一种适用于智慧城市建设的双通道跳频无线传感网络结构

贾鹏

（生茂光电科技股份有限公司，郑州450000）

一种适用于智慧城市建设的双通道跳频无线传感网络结构

贾鹏

（生茂光电科技股份有限公司，郑州450000）

提出了一种双通道发射、自动跳频的无线传感网络结构。与常见的无线传感网络结构相比，双发跳频网络结构具有良好的抗干扰性能，同时具有极快的通信故障检测及自我修复功能。

智慧城市；智能家居；无线传感网络；双通道结构

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.180

1 引言

伴随着智慧城市规划建设的逐步发展，物联网技术的应用也日益频繁和深入，通过物物相连的智能化信息传递，使人们的生活更加精细化和便捷化。在物联网领域的各项技术中，无线传感网络作为承载感知层的重要组成部分，其传输性能及稳定性将直接影响整体物联网系统的工作效率。

智能家居在智慧城市项目建设中的应用，无线传感网络节点作为物联网系统中最基础的组成部分,其成本应尽可能低廉，以减少整体项目建设费用支出；其功耗也应尽可能节省，来降低项目在运行中的维护开销，同时还需要面对各种复杂的环境因素对无线传感网络数据传输的干扰[1]。针对上述问题，本文提出一种双通道跳频无线传感网络结构，采用自动侦测空闲信道、智能跳频、双通道心跳侦听的方式，确保通信网络能够在尽可能减少节点功耗的前提下，第一时间反馈通信网络内可能出现的信号遮挡、干扰源、节点故障等问题，并及时处理以保证数据传输正常工作。

2 网络架构设计

在大型的智慧城市项目应用中，经常会包含多个不同的感知层区域，这些感知层区域内部需要使用成本和功耗均较为低廉的无线节点作为感知手段，同时需要感知层区域能够将自身的信息汇总上传。因此，最佳方案是使用免费的射频通讯信道资源搭建单个感知层区域网络，完成内部数据传输，并使用区域中心节点搭载4G传输模块、有线传输网络进行多个区域网络之间的数据传输交互，形成远距离的大型无线传感网络集群。

3 射频通信模组

感知层的建设需要铺设大量无线传感网络节点，并且要求各节点长期稳定工作，因此无线传感网络应选择免费频段，同时在保障网络数据传输稳定工作的前提下，各无线传感网络节点的运行功耗应尽可能降低。433MHz射频通信技术和2.4GHz射频通信技术均符合上述特点，同时在当前市场上有诸多使用这两种通信技术的芯片、模块可供使用，价格低廉，恰好符合智慧城市项目建设中对设备成本的控制需求。

433 MHz射频通讯属于ISM免执照频段，可以直接使用，其

优势是传输过程衰减较小，抗干扰性强，信号穿透性强，绕射能力强，传输距离远。但传输能力较差，一般使用最大带宽为100kbps。通常用于数据量较小，而要求稳定性高的无线通信应用。

2.4 GHz射频通讯同属于ISM免执照频段，其优势是传输能力较高，能够进行大数据传输，但传输能力受到传输距离的限制，在进行1km距离传输时，一般使用最大带宽为2Mbps。同时信号传输的抗干扰能力较差，且应用于此频段的无线传输类产品较多，容易发生被其他同频信号源噪声干扰的情况。

4 双通道发射结构

将433MHz射频通讯的抗干扰及远距离特性与2.4GHz射频通讯的宽带宽特性相结合，即可建立一个可靠有效的双通道发射结构[2]。此结构利用433MHz射频通讯的可靠性和距离覆盖能力，使中心节点与网络节点之间建立起带宽为200kbps的稳定数据链接，网络节点通过此链接传输数据前导信息，前导信息包括即将要传输的数据长度和优先级参数，中心节点在获取到待传数据的长度和优先级后，根据数据具体长度，指示网络节点将数据包进行分拆，并告知通信信道和密匙，网络节点在被告知的信道进行监听，由中心节点在该信道发起通信要求，网络节点监听到通信要求并校验密匙成功后，反馈相应的数据包，直至双方通信完成，如图1所示。

图1 双通道发射结构图

5 多节点同时进行数据传输

无线传感网络通常会有多个网络节点在同一时刻上传信息，若使用单一的频率、信道进行数据通信，必然出现信道占用冲突的情况。即使制定通信协议时引入消息竞争机制，依然会使数据传输效率大幅度降低。使用双通道发射结构，配合基于优先级的权限时域分配机制，即可将信道占用冲突的影响降至最低。

从图1可知，双通道发射结构无线传感网络工作过程中，数据上传由网络节点启动，使用抗干扰性较好的433MHz射频通信，传递前导数据至中心节点。前导数据仅包含待传数据长度、优先级，以及自身节点编号等信息，因此传输所需时间非常短，能够大幅度避免信道占用冲突发生。

中心节点接收到前导数据后，对数据进行分片排队，轮流传输，根据优先级依次挤占机会。在分配队列过程中，数据包的优先级逐次提高，防止低优先级数据长期搁置。此过程使用2.4GHz射频通信，由中心节点发起，不会出现信道占用冲突的情况，且多个网络节点数据能够按照各自优先级并行传输。避免了多无线节点组网传输中经常出现的信道占用冲突问题。

6 智能抗干扰设置

在实际项目运用中,布置无线传感网络的区域环境存在各种各样突发性的遮挡或噪声干扰，使数据传输受到极大影响。如使用单一的频率信道进行射频数据通信，有极高风险被连续干扰，造成通信大幅度延迟甚至中断，从而影响到整个项目系统的稳定性。采用前述双通道发射结构，若通信过程被其他信号源干扰。此时中心节点监听到信道内的无序噪声，或连续若干次要求数据均未得到反馈，即判定当前使用信道发生问题，并通过433MHz频段与目标网络节点重新发起通讯，通知网络节点更换其他信道进行后续数据传输[3]。这样能够保证在最短的时间内恢复无线数据通信，从而保障整个无线传感网络数据的及时性和有效性。

7 结语

本研究提出了一种适用于智慧城市项目建设的双通道发射、自动跳频的无线传感网络结构设计。通过对433MHz和2.4GHz两种不同频段射频通讯的优势互补，充分发挥出433MHz频段射频通讯的可靠性、抗干扰能力，以及2.4GHz频段射频通讯的宽带宽能力，搭建出通信性能极为适用于智慧城市项目感知层应用的无线传感网络。

【1】刘杰，章韵，陈建新.利用433MHz射频通信技术实现智能家居系统[J].计算机应用，2012,32(S2):68-72.

【2】齐楠，韩波，李平.基于ZigBee的智能家庭无线传感网络[J].机电工程，2007,24(2):21-22.

【3】黄进宏，左菲，曾明.一种基于能量优化的无线传感网络自适应组织结构和协议[J].网络与通信，2002(6):118-121.

The Architecture Design of Wireless Sensor Network Suitable for Intelligent City Construction Based on Bouble Channel and Frequency Hopping

JIA Peng
(Samost Optoelectric Technology Co.Ltd.,Zhengzhou 450000,China)

This paper presents a wireless sensor network structure of dual channel transmission and automatic frequency hopping.Compared with common wireless sensor network structures,double frequency hopping network structure has a good anti-interference capability,fast communication failure detection and self-repair capability.

smart city;smart home;wireless sensor network(WSN);double-channel

TN915.02

A

1007-9467（2016）11-0175-02

2016-07-22

贾鹏（1984～），男，河南郑州人，从事无线传感网络研究。