專利名稱：一種數字傳感網絡及通訊方法
技術領域：
本發(fā)明是關于利用網絡實現(xiàn)傳感數據傳輸的技術，特別是一種數字化得傳感網絡及通訊方法。
背景技術：
大型傳感網絡在軍事、環(huán)境、醫(yī)療以及商務等領域有廣泛的應用。在某些應用領域，如地震勘探、結構健康監(jiān)測以及軍事監(jiān)測方面，由于環(huán)境復雜、節(jié)點間距大、數據率大等原因，所以傳統(tǒng)的傳感應器組網方式很難滿足要求。例如根據應用需求，數字傳感網絡的傳輸大線采用雙絞線傳輸，節(jié)點間距離達220m。如此大的間距會造成雙絞線終端傳輸信號極大衰減，數據率迅速下降，再加上需要低功耗，沒有現(xiàn)成的解決方案可以達到傳輸速率 24Mb/s;從普通的通信網絡來看，其負荷是隨機的，數據流需要復雜的路由，有不同的業(yè)務等級，高層協(xié)議上還要提供大量的應用服務，因而數據傳輸效率不高，實時性不強，無法滿足傳感網絡要求。中國專利申請20061000M74. 0《傳感器網絡系統(tǒng)、數據的傳輸方法》公開了“一種用于抑制在收容龐大數目的可移動的傳感器節(jié)點的傳感器網絡中的、服務器處理以及網絡負荷。利用管理服務器DRS為每個傳感器節(jié)點設置從執(zhí)行傳感器節(jié)點的數據管理的多個分布式數據處理服務器DDS中的、成為存儲有可移動傳感器節(jié)點的數據的主服務器的分布式服務器DDS，在各分布式服務器DDS中，在接收了來自傳感器節(jié)點的數據的情況下，識別是應由自己管理數據的傳感器節(jié)點，還是由其他分布式服務器管理的傳感器節(jié)點，若該識別結果是由其他分布式服務器管理的傳感器數據，則基于管理服務器DRS的設置，向與主服務器相對應的分布式服務器DDS-I傳送數據”的方案。該方案主要針對移動傳感問題中網絡負荷，而沒有解決上述的問題。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的提出一種數字化得傳感網絡及通訊方法，通過傳感節(jié)點之間的結構和連接方式改進來提高數據傳輸速度，及通道的協(xié)議棧結構簡化來達到數據傳輸速度的提高，增強實時性和滿足低功耗長距離傳感網絡通訊要求。本發(fā)明通過如下方案實現(xiàn)一種數字傳感網絡，由傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機組成分布式結構網絡，并且相鄰傳感節(jié)點和交叉節(jié)點之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點和交叉節(jié)點內設有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的上行控制裝置之間通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)采集數據的傳輸；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的下行控制裝置通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)來自主機的指令傳遞。上所述的上行控制裝置之間采用HDTP協(xié)議進行數據傳輸；所述的下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進行指令傳輸；上所述的上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結構，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數據鏈路層和應用層；所述網絡線為雙絞線。一種數字傳感網絡的通訊方法，為一種應用于上述的數字傳感網絡，實現(xiàn)傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機的數據和指令傳輸的方法，其特征在于，包括如下步驟傳感節(jié)點或交叉節(jié)點進行信號采集和數字化，并通過上行控制裝置及獨立的上行網絡通道向主機進行數據上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點或交叉節(jié)點通過下行控制裝置及獨立的下行網絡通道接收或傳遞來自主機的指令步驟。其中，所述的通過上行網絡通道進行數據上傳過程步驟包括，上行網絡通道MAC 層從LLC層接收單元數據，然后執(zhí)行介質訪問規(guī)程，查看上行網絡是否可以發(fā)送；當上行網絡可以發(fā)送，它將給數據封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點的MAC層接到其它傳感節(jié)點傳來的數據后，通過MAC幀內目的地址進行判斷，如果是發(fā)送給其它節(jié)點的過路數據，則立刻通過物理層轉發(fā)該幀；如果是給自己的數據，則將以包內的CRC的數值來檢驗包數據是否正確及數據送至LLC層；LLC層向應用層提供數據鏈路服務；所述的通過下行網絡通道進行指令下傳過程步驟包括，下行網絡通道通過RS485 接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點向下位節(jié)點傳輸的方式傳遞來自主機的指令；下位節(jié)點收到命令幀后直接向下級轉發(fā)，同時判斷其命令地址是否和本節(jié)點地址相同，若相同則根據命令內容做出響應。綜上所述的本發(fā)明方法具有如下顯著特點1.傳感節(jié)點之間采用獨立的上行或下行控制裝置，并采用單獨的通道；充分考慮了數據上傳兩大，指令下行距離要求高的特點；2.數據或指令上傳的通訊協(xié)議棧進行了簡化；3.提供了一種新的傳感器連接和通訊方法。


圖1是傳感網絡結構圖；圖2是傳感節(jié)點的連接結構示意圖；
圖3是通訊協(xié)議棧結構圖。
具體實施例方式實施例一如圖1和2所示，本發(fā)明的數字傳感網絡和常見的傳感網絡一樣，都具有傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機組成，并采用級聯(lián)型鏈式網絡結構，即若干交叉節(jié)點串聯(lián)并與主機進行通訊，而大部分節(jié)點通過就近串聯(lián)而成一條傳輸鏈后匯聚于交叉節(jié)點再與主機通訊。由于各節(jié)點與主機之間需要交換數據，根據大型有線數字傳感網絡的應用需求， 對數據通訊應該具有以下性能需求1)數據實時傳輸傳感網絡一般在野外工作，環(huán)境條件惡劣，除在交叉節(jié)點及主機之間的傳輸干纜采用光纖，一般節(jié)點與節(jié)點之間傳輸大線多用傳統(tǒng)的電纜傳輸。網絡規(guī)模大，傳感節(jié)點數日眾多，數據實時傳輸的壓力主要在傳輸大線。當數據采集速率大時，共享總線的傳輸方式就不能適應，故必須采用逐級上傳的級聯(lián)方式。2)低功耗傳感節(jié)點采用較復雜的嵌入式系統(tǒng)，以高性能CPU芯片作為主控制器和數據處理器，還包含一路或幾路高精度數據采集電路；需要接收傳感器來的信號和傳輸大線送達的命令，完成從信號調理、數字化、數據轉換與數據成幀、本地存儲、數據傳輸等一系列工作。傳感節(jié)點采用電池供電，對功耗極敏感，且對系統(tǒng)總功耗有很大影響。一般要求單個傳感節(jié)點的功耗小于2W。3)要求采集信息可靠、傳輸透明，采集數據在傳輸過程中一般不允許丟棄和誤碼。4)為滿足野外施工需要，盡量減輕傳輸大線重量，因此采用信號線與電源線復用技術。信號線在傳信號同時可向相鄰節(jié)點進行功率傳輸。針對上述要求，本發(fā)明方案中，傳感節(jié)點和交叉節(jié)點內設有上行控制裝置和下行控制裝置(如圖2所示)；其中，上行控制裝置采用長距離以太網芯片如PHY芯片進行傳輸大線的信號驅動和信號均衡；而下行控制裝置則優(yōu)選采用如用RS485接口芯片進行異步通信。如圖2所示，上行控制裝置之間通過單獨的網絡線如雙絞線進行連接，并通過上行控制裝置實現(xiàn)傳感節(jié)點之間的數據上傳；而下行控制裝置之間也通過單獨的網絡線如雙絞線進行連接，并通過下行控制裝置實現(xiàn)主機指令的傳遞。上行控制裝置采用采用HDTP協(xié)議進行數據傳輸；而下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進行指令傳輸。如圖3所示，上行控制裝置采用采用HDTP協(xié)議棧具有三層結構，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數據鏈路層和應用層。其中數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。物理層主要提供簡單但健壯的信號調制和數據收發(fā)，完成比特流的傳輸。數據鏈路層負責數據成幀、幀檢測、幀同步、介質訪問控制、差錯控制和透明傳輸， 主要包括邏輯鏈路控制子層(LLC)和介質訪問控制子層(MAC)。下面對本數字傳感網絡通訊方法進一步描述整體上包括兩大步驟，即傳感節(jié)點或交叉節(jié)點進行信號采集和數字化，并通過上行控制裝置及獨立的上行網絡通道向主機進行數據上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點或交叉節(jié)點通過下行控制裝置及獨立的下行網絡通道接收或傳遞來自主機的指令步驟。具體為下行網絡通道通過RS485接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點向下位節(jié)點傳輸的方式傳遞來自主機的指令；下位節(jié)點收到命令幀后直接向下級轉發(fā)，同時判斷其命令地址是否和本節(jié)點地址相同，若相同則根據命令內容做出響應。下行網絡通道，由于傳輸數據率要求較低(幾百ΙΛ-ps)，使用RS485接口芯片，通過一對雙絞線采用異步通信模式實現(xiàn)。 RS485采用平衡發(fā)送和差分接收方式實現(xiàn)通信，功耗低，傳輸距離超過300m。上行網絡通道MAC層從LLC層接收單元數據，然后執(zhí)行介質訪問規(guī)程，查看上行網絡是否可以發(fā)送；當上行網絡可以發(fā)送，它將給數據封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點的 MAC層接到其它傳感節(jié)點傳來的數據后，通過MAC幀內目的地址進行判斷，如果是發(fā)送給其它節(jié)點的過路數據，則立刻通過物理層轉發(fā)該幀；如果是給自己的數據，則將以包內的CRC 的數值來檢驗包數據是否正確。若檢驗結果正確，則將數據送至LLC層；若檢驗發(fā)現(xiàn)錯誤， 則告知發(fā)送節(jié)點重新發(fā)送。LLC層向應用層提供數據鏈路服務，負責將數據幀從一個節(jié)點無錯誤傳輸到另一個節(jié)點。LLC層需要完成的工作主要是接收應用層下傳的數據隊列，構建協(xié)議單元，向MAC子層傳遞；同時接收由MAC子層傳遞上來的協(xié)議幀數據，上傳給應用層。擁塞控制采用過路幀數據優(yōu)先轉發(fā)的策略，這樣每個數據幀發(fā)送等待為傳送一幀時間。
權利要求
1.一種數字傳感網絡，由傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機組成分布式結構網絡，并且相鄰傳感節(jié)點和交叉節(jié)點之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點和交叉節(jié)點內設有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的上行控制裝置之間通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)采集數據的傳輸；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的下行控制裝置通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)來自主機的指令傳遞。
2.如權利要求1所述的數字傳感網絡，其特征在于，所述的上行控制裝置之間采用 HDTP協(xié)議進行數據傳輸；所述的下行控制裝置之間采用RS485通訊協(xié)議進行指令傳輸。
3.如權利要求2所述的數字傳感網絡，其特征在于，所述上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結構，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數據鏈路層和應用層。
4.如權利要求3所述的數字傳感網絡，其特征在于，所述傳感節(jié)點、交叉節(jié)點具有一個或一個以上。
5.如權利要求4所述的數字傳感網絡，其特征在于，所述網絡線為雙絞線。
6.一種數字傳感網絡的通訊方法，為一種應用于權利要求1至5任一所述的數字傳感網絡，實現(xiàn)傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機的數據和指令傳輸的方法，其特征在于，包括如下步驟傳感節(jié)點或交叉節(jié)點進行信號采集和數字化，并通過上行控制裝置及獨立的上行網絡通道向主機進行數據上傳和匯聚步驟；傳感節(jié)點或交叉節(jié)點通過下行控制裝置及獨立的下行網絡通道接收或傳遞來自主機的指令步驟。
7.如權利要求6所述的數字傳感網絡的通訊方法，其特征在于，所述的通過上行網絡通道進行數據上傳過程步驟包括，上行網絡通道MAC層從LLC層接收單元數據，然后執(zhí)行介質訪問規(guī)程，查看上行網絡是否可以發(fā)送；當上行網絡可以發(fā)送，它將給數據封裝成MAC幀送往物理層；傳感節(jié)點的MAC層接到其它傳感節(jié)點傳來的數據后，通過MAC幀內目的地址進行判斷， 如果是發(fā)送給其它節(jié)點的過路數據，則立刻通過物理層轉發(fā)該幀；如果是給自己的數據，則將以包內的CRC的數值來檢驗包數據是否正確及數據送至LLC層；LLC層向應用層提供數據鏈路服務。
8.如權利要求6或7所述的數字傳感網絡的通訊方法，其特征在于所述的通過下行網絡通道進行指令下傳過程步驟包括，下行網絡通道通過RS485接口及通信協(xié)議采用上位節(jié)點向下位節(jié)點傳輸的方式傳遞來自主機的指令；下位節(jié)點收到命令幀后直接向下級轉發(fā)， 同時判斷其命令地址是否和本節(jié)點地址相同，若相同則根據命令內容做出響應。
全文摘要
本發(fā)明涉及通過網絡實現(xiàn)傳感節(jié)點通訊的技術，特別是提出一種數字傳感網絡和通訊方法，其中傳感網絡由傳感節(jié)點、交叉節(jié)點和主機組成分布式結構網絡，并且相鄰傳感節(jié)點和交叉節(jié)點之間串聯(lián)連接，其特征在于，所述傳感節(jié)點和交叉節(jié)點內設有上行控制裝置和下行控制裝置；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的上行控制裝置之間通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)采集數據的傳輸；傳感節(jié)點和交叉節(jié)點的下行控制裝置通過獨立的網絡線連接以實現(xiàn)來自主機的指令傳遞。上行控制裝置之間的通訊協(xié)議棧具有三層結構，協(xié)議棧自下至上分別為物理層、數據鏈路層和應用層。
文檔編號H04L12/28GK102223273SQ20111020161
公開日2011年10月19日 申請日期2011年7月14日 優(yōu)先權日2011年7月14日
發(fā)明者盧忠云, 盧林發(fā), 葉燦才 申請人:中山愛科數字科技有限公司