一种用于火灾检测的双天线无线传感器网络节点的制作方法
【专利摘要】本发明涉及无线传感器网络领域的一种用于火灾检测的双天线无线传感器网络节点。针对已有的无线传感器网络数据传输可靠性低的特点，提出了基于双天线技术的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点及相应的通信方法。采用这种新型的无线传感器网络节点，可以在相对于传统的无线传感器网络只增加少量硬件成本和能量消耗的条件下，提高无线传感器网络中信息传输的可靠性，同时可以提高火灾检测系统的灵活性和可扩展性，降低系统安装成本和维护成本，缩短施工周期。该发明适用于火灾检测的无线传感器网络。
【专利说明】—种用于火灾检测的双天线无线传感器网络节点
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线传感器网络领域的无线传感器网络节点，特别是涉及用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，属于无线通信【技术领域】。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络是指有大量无线传感器节点籍由无线通信的方式组成的信息传播网络，在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常广泛的应用，是当前国内外研究和应用的热点技术之一。而具有火灾检测功能、自动报警并自动灭火装置的消防系统已成为人民生产、生活顺利进行的重要保障。将无线传感器网络技术应用到火灾检测系统中，可以提高火灾检测系统的灵活性和可扩展性，降低系统安装成本和维护成本，缩短施工周期。
[0003]无线传感器网络节点需要完成信息采集、处理和传播的功能，同时要求成本低、功耗低。无线传感器节点一般由电池供电，在不更换电池的情况下要求能够工作数月至数年之久。我国发明专利CN101068174，CN101009623公开的传统的无线传感器节点包括信息采集模块、信息处理模块、无线通信模块和电源模块。如何在成本和功耗限制下，实现无线传感器网络中信息的可靠传输，是无线传感器网络需要解决的关键技术；同时，信息的可靠传输，也是火灾检测系统的重中之重。
[0004]提高无线传感器网络中信息传输的可靠性有多种途径。本发明设计的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，其中路由节点采用了双天线技术，可以在相对于传统的无线传感器网络节点只增加少量硬件成本和能量消耗的条件下，增大无线传感器网络节点的通信距离，提高无线传感器网络中信息传输的可靠性；而其感测节点，工作于单天线模式下，以节省能量消耗，并降低成本。
【发明内容】
[0005]技术问题:本发明针对当前无线传感器网络节点通信距离短，数据传输可靠性低，以至于难以应用于火灾检测系统中的特点，设计了用于火灾检测的新型无线传感器网络节点及相应的通信方法。其中用于火灾检测的新型无线传感器网络节点包括基于双天线技术的路由节点和基于单天线技术的感测节点。
[0006]技术方案:首先，在火灾检测无线传感器网络中的路由节点上配备双天线，在感测节点上配备单天线。其次，火灾检测无线传感器网络中的路由节点中采用了一种双天线空时分集方法来收发数据，同感测节点以及其他路由节点通信。一种双天线空时分集方法，该方法是这样实现的:
[0007]路由节点作为发送方时，将用户比特数据进行一系列映射、调制、扩频和空时编码等变换后，得到两路数字信号，每路信号都是全部用户数据信号的不同表现形式，该两路数字信号分别承载在发送方的天线甲和天线乙上，发射给接收方。
[0008]路由节点作为接收方时，分别对天线甲接收到的两路信号和天线乙接收到的两路信号进行一系列译码和变换后，得到最终的对原始数据的估计。
[0009]有益效果:该发明所组成的用于火灾检测的无线传感器网络，可以在相对于传统的无线传感器网络只增加少量硬件成本和能量消耗的条件下，提高无线传感器网络中信息传输的可靠性，同时可以提高火灾检测系统的灵活性和可扩展性，降低系统安装成本和维护成本，缩短施工周期。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为火灾检测无线传感器网络示意图。
[0011]图中101.感测节点，102.路由节点，103.监控终端，111.感测节点与路由节点的无线链路，112.路由节点与路由节点的无线链路，113.路由节点与监控终端的链路。
[0012]101感测节点监控特定区域，通过111感测节点与路由节点的无线链路，可以与102路由节点通信，102路由节点通过112路由节点与路由节点的无线链路，可以与其他路由节点通信，也可以通过113路由节点与监控终端的链路与103监控终端通信。
[0013]图2为路由节点结构示意图。
[0014]201.天线甲，202.天线乙，203.信息采集模块，204.信息处理模块，205.通信模块，206.电源模块，207.双天线空时分集发送模块，208.双天线空时分集接收模块，209.收发控制器，211.采集到的信息，212.数据比特信息B，213.译码比特信息§,215.发送的信道符号序列S’，216.接收的信道符号信息R。
[0015]当路由节点工作于发送状态时，203信息采集模块实时采集信息，211采集到的信息被送入204信息处理模块，204信息处理模块得到212数据比特信息B，并将B送入205通信模块中的207双天线空时分集发送模块，经过一系列编码、调制等变换后得到信道符号序列S’，S’被送入209收发控制器，继而被传至201天线甲和202天线乙。
[0016]当路由节点工作于接收状态时，201天线甲和202天线乙得到216接收的信道符号信息R，R被送入205通信模块中的208双天线空时分集接收模块，208双天线空时分集接受模块经过一系列解调、译码等变换后得到213译码比特信息B。
[0017]图3为双天线空时分集发送模块。
[0018]207.双天线空时分集发送模块，301.比特/符号映射器，302.扩频器，303.调制器，304.选择器甲，305.选择器乙，306.空时编码器，307.控制器甲；212用户比特信息B，312.符号序列W，313.码片序列C，314.信道符号序列S，315和316是空时编码器编得到的两路信道符号序列SI和S2，215.待发送的信道符号序列S’。
[0019]212比特序列B被比特/符号映射器301映射为312符号序列W，W被扩频器302扩频为313码片序列C，C被303调制器调制为314信道符号序列S，送入304选择器甲。控制器甲307根据通信对方即接收节点的类型来304选择器甲、305选择器乙、306空时编码器。
[0020]如果通信对方为感测节点，307控制器甲关闭306空时编码器，304选择器甲直接将S送入305选择器乙，305选择器乙将314作为215待发送的信道符号序列S’。
[0021] 如果通信对方为路由节点，304选择器甲将S送入306空时编码器，空时编码器将S编码为两路信道符号序列，即315信道符号序列SI和316信道符号序列S2，传送给305选择器乙，305选择器乙将315信道符号序列SI和316信道符号序列S2作为215待发送的信道符号序列S’。
[0022]图4为双天线空时分集接收模块。
[0023]208.双天线空时分集接收模块，401.选择器丙，402.选择器丁，403.控制器乙，404.空时译码器，405.最大比合并译码器，407.解调器，408.解扩频器，409.符号/比特映射器。216为接收到的信道符号序列216，411和412分别是本路由节点与其他路由节点通信时的两路接收信号Rl和R2，413和414分别是本路由节点与感测节点通信时的两路接收信号R1’和R2’，416.对信道符号序列S的估计S，417.对码片序列C的估计C，418.对符号序列W的估计W，213.对比特序列B的估计B。
[0024]控制器乙403根据通信对方即发送方的节点类型来控制401选择器丙、402选择器丁、304空时译码和305最大比合并译码器。
[0025]如果发送方为感测节点，403控制器乙打开405最大比合并译码器，关闭404空时译码器，并控制401选择器丙，将216接收到的信号R分为两路接收信号R1’和R2’，并将R1’和R2’送入405最大比合并译码器，405最大比合并译码器根据R1’和R2’两路信号得到对符号序列S的估计416S，送入402选择器丁，402选择器丁将416S送入407解调器。
[0026]如果发送方为路由节点，403控制器乙打开404空时译码器，关闭405最大比合并译码器，并控制401选择器丙，将216接收到的信号R分为两路接收信号Rl和R2，并将Rl和R2送入404空时译码器，404空时译码器根据Rl和R2两路信号得到对符号序列S的估计416S，送入402选择器丁，402选择器丁将416S送入407解调器
[0027]407解调器根据416S得到对码片序列C的估计417C，送入408解扩频器；408解扩频器根据417C得到对符号序列W的估计418W，送入409符号/比特映射器；409符号/比特映射器根据W得到对比特序列B的估计213B，完成译码。
【具体实施方式】
[0028]本发明中的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，采用了双天线和双天线空时分集方法。
[0029]火灾检测无线传感器网络如图1所示。其中101感测节点实时监控特定区域，101感测节点通过111感测节点与路由节点的无线链路，与102路由节点通信；102路由节点通过112路由节点与路由节点的无线链路，可以与其他路由节点通信，也可以通过113路由节点与监控终端的链路与103监控终端通信。通过多条无线通信，101感测节点可以将监控数据发送给103监控终端，而103监控也可以将监控数据发送给101感测节点。
[0030]图1中的102路由节点其具体结构如图2所示。包括两条天线:201天线甲和202天线乙，203信息采集模块，204信息处理模块，205通信模块，206电源模块；通信模块又包括207双天线空时分集发送模块和208双天线空时分集接收模块和209收发控制器。
[0031]当路由节点工作于发送状态时，203信息采集模块实时采集信息，211采集到的信息被送入204信息处理模块，204信息处理模块得到212数据比特信息B，并将B送入205通信模块中的207双天线空时分集发送模块，经过一系列编码、调制等变换后得到信道符号序列S’，S’被送入209收发控制器，继而被传至201天线甲和202天线乙。
[0032]当路由节点工作于接收状态时，201天线甲和202天线乙得到216接收的信道符号信息R，R被送入205通信模块中的208双天线空时分集接收模块，208双天线空时分集接受模块对信号的恢复用其在不同时间和空间的传播形式，抵消部分无限衰落信道的影响，从而获得空时分集增益，提高系统的性能。经过一系列解调、译码等变换后得到213译码比特信息B。
[0033]205通信模块中的207双天线空时分集发送模块其结构如图3所示。包括:301比特/符号映射器，302扩频器，303调制器，304选择器甲，305选择器乙，306空时编码器，307控制器甲。
[0034]承载有用户信息的212比特序列B被比特/符号映射器301映射为312符号序列W。每N(N为大于O的整数)个比特被映射为一个2N进制符号。本发明推荐的映射方法为每4个比特映射为一个16进制符号。W又被扩频器302使用伪随机正交码扩频为313码片序列C。根据具体的通信要求，可以使用不同长度的伪随机正交码扩频。本发明推荐的扩频码为含有32个码片的伪随机正交码。C被303调制器调制为314信道符号序列S，送入304选择器甲。调制方法为每M个码片映射为一个2"进制符号，然后通过相位调制方法得到信道符号。本发明推荐的映射方法为每2个码片映射为一个4进制符号，并使用四相移相键控调制方法得到信道符号。
[0035]控制器甲307根据通信对方即接收节点的类型来304选择器甲、305选择器乙、306空时编码器。
[0036]如果通信对方为感测节点，307控制器甲关闭306空时编码器，304选择器甲直接将S送入305选择器乙，305选择器乙将314作为215待发送的信道符号序列S’。
[0037]如果通信对方为路由节点，304选择器甲将S送入306空时编码器，空时编码器将S编码为两路信道符号序列，即315信道符号序列SI和316信道符号序列S2，传送给305选择器乙，305选择器乙将315信道符号序列SI和316信道符号序列S2作为215待发送的信道符号序列S’。空时编码器将S通过如下方法编码为两路信道符号序列SI和S2:
[0038]空时编码器在每一次编码操作中取连续的两个信道符号Xl和x2，作为一个分组进行编码。将[xl，x2]编码为两个分组，分别是[xl，-x2l，[x2，xf]。其中xf是xl的复共轭，-x2*是x2的复共轭取负。[xl，-x2*]和[x2，xl*]分别对应215信道符号序列SI和216信道符号序列S2中的连续的两个信道符号。207控制器甲控制205选择器乙，将215信道符号序列SI和216信道符号序列S2送入101发射天线甲和102发射天线乙，继而发射到无线信道中。其发射时，在第一个发射周期，信号xl和x2分别从发射天线甲和发射天线乙发射；在第二个发射周期，信号-x2*和xl*分别从发射天线甲和发射天线乙发射。
[0039]205通信模块中的208双天线控释分集接收模块其结构如图4所示。包括:401选择器丙，402选择器丁，403控制器乙，404空时译码器，405最大比合并译码器，407解调器，408解扩频器，409符号/比特映射器。
[0040]控制器乙403根据通信对方即发送方的节点类型来控制401选择器丙、402选择器丁、304空时译码和305最大比合并译码器。
[0041]如果发送方为感测节点，、403控制器乙打开405最大比合并译码器，关闭404空时译码器，并控制401选择器丙，将216接收到的信号R分为两路接收信号R1’和R2’，并将R1’和R2’送入405最大比合并译码器，405最大比合并译码器根据R1’和R2’两路信号得到对符号序列S的估计416S，送入402选择器丁，402选择器丁将416S送入407解调器。
[0042]如果发送方为路由节点，403控制器乙打开404空时译码器，关闭405最大比合并译码器，并控制401选择器丙，将216接收到的信号R分为两路接收信号Rl和R2，并将Rl和R2送入404空时译码器，404空时译码器根据Rl和R2两路信号通过以下方法得到对符号序列S的估计416S:
[0043]空时译码器在每一次译码操作中，从Rl中连续取两个接收到的信道符号rll和rl2，从R2中连续取两个接收到的信道符号r21和r22，作为一个分组进行译码。设发射天线甲到接收天线甲的衰落系数为hi I，其复共轭为hi f ;设发射天线甲到接收天线乙的衰落系数为hl2，其复共轭为hl2* ;设发射天线乙到接收天线甲的衰落系数为h21，其复共轭为h21* ;设发射天线乙到接收天线乙的衰落系数为h22，其复共轭为h22'
[0044]对发射的两个信道符号xl，x2的估计h和采用方法，其中Si和都在信道符号集中取值:
[0045]xl =arg min d2(xl, hll*Xrll + h21*Xrll* + hl2*Xr21 + h22*Xr21*)
[0046]x2=arg minh21*Xrl2 - hll*Xrl2* + h22*Xr21 - hl2*Xr22*)
[0047]404空时译码器将416S送入402选择器丁，402选择器丁将416S送入407解调器
[0048]407解调器根据416S得到对码片序列C的估计417C，送入408解扩频器；408解扩频器根据417C得到对符号序列W的估计418W，送入409符号/比特映射器；409符号/比特映射器根据W得到对比特序列B的估计213B，完成译码。
【权利要求】
1.一种用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，其特征是:无线传感器网络节点中的路由节点采用了双天线和双天线空时分集方法，无线传感器网络节点中的感测节点采用了单天线。
2.根据权利要求1所述的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，其特征还在于:路由节点与路由节点通信时，双天线空时分集方法中的发送方法的步骤为包括: a)将比特数据映射为多进制符号； b)将多进制符号扩频为伪随机正交码码片序列； c)用相移相键控调制方法将伪随机正交码码片序列调制为信道符号序列； d)对信道符号序列进行空时编码； e)空时编码后的信道符号序列通过双天线发送入无线信道。
3.根据权利要求1所述的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，其特征还在于:路由节点与路由节点通信时，双天线空时分集方法中的接收方法的步骤为包括: a)通过双天线得到两路接收信号； b)对两路接收信号序列进行空时译码； c)将译码得到的信道符号序列解调为码片序列； d)对码片序列解扩频为多进制符号序列； e)将符号序列映射为比特序列，完成译码。
4.根据权利要求1所述的用于火灾检测的新型无线传感器网络节点，其特征还在于:路由节点与感测节点通信时，双天线空时分集方法中的接收方法的步骤为包括: a)通过双天线得到两路接收信号； b)对两路接收信号序列进行最大比合并译码； c)将译码得到的信道符号序列解调为码片序列； d)对码片序列解扩频为多进制符号序列； e)将符号序列映射为比特序列，完成译码。
5.根据权利要求1，2，3，4所述的基于双天线技术的无线传感器网络节点，其特征还在于:用于火灾检测的无线传感器网络，采用用于火灾检测的新型无线传感器网络节点。
【文档编号】H04L1/06GK104052571SQ201310090471
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】易卫东, 杨扬 申请人:中国科学院大学