控制端叶结点使用，采用其中一组8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，3位定义中继级别，采用另一组8位控制开关用于设定身份识别编码，在发送信号时，根据身份识别编码生成身份识别标识。当装置定义为中心点，XP4连接上位微计算机的通信接口；当装置定义为叶结点，XP4连接监测和控制装置的通信接口。

本实施例的装置在使用时由一个中心点，多级中继子结点和多个监测、控制端叶结点构成星形拓扑的动态树形结构，每个监测、控制端叶结点采用一台本装置，设置与采集控制点对应的ID号(即由一组8位控制DIP开关设定的身份识别编码)，并根据监测、控制对象的联机接口选择RS-232接口或RS-485接口，由单片机控制电子开关(PD)实现切换，所选择的接口与对应的监控装置(如二次仪表、传感装置，等)连接；中心点也采用一台本装置构成，并选择RS-232接口与上位计算机连接；中继点根据需要设置不同级别(不超过8级)，并对每一中继点设置不同的中继ID号。

其数据传递方式为：

中心点为主控方，采用发送一接收应答方式，其工作流程如附图3所示；

中继子结点不应答，采用接收一发送方式，其工作流程如附图4所示；

监测、控制端叶结点为受控方，采用接收一发送应答方式，其工作流程如附图5所示。

传递的数据结构参见附图2所示。中心点可能发出2种命令，其一为控制命令，用于发出一个操作、控制指令，该命令格式包括特征字、与时间相关的信号次序识别标识、接收本命令的叶结点ID号、命令数据；其二为查询命令，用于发出一个查询指令，该命令格式包括特征字、与时间相关的信号次序识别标识、接收本命令的叶结点ID号。

中心点发出的命令，可能直接被所指定的叶结点接收，也可能被中继子结点接收后再传递到叶结点，当一个结点接收到信号时，延时1～5毫秒，再进行下一次接收或发送，对每一接收到的信号，根据其信号次序识别标识与前一个有效信号进行比较，若信号次序识别标识相同，则丢弃，若信号次序识别标识不同，则作为有效信号处理。无线通信信号传输的有效距离与即时的环境、气候等因素密切相关，每次信号传输的通道在星形网络中是动态的。如附图6所示，在信号

传输期间，网络中存在三个通道，中心点到叶结点3的通道优先，其余二个通道被延迟或信号次序识别所屏蔽；而信号

传输期间，则可能存在二个通道，中心点发出的信号不能直接被叶结点3收到。反之，如果所述信号传递的方向从叶结点到中心点的话，情况类似。

中继点在接收到有效信号后，延时1～5毫秒，发出传递命令信号，所述传递命令信号在原数据包前加上中继前导数据，包括中继级别与中继ID号，以实现数据传递途径的跟踪。

叶结点在接收到有效信号后，去除中继前导数据，如果是控制命令，则将命令传递给被控装置，随后发出数据包，数据包包括，叶结点的ID号、与时间相关的信号次序识别标识、以及控制命收到特征字；如果是查询命令，则通过RS-485或RS-232口发出查询信号，获取所需数据后，发出数据包，数据包包括，叶结点的ID号、与时间相关的信号次序识别标识、以及传递的监测数据序列。

叶结点的数据会直接或通过中继点传递给中心点，从而实现中心点和叶结点间的交互。

由此，本实施例的无线接收发送控制部件只需使用普通的RF部件，它和RS-232接口、RS-485接口通过一个通用异步通信接口(UART)连接到单片机CPU上，即可实现在局域范围内的监测、控制通信。

实施例二：一种用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，其结构特征与实施例一相同，而传递的数据结构不同，适用于叶结点连接具有一种以上数据的监测功能的监测装置。其数据结构的区别点是，中心点发出的查询指令格式包括特征字、与时间相关的信号次序识别标识、接收本命令的叶结点ID号、需要获取数据的编号。由此，与叶结点相连的监测装置(如二次仪表)能发回对应所需数据)。

实施例三：一种用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，与实施例一相比，单片机仅连接一组8位DIP开关(DIP1^#)，采用8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，其余5位用于设定身份识别编码；不安装U4：LS245和DIP2^#。适用于监测、控制的局域在微功率无线通信的有效范围在600米～700米之内，监测点在32个以内的场合使用，无线通信的数据直接在中心点与叶结点之间传递，或者通过1级中继子结点传递。

Claims

1.一种用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，其特征在于：以中心点为根结点，监测、控制端为叶结点，中继为子结点，构成星形拓扑的动态树形结构，每一结点采用微功率发射和接收信号；根结点在发送信号时，在数据中加入接收该信号的叶结点的身份识别标识和信号次序识别标识，叶结点在发送信号时，在数据中加入本结点的身份识别标识和信号次序识别标识；当一个结点接收到信号时，延时1～5毫秒，再进行下一次接收或发送，对每一接收到的信号，根据其信号次序识别标识与前一个有效信号进行比较，若信号次序识别标识相同，则丢弃，若信号次序识别标识不同，则作为有效信号处理，当根结点到叶结点的距离大于无线微功率发射接收的有效距离时，信号通过中继子结点的传递到达叶结点，由此构成根结点、子结点与特定叶结点间的唯一动态传输通道，实现监测或控制信号的传递。

2.根据权利要求1所述的用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，其特征在于：所述有效信号的处理包括，若该结点为根结点，识读数据串并传递给上位计算机处理；若该结点为叶结点，判断身份识别标识，是本结点，则进行处理，提供监测数据或者传送控制信号，不是本结点，则丢弃；若该结点为中继子结点，则传送该数据。

3.根据权利要求2所述的用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，其特征在于：所述数据信号的传递方式为，中心点为主控方，采用发送—接收应答方法；中继子结点不应答，采用接收—发送方式；叶结点为受控方，采用接收—发送应答方式。

4.根据权利要求1所述的用于局域监测、控制的微功率无线通信的方法，其特征在于：根据与根结点的距离将中继子结点分级，并给每个中继子结点一个身份识别标识，当中继子结点传送信号时，在数据中加入其中继级别号和身份识别标识，每一中继子结点仅传递其上一级结点或下一级结点的信号。

5.一种用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，包括单片机、无线接收发送控制部件和天线，其特征在于：单片机的输入输出接口上连接有通用异步通信接口扩展电路、至少一组8位控制开关、显示电路，所述通用异步通信接口扩展电路的另一端分别连接所述无线接收发送控制部件、一个RS-232接口和一个RS-485接口。

6.根据权利要求5所述的用于局域监测、控制的微功率无线通信装置，其特征在于：设有两组8位控制开关。

7.权利要求5所述装置的应用，其特征在于：通过设定分别作为中心点、中继子结点或者监测、控制端叶结点使用，采用8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，其余5位用于设定身份识别编码，在发送信号时，根据身份识别编码生成身份识别标识。

8.权利要求6所述装置的应用，其特征在于：通过设定分别作为中心点、中继子结点或者监测、控制端叶结点使用，采用其中一组8位控制开关中的2位进行装置身份控制设定，1位定义选用RS-232或RS-485接口，3位定义中继级别，采用另一组8位控制开关用于设定身份识别编码，在发送信号时，根据身份识别编码生成身份识别标识。