CN106411362A - 用于选择传感器网络中的通信网络的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开一种传感器网络，其包含基于无线通信协议的第一网络、基于电力线通信协议的第二网络以及与第一网络和第二网络中的一个通信的至少一个传感器节点。该传感器节点包含至少一个传感器和与所述至少一个传感器通信的控制模块。该控制模块包含基于传感器网络的至少一个工作参数选择第一网络和第二网络中的一个的控制逻辑。

Description

用于选择传感器网络中的通信网络的***和方法
技术领域
所公开的***涉及用于飞行器的灵活网络***，并且更具体地涉及用于选择基于无线通信协议的第一传感器网络或基于电力线通信协议的第二传感器网络的***和方法。
背景技术
飞行器可以包含用于飞行控制和各种操作的各种传感器。这些传感器可以是飞行器传感器网络的一部分，用于将传感器采集的数据发送到计算***，所述计算***可以分析传感器采集的数据。例如，用于飞行器中的客舱的环境控制***可以使用各种温度传感器和气流传感器来识别为维持客舱内的期望环境可能需要的改变。
应该意识到，增加使用飞行器传感器将导致飞行器内更多的布线。该布线可能增加飞行器的成本和重量，并且还可能是安装耗时的。为了减少飞行器内的布线，可以使用无线传感器网络。然而，在飞行器上实施无线网络可能存在若干独特的挑战。当尝试在飞行器内实施无线网络时遇到的问题的一些示例包括例如电源和电池约束、射频(RF)信道减损、安全性以及物理到逻辑映射。特别地，当受到由于无线介质的固有性质引起的干扰时，现存的无线解决方案不总是安全的。而且，还应该意识到，除非有大量的可用带宽，否则不可能实现无线节点的精确的物理到逻辑映射。因此，本领域持续地需要克服上述问题的一种鲁棒且灵活的无线传感器网络。
发明内容
在一个方面，公开一种传感器网络，其包含基于无线通信协议的第一网络、基于电力线通信协议的第二网络以及与第一网络和第二网络中的一个通信的至少一个传感器节点。传感器节点包含至少一个传感器和与所述至少一个传感器通信的控制模块。该控制模块包含控制逻辑，用于基于传感器网络的至少一个工作参数选择第一网络和第二网络中的一个。
在另一方面，公开了一种在飞行器的传感器网络内选择第一网络和第二网络之一的方法。该方法包含由控制模块检测传感器网络的至少一个工作参数。该方法还包含基于传感器网络的至少一个工作参数由控制模块选择第一网络和第二网络中的一个。第一网络基于无线通信协议，第二网络基于电力线通信协议，并且控制模块是与第一网络和第二网络中的一个通信的至少一个传感器节点的一部分。
所公开方法和***的其他目的和优点在以下说明书、附图以及所附权利要求中是显而易见的。
附图说明
图1是包含多个传感器节点、数据采集器以及服务器的所公开的传感器网络的框图。
图2是图1所示的控制模块的框图；以及
图3是被存储在图1-2所示的控制模块的存储器内的各种堆栈选项的框图。
具体实施方式
图1是图示说明所公开的传感器网络10的框图。传感器网络10可以包含一个或多个传感器节点20(其也可以被称为结点)、数据集中器22以及服务器24。传感器网络10可以是包含用于将由传感器节点20采集的数据传输到服务器24的两种不同通信协议的混合网络。具体地说，如下文详细描述的，传感器网络10提供了一种使用无线网络或电力线通信传送由传感器节点20收集的数据的鲁棒且灵活的网络。而且，也正如下文更详细描述的，如果网络中的一个不可用，则传感器网络10可以容易地切换到剩余的网络以进行不间断的数据通信服务。
在图1所示的实施例中，传感器网络10是飞行器26的一部分。然而，应认识到传感器网络10不局限于飞行器26并且也可以用于其他环境，例如汽车应用。尽管飞行器26本质上不旨在进行限制，但是应认识到飞行器网络一般不要求相对快的数据传输速率。因此，如下所述，无线介质以及电力线通信均可以基于具有相对低的数据传输速率的通信协议。
传感器节点20中的每一个可以包含相应的天线30，并且每个传感器节点20可以通过无线连接32与剩余的传感器节点20以及数据集中器22进行通信。无线连接32可以基于射频(RF)通信协议。在一个实施例中，无线连接32可以基于具有相对低的数据传输速率的RF通信协议，其中传输速率为大约几百kb/s。具有相对低的数据速率的RF通信协议的一个示例是基于电子与电气工程师协会(IEEE)802.15.4协议的通信协议。还应认识到IEEE802.15.4协议只定义了七层开放***互连(OSI)模型中的较低网络层，例如物理(PHY)层以及媒体访问控制(MAC)层。PHY层可以被称为层1，并且是网络层中的最低层。MAC层可以被称为层2。应进一步认识到IEEE802.15.4协议没有定义较高级层。基于IEEE802.15.4协议的无线通信协议的一些示例包含但不限于、无线以及6LoWPAN。
传感器节点20中的每一个可以通过电力线通信38互相通信以及与数据集中器22和服务器24通信。电力线通信38也可以基于具有相对低的数据传输速率的通信协议，例如，窄带电力线通信技术。在一个非限制性实施例中，电力线通信38可以基于IEEE1901.2协议。应认识到，窄带电力线通信一般运行在约500kHz以下的频带。然而，应认识到，电力线通信38不应该仅局限于窄带电力线通信，窄带通信可以给位于飞行器26上的其他***提供减少的干扰。而且，还应认识到，在一个实施例中电力线通信38可以利用飞行器26内现有的交流(AC)或直流(DC)电力线，其进而减小飞行器26的成本和重量。具体地说，例如，电力线通信38可以利用飞行器26内现有的115VAC线，或者现有的28VDC线。
传感器节点20可以包含用于收集感测信息的一个或多个传感器(未显示)，所述感测信息指示飞行器26内的工作状况，例如，温度、压力、速度以及高度。传感器节点20也可以通过相应的控制模块40处理由传感器收集的感测信息。控制模块40可以指代以下所述项或所述项的一部分：专用集成电路(ASIC)、电子电路、组合逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)、包括硬件或执行代码的软件的处理器(共享的、专用的或成组的)或者例如在片上***内的上述项中的一些或全部的组合。控制模块40可以包含用于与无线连接32和电力线通信38两者通信的被保存在存储器内的多堆栈配置，其在下文被更详细地描述并且在图3中图示说明。传感器节点20可以将指示由传感器检测到的工作状态的数据传输到传感器网络10内的其他传感器节点20，以及通过无线连接32或电力线通信38传输到数据集中器22。
数据集中器22可以包含天线42。无线连接32通过相应的天线30、42将传感器节点20连接到数据集中器22。数据集中器22可以从传感器节点20采集数据，并且可以经由数据连接件44将从传感器节点20接收到的数据传输到服务器24。连接件44可以是用于传输数据的任何类型的连接件，例如以太网连接。数据集中器22可以包含将从传感器节点20接收到的数据传输到服务器24的至少一个控制模块50。控制模块50可以包含与无线连接32和电力线通信38两者通信的被保存在存储器中的多个堆栈配置，其在下文被更加详细地描述并且在图3中图示说明。控制模块40和控制模块50两者都可以包含用于基于无线连接32或电力线通信38选择通信的控制逻辑。
图2是通过接口64与两个收发器60、62通信的控制模块50的框图。具体地说，收发器60中的一个是与无线连接32通信的RF收发器(图1)。RF收发器60用于发送和接收来自无线连接32的通信。剩余的收发器62可以是与电力线通信38(图1)通信的电力线通信(PLC)收发器。PLC收发器62用于发送和接收来自电力线通信38的通信。
RF收发器60和PLC收发器62两者都与接口64通信。接口64可以是例如基于IEEE802.15.4协议的增强串行***接口(SPI)。应认识到，SPI接口在RF收发器60和PLC收发器62两者之间是共用的。接口64可以将来自RF收发器60和PLC收发器62的通信传输到控制模块50。
图3是被保存在控制模块50(图1和图2)的存储器内以及控制模块40(图1所示)的存储器内的示例性网络堆栈配置70。具体地说，堆栈70包含第一电力线通信堆栈71和第二无线连接堆栈80。电力线通信堆栈71可以包含用于与图2所示的PLC收发器62通信的一个或多个堆栈选项。在图示的示例性实施例中，电力线通信堆栈71包含两个堆栈71a、71b，每个堆栈都基于OSI模型。然而，应认识到，该图示不是限制性的，并且在另一实施例中网络堆栈配置70还可以基于另一种协议，如Zigbee 。
图3说明了电力线通信堆栈71a，其包含多个层，即PHY层72a、MAC层74a、网络层76a以及传输层78a。类似地，所示的电力线通信堆栈71b包含PHY层72b、MAC层74b、网络层76b以及传输层78b。应认识到两个堆栈71a、71b的顶部的三个层(即会话层、表征层和应用层)为了简化和清楚的目的没有在图3中示出。然而，电力线通信堆栈71a、71b都包含这些层。
本领域技术人员很容易理解的是，PHY层72a、72b可以接收来自物理介质的消息并传送消息到物理介质。如果网络堆栈配置70被保存在控制模块40的存储器内，则物理介质可以是图1所示的传感器节点20的传感器模块(未显示)。可替换地，如果网络堆栈配置70被保存在控制模块50的存储器内，则物理设备也可以是PLC收发器62(图2)。MAC层74a、74b可以用作网络层76a、76b和PHY层72a、72b之间的接口。从图3中可以看出，MAC层74a、74b都被调适用于IEEE802.15.4协议。应认识到，IEEE802.15.4协议不旨在用于电力线通信。因此，MAC层74a、74b已经被调适或修改以便用于电力线通信。网络层76a、76b和传输层78a、78b可以被认为是比PHY层72和MAC层74更高的层，因为来自PLC收发器62的数据可以从相应的PHY层72a、72b通过堆栈向上行进到应用层(未显示)。如果网络堆栈配置70被保存在控制模块40的存储器内，则可以经由电力线通信38来发送数据。如果网络堆栈配置70被保存在控制模块50的存储器内，则可以经由连接件44发送数据并且将其发送到服务器24(图1)。
在图3所示的示例性实施例中，网络层76a可以被提供以基于6LoWPAN协议进行通信。具体地说，网络层76a可以基于互联网协议第六版(IPv6)将数据包发送到传输层78a。类似地，网络层76b可以基于互联网协议第四版(IPv4)被提供或进行通信。网络层76b可以基于用户数据报协议(UDP)将数据包发送到传输层78b。应认识到，图3本质上仅是示例性的，并且网络层76a、76b和传输层78a、78b也可以基于另一种协议。还应认识到，尽管电力线通信堆栈71包含两个堆栈71a、71b，但是该图示本质上仅是示例性的，并且也可以包括适应其他类型的通信协议的任何数量的堆栈。
继续参考图3，无线连接堆栈80可以包含用于与图2所示的RF收发器60通信的一个或多个堆栈选项。在所示实施例中，无线连接堆栈80包含两个堆栈80a、80b。具体地说，图3示出了无线连接堆栈80a，其包含PHY层82a、MAC层84a、网络层86a以及传输层88a。类似地，图3示出了无线连接堆栈80b，其包含PHY层82b、MAC层84b、网络层86b以及传输层88b。应认识到，两个堆栈80a、80b的顶部三个层(即会话层、表征层以及应用层)也由于简化和清楚的目的而没有在图3中示出。
PHY层82a、82b可以从物理设备接收消息并且将消息传输到物理设备。如果网络堆栈配置70被保存在控制模块40的存储器内，则物理设备可以是图1中所示的传感器节点20的传感器(未显示)。可替换地，如果网络堆栈配置70被保存在控制模块50的存储器内，则物理设备也可以是RF收发器60(图2)。类似于电力线堆栈70a的网络层76a，无线连接堆栈80a的网络层86a可以被提供用于基于6LoWPAN进行通信。同样，无线连接堆栈80b的网络层86b可以基于IPv4。
参考图1和图3两者，两个控制模块40、50均可以包含用于选择网络堆栈配置70中的电力线通信堆栈71或无线连接堆栈80的控制逻辑。特定堆栈的选择可以基于传感器网络10的至少一个工作参数。具体地说，特定堆栈的选择可以基于网络堆栈配置70中的一个或多个层(即PHY层、MAC层、网络层、传输层、会话层、表征层以及应用层)是否不可用。应认识到，在一个实施例中，无线连接堆栈80可以是被利用的默认堆栈，除非无线连接32(图1)不可用，或者如果不适于通过无线网络传输的高度安全数据将通过传感器网络10(图1)进行通信。例如，如果控制模块50接收到通信或者确定存在可能影响无线连接堆栈80的PHY层82a、82b的干扰或另一信道减损，则控制模块50将选择电力线通信堆栈71用于数据传输。
在一种方案中，在控制模块40、50基于PHY层72a、72b、82a、82b的可用性选择了网络堆栈配置70的电力线通信堆栈71或无线连接堆栈80之后，控制模块40、50接着可以选择电力线通信堆栈71或无线连接堆栈80内的特定堆栈。特定堆栈的选择可以基于由堆栈的较高级层定义的通信协议。应认识到，较高级层包含MAC层之上的五个层(即网络层、传输层、会话层、表征层以及应用层)。例如，如果控制模块40、50接收到通信或者确定传感器网络10(图1)正在传输语音数据，则应认识到，可以利用由传输层定义的UDP。因此，如果电力线通信堆栈71已经被选择，则电力线通信堆栈71b被控制模块50选择。类似地，如果无线连接堆栈80已经被选择，则无线连接堆栈80b被控制模块50选择。
应认识到，控制模块40(图1)如控制模块50一样包含类似的控制逻辑以便选择网络堆栈配置70内的堆栈之一。然而，应认识到控制模块50可以实施用以协调各个相关传感器节点20的额外功能，例如网络形成和安全密钥管理。
总体参考附图，所公开的传感器网络10提供了一种混合网络，其包含无线连接和电力线通信以便进行通信。应认识到，电力线通信可以利用飞行器26内现有的AC或DC电力线，由此减少与硬连线连接相关的成本和重量。还应认识到，所公开的方案利用控制模块40、50内现有的硬件来选择特定的网络堆栈。最后，应认识到，飞行器电力***包含独特的要求，例如负荷和信号传播环境。因此，利用窄带电力线通信可能是特别有利的，其对位于飞行器上的其他***带来减少的干扰。
进一步地，本公开包括根据以下条款所述的实施例：
条款1.一种传感器网络(10)，其包括：
第一网络，其基于无线(32)通信协议；
第二网络，其基于电力线(38)通信协议；以及
至少一个传感器节点(20)，其与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信，所述至少一个传感器节点(20)包含至少一个传感器和与所述至少一个传感器通信的控制模块(40)，所述控制模块包含用于基于所述传感器网络(10)的至少一个工作参数选择所述第一网络和所述第二网络中的一个的控制逻辑。
条款2.根据条款1所述的传感器网络，其中所述控制模块(40)包含存储器(70)，并且其中网络堆栈配置被存储在所述控制模块(40)的所述存储器内。
条款3.根据条款2所述的传感器网络，其中所述网络堆栈配置包含基于所述无线通信协议的至少一个无线堆栈(80)和基于所述电力线通信协议的至少一个电力线堆栈(71)。
条款4.根据条款3所述的传感器网络，其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者都基于七层开放***互连(OSI)模型，并且其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者都包含多个层。
条款5.根据条款4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈(80)或所述至少一个电力线堆栈(71)中的所述多个层中的特定层是否不可用。
条款6.根据条款4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈或所述至少一个电力线堆栈(72)中的物理(PHY)层(82)是否不可用。
条款7.根据条款4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈(80)或所述至少一个电力线堆栈(71)中的较高级层。
条款8.根据条款1所述的传感器网络，其中所述无线通信协议基于电气与电子工程师协会(IEEE)802.15.4协议。
条款9.根据条款1所述的传感器网络，其中所述电力线通信协议是运行在约500kHz以下频带的窄带电力线通信。
条款10.根据条款1所述的传感器网络，其中所述电力线通信利用飞行器内现有的交流(AC)电力线和现有的直流(DC)电力线中的一种。
条款11.根据条款1所述的传感器网络，其包括与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信的数据集中器(22)，所述数据集中器(22)包含第二控制模块(50)。
条款12.根据条款11所述的传感器网络，其中所述第二控制模块(50)包含用于基于所述传感器网络的所述至少一个工作参数选择所述第一网络和所述第二网络中的一个的控制逻辑。
条款13.根据条款11所述的传感器网络，其中所述第二控制模块包含存储器，并且其中网络堆栈配置被保存在所述控制模块(50)的所述存储器(70)内。
条款14.一种选择飞行器(26)的传感器网络(10)内的第一网络和第二网络之一的方法，该方法包括：
通过控制模块(40)检测所述传感器网络的至少一个工作参数；以及
基于所述传感器网络的所述至少一个工作参数，通过所述控制模块(40)选择所述第一网络和所述第二网络中的一个，其中所述第一网络基于无线通信协议(32)，所述第二网络基于电力线通信协议(38)，并且所述控制模块是与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信的至少一个传感器节点(20)的一部分。
条款15.根据条款14所述的方法，其包括提供被保存在所述控制模块(40)的存储器(70)内的网络堆栈配置。
条款16.根据条款15所述的方法，其包括在所述网络堆栈配置内包含基于所述无线通信协议的至少一个无线堆栈(71)和基于所述电力线通信协议的至少一个电力线堆栈(80)。
条款17.根据条款16所述的方法，其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者都基于七层开放***互连(OSI)模型，并且其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者都包含多个层。
条款18.根据条款14所述的方法，其包括与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信的数据集中器(22)，所述数据集中器包含第二控制模块(50)。
条款19.根据条款18所述的方法，其包括通过所述第二控制模块(50)基于所述传感器网络的所述至少一个工作参数选择所述第一网络和所述第二网络中的一个。
条款20.根据条款18所述的方法，其包括将网络堆栈配置保存在所述控制模块(50)的存储器(70)内。
虽然本文描述的装置和方法的形式构成了本公开的优选方面，但应理解本公开不局限于这些精确形式的装置和方法，并且在不偏离本公开范围的情况下可以对这些精确形式的装置和方法做出改变。

Claims (15)

1.一种传感器网络(10)，其包括：
基于无线(32)通信协议的第一网络；
基于电力线(38)通信协议的第二网络；以及
至少一个传感器节点(20)，其与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信，所述至少一个传感器节点(20)包含至少一个传感器和与所述至少一个传感器通信的控制模块(40)，所述控制模块包含用于基于所述传感器网络(10)的至少一个工作参数选择所述第一网络和所述第二网络中的一个的控制逻辑。
2.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述控制模块(40)包含存储器(70)，并且其中网络堆栈配置被存储在所述控制模块(40)的所述存储器内。
3.根据权利要求2所述的传感器网络，其中所述网络堆栈配置包含基于所述无线通信协议的至少一个无线堆栈(80)和基于所述电力线通信协议的至少一个电力线堆栈(71)。
4.根据权利要求3所述的传感器网络，其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者都基于七层开放***互连(OSI)模型，并且其中所述至少一个无线堆栈和所述至少一个电力线堆栈两者中的每一个都包含多个层。
5.根据权利要求4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈(80)或所述至少一个电力线堆栈(71)的所述多个层中的特定层是否不可用。
6.根据权利要求4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈或所述至少一个电力线堆栈(72)的物理层即PHY层(82)是否不可用。
7.根据权利要求4所述的传感器网络，其中所述至少一个工作参数基于所述至少一个无线堆栈(80)或所述至少一个电力线堆栈(71)中的较高级层。
8.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述无线通信协议基于电气与电子工程师协会即IEEE802.15.4协议。
9.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述电力线通信协议是运行在约500kHz以下的频带的窄带电力线通信。
10.根据权利要求1所述的传感器网络，其中所述电力线通信利用飞行器内现有的交流电力线即AC电力线和现有的直流电力线即DC电力线中的一种。
11.根据权利要求1所述的传感器网络，其包括与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信的数据集中器(22)，所述数据集中器(22)包含第二控制模块(50)。
12.根据权利要求11所述的传感器网络，其中所述第二控制模块(50)包含用于基于所述传感器网络的所述至少一个工作参数选择所述第一网络和所述第二网络中的一个的控制逻辑。
13.根据权利要求11所述的传感器网络，其中所述第二控制模块包含存储器，并且其中网络堆栈配置被保存在所述控制模块(50)的所述存储器(70)内。
14.一种选择飞行器(26)的传感器网络(10)内的第一网络和第二网络中的一个的方法，该方法包括：
通过控制模块(40)检测所述传感器网络的至少一个工作参数；以及
基于所述传感器网络的所述至少一个工作参数，通过所述控制模块(40)选择所述第一网络和所述第二网络中的一个，其中所述第一网络基于无线通信协议(32)，所述第二网络基于电力线通信协议(38)，并且所述控制模块是与所述第一网络和所述第二网络中的一个通信的至少一个传感器节点(20)的一部分。
15.根据权利要求14所述的方法，其包括提供被保存在所述控制模块(40)的存储器(70)内的网络堆栈配置。
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