[發(fā)明專利]工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)及其基于分布式協(xié)同頻率的通訊方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810046786.5
• 申請日: 2008-01-25
• 公開（公告）號: CN101262393A
• 公開（公告）日: 2008-09-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 黃本雄;閔玉堂;袁珺;戴彬
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: H04L12/28
• 分類號: H04L12/28;H04L29/08;H04B1/707
• 代理公司: 北京市德權(quán)律師事務(wù)所
• 代理人: 吳濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是工作于2.4GHz?ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段的工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，以及用于在這種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的基于分布式協(xié)同頻率管理技術(shù)的通訊方法。

背景技術(shù)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)中眾多的傳感器通過無線通信的方式，相互聯(lián)系、處理、傳遞信息的網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，可以實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，傳送給所需用戶。

這種基于無線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，使得工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)能夠通過無線鏈路直接在網(wǎng)絡(luò)上傳輸、發(fā)布和共享。無線通訊技術(shù)能夠在工廠環(huán)境下，為各種智能現(xiàn)場設(shè)備、移動機器人以及各種自動化設(shè)備之間的通信提供高帶寬的無線數(shù)據(jù)鏈路和靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在一些特殊環(huán)境下有效地彌補了有線網(wǎng)絡(luò)的不足，進一步完善了工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的通信性能。

為了滿足無線通訊技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，新興的面向設(shè)備間信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，是一類特殊的傳感器網(wǎng)絡(luò)。這是因為工業(yè)環(huán)境較為惡劣，大電壓大電流高頻電磁干擾無處不在，對通信的可靠性，抗干擾性要求很高。在工業(yè)無線通信系統(tǒng)中，干擾是一項永遠存在的問題。干擾可能源自于鄰近的類似系統(tǒng)，或是來自于使用相同頻率的非同質(zhì)系統(tǒng)。在干擾源存在的環(huán)境中，確保正確的數(shù)據(jù)傳輸，是工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)面臨到的一項重大挑戰(zhàn)。雖然主流無線協(xié)議(如ZigBee/802.15.4、802.11b和802.11g等)都進行了必要的頻率管理設(shè)計來減小干擾的影響，但還不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用特定的技術(shù)要求。

下面介紹無線局域網(wǎng)Wi-Fi，Wi-Fi工作于固定單頻道方式。每個設(shè)備可采用2.4GHz頻段中的任一工作頻率，一旦確定后在整個工作工程中頻道不再發(fā)生改變。Wi-Fi免沖突法在發(fā)射前偵聽“安靜”的信道。如果Wi-Fi信道噪聲很大，則Wi-Fi設(shè)備在又一次傾聽信道前會進行隨機退避。如果信道仍有噪聲，則會重復(fù)此過程直至信道安靜為止。一旦信道變得安靜，Wi-Fi設(shè)備即會開始發(fā)射。如果信道永遠嘈雜，則Wi-Fi設(shè)備會搜索另條信道上的其他可用接入點。該無線局域網(wǎng)Wi-Fi的缺點是功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點，故并不適用于能量和硬件資源有限的無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

下面介紹無線個域網(wǎng)Bluetooth，Bluetooth工作于全頻段跳頻通信方式。該類設(shè)備運用跳頻擴展頻譜技術(shù)(FHSS)，在工作時收發(fā)頻率始終不停地在整個頻段范圍內(nèi)按照約定跳變，即每隔625微秒，藍牙系統(tǒng)以及所有相關(guān)節(jié)點就會將通信頻率在所有83個ISM頻帶的頻道中79個頻道，并選擇其中一個頻道進行切換。頻段范圍內(nèi)每個頻道都可能被隨機的使用。1.2版藍牙規(guī)范運用稱為自適應(yīng)跳頻的技術(shù)，這項技術(shù)讓系統(tǒng)能運用智能型功能，記憶哪些頻道會導(dǎo)致錯誤，并避免未來在跳頻時使用這些頻道，因此跳頻的范圍小于藍牙系統(tǒng)原先的79個頻道。但每種藍牙設(shè)備都包含多個協(xié)議層帶來了巨大的協(xié)議開銷，同時由于藍牙技術(shù)以及連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)流量需要使用較大的微處理器，因此藍牙設(shè)備的電池使用壽命常常只有3個月(或更短)。對于傳感器節(jié)點而言，利用藍牙來作為電纜的替代方案應(yīng)用于工業(yè)傳感網(wǎng)絡(luò)在成本和功耗指標(biāo)方面還很難令人滿意。

下面介紹無線個域網(wǎng)ZigBee，該ZigBee提供空閑信道評估(CCA，ClearChannel?Assessment)和動態(tài)信道選擇算法來保證網(wǎng)絡(luò)的抗同頻干擾性能。盡管ZigBee協(xié)議棧具有高通信效率、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本、高安全性等諸多優(yōu)點，這些優(yōu)點使得ZigBee和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)完美地結(jié)合在一起，但ZigBee在兼容性與性能方面還表現(xiàn)欠佳，因此還不具備完全支持無線傳感網(wǎng)絡(luò)工業(yè)應(yīng)用的能力。

上述無線聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)雖然能夠解決ISM頻段內(nèi)無線設(shè)備之間的頻率資源的相互沖突及兼容問題，但對于工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)而言，利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)來作為頻率管理的解決方案在局限性、成本和功耗方面還很難令人滿意。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中局限性、成本和功耗方面的問題，本發(fā)明提供了一種工業(yè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)及基于分布式協(xié)同頻率的通訊方法，實現(xiàn)頻率避撞以及頻率捷變功能來躲避干擾。