專利名稱:一種提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法
技術領域:
本發明涉及網絡傳輸領域,尤其涉及工業無線傳感器網絡領域。
背景技術:
工業無線傳感器網絡技術是繼現場總線技術之后,工業控制領域 的一個熱點技術,是降低工業測控系統成本,提高工業測控系統應用 范圍和可靠性的革命性技術,是未來幾年工業自動化產品新的增長 點。
無線傳感器網絡是由部署在監測區域內大量的具有感知、計算處 理和無線通信能力的廉價小型傳感器節點組成。每個節點通過傳感器 或控制參數實現與環境的交互,然后通過網絡互聯來完成一定的任 務。在無線傳感器網絡中,每個傳感器節點可以協作感知、采集和處 理網絡覆蓋范圍之內的地理區域中感知對象的信息,并發布給觀察 者。
在工業環境中,無線傳感器網絡應用的主要特點有
(1) 網絡的大少見模性;無線傳感器網絡在工業環境中應用的大 規模性包括兩個方面的含義 一方面是傳感器節點分布在很大的地理 區域內;另一個方面,傳感器節點部署^f艮密集。
(2) 網絡的自組織性;在無線傳感器網絡現有的一些應用中, 節點在通常情況下都是被放置在沒有基礎結構的地方,這就要求無線 傳感器網絡具有自組織性,能夠自行配置管理。
(3) 工業環境應用中對無線傳感器網絡有特殊要求,如實時數 據采集,動作行為控制執行等,這些數據傳輸網絡是不允許出現故障 的, 一旦出現故障,那將帶來巨大的經濟損失或災難性的后果。
在網絡中,設計的環節非常多,如通訊設備,數據處理設備等, 這些都有可能出現問題,任何一個環節出現問題,都會導致整個網絡 數據傳輸的可靠性降低,所以一般的解決方案就是提供冗余網絡,對于較重要的網絡設備(如關鍵節點或路由器),可以通過備份來實現 網絡的冗余,確保網絡的暢通。工業環境應用中無線傳感器網絡的冗 余是為了提高實時性和穩定性,無線傳感器網絡節點能量和通信范圍 有限,很容易發生節點失效。在這種情況下,有些采樣數據就有可能 沒法傳遞至觀察設備。因此在無線傳感器網絡中加入冗余方案,意義 十分重大,可以大大提高工業無線傳感器網絡的穩定性,實時性和整 個網絡的生存期。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是,在工業環境應用中,無線傳感器 網絡進行實時數據采集、動作行為控制等操作的過程中出現故障而導 致整個網絡數據傳輸的可靠性降低,無線傳感器網絡節點能量和通信 范圍有限,很容易發生節點失效,而使得有些釆樣數據可能沒法傳遞 至觀察設備的問題,
為解決上述問題,本發明提供了一種提高工業無線傳感器網絡可
靠性的方法,該方法包括以下步驟
在傳感器終端節點安裝多個無線網卡,用于終端節點的網卡冗 余;終端節點所配備的冗余網卡數量,是由無線傳感器網絡終端在網 絡中所傳輸的數據的權重決定,該終端上傳輸數據的權重越大,分配 的冗余網卡的數量越多;
對終端節點的所有網卡依次進行初始化設置和初始生成該終端 節點的網卡通信質量隊列,所述網卡通信質量隊列中,通信質量最好 的網卡指定為當前主工作網卡,其余的網卡作為該節點的備份工作網 卡;
定時更新終端節點網卡通信質量隊列,并才艮據網卡通信質量隊列 進行網卡切換,用于選擇通信質量最好的網卡進行數據傳輸;
在終端節點網卡通信質量隊列更新的間隔期內,如果當前主工作 網卡通信不正常,則按照網卡通信質量隊列中通信質量由高到低的順 序切換到備份工作網卡進行數據重發,直到數據發送成功。進一步地,對終端節點進行初始化設置包括如下步驟
所述終端節點檢測無線網卡,4姿其端口地址分配基地址和注冊中 斷向量,識別網卡型號,并初始化該網卡的MAC控制器,PHY控制器;
該無線網卡向無線網卡接入基站注冊本網卡信息,無線網卡基站 向該無線網卡返回應答信息,終端才艮據所述返回應答信息計算并記錄 該無線網卡通信鏈路的誤碼率;
重復執行上述步驟,直到該終端節點上所有無線網卡初始化完
畢;
終端節點根據記錄的無線網卡誤碼率數據進行信道通信質量的 排序,形成終端無線網卡通信質量隊列;
指定所述網卡通信質量隊列中通信質量最好的網卡為主工作網 卡,其余的網卡作為備份工作網卡。
作為優化,所述定時更新終端節點網卡通信質量隊列,并根據網 卡通信質量隊列進行網卡切換的具體方式為
所述終端系統設有心跳定時觸發器,當心跳信號定時觸發器定時 溢出后,終端系統按照終端無線網卡通信質量隊列中的順序依次選擇 其隊列中的網卡進行心跳測試,以便得到各網卡的通信鏈路質量信 息,所述心跳測試即終端系統通過網卡向接入基站(s i nk )發出心跳 信號;心跳信號由一組收發雙發都已知的數據序列構成,當心跳序列 由終端無線網卡通信質量隊列中的某一塊網卡發送到無線網卡接入 基站(sink)之后,即等待應答信號(ACK),若在規定的時限及重傳 次數限制下該網卡還未能收到有效的應答信號,即把當前測試的無線 網卡放入終端無線網卡通信質量隊列隊尾,并標記為故障網卡;若該 網卡及時收到應答信號,即根據收到的應答信號進行誤碼率計算評 估,并根據誤碼率獲得當前無線網卡通信鏈路質量,根據此網卡通信 鏈路質量值的大小插入終端無線網卡通信質量隊列中的適當位置;誤 碼率越小,鏈路通信質量越好,則該網卡在通信質量隊列排列位置越 靠前。并且終端根據隊列中的網卡通信質量排序及時將當前主工作網 卡切換到通信質量最好的無線網卡上去。當該終端所有無線網卡都經過心跳輪詢之后,即按照預先設定的心跳定時觸發器延時準備下一次 心跳測試。
作為進一步的優化,在無線傳感器網絡通信協議中的數據鏈路層 設置信道切換層和鏈路狀態監測層兩個子層,所述鏈路狀態監測層與 物理層通訊,所述信道切換層與網絡層通訊,
在終端節點與接入基站進行心跳測試中,鏈路狀態監測層測量無
線網卡的通信鏈路的誤碼率(BER),將通信鏈路質量情況提供給信道 切換層;
信道切換層收到所述鏈路狀態監測層測量的通信鏈路的誤碼率 (BER),更新無線網卡通信質量隊列;完成更新后,將當前通信鏈路 隊列頂部網卡的設備號提供給無線網卡驅動程序,無線網卡驅動程序 將該頂部網卡設置為主工作網卡。
本發明所提供的提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法,在工業 無線傳感器網絡的終端節點處依據所傳輸數據的權重分配冗余無線 網卡,建立節點網卡通信質量隊列,并且采用心跳測試定時監測通信 質量,及時更新節點網卡通信質量隊列,選擇隊列中通信質量最好的 網卡作為主工作網卡,提高關4定數據網絡傳輸的實時性和可靠性;通 過在無線傳感器網絡數據鏈路層增加信道切換層與無線鏈路監測層 兩個子層的方式,實現無線網卡的無縫實時切換,減少數據傳輸由于 切換網卡所帶來的延遲,提高工業無線傳感器網絡的穩定性,實時性 和整個網絡的生存期。
圖1為本發明終端節點的初始化設置流程圖。 圖2為本發明終端節點與接入基站的通信過程流程圖。 圖3為本發明基于終端節點多網卡的網卡及信道切換流程圖。 圖4為本發明無線傳感器網絡協議層次模型示意圖。 圖5為數據鏈路層的鏈路狀態監測層、信道切換層結構及數據流 示意圖。
具體實施例方式
下面通過附圖和實施例,對本發明實施例的技術方案做進一步的
詳細描述。
如圖1所示為本發明終端節點的初始化設置流程圖,具體包括如
下步驟
步驟101,運行終端網卡驅動程序,目的在于依次對注冊于系 統的無線網卡按照其端口地址進行初始化設置; 步驟102,設置變量N,賦初值為1; 步驟103,選擇第N塊網卡;
步驟104,設置該無線網卡的基地址和在系統中注冊的中斷向
量;
步驟105,初始化無線網卡N:對該無線網卡按照其型號,對 其MAC控制器,PHY控制器進行初始化設置;
步驟106,測試無線網卡N的信道質量,具體操作如圖2所示 的步驟201至204:
步驟201,選擇已初始化設置完畢的網卡N;
步驟202,向無線網卡接入基站(sink)發送一心跳信息,其 目的在于 一方面向無線網卡接入點注冊本網卡信息,另一方面按照 從無線網卡接入基站返回的ACK應答信息,計算并記錄當前無線網卡 通信鏈路的誤碼率,為其后主工作網卡的選^^做準備;
步驟203,根據是否收到ACK應答信息執行相應程序是,則 執行下一步操作;否,則執行步驟201;
步驟204,計算并記錄當前無線網卡通信鏈路的誤碼率;
步驟107,判斷是否所有無線網卡都已經完成初始化設置是, 所有網卡都已完成初始化設置,則執行步驟108;否,則變量N + 1, 選擇下一塊無線網卡執行步驟103;
步驟108,當該終端節點上所分配的無線網卡依次初始化完畢, 并得到其信道通信鏈路的誤碼率之后,即根據測得的誤碼率數據對所有網卡的信道通信質量的進行判斷比較;
步驟109,根據誤碼率數據比較所有網卡的信道通信質量,選 擇其中信號質量最好的一路作為當前工作的主網卡使用,其余無線網 卡按照其測得的信號質量的好壞,在終端無線網卡通信質量隊列中重 新排序,作為當前主工作網卡的備份工作網卡。
如圖2所示為本發明終端節點與接入基站的通信過程流程圖,具 體包括如下步驟
步驟201,心跳信號定時器到時后,終端系統按照終端無線網 卡通信質量隊列依次選擇其中的網卡N;
步驟202,向無線網卡接入基站(sink)發送一心跳信息,其 目的在于 一方面向無線網卡接入基站注冊本網卡信息,另一方面按 照從無線網卡接入基站返回的ACK應答信息,計算并記錄當前無線網 卡通信鏈路的誤碼率,為其后主工作網卡的選擇做準備;
步驟203,根據是否收到ACK應答信息執行相應程序是,則 執行步驟204的操作;否,則執行步驟201,如果在規定的時限及重 傳次數限制下還未能收到應答信號,即把當前無線網卡放入終端無線 網卡通信質量隊列隊尾,并標記為故障網卡;
步驟204,計算并記錄當前無線網卡通信鏈路的誤碼率,據此 插入終端無線網卡通信質量隊列中的適當位置;
步驟205,判斷是否所有冗余網卡都經過了心跳測試是,則 執行下步驟206的操作;否,則變量N + 1,選擇下一塊無線網卡執 行步驟201;
步驟:206,根據測得的誤碼率數據進行信道通信質量的判斷, 將通信鏈路切換到信號質量最好的一路上,使其作為當前工作的主網 卡使用,其余無線網卡按照其測得的信號質量的好壞,在終端無線網 卡通信質量隊列中重新排序,作為當前主工作網卡的備^f分工作網卡;
步驟207,根據是否有數據發送的情況選擇具體操作方式是, 則執行步驟208的操作;否,等待下一輪終端無線網卡通信鏈路質量 檢測,從第一塊網卡開始執行步驟201;步驟208,有數據需要發送時,發送數據。
圖3所示為本發明基于終端節點多網卡的網卡及信道切換流程 圖,具體包括如下步驟
步驟401,數據包發送到數據鏈路層時,查看無線網卡通信鏈 路監測的情況;
步驟402,根據無線網卡通信鏈路監測情況,在無線網卡通信 質量隊列中選擇通信質量最好的網卡和信道進行數據傳輸,無線網卡 的通信質量由心跳測試結果得出;
步驟403,在數據傳輸過程中,根據鏈路故障出現與否,選擇 具體操作.'發生網卡鏈路故障,則立即在無線網卡通信質量隊列中選 擇下一組網卡進行替換通信,執行下一步操作;沒有發生鏈路故障, 則執行下一步操作;
步驟404,根據是否有數據信息需要發送的請求,選擇具體操 作是,則執行步驟405;否,則執行步驟401;
步驟405,發送待發送的凄t據信息;
步驟406,根據是否收到ACK應答信息,選擇具體操作是, 表示數據已經發送成功,結束操作;否,則重新發送數據信息,如果 已經超過重傳次數,則結束操作。
圖4所示為無線傳感器網絡協議層次模型示意圖,在傳統的無線 傳感器網絡通信協議中的數據鏈路層中包括了信道切換層和鏈路狀 態監測層子層。結合圖5所示數據鏈路層內部的鏈路狀態監測層、信 道切換層結構及數據流示意圖,鏈路狀態監測層與物理層通訊。在終 端節點與接入基站進行心跳測試中,鏈路狀態監測層測量無線網卡的
通信鏈路的誤碼率(BER),將通信鏈路質量情況提供給信道切換層; 信道切換層收到所述鏈路狀態監測層測量的通信鏈路的誤碼率 (BER),更新無線網卡通信質量隊列;完成更新后,將當前通信鏈路 隊列頂部網卡的設備號提供給無線網卡驅動程序,無線網卡驅動程序 將該頂部網卡設置為主工作網卡。
權利要求
1、一種提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法,其特征在于該方法包括以下步驟在傳感器終端節點安裝多個無線網卡,用于終端節點的網卡冗余;終端節點所配備的冗余網卡數量,是由無線傳感器網絡終端在網絡中所傳輸的數據的權重決定,該終端上傳輸數據的權重越大,分配的冗余網卡的數量越多;對終端節點進行初始化設置,包括初始化網卡和初始化該終端節點網卡通信質量隊列,并指定所述網卡通信質量隊列中通信質量最好的網卡為主工作網卡,其余的網卡作為備份工作網卡;定時更新終端節點網卡通信質量隊列,并根據網卡通信質量隊列進行網卡切換,用于選擇通信質量最好的網卡進行數據傳輸;在終端節點網卡通信質量隊列更新的間隔期內,如果當前主工作網卡通信不正常,則按照網卡通信質量隊列中通信質量由高到低的順序切換到備份工作網卡進行數據重發,直到數據發送成功。
2 、如權利要求1所述的提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法, 其特征還在于,對終端節點進行初始化設置包括如下步驟所述終端節點檢測無線網卡,按其端口地址分配基地址和注冊 中斷向量,識別網卡型號,并初始化該網卡的MAC控制器,PHY控制 器;該無線網卡向無線網卡接入基站注冊本網卡信息,無線網卡基 站向該無線網卡返回應答信息,終端根據所述返回應答信息計算并 記錄該無線網卡通信鏈路的誤碼率;重復執行上述步驟,直到該終端節點上所有無線網卡初始化完畢;終端節點根據記錄的無線網卡誤碼率數據進行信道通信質量的 排序,形成終端無線網卡通信質壹隊列;指定所述網卡通信質量隊列中通信質量最好的網卡為主工作網 卡,其余的網卡作為備份工作網卡。
3、 如權利要求l所述的提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法,其 特征還在于,所述定時更新終端節點網卡通信質量隊列,并根據網 卡通信質量隊列進行網卡切換的具體方式為所述終端節點設有心跳定時觸發器,當心跳信號定時觸發器定 時溢出后,終端系統按照終端無線網卡通信質量隊列中的順序依次 選擇其隊列中的網卡進行心跳測試,以便得到各網卡的通信鏈路質量信息,所述心跳測試即終端系統通過網卡向接入基站發出心跳信 號;心跳信號由一組收發雙發都已知的數據序列構成,當心跳序列 由終端無線網卡通信質量隊列中的某一塊網卡發送到無線網卡接入 基站之后,即等待應答信號,若在規定的時限及重傳次數限制下該 網卡還未能收到有效的應答信號,即把當前測試的無線網卡放入終 端無線網卡通信質量隊列隊尾,并標記為故障網卡;若該網卡及時 收到應答信號,即根據收到的應答信號進行誤碼率計算評估,并根 據誤碼率獲得當前無線網卡通信鏈路質量,根據此網卡通信鏈路質 量值的大小插入終端無線網卡通信質量隊列中的適當位置;誤碼率 越小,鏈路通信質量越好,則該網卡在通信質量隊列排列位置越靠 前。并且終端根據隊列中的網卡通信質量排序及時將當前主工作網 卡切換到通信質量最好的無線網卡上去。當該終端所有無線網卡都 經過心跳輪詢之后,即按照預先設定的心跳定時觸發器延時準備下 一次心3兆測試。
4、 如權利要求3所述的提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法,其 特征還在于,在無線傳感器網絡通信協議中的數據鏈路層設置信道 切換層和鏈路狀態監測層兩個子層,所述鏈路狀態監測層與物理層 通訊,所述信道切換層與網絡層通訊,在終端節點與接入基站進行心跳測試中,鏈路狀態監測層測量無線網卡的通信鏈路的誤碼率,將通信鏈路質量情況提供給信道切 換層;信道切換層收到所述鏈路狀態監測層測量的通信鏈路的誤碼 率,更新無線網卡通信質量隊列;完成更新后,將當前通信鏈路隊列頂部網卡的設備號提供給無線網卡驅動程序,無線網卡驅動程序 將該頂部網卡設置為主工作網卡。
全文摘要
本發明涉及工業無線傳感器網絡領域,它提供一種提高工業無線傳感器網絡可靠性的方法,該方法包括在傳感器終端節點安裝多個無線網卡;對終端節點的所有網卡依次進行初始化設置和初始生成該終端節點的網卡通信質量隊列,所述網卡通信質量隊列中,通信質量最好的網卡指定為當前主工作網卡,其余的網卡作為該節點的備份工作網卡;定時更新終端節點網卡通信質量隊列,并根據網卡通信質量隊列進行網卡切換,用于選擇通信質量最好的網卡進行數據傳輸;在終端節點網卡通信質量隊列更新的間隔期內,如果當前主工作網卡通信不正常,則按照網卡通信質量隊列中通信質量由高到低的順序切換到備份工作網卡進行數據重發,直到數據發送成功。該方法提高了工業無線傳感器網絡數據傳輸的可靠性,降低控制系統的造價,特別適合環境惡劣的工業控制現場。
文檔編號H04L1/22GK101309135SQ20081004701
公開日2008年11月19日 申請日期2008年3月7日 優先權日2008年3月7日
發明者懌 王, 王芙蓉, 王銀鋒, 海 胡 申請人:華中科技大學