多速率抗干擾自適應無線通信平臺及其決策方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通信技術領域，尤其是自適應切換通信方式。
【背景技術】
[0002]隨著無線網絡技術的逐漸發展，無論是在工控場合的應用條件下，還是在普通的生活應用中，中短距離的無線傳輸都受到非常密切的關注。中短距離無線局域網具有設備簡單、自組網、高可靠、低成本等特點，并且逐漸的應用到各個領域。目前中短距離無線通信技術主要包括:無線保真(WiFi)、短距離無線通信技術(Zigbee)、特高頻(UHF)技術等。單一的通信技術無法滿足多動態，自適應，多速率可調，以及抗干擾的要求。因此本發明提出的多速率抗干擾自適應通信平臺將無線保真(WiFi)、短距離無線通信技術(Zigbee)和特高頻(UHF)三種無線通信技術融合在一起，通過評估信道情況和應用需求的變化自適應的切換通信方式，進而實現無線網絡性能的魯棒性和最優化。下面對三種無線通信技術的特點和應用場合進行分析。
[0003]Zigbee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議，其低速率、低功耗、低成本等特性成為了無線傳感器網絡的主要支撐技術。Zigbee作為一種新興的短距離無線通信技術，正推動著低速率無線個人局域網絡的發展。
[0004]WiFi技術主要基于IEEE 802.11系列標準，是一種可以將個人電腦、手持設備(如平板、手機)等終端以無線方式互相連接的技術。與Zigbee技術的低速率、低功耗等特性不同，WiFi技術具有高速率、高可靠、低延時等特點。
[0005]特高頻(UHF)則是指使用頻段為300?3000MHz特高頻的無線通信技術，具有穩定性高，輻射能力強的特點。并且UHF通信技術終端實用性強，可以利用簡易的硬件或硬件接口進行快速通信。相對于Zigbee和Wifi無線傳輸技術，具有低速率，穿透性強，傳輸距離遠的特點，可用于中短距離的無線傳輸。
[0006]無線保真(WiFi)具有高速的數據傳輸速率，支持多用戶接入。但是工作頻段在全球免申請2.4Ghz ISM(工業、科學和醫用頻段)頻道，頻段較高，干擾強，傳播路徑的損耗大，傳輸距離近，且無法支持多跳傳輸。其次Wifi無線傳輸技術的功耗大，不支持對能量敏感的無線傳感器網絡。Zigbee具有低功耗、支持無線自組網、兼容多跳傳輸模式等特點。但是Zigbee的數據傳輸速率低，多跳傳輸會導致數據傳輸的時延較大，無法滿足實時數據交互的應用。UHF輻射能力強，穿透力好，在障礙物較多的室內環境，傳輸距離遠。在室外環境下，對于1Km以內的直視距離可以單跳傳輸數據，減小了數據傳輸的時延。
【發明內容】
[0007]為了克服現有無線通信技術中單一通信方式的應用范圍窄，數據傳輸速率不可調，無法動態切換頻段抗干擾，以及低功耗節能的特點，分析發現將上述三種無線通信技術融合在一起，通過自適應算法實現多種無線通信技術的切換。無線通信平臺的主控芯片選用現場可編程門陣列FPGA實現自適應切換通信方式算法。FPGA芯片內的數字邏輯主要通過采集應用條件，數據時延要求，無線信道干擾情況，以及平臺能量等信息，動態的分析判決，最終實現三種無線通信方式的切換。
[0008]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0009]多速率抗干擾自適應無線通信平臺的硬件系統主要包括:控制單元1、無線傳輸單元2以及傳感器單元3三部分組成；控制單元I主要由現場可編程門陣列FPGA組成，負責通信模式的判決和切換以及通信協議的實現；無線傳輸單元2由UHF無線模塊21，Wifi無線模塊22以及Zigbee無線模塊23組成，負責平臺的無線傳輸數據；傳感器單元3主要由溫濕度傳感器31，圖像傳感器32以及加速度傳感器33組成，負責采集平臺周圍的環境和圖像信息；
[0010]所述的控制單元I作為平臺的調度和控制中心，無線傳輸單元2和傳感器單元3通過電氣接口和控制單元I相連接，作為外設，完成固定功能；
[0011]所述的無線傳輸單元2由UHF無線模塊21，Wifi無線模塊22以及Zigbee無線模塊23組成，三個無線模塊通過集成電路總線IIC、同步串行外設接口 SP1、通用串行總線USB、異步串口接口 RS232與控制單元I的FPGA相連；
[0012]所述的傳感器單元3主要由濕度傳感器31，圖像傳感器32以及GPS全球定位系統傳感器33組成；當無線通信平臺上電后，濕度傳感器31，圖像傳感器32以及全球定位系統GPS傳感器33完成初始化，等待FPGA控制信號；當控制單元IFPGA通過集成電路總線IIC、同步串行外設接口 SP1、通用串行總線USB、異步串口接口 RS232通信接口發送請求數據的命令后，傳感器讀取相應指令，將采集的溫濕度數據、地理坐標信息通過上述通信接口傳送給控制單元I的FPGA，FPGA將相應的數據保存在內存中；
[0013]所述FPGA切換選擇無線保真WiF1、短距離無線通信Zigbee、特高頻UHF三種無線通信方式，然后將無線通信模塊的使能信號拉高，通過通用的數據傳輸協議將數據包發送給無線傳輸模塊，無線傳輸模塊將接收的數據包緩存在本地的內存中，然后通過無線鏈路發送出去，當數據發送完畢，返回數據傳輸結束信號給FPGA ;數字信號的傳輸是由FPGA將選擇發射的控制指令或者傳感器獲取的數據傳遞給上述三種無線傳輸模塊，然后無線模塊緩存數據，通過調制，將數據通過無線信道發射出去。
[0014]本發明還提供涉及控制單元I進行決策和分析的方法。
[0015]本發明所述的控制單元I負責整個無線通信平臺的任務調度，通信協議實現，數據分析處理，以及通信方式切換的功能，具體實現步驟為:
[0016]步驟1:整個無線通信平臺上電初始化參數或設置完定時任務后進入休眠狀態；
[0017]步驟2:當有數據請求到達或者定時任務時間到達，控制單元I的FPGA內部邏輯自動喚醒，進行數據任務的傳輸；
[0018]步驟3:控制單元I完成無線傳感器數據采集任務；
[0019]步驟4:控制單元I在進行無線數據傳輸前，先進行動態決策，選擇最優化的無線通信方式完成切換；
[0020]所述的動態決策和選擇最優化的具體判斷方法為:
[0021]步驟4.1:控制單元I的FPGA先分析和計算與相鄰通信節點的傳輸距離，通信距離參數通過獲取自身與通信節點的地理坐標計算得到，外部節點發送數據包或者指令時主動攜帶自身的地理坐標，無線通信平臺將接收到的含有鄰節點地理坐標的信息存儲在本地內存中，所述鄰節點是指距離本節點只有單跳傳輸距離的節點；
[0022]步驟4.2:當無線通信平臺與鄰節點的傳輸距離大于Ikm時，控制單元I選擇UHF21無線通信方式，將UHF21無線通信模塊使能后，退出決策判斷過程，開始通信數據傳輸；
[0023]步驟4.3:當通信距離在10m?100m的距離以內，并且2.4Ghz的信道不存在干擾時，打開Zigbee23的射頻放大器，使能選用Zigbee23無線通信方式后，退出決策判斷過程，開始通信數據傳輸；
[0024]步驟4.4:如果2.4Ghz頻段內存在較大的信道衰落或者人為的干擾，使能選擇433Mhz的UHF21無線通信方式后，退出決策判斷過程，開始通信數據傳輸；
[0025]步驟4.5:如果傳輸距離在10m以內，數據傳輸時延要求小，數據任務量大，采用Wifi22進行數據傳輸，退出決策判斷過程，開