邵澤華

(成都秦川物聯(lián)網(wǎng)科技股份有限公司，四川 成都 610100)

1 概述

燃?xì)獗砀兄刂萍夹g(shù)、傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，使物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碇饾u成為燃?xì)獗硎袌錾系闹髁鳟a(chǎn)品。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砭哂羞h(yuǎn)程智能感知控制、智能管理、智能保護(hù)和安全切斷等功能，有利于實(shí)現(xiàn)燃?xì)庥脩舭踩脷?、公平用氣、智慧用氣?/p>

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗磉h(yuǎn)程功能的實(shí)現(xiàn)需要無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)作支撐。當(dāng)前部分物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗聿捎玫膫鞲芯W(wǎng)絡(luò)技術(shù)工作于非授權(quán)頻譜(多為470～510 MHz)。非授權(quán)頻譜的使用受政府管制力度較小，通信設(shè)備量巨大，通信環(huán)境復(fù)雜，若無有效方法規(guī)避信道競爭，則通信質(zhì)量無法得到保障，通信可靠性、數(shù)據(jù)安全性面臨較大風(fēng)險(xiǎn)。

2 智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信抗干擾技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)一般由傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、電信運(yùn)營商基站、集中器、物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗斫M成。在一些環(huán)境復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗戆惭b場所，集中器和物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砜赏ㄟ^采集器連接，以提高通信的成功率。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信的干擾來源分為網(wǎng)內(nèi)干擾和網(wǎng)外干擾。網(wǎng)內(nèi)干擾是指物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相鄰設(shè)備之間的干擾;網(wǎng)外干擾是指物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)外部設(shè)備或環(huán)境對通信造成的干擾。筆者團(tuán)隊(duì)通過分析物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲型ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)的通信特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了傳感網(wǎng)絡(luò)多信道組合通信技術(shù)、通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)，能有效解決網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)外干擾源對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信造成的干擾，大大提高通信的成功率。

2.1 傳感網(wǎng)絡(luò)多信道組合通信技術(shù)

傳統(tǒng)的燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信多采用固定頻點(diǎn)、單信道通信方式進(jìn)行通信，通信頻率多工作在非授權(quán)頻譜范圍內(nèi)(通常設(shè)定在470～510 MHz)，信道資源有限。單信道通信具有實(shí)現(xiàn)簡單、網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)相互發(fā)現(xiàn)容易、組網(wǎng)便利的優(yōu)點(diǎn)，但對信道的分配具有混亂性和隨機(jī)性，信道資源利用率低，極易出現(xiàn)信道競爭等異常情況，給設(shè)備間的組網(wǎng)和通信造成不便，嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)的傳輸速度和通信成功率，甚者導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓，無法通信［1］。同時(shí)，無序的信道分配使無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對數(shù)據(jù)的處理效率低:多個(gè)下層設(shè)備向上一層設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，上層設(shè)備需接收通過某信道傳輸來的所有數(shù)據(jù)(包括所轄范圍內(nèi)設(shè)備數(shù)據(jù)和非所轄但使用同一信道的外界設(shè)備數(shù)據(jù))，若數(shù)據(jù)量過大則易導(dǎo)致上層設(shè)備處理能力下降，資源利用率低，且通信安全無法得到保障。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)多信道組合通信技術(shù)［2］將信道分為基礎(chǔ)信道和通信信道，基礎(chǔ)信道用于組網(wǎng)，具有9組信道，相鄰兩組基礎(chǔ)信道的頻率間隔為5 MHz。通信信道用于通信，具有191組信道，相鄰兩組通信信道的頻率間隔為200 kHz。

在整體上分層次、有序、合理地進(jìn)行信道分配，優(yōu)化組合不同層級設(shè)備所用通信信道是提高無線通信成功率的基礎(chǔ)。相同層級設(shè)備分配不同信道與所轄范圍內(nèi)的下層通信設(shè)備通信，當(dāng)某一信道被分配后，則由上層設(shè)備用基礎(chǔ)信道向下層設(shè)備廣播分配結(jié)果。通過對信道合理有效的分配，能降低設(shè)備間的信道競爭，使傳感網(wǎng)絡(luò)通信抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)收發(fā)能力強(qiáng)，可避免上層設(shè)備對下層設(shè)備誤喚醒，降低終端設(shè)備功耗和延長終端電源的使用壽命。

① 組網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)包括:傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器與集中器的組網(wǎng);集中器與采集器的組網(wǎng);采集器與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼慕M網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)見圖1。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

a.傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器與集中器的組網(wǎng):傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器與集中器通過GPRS通信技術(shù)建立通信關(guān)系。

b.集中器與采集器的組網(wǎng):集中器利用基礎(chǔ)信道向采集器發(fā)送組網(wǎng)指令，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。

c.采集器與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼慕M網(wǎng):采集器采用基礎(chǔ)信道向物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗戆l(fā)送組網(wǎng)指令，實(shí)現(xiàn)采集器與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碇g的組網(wǎng)。

在物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)中，集中器、采集器以及物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼幕A(chǔ)信道是預(yù)先設(shè)定好的，利于設(shè)備間相互發(fā)現(xiàn)，提高組網(wǎng)的成功率。相鄰的集中器、采集器之間分配的基礎(chǔ)信道不同，可有效防止錯誤組網(wǎng):如集中器1采用基礎(chǔ)信道h與所轄采集器組網(wǎng)，相鄰集中器2采用基礎(chǔ)信道h+1與所轄采集器組網(wǎng)，則集中器2不會錯誤地與集中器1所轄范圍內(nèi)的采集器組網(wǎng);又如采集器1采用基礎(chǔ)信道k與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗斫M網(wǎng)，相鄰采集器2采用基礎(chǔ)信道k+1與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗斫M網(wǎng)，則采集器2不會錯誤地與采集器1所轄范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗斫M網(wǎng)。

② 通信信道分配

組網(wǎng)成功后，傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器為集中器和物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼耐ㄐ欧峙渫ㄐ判诺?。為了降低物?lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)相鄰設(shè)備之間的信道競爭，傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器在對通信信道進(jìn)行分配時(shí)采用相應(yīng)的規(guī)則，能有效提高信道的利用率。物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信信道分配見圖2。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信信道分配

在物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)中，相鄰集中器分配不同的通信信道與采集器通信:如集中器1分配通信信道a與所轄采集器通信，集中器2分配通信信道a+1與所轄采集器通信，能避免集中器1與集中器2之間的信道競爭。相鄰采集器分配不同的通信信道與物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗ㄐ?如采集器1分配通信信道b與所轄物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗ㄐ?，采集?分配通信信道b+1與所轄物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗ㄐ牛@樣能避免采集器1與采集器2之間的信道競爭。

通過合理的通信信道分配，除能有效降低相鄰集中器之間的通信信道競爭外，還能有效減少集中器對非所轄物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼恼`喚醒，降低物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗肀矶斯?，延長其電池使用壽命。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)多信道組合通信技術(shù)是將物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)分布在不同頻段、采用不同信道的小局域網(wǎng)，提高了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俾?，提高了集中器和傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器的數(shù)據(jù)并發(fā)處理能力以及數(shù)據(jù)吞吐量。

2.2 通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)

傳感網(wǎng)絡(luò)通信除了易受物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)內(nèi)部相鄰設(shè)備信道競爭外，還易受外界環(huán)境的信道競爭影響，此干擾是不可控和不可預(yù)見的，需要物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)設(shè)備具有外界通信環(huán)境頻率檢測(檢測現(xiàn)場通信環(huán)境頻率干擾情況，提高傳輸可靠性)以及自動跳頻能力(自動選擇合適的通信頻率，即通信信道，提高通信成功率)。一般智能燃?xì)獗碓谏a(chǎn)時(shí)就確定了通信頻率，而未充分考慮燃?xì)獗砉ぷ鞯攸c(diǎn)的實(shí)際通信環(huán)境，當(dāng)工作地點(diǎn)存在強(qiáng)信道競爭情況時(shí)無法正常通信，即使燃?xì)獗砭哂泄ぷ黝l點(diǎn)修改功能，由于無法自動切換工作頻率，需人工介入，效率低下，通信效果差，一定時(shí)間后再次發(fā)生信道競爭的概率大。

本文所述通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)［3］能有效應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗淼膫鞲芯W(wǎng)絡(luò)通信，提高通信成功率。

① 工作原理

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)中的集中器所處外界環(huán)境較為開闊，一般通信環(huán)境較好，與傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器通信時(shí)遭遇信道競爭概率小;而物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硭幁h(huán)境較為復(fù)雜，在與集中器(不存在采集器的情況下)進(jìn)行通信時(shí)極易受信道競爭影響。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗砼c集中器一般分配有兩個(gè)上行信道(上行信道A和上行信道B，也可分配更多信道)和兩個(gè)下行信道(下行信道A和下行信道B，也可分配更多信道)用于通信，其中下行信道A為初始工作下行信道，上行信道A為初始工作上行信道。上行信息為感知信息，下行信息為控制信息。通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)原理見圖3。

物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碇信c通信有關(guān)的模塊包括信道噪聲電平檢測模塊、感知信息生成模塊以及表端通信模塊。信道噪聲電平檢測模塊用于檢測下行信道噪聲電平，與設(shè)定的噪聲電平閾值作比較，選擇最優(yōu)下行信道編號發(fā)送至感知信息生成模塊。感知信息生成模塊用于將信道噪聲電平檢測模塊發(fā)送來的最優(yōu)下行信道編號封裝入所需上報(bào)的感知信息中。表端通信模塊用于根據(jù)設(shè)定的感知信息發(fā)送規(guī)則向集中器上傳含有最優(yōu)下行信道編號的感知信息。

圖3 通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)原理

集中器中與通信有關(guān)的模塊包括本地通信模塊、感知控制信息解析模塊以及遠(yuǎn)程通信模塊。遠(yuǎn)程通信模塊用于向傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器發(fā)送感知信息以及接收傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器發(fā)送來的控制信息。感知控制信息解析模塊用于解析物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鬏攣淼母兄畔⒑蛡鞲芯W(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器傳輸來的控制信息，通過解析感知信息能獲得最優(yōu)下行信道編號。本地通信模塊可以接收來自表端通信模塊的感知信息，也可以將控制信息通過最優(yōu)下行信道發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗怼?/p>

② 主要工作過程

通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)的主要工作過程見圖4。通信環(huán)境頻率檢測需依靠信道噪聲電平檢測模塊，通過檢測下行信道噪聲電平以及將下行信道噪聲電平與其他下行信道噪聲電平或設(shè)定的噪聲電平閾值作比較來實(shí)現(xiàn)。

圖4 通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)的主要工作過程

a.物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗娀蛘甙磿r(shí)自動上報(bào)表端數(shù)據(jù)時(shí)，信道噪聲電平檢測模塊檢測此時(shí)下行信道A的噪聲電平:若下行信道A的噪聲電平低于或等于所設(shè)定的噪聲電平閾值，說明此時(shí)下行信道A的信道競爭較低，集中器可選擇下行信道A進(jìn)行控制信息的下行數(shù)據(jù)傳輸。若下行信道A的噪聲電平高于所設(shè)定的噪聲電平閾值，則檢測下行信道B的噪聲電平，比較下行信道B與下行信道A的噪聲電平:若下行信道B的噪聲電平低于下行信道A且低于所設(shè)定的噪聲電平閾值，則集中器可選擇下行信道B進(jìn)行控制信息的下行傳輸;若下行信道B的噪聲電平低于下行信道A且高于所設(shè)定的噪聲電平閾值，或下行信道B的噪聲電平高于下行信道A，則噪聲電平檢測模塊選擇其他信道進(jìn)行噪聲電平檢測，以此類推，直到找到最優(yōu)下行信道。

b.噪聲電平檢測模塊在確定最優(yōu)下行信道后，由感知信息生成模塊將最優(yōu)下行信道對應(yīng)的信道號封裝于感知信息中，由表端通信模塊采用上行信道A向集中器發(fā)送感知信息。若多次重復(fù)發(fā)送后仍未收到反饋信息，則自動跳頻切換其他上行信道重新發(fā)送。

c.集中器在接收到物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗戆l(fā)送來的感知信息后，由感知控制信息解析模塊進(jìn)行解析，獲得控制信息最優(yōu)下行信道編號。當(dāng)傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器需要向物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗戆l(fā)送控制信息時(shí)，通過集中器采用最優(yōu)下行信道進(jìn)行控制信息傳輸。

3 結(jié)語

通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗韨鞲芯W(wǎng)絡(luò)多信道組合通信技術(shù)、通信環(huán)境頻率檢測和自動跳頻技術(shù)，能有效規(guī)避物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗硗ㄐ胚^程中面臨的網(wǎng)外干擾和網(wǎng)內(nèi)干擾問題，減少信道競爭，提高數(shù)據(jù)傳輸和處理效率，提高系統(tǒng)的并發(fā)處理能力及系統(tǒng)吞吐量。降低了傳感網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器對物聯(lián)網(wǎng)智能燃?xì)獗碚`喚醒的次數(shù)，降低了表端能耗，延長了表端電池的使用壽命。