CN101814925B - 采用认知无线电技术的无线传感器节点***及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种具便于在农村野外环境使用的采用认知无线电技术的无线传感器接点***。技术方案是：其特征是由发射端和接收端组成，其中发射端有九个模块组成：信源；信源冗余处理模块；简约化后的Huffman编码单元；信源扰码编码单元；信道Hamming检错及纠错编码；LISA时钟编码；数据融合模块；RF无线发射模块；通讯质量鉴定编码；接收端有七个模块组成：无线接收模块；基于LISA算法的时钟提取模块；信道检错、纠错Hamming编码的解码模块；信源扰码编码的解码模块；信号源Huffman编码的解码模块；信号源冗余处理后在接收端的信号重建模块；通讯质量编码恢复模块。本发明还公开了无线传感器接点***的控制方法。

Description

采用认知无线电技术的无线传感器节点***及其控制方法

技术领域

本发明属于无线传感器接点***领域，尤其是一种具有通讯质量好、信号传输稳定、成本低且尤其便于在农村野外环境使用的采用认知无线电技术的无线传感器接点***。

背景技术

目前，常用的无线传感器接点***的硬件复杂，***的通讯信号传输不稳定，在农村野外环境的使用受到很大限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有通讯质量好、信号传输稳定、成本低且尤其便于在农村野外环境使用的采用认知无线电技术的无线传感器接点***及其控制方法。

本发明的技术方案是：采用认知无线电技术的无线传感器节点***，其特征是由发射端和接收端组成，其中发射端有九个模块组成：信源；信源冗余处理模块，信源冗余处理模块采用基于拉普拉斯概率分布法的一阶差分函数编码传输；简约化后的Huffman编码单元，完成对信源的进一步数据压缩功能；信源扰码编码单元，增加信源过零点时钟信号，提供通讯时钟对正；信道检错、纠错Hamming编码模块；LISA时钟编码模块，该编码与信道Hamming编码后的数据流结合；数据融合模块；RF无线发射模块，属于IP技术分类的***通讯物理层（PHY）模块；通讯质量鉴定编码，该编码模块位于简约化后的Huffman编码单元之后，作为在接收端判断通讯质量的依据；

其中，信源（A1）、信源冗余处理模块（A2）、Huffman编码单元（A3）、信源扰码编码单元（A4）和信道检错、纠错Hamming编码模块（A5）顺序连接；通讯质量鉴定编码模块（A9）与信源扰码编码单元（A4）连接；信道检错、纠错Hamming编码模块（A5）、LISA时钟编码模块（A6）分别和数据融合模块（A7）连接，数据融合模块（A7）还与RF无线发射模块（A8）连接；

接收端有七个模块组成：无线接收模块，完成解调功能；基于LISA算法的时钟提取模块，用以恢复对经过LISA时钟编码信号的时钟信号提取；信道检错、纠错Hamming编码的解码模块；信源扰码编码的解码模块；信号源Huffman编码的解码模块；信号源冗余处理后在接收端的信号重建模块；通讯质量编码恢复模块，提供对无线通讯智能控制进行认知无线电通讯的参数指标；

其中，无线接收模块（B1），时钟提取模块（B2），信道检错、纠错Hamming编码的解码模块（B3），信源扰码编码的解码模块（B4）与信号源Huffman编码的解码模块（B5）顺序连接；信号源Huffman编码的解码模块（B5）还分别与信号重建模块（B6）、通讯质量编码恢复模块（B7）连接。

所述发射端和接收端主板由CPU模块、232通讯模块、232接口、485通讯模块、485接口、GPIO接口、RF模块接口、RF模块、传感器接口和可插拔传感器模块组成；其中CPU模块分别与232通讯模块、485通讯模块、GPIO接口、RF模块接口以及传感器接口相连；232通讯模块与232接口连接；485通讯模块与485接口连接；RF模块接口与RF模块连接；传感器接口和可插拔传感器模块连接

认知无线电技术的无线传感器节点***的控制方法，其特征是包括下列步骤：

D1：接收端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码；

D2：对接收到的通讯质量编码进行检测，如果通讯质量编码的质量高于设定的门槛值，则执行步骤D3，否则执行步骤D4；

D3：继续通讯；

D4：对接收到的通讯质量编码进行检测，判断是否已经增加纠错编码长度，如果没有增加纠错编码尺度，则执行步骤D5，否则执行步骤D6；

D5：增加纠错编码长度，然后执行步骤D3；

D6：判断是否已增加发射功率，如果没有增加发射功率，则执行步骤D7，否则执行步骤D8；

D7：增加发射功率，然后执行步骤D3；

D8：判断是否已经扩展通讯频谱，如果没有扩展通讯频谱则执行步骤D9，否则执行步骤D10；

D9：扩展通讯频谱，然后执行步骤D3；

D10：判断是否已调换通讯频道，如果没有调换通讯频道则执行步骤D11，否则执行步骤D12；

D11：调换通讯频道，然后执行步骤D3；

D12：判断是否已经改变调制方式，如果改变调制方式，则执行步骤D3，如果没有改变调制方式，则执行步骤D13。

D13：改变调制方式，然后执行步骤D3。

本发明的效果是：用于实时环境参数的取样监测和监测后的无线数据传输，无线传感器的RF模块采用常见的ASK、FSK、PSK无线调制方式，具有通讯质量好，信号传输稳定的特点。无线传感器节点的中央微处理器（MCU）具有数字信号接口和模拟信号接口，使用者可以通过插拔方式来挂带不同环境传感器对环境进行取样，取样数据存储于无线传感器节点的闪存存储器中(dataflash)。本发明引入了认知无线电技术，使得节点具有智能辨认通讯质量、选择调制方式、选择编码方式和优化发射功率的特点，从而使得整个***的硬件组成达到了简约优化。整个***的管理由嵌入式软件实现，基于认知无线电的无线传感器节点技术，具有通讯质量好、信号传输稳定的特点，尤其便于在农村野外环境使用。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

附图说明

图1是本发明发射端的电路框图；

图2是本发明接收端的电路框图；

图3是本发明***主板电路框图；

图4是本发明程序流程框图。

具体实施方式

采用认知无线电技术的无线传感器节点***，其特征是由发射端和接收端组成。

图1中，发射单元（TX）有九个模块组成：信源A1；信源冗余处理模块A2，采用基于拉普拉斯概率分布法的一阶差分函数编码传输；简约化后的Huffman编码单元A3，完成对信源的进一步数据压缩功能；信源扰码编码单元A4，增加信源过零点时钟信号，提供通讯时钟对正；信道Hamming检错及纠错编码A5；LISA时钟编码A6，该编码与信道Hamming编码后的数据流结合；数据融合模块A7；RF无线发射模块A8，即IP技术分类的***通讯物理层（PHY）；通讯质量鉴定编码A9，该编码***到简约化后的Huffman编码单元之后，作为在接收端判断通讯质量的依据。整个***的管理由嵌入式软件实现。基于认知无线电的无线传感器节点技术具有通讯质量好，信号传输稳定的特点。

图2中，接收单元（RX）有七个模块组成：无线接收模块B1，完成解调功能，其解调方式为发射方式的逆运算；基于LISA算法的时钟提取模块B2，用以恢复对经过LISA时钟编码信号的时钟信号提取；对信道检错、纠错Hamming编码的解码模块B3；对信源扰码编码的解码模块B4；对信号源Huffman编码的解码模块B5；对信号源冗余处理后在接收端的信号重建模块B6；通讯质量编码恢复模块B7，提供对无线通讯智能控制，进行认知无线电通讯的参数指标。

图3中，发射端和接收端主板由CPU模块C1、232通讯模块C2、232接口C3、485通讯模块C4、485接口C5、GPIO接口C6、RF模块接口C7、RF模块C8、传感器接口C9和可插拔传感器模块C10组成；其中CPU模块C1分别与232通讯模块C2、485通讯模C4、GPIO接口C6、RF模块接口C7以及传感器接口C9相连；232通讯模块C2与232接口C3连接；485通讯模块C4与485接口C5连接；RF模块接口C7与RF模块C8连接；传感器接口C9和可插拔传感器模块C10连接。

RISC CPU模块C1，该模块含有CPU，含有用于存储固化软件程序的只读ROM内存，含有读写RAM内存，其功能为提供嵌入式***CPU的应用程序软件等的运算使用内存空间；

232通讯模块C2，实现电平转换功能，从而完成232串口通讯功能。这一模块提供了嵌入式***与其他RS232设备进行串口通讯。同时也支持与笔记本电脑的串口通讯，可以用于现场软件升级和检错等功能；232接口C3；485通讯模块C4，实现差分电平转换，从而完成485串口通讯功能；485接口C5；GPIO接口C6，用于***扩展；RF模块接口C7；RF模块C8；传感器接口C9，该接口一个为数字接口，支持数字传感器输入的数字信号。另一个为模拟接口，支持模拟传感器输入的模拟信号；可插拔传感器模块C10。

图4中，认知无线电技术的无线传感器节点***的控制方法，包括下列步骤：

D1为Rx端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码，并对接收到的通讯质量编码进行检测，如D2所示。

如果通讯质量编码的质量高于设定的门槛值，则继续进行无线通讯；否则，通讯质量低于设定的门槛值，则接收端RX通知发射端TX，增加纠错编码长度，然后在增加纠错编码长度的情况下进入D3继续通讯。

在增加纠错编码长度后继续通讯。RX端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码，并对接收到的通讯质量编码进行检测。如果通讯质量编码质量高于设定的门槛值，则继续进行无线通讯；否则，判断是否已经增加纠错编码长度，如D4所示。如果没有增加纠错编码尺度，则增加纠错编码长度如D5，否则则判断是否已增加发射功率D6。如果没有增加发射功率，则接收端RX通知发射端TX，增加发射功率。然后在增加发射功率的情况下继续通讯。

在增加编码长度和发射功率后继续通讯，RX端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码，并对接收到的通讯质量编码进行检测。如果通讯质量编码质量高于设定的门槛值，则继续进行无线通讯。否则，判断是否已经增加纠错编码长度，如果没有则增加纠错编码长度，否则则判断是否已增加发射功率D6。如果没有则增加发射功率D7。否则则接收端RX通知发射端TX，扩展通讯频谱。

在增加编码长度、发射功率和扩展通讯频谱后继续通讯，RX端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码。并对接收到的通讯质量编码进行检测。如果通讯质量编码质量高于设定的门槛值，则继续进行无线通讯。否则，判断是否已经增加纠错编码长度，如果没有则增加纠错编码长度，否则则判断是否已增加发射功率。如果没有则增加发射功率；然后判断是否已经扩展通讯频谱D8，如果没有则扩展通讯频谱D9。在扩展通讯频谱后，判断是否已调换通讯频道D10，如果没有则接收端RX通知发射端TX，跳换通讯频道D11。在跳换通讯频道后，继续通讯。

在增加编码长度、发射功率、扩展通讯频谱、跳换通讯频道后继续通讯，RX端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码。并对接收到的通讯质量编码进行检测。如果通讯质量编码质量高于设定的门槛值，则继续进行无线通讯。否则，判断是否已经增加纠错编码长度，如果没有则增加纠错编码长度，否则则判断是否已增加发射功率。如果没有则增加发射功率；然后判断是否已经扩展通讯频谱，如果没有则扩展通讯频谱。否则则判断是否已跳换通讯频道，如果没有则跳换频道，则跳换通讯频道。否则则判断是否已经改变调制方式D12。如果已经改变通讯方式，则按照此方式通讯。

Claims (3)

1.采用认知无线电技术的无线传感器节点***，其特征是由发射端和接收端组成，其中发射端有九个模块组成：信源（A1）；信源冗余处理模块（A2），信源冗余处理模块采用基于拉普拉斯概率分布法的一阶差分函数编码传输；简约化后的Huffman编码单元（A3），完成对信源的进一步数据压缩功能；信源扰码编码单元（A4），增加信源过零点时钟信号，提供通讯时钟对正；信道检错、纠错Hamming编码模块（A5）；LISA时钟编码模块（A6），该编码与信道Hamming编码后的数据流结合；数据融合模块（A7）；RF无线发射模块（A8），属于IP技术分类的***通讯物理层（PHY）模块；通讯质量鉴定编码模块（A9），该编码模块位于简约化后的Huffman编码单元之后，作为在接收端判断通讯质量的依据； 

其中，信源（A1）、信源冗余处理模块（A2）、Huffman编码单元（A3）、信源扰码编码单元（A4）和信道检错、纠错Hamming编码模块（A5）顺序连接；通讯质量鉴定编码模块（A9）与信源扰码编码单元（A4）连接；信道检错、纠错Hamming编码模块（A5）、LISA时钟编码模块（A6）分别和数据融合模块（A7）连接，数据融合模块（A7）还与RF无线发射模块（A8）连接； 

接收端有七个模块组成：无线接收模块（B1），完成解调功能；基于LISA算法的时钟提取模块（B2），用以恢复对经过LISA时钟编码信号的时钟信号提取；信道检错、纠错Hamming编码的解码模块（B3）；信源扰码编码的解码模块（B4）；信号源Huffman编码的解码模块（B5）；信号源冗余处理后在接收端的信号重建模块（B6）；通讯质量编码恢复模块（B7），提供对无线通讯智能控制进行认知无线电通讯的参数指标； 

其中，无线接收模块（B1），时钟提取模块（B2），信道检错、纠错Hamming编码的解码模块（B3），信源扰码编码的解码模块（B4）与信号源Huffman编码的解码模块（B5）顺序连接；信号源Huffman编码的解码模块（B5）还分别与信号重建模块（B6）、通讯质量编码恢复模块（B7）连接。 

2.根据权利要求1所述的采用认知无线电技术的无线传感器节点***，其特征是所述发射端和接收端主板由CPU模块（C1）、232通讯模块（C2）、232接口（C3）、485通讯模块（C4）、485接口（C5）、GPIO接口（C6）、RF模块接口（C7）、RF模块（C8）、传感器接口（C9）和可插拔传感器模块（C10）组成；其中CPU模块（C1）分别与232通讯模块（C2）、485通讯模块（C4）、GPIO接口（C6）、RF模块接口（C7）以及传感器接口（C9）相连；232通讯模块（C2）与232接口（C3）连接；485通讯模块（C4）与485接口（C5） 连接；RF模块接口（C7）与RF模块（C8）连接；传感器接口（C9）和可插拔传感器模块（C10）连接。 

3.如权利要求1或2所述的采用认知无线电技术的无线传感器节点***的控制方法，其特征是包括下列步骤： 

D1：接收端接收通讯数据后，从接收数据中提取通讯质量编码； 

D2：对接收到的通讯质量编码进行检测，如果通讯质量编码的质量高于设定的门槛值，则执行步骤D3，否则执行步骤D4； 

D3：继续通讯； 

D4：对接收到的通讯质量编码进行检测，判断是否已经增加纠错编码长度，如果没有增加纠错编码长度，则执行步骤D5，否则执行步骤D6； 

D5：增加纠错编码长度，然后执行步骤D3； 

D6：判断是否已增加发射功率，如果没有增加发射功率，则执行步骤D7，否则执行步骤D8； 

D7：增加发射功率，然后执行步骤D3； 

D8：判断是否已经扩展通讯频谱，如果没有扩展通讯频谱则执行步骤D9，否则执行步骤D10； 

D9：扩展通讯频谱，然后执行步骤D3； 

D10：判断是否已调换通讯频道，如果没有调换通讯频道则执行步骤D11，否则执行步骤D12； 

D11：调换通讯频道，然后执行步骤D3； 

D12：判断是否已经改变调制方式，如果改变调制方式，则执行步骤D3，如果没有改变调制方式，则执行步骤D13。 

D13：改变调制方式，然后执行步骤D3。 

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