CN102223273B - 一种数字传感网络及通讯方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通过网络实现传感节点通讯的技术，特别是提出一种数字传感网络和通讯方法，其中传感网络由传感节点、交叉节点和主机组成分布式结构网络，并且相邻传感节点和交叉节点之间串联连接，其特征在于，所述传感节点和交叉节点内设有上行控制装置和下行控制装置；传感节点和交叉节点的上行控制装置之间通过独立的网络线连接以实现采集数据的传输；传感节点和交叉节点的下行控制装置通过独立的网络线连接以实现来自主机的指令传递。上行控制装置之间的通讯协议栈具有三层结构，协议栈自下至上分别为物理层、数据链路层和应用层。
Description
技术领域
本发明是关于利用网络实现传感数据传输的技术，特别是一种数字化得传感网络及通讯方法。
背景技术
大型传感网络在军事、环境、医疗以及商务等领域有广泛的应用。在某些应用领域，如地震勘探、结构健康监测以及军事监测方面，由于环境复杂、节点间距大、数据率大等原因，所以传统的传感应器组网方式很难满足要求。例如根据应用需求，数字传感网络的传输大线采用双绞线传输，节点间距离达220m。如此大的间距会造成双绞线终端传输信号极大衰减，数据率迅速下降，再加上需要低功耗，没有现成的解决方案可以达到传输速率24Mb/s；从普通的通信网络来看，其负荷是随机的，数据流需要复杂的路由，有不同的业务等级，高层协议上还要提供大量的应用服务，因而数据传输效率不高，实时性不强，无法满足传感网络要求。
中国专利申请200610005474.0《传感器网络***、数据的传输方法》公开了“一种用于抑制在收容庞大数目的可移动的传感器节点的传感器网络中的、服务器处理以及网络负荷。利用管理服务器DRS为每个传感器节点设置：从执行传感器节点的数据管理的多个分布式数据处理服务器DDS中的、成为存储有可移动传感器节点的数据的主服务器的分布式服务器DDS，在各分布式服务器DDS中，在接收了来自传感器节点的数据的情况下，识别是应由自己管理数据的传感器节点，还是由其他分布式服务器管理的传感器节点，若该识别结果是由其他分布式服务器管理的传感器数据，则基于管理服务器DRS的设置，向与主服务器相对应的分布式服务器DDS-1传送数据”的方案。该方案主要针对移动传感问题中网络负荷，而没有解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的提出一种数字化得传感网络及通讯方法，通过传感节点之间的结构和连接方式改进来提高数据传输速度，及通道的协议栈结构简化来达到数据传输速度的提高，增强实时性和满足低功耗长距离传感网络通讯要求。
本发明通过如下方案实现：
一种数字传感网络，由传感节点、交叉节点和主机组成分布式结构网络，并且相邻传感节点和交叉节点之间串联连接，其特征在于，所述传感节点和交叉节点内设有上行控制装置和下行控制装置；传感节点和交叉节点的上行控制装置之间通过独立的网络线连接以实现采集数据的传输；传感节点和交叉节点的下行控制装置通过独立的网络线连接以实现来自主机的指令传递。
上所述的上行控制装置之间采用HDTP协议进行数据传输；所述的下行控制装置之间采用RS485通讯协议进行指令传输；
上所述的上行控制装置之间的通讯协议栈具有三层结构，协议栈自下至上分别为物理层、数据链路层和应用层；所述网络线为双绞线。
一种数字传感网络的通讯方法，为一种应用于上述的数字传感网络，实现传感节点、交叉节点和主机的数据和指令传输的方法，其特征在于，包括如下步骤：
传感节点或交叉节点进行信号采集和数字化，并通过上行控制装置及独立的上行网络通道向主机进行数据上传和汇聚步骤；
传感节点或交叉节点通过下行控制装置及独立的下行网络通道接收或传递来自主机的指令步骤。
其中，所述的通过上行网络通道进行数据上传过程步骤包括，上行网络通道MAC层从LLC层接收单元数据，然后执行介质访问规程，查看上行网络是否可以发送；当上行网络可以发送，它将给数据封装成MAC帧送往物理层；
传感节点的MAC层接到其它传感节点传来的数据后，通过MAC帧内目的地址进行判断，如果是发送给其它节点的过路数据，则立刻通过物理层转发该帧；如果是给自己的数据，则将以包内的CRC的数值来检验包数据是否正确及数据送至LLC层；LLC层向应用层提供数据链路服务；
所述的通过下行网络通道进行指令下传过程步骤包括，下行网络通道通过RS485接口及通信协议采用上位节点向下位节点传输的方式传递来自主机的指令；下位节点收到命令帧后直接向下级转发，同时判断其命令地址是否和本节点地址相同，若相同则根据命令内容做出响应。
综上所述的本发明方法具有如下显著特点：
1.传感节点之间采用独立的上行或下行控制装置，并采用单独的通道；充分考虑了数据上传两大，指令下行距离要求高的特点；
2.数据或指令上传的通讯协议栈进行了简化；
3.提供了一种新的传感器连接和通讯方法。
附图说明
图1是传感网络结构图；
图2是传感节点的连接结构示意图；
图3是通讯协议栈结构图。
具体实施方式
实施例一
如图1和2所示，本发明的数字传感网络和常见的传感网络一样，都具有传感节点、交叉节点和主机组成，并采用级联型链式网络结构，即若干交叉节点串联并与主机进行通讯，而大部分节点通过就近串联而成一条传输链后汇聚于交叉节点再与主机通讯。
由于各节点与主机之间需要交换数据，根据大型有线数字传感网络的应用需求，对数据通讯应该具有以下性能需求：
1)数据实时传输：传感网络一般在野外工作，环境条件恶劣，除在交叉节点及主机之间的传输干缆采用光纤，一般节点与节点之间传输大线多用传统的电缆传输。网络规模大，传感节点数日众多，数据实时传输的压力主要在传输大线。当数据采集速率大时，共享总线的传输方式就不能适应，故必须采用逐级上传的级联方式。
2)低功耗：传感节点采用较复杂的嵌入式***，以高性能CPU芯片作为主控制器和数据处理器，还包含一路或几路高精度数据采集电路；需要接收传感器来的信号和传输大线送达的命令，完成从信号调理、数字化、数据转换与数据成帧、本地存储、数据传输等一系列工作。传感节点采用电池供电，对功耗极敏感，且对***总功耗有很大影响。一般要求单个传感节点的功耗小于2W。
3)要求采集信息可靠、传输透明，采集数据在传输过程中一般不允许丢弃和误码。
4)为满足野外施工需要，尽量减轻传输大线重量，因此采用信号线与电源线复用技术。信号线在传信号同时可向相邻节点进行功率传输。
针对上述要求，本发明方案中，传感节点和交叉节点内设有上行控制装置和下行控制装置(如图2所示)；其中，上行控制装置采用长距离以太网芯片如PHY芯片进行传输大线的信号驱动和信号均衡；而下行控制装置则优选采用如用RS485接口芯片进行异步通信。如图2所示，上行控制装置之间通过单独的网络线如双绞线进行连接，并通过上行控制装置实现传感节点之间的数据上传；而下行控制装置之间也通过单独的网络线如双绞线进行连接，并通过下行控制装置实现主机指令的传递。上行控制装置采用采用HDTP协议进行数据传输；而下行控制装置之间采用RS485通讯协议进行指令传输。
如图3所示，上行控制装置采用采用HDTP协议栈具有三层结构，协议栈自下至上分别为物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层分为逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。物理层：主要提供简单但健壮的信号调制和数据收发，完成比特流的传输。数据链路层：负责数据成帧、帧检测、帧同步、介质访问控制、差错控制和透明传输，主要包括逻辑链路控制子层(LLC)和介质访问控制子层(MAC)。
下面对本数字传感网络通讯方法进一步描述：
整体上包括两大步骤，即传感节点或交叉节点进行信号采集和数字化，并通过上行控制装置及独立的上行网络通道向主机进行数据上传和汇聚步骤；传感节点或交叉节点通过下行控制装置及独立的下行网络通道接收或传递来自主机的指令步骤。
具体为：下行网络通道通过RS485接口及通信协议采用上位节点向下位节点传输的方式传递来自主机的指令；下位节点收到命令帧后直接向下级转发，同时判断其命令地址是否和本节点地址相同，若相同则根据命令内容做出响应。下行网络通道，由于传输数据率要求较低(几百kb-ps)，使用RS485接口芯片，通过一对双绞线采用异步通信模式实现。RS485采用平衡发送和差分接收方式实现通信，功耗低，传输距离超过300m。
上行网络通道MAC层从LLC层接收单元数据，然后执行介质访问规程，查看上行网络是否可以发送；当上行网络可以发送，它将给数据封装成MAC帧送往物理层；传感节点的MAC层接到其它传感节点传来的数据后，通过MAC帧内目的地址进行判断，如果是发送给其它节点的过路数据，则立刻通过物理层转发该帧；如果是给自己的数据，则将以包内的CRC的数值来检验包数据是否正确。若检验结果正确，则将数据送至LLC层；若检验发现错误，则告知发送节点重新发送。LLC层向应用层提供数据链路服务，负责将数据帧从一个节点无错误传输到另一个节点。LLC层需要完成的工作主要是接收应用层下传的数据队列，构建协议单元，向MAC子层传递；同时接收由MAC子层传递上来的协议帧数据，上传给应用层。拥塞控制采用过路帧数据优先转发的策略，这样每个数据帧发送等待为传送一帧时间。
Claims (1)
1.一种数字传感网络的通讯方法，应用于数字传感网络，实现传感节点、交叉节点和主机的数据和指令传输，所述的数字传感网络，由传感节点、交叉节点和主机组成分布式结构网络，并且相邻传感节点和交叉节点之间串联连接，所述传感节点和交叉节点内设有上行控制装置和下行控制装置；传感节点和交叉节点的上行控制装置之间通过独立的网络线连接以实现采集数据的传输；传感节点和交叉节点的下行控制装置通过独立的网络线连接以实现来自主机的指令传递，其特征在于，包括如下步骤：
传感节点或交叉节点进行信号采集和数字化，并通过上行控制装置及独立的上行网络通道向主机进行数据上传和汇聚步骤；
传感节点或交叉节点通过下行控制装置及独立的下行网络通道接收或传递来自主机的指令步骤；
所述的通过上行控制装置及独立的上行网络通道向主机进行数据上传和汇聚步骤包括，上行网络通道MAC层从LLC层接收单元数据，然后执行介质访问规程，查看上行网络是否可以发送；当上行网络可以发送，它将数据封装成MAC帧送往物理层；
传感节点的MAC层接到其它传感节点传来的数据后，通过MAC帧内目的地址进行判断，如果是发送给其它节点的过路数据，则立刻通过物理层转发该帧；如果是给自己的数据，则以帧内的CRC的数值来检验数据是否正确，并将正确的数据传送至LLC层；LLC层向应用层提供数据链路服务；
所述的通过下行控制装置及独立的下行网络通道接收或传递来自主机的指令步骤包括，下行网络通道通过RS485接口及通信协议采用上位节点向下位节点传输的方式传递来自主机的指令；下位节点收到指令帧后直接向下级转发，同时判断其指令地址是否和本节点地址相同，若相同则根据指令内容做出响应。
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