多速率抗干扰自适应无线通信平台及其决策方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及无线通信技术领域，尤其是自适应切换通信方式。
【背景技术】
[0002]随着无线网络技术的逐渐发展，无论是在工控场合的应用条件下，还是在普通的生活应用中，中短距离的无线传输都受到非常密切的关注。中短距离无线局域网具有设备简单、自组网、高可靠、低成本等特点，并且逐渐的应用到各个领域。目前中短距离无线通信技术主要包括:无线保真(WiFi)、短距离无线通信技术(Zigbee)、特高频(UHF)技术等。单一的通信技术无法满足多动态，自适应，多速率可调，以及抗干扰的要求。因此本发明提出的多速率抗干扰自适应通信平台将无线保真(WiFi)、短距离无线通信技术(Zigbee)和特高频(UHF)三种无线通信技术融合在一起，通过评估信道情况和应用需求的变化自适应的切换通信方式，进而实现无线网络性能的鲁棒性和最优化。下面对三种无线通信技术的特点和应用场合进行分析。
[0003]Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，其低速率、低功耗、低成本等特性成为了无线传感器网络的主要支撑技术。Zigbee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正推动着低速率无线个人局域网络的发展。
[0004]WiFi技术主要基于IEEE 802.11系列标准，是一种可以将个人电脑、手持设备(如平板、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。与Zigbee技术的低速率、低功耗等特性不同，WiFi技术具有高速率、高可靠、低延时等特点。
[0005]特高频(UHF)则是指使用频段为300?3000MHz特高频的无线通信技术，具有稳定性高，辐射能力强的特点。并且UHF通信技术终端实用性强，可以利用简易的硬件或硬件接口进行快速通信。相对于Zigbee和Wifi无线传输技术，具有低速率，穿透性强，传输距离远的特点，可用于中短距离的无线传输。
[0006]无线保真(WiFi)具有高速的数据传输速率，支持多用户接入。但是工作频段在全球免申请2.4Ghz ISM(工业、科学和医用频段)频道，频段较高，干扰强，传播路径的损耗大，传输距离近，且无法支持多跳传输。其次Wifi无线传输技术的功耗大，不支持对能量敏感的无线传感器网络。Zigbee具有低功耗、支持无线自组网、兼容多跳传输模式等特点。但是Zigbee的数据传输速率低，多跳传输会导致数据传输的时延较大，无法满足实时数据交互的应用。UHF辐射能力强，穿透力好，在障碍物较多的室内环境，传输距离远。在室外环境下，对于1Km以内的直视距离可以单跳传输数据，减小了数据传输的时延。
【发明内容】
[0007]为了克服现有无线通信技术中单一通信方式的应用范围窄，数据传输速率不可调，无法动态切换频段抗干扰，以及低功耗节能的特点，分析发现将上述三种无线通信技术融合在一起，通过自适应算法实现多种无线通信技术的切换。无线通信平台的主控芯片选用现场可编程门阵列FPGA实现自适应切换通信方式算法。FPGA芯片内的数字逻辑主要通过采集应用条件，数据时延要求，无线信道干扰情况，以及平台能量等信息，动态的分析判决，最终实现三种无线通信方式的切换。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0009]多速率抗干扰自适应无线通信平台的硬件系统主要包括:控制单元1、无线传输单元2以及传感器单元3三部分组成；控制单元I主要由现场可编程门阵列FPGA组成，负责通信模式的判决和切换以及通信协议的实现；无线传输单元2由UHF无线模块21，Wifi无线模块22以及Zigbee无线模块23组成，负责平台的无线传输数据；传感器单元3主要由温湿度传感器31，图像传感器32以及加速度传感器33组成，负责采集平台周围的环境和图像信息；
[0010]所述的控制单元I作为平台的调度和控制中心，无线传输单元2和传感器单元3通过电气接口和控制单元I相连接，作为外设，完成固定功能；
[0011]所述的无线传输单元2由UHF无线模块21，Wifi无线模块22以及Zigbee无线模块23组成，三个无线模块通过集成电路总线IIC、同步串行外设接口 SP1、通用串行总线USB、异步串口接口 RS232与控制单元I的FPGA相连；
[0012]所述的传感器单元3主要由湿度传感器31，图像传感器32以及GPS全球定位系统传感器33组成；当无线通信平台上电后，湿度传感器31，图像传感器32以及全球定位系统GPS传感器33完成初始化，等待FPGA控制信号；当控制单元IFPGA通过集成电路总线IIC、同步串行外设接口 SP1、通用串行总线USB、异步串口接口 RS232通信接口发送请求数据的命令后，传感器读取相应指令，将采集的温湿度数据、地理坐标信息通过上述通信接口传送给控制单元I的FPGA，FPGA将相应的数据保存在内存中；
[0013]所述FPGA切换选择无线保真WiF1、短距离无线通信Zigbee、特高频UHF三种无线通信方式，然后将无线通信模块的使能信号拉高，通过通用的数据传输协议将数据包发送给无线传输模块，无线传输模块将接收的数据包缓存在本地的内存中，然后通过无线链路发送出去，当数据发送完毕，返回数据传输结束信号给FPGA ;数字信号的传输是由FPGA将选择发射的控制指令或者传感器获取的数据传递给上述三种无线传输模块，然后无线模块缓存数据，通过调制，将数据通过无线信道发射出去。
[0014]本发明还提供涉及控制单元I进行决策和分析的方法。
[0015]本发明所述的控制单元I负责整个无线通信平台的任务调度，通信协议实现，数据分析处理，以及通信方式切换的功能，具体实现步骤为:
[0016]步骤1:整个无线通信平台上电初始化参数或设置完定时任务后进入休眠状态；
[0017]步骤2:当有数据请求到达或者定时任务时间到达，控制单元I的FPGA内部逻辑自动唤醒，进行数据任务的传输；
[0018]步骤3:控制单元I完成无线传感器数据采集任务；
[0019]步骤4:控制单元I在进行无线数据传输前，先进行动态决策，选择最优化的无线通信方式完成切换；
[0020]所述的动态决策和选择最优化的具体判断方法为:
[0021]步骤4.1:控制单元I的FPGA先分析和计算与相邻通信节点的传输距离，通信距离参数通过获取自身与通信节点的地理坐标计算得到，外部节点发送数据包或者指令时主动携带自身的地理坐标，无线通信平台将接收到的含有邻节点地理坐标的信息存储在本地内存中，所述邻节点是指距离本节点只有单跳传输距离的节点；
[0022]步骤4.2:当无线通信平台与邻节点的传输距离大于Ikm时，控制单元I选择UHF21无线通信方式，将UHF21无线通信模块使能后，退出决策判断过程，开始通信数据传输；
[0023]步骤4.3:当通信距离在10m?100m的距离以内，并且2.4Ghz的信道不存在干扰时，打开Zigbee23的射频放大器，使能选用Zigbee23无线通信方式后，退出决策判断过程，开始通信数据传输；
[0024]步骤4.4:如果2.4Ghz频段内存在较大的信道衰落或者人为的干扰，使能选择433Mhz的UHF21无线通信方式后，退出决策判断过程，开始通信数据传输；
[0025]步骤4.5:如果传输距离在10m以内，数据传输时延要求小，数据任务量大，采用Wifi22进行数据传输，退出决策判断过程，开