一种自适应跳频通信的物联网网关及通信方法与流程

本发明涉及物联网通信技术领域，特别是一种自适应跳频通信的物联网网关及通信方法。

背景技术：

目前的物联网跳频通讯方式，主要通过随机产生跳频信道列表，根据预设列表，收发双方进行跳频通讯。例如申请号为201210131865.2、201510077742.9、200810142296等分别公开了当前无线传输技术中跳频的几种常用技术手段。上述跳频方式存在两方面问题：一个是盲目随机跳频、目标信道不够精准的问题，另一个是此类跳频方式更适用于点对点通讯中，当采用点对多点的星型网络时，不能根据每个节点的信号质量进行跳频。另外单路射频的网关还存在跳频缓慢甚至暂时性中断通讯，支持的节点数量偏少等问题。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种自适应跳频通信的物联网网关及通信方法，可以实时依据信号质量进行跳频，克服现有技术的缺陷。

所述自适应跳频通信的物联网网关包括：

主控模块，以及分别与其连接的wifi模块、第一射频模块和第二射频模块；

所述wifi模块用于实时检测各信道信号强度变化；

所述主控模块基于所述各信道信号强度变化筛选出两个最优信道，分别控制所述第一射频模块和第二射频模块对应与两个最优信道之一通信。

由上，第一射频模块和第二射频模块始终与信号最强的最优信道通信。同时当发生信道的信号强度改变时，控制未与信号最强的最优信道通信的射频模块跳变至最优信道上，也保证了原有的子节点通信畅通和高速。

其中，所述分别控制所述第一射频模块和第二射频模块对应与两个最优信道之一通信包括：

所述主控模块分别判断第一射频模块和第二射频模块是否与所述两个最优信道之一通信；若否，则控制该未与所述两个最优信道之一通信的射频模块广播，以通知与其通信的子节点断开与当前信道的通信，而跳频至与另一射频模块通信的信道；

而后主控模块控制该未与所述两个最优信道之一通信的射频模块跳频至所述两个最优信道之一。

由上，当发生信号强度改变时，未与信号最强的信道通信的射频模块首先将原有子节点连接至信号次强的信道中，随后该射频模块再跳变至信号最强的最优信道上，保证了原有的子节点通信畅通和高速。

其中，所述第一射频模块和第二射频模块还实时监测与其各自通信的子节点的丢包率；

若所述丢包率大于阈值，则通知该子节点跳频至与另一射频模块通信的信道。

由上，两路射频模块都会实时统计各自节点的丢包率，当丢包率大于阈值时，将通知该丢包率大的子节点跳频到另一信道。通过此种方法，可以保证每个节点的信号质量。

所述自适应跳频通信的通信方法包括以下步骤：

a、wifi模块实时检测各信道的信号强度，当各信道的信号强度变化时，进入步骤b；

b、主控模块基于所述各信道的信号强度变化，分别判断第一射频模块和第二射频模块当前是否分别连接于两个最优信道之一，若是则返回步骤a，反之进入步骤c；

c、主控模块控制未连接于最优信道的射频模块跳变至所述最优信道。

由上，第一射频模块和第二射频模块始终与信号最强的最优信道通信。同时当发生信道的信号强度改变时，控制未与信号最强的最优信道通信的射频模块跳变至最优信道上，也保证了原有的子节点通信畅通和高速。

其中，步骤c包括：

主控模块控制该未连接于所述两个最优信道之一的射频模块通知与其通信的子节点断开与当前信道的通信，而跳频至另一射频模块所通信的信道；

而后，主控模块控制该未连接于所述两个最优信道之一的射频模块跳频至所述最优信道。

由上，当发生信号强度改变时，未与信号最强的信道通信的射频模块首先将原有子节点连接至信道次强的信道中，随后该射频模块再跳变至信号最强的信道上，保证了原有的子节点通信畅通和高速。

其中，还包括第一射频模块和第二射频模块实时监测与其通信的子节点丢包率的步骤；

针对丢包率高于阈值的子节点，通知其跳转至与另一射频模块通信的信道。

由上，两路射频模块都会实时统计各自节点的丢包率，当丢包率大于阈值时，将通知该丢包率大的子节点跳频到另一信道。通过此种方法，可以保证每个节点的信号质量。

其中，还包括对跳频后的子节点进行丢包率监测的步骤；

若跳频后的子节点丢包率依然高于阈值，则进行报警。

由上，当子节点跳频后仍然出现丢包率高的情况时，便判断出有可能出现子节点的硬件故障，从而进行报警，提示子节点有可能出现的硬件故障。

附图说明

图1为自适应跳频通信的物联网网关的原理示意图；

图2为通道跳频的原理示意图；

图3为节点跳频的原理示意图。

具体实施方式

下面参见图1～图3对本发明所述的自适应跳频通信的物联网网关及通信方法进行详细说明。

如图1所示，该物联网网关包括主控模块100，以及分别与其连接的2.4g-wifi模块200、存储模块300、第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402。采用与两组nrf2401射频模块同样工作在2.4ghz频段的2.4g-wifi模块200来监测各信道的射频环境，即信号强度，以形成信号强度列表。主控模块100基于此列表控制两组nrf2401射频模块进行跳频，从而保证高效通信。

所述2.4g-wifi模块200在本实施例中用于检测2.4ghz频段的信道的信号强度。一般来说，工作在2.4ghz频段包括14个信道。每个信道的有效宽度是20mhz。例如，对于中心频率为2412mhz的1信道，其频率范围为2401～2423mhz。

2.4g-wifi模块200接收在2.4ghz频段的各信道信号，再逐一计算各信道的信号强度，而后发送至主控模块100，由其进行识别、选择等后续工作。对于各信道的信号强度计算属于现有技术，不再赘述。

主控模块100基于所述2.4g-wifi模块200所检测的各信道信号强度，筛选出信号最强的两个最优信道，分别控制与其连接的第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402对应与一最优信道通信。

第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402采用异步交叉方式进行通道跳频，既可以支持更多子节点，还可以保证跳频操作不会影响子节点的通讯。若与nrf2401两路射频模块的每信道下的子节点在丢包率允许范围内，则通过tdma的方式与nrf2401射频模块通讯；当节点丢包率超出阈值后，执行节点跳频操作。

存储模块300用于存储各信道的信号强度列表、第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402的实际占用信道、子节点编号、子节点上传的数据等。

物联网网关通过信道跳频和节点跳频两种方式来保证子节点和物联网网关之间的数据通讯。信道跳频包括：2.4g-wifi模块200检测最优信道发生变化时，若第一nrf2401射频模块401或第二nrf2401射频模块402不在所述最优信道排名的前两位，则组织自己的各子节点一起进行通道跳频。节点跳频包括：当最优信道未发生变化，但是某个别子节点丢包率超出阈值后，子节点会进行节点跳频。

结合图2所示，详细说明本申请中通道跳频的具体流程：

a1：2.4g-wifi模块200实时检测2.4ghz频段信道的信号强度，当各信道的信号强度发生变化时，进入步骤a2；反之重复本步骤。

假设原始通信过程中，2.4ghz频段的信号强度依次为a信道、b信道、c信道、……、h信道。

当2.4g-wifi模块200检测到c信道的信号强度变强，2.4ghz频段的各信道的信号强度依次为c信道、b信道、a信道、……、h信道时，将更新后的信道信号强度表发送至主控模块100。

a2：主控模块100接收到各信道信号强度的变化，判断第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402当前是否连接于两最优信道之一，若是则返回步骤a1；反之进入步骤a3；

本步骤中，假设第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402在原始通信过程中分别连接a信道、b信道。此后当c信道、b信道变为信号最强的信道时，则需要控制第一nrf2401射频模块401跳频。

a3：针对未连接于两最优信道之一的nrf2401射频模块，控制其跳变至两最优信道之一。

仍以前述情况为例，第一nrf2401射频模块401跳频时，依次通知与其连接的子节点a1、a2、……、an跳频到b信道，每进行一次子节点的跳频，第一nrf2401射频模块401随即与第二nrf2401射频模块402进行一次通信，直至所有子节点跳频结束。而后第一nrf2401射频模块401跳频到c信道。

较佳的，后续通信过程中，所述子节点a1、a2、……、an跳频跳频至c信道，从而恢复与第一nrf2401射频模块401的通信。

至此通道跳频的流程结束。

通过上述步骤，第一nrf2401射频模块401和第二nrf2401射频模块402始终与信号最强的最优信道通信。同时当发生信号强度改变时，未与最优信道通信的nrf2401射频模块首先将原有子节点连接至另一nrf2401射频模块所通信的信道上，随后该nrf2401射频模块再跳变至最优信道上，也保证了原有的子节点通信畅通和高速。

结合图3所示，详细说明本申请中节点跳频的具体流程：

b1：两nrf2401射频模块实时监测与之连接的各子节点的丢包率，当所述丢包率大于阈值，则进入步骤b2；反之重复本步骤。

假设原始通信过程中，子节点a1、a2、……、an均通过a信道与第一nrf2401射频模块401通信。在第一nrf2401射频模块401实时监测各子节点的丢包率的过程中，当确认子节点a2、a3、an均(或任一)存在丢包情况，则进入步骤b2。

b2：nrf2401射频模块通知该丢包率大于阈值的子节点跳频至另一nrf2401射频模块所通信的信道，而后另一nrf2401射频模块实时检测跳频后的子节点的丢包率，若丢包率小于阈值则返回步骤b1，反之进入步骤b3。

结合前述图3所示实施例，第一nrf2401射频模块401依次通知与其连接的子节点a2、a3、an跳频到b信道，每进行一次子节点的跳频，第一nrf2401射频模块401随即与第二nrf2401射频模块402进行一次通信，直至所有子节点跳频结束。

第二nrf2401射频模块402实时检测跳频后的子节点a2、a3、an的丢包情况，针对丢包率仍大于阈值的子节点(例如本实施例中的an)，则进入步骤b3。

b3：nrf2401射频模块通知该丢包率仍大于阈值的子节点警告信息，告知其进行调整。

第二nrf2401射频模块402通知子节点an，由子节点an进行自检，包括是否接触良好，是否在正常工作区域等等。

至此，节点跳频的流程结束。

两路nrf24l01射频模块都会实时统计各自节点的丢包率，当丢包率大于设定阈值时，将首先通知子节点跳频到另一nrf24l01射频模块通信的信道。当跳频前后的丢包率都超过阈值时，将发送警告信息至该子节点。通过此种方法，可以保证每个节点的信号质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，例如，各子节点可以是用在健身房的传感器，在步骤b3中，将发送警告信息(例如调整佩戴或更换子节点的信息)给传感器佩戴者。考虑每个子节点所处位置、佩戴方式不同，在各个射频信道的丢包率会有所差异，因此通过此种方法，可以保证每个节点的信号质量。

又例如，本申请以2.4g频段信号为例，而实际使用中也并不限于此，例如5g频段信号也可采用方式，仅需将对应硬件进行调整，或将硬件所适配的频段进行调整即可。

总之，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。