无线数据传输系统及其方法

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　　专利名称无线数据传输系统及其方法

　　技术领域本发明涉及数据传输领域，尤其涉及一种低功耗的无线数据传输系统及其方法。

　　背景技术数据传输是矿山安全、石油、消防、军事等领域的重要组成部分，通常采用有线网络进行数据传输，比如网线，485总线，CAN总线等方式。这些方式对布线要求有一定难度，尤其是在地下工作领域，在一些条件苛刻的地方需要上传关键数据，比如在矿山安全应用中掘进巷需要上传掘进机工作状态，在采煤区域需要上传各种传感器数据等。这些位置往往距离主巷道距离较远，且巷道狭窄，环境恶劣潮湿，难以布置数据线和电力线。即使拉线，在实际操作中也容易被机械设备撞击，爆破振动等自然事故弄断，导致数传系统工作不正常。而且布线区域往往只能覆盖井下主巷道，一些分支巷道，采掘面，掘进面等区域无法得到有效覆盖。但是这些区域是事故的高发区域，采集这些区域的机器运行状况数据，各种传感器数据等非常有必要，

　　因此如何提供一种灵活性强，易安装，免维护的无线数据传输系统是业界亟待解决的问题。

　　发明内容

　　本发明为了解决上述问题提出一种无线数据传输系统，包括数据采集器、基站、以及设置在两者之间的至少一个数据中继器，所述的数据采集器、数据中继器和基站之间组成链式跳转传递结构，采用无线网络逐级传输完成数据的上传和下发。本技术方案中，所述的数据采集器包括主控模块、电源模块、定时模块、数据采集模块和射频模块，所述的数据采集模块与矿用传感器、矿用掘进设备相连，进行数据采集，所述的射频模块基于无线网络协议与数据中继器通信。所述的基站包括主控模块、电源模块、定时模块、有线链路模块和射频模块。所述的数据中继器包括主控模块、电源模块、定时模块和射频模块，所述的定时模块为系统提供维护系统运行需要的时隙窗口，所述的射频模块基于无线网络协议与其他的数据中继器通讯，或与数据采集器和基站通信，所述电源模块采用电池供电。本技术方案中的数据中继器可以为多个，每个数据中继器拥有一个固定的ID、一个父节点ID和一个子节点ID，数据中继器维护一个父节点窗口时隙和一个子节点窗口时隙，所述的数据采集器设备维护子节点窗口时隙，所述的基站维护父节点窗口时隙，所述父节点窗口时隙和子节点窗口时隙依次被激活/休眠。本发明还提出一种无线数据传输方法，包括

　　步骤A.通过主控模块依次建立数据采集器、数据中继器和基站之间的链接关系，使自身节点和上游的父节点，下游的子节点丨司建立路由关系和时间同步关系；

　　步骤B.通过定时模块维护一个父节点窗口时隙和一个子节点窗口时隙，所述父节点窗口时隙和子节点窗口时隙依次被激活/休眠，系统的工作/休眠占空比为1% ；步骤C.相邻设备在共同的窗口时隙激活状态完成数据的上传/下发，其他时间处于休眠状态。数据的上传/下发包括三个状态，分别是“搜索父节点”状态，“搜索子节点”状态，数据上传/下发。在数据上传和下发状态下，设备不再接受子节点入网，在它的父节点窗口时隙和子节点窗口时隙，设备被激活进行数据传输，其它时间则处于休眠状态。搜索子节点的周期大于设备搜寻父节点的周期。在步骤C中还包括对时隙窗口进行校准的步骤，在每个激活时间窗口内，由上级节点向下级节点发射一个时间同步巾贞，该巾贞包含上级节点的时间窗口起始信息h,下级节点收到该帧后，修改自己的休眠长度，在下一个窗口时刻将自己的时间窗起始时间t2校正为与上级同步的tp与现有的数据传输系统相比，本发明具有如下优点

　　1.采用Zigbee协议无线传输，免除布置数据线缆；

　　2.采用特有低功耗设计，内置电池供电，可持续工作一年以上，免除外接电力线；

　　3.布置灵活，本系统上电后自动组网，可以灵活的添加，移除，更换。适用于如井下开采等变化环境的需要。

　　附图说明

　　图I为本发明的系统结构示意 图2为本发明的数据采集器结构示意 图3为本发明的基站结构示意 图4为本发明的数据中继器结构示意 图5为本发明的当前节点维护父子节点的示意 图6为链路链接流程示意 图7为本发明的调整时隙窗口示意图。

　　具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细说明。如图I所示，本发明提出的无线数据传输系统，包括数据采集器S、基站Q、以及设置在两者之间的至少一个数据中继器R，数据采集器S、数据中继器R和基站Q之间组成链式跳转传递结构，采用无线网络逐级传输完成数据的上传和下发。无线网络采用Zigbee标准协议，工作频率为2. 4GHz。如图2所示，数据采集器S负责信息采集，包括主控模块SI、电源模块S2、定时模块S3、数据采集模块S4和射频模块S5，射频模块S5基于zigbee无线网络协议与数据中继器R通信。在矿山安全应用领域，数据采集器S —般放置在矿井深处，其数据采集模块S4通过485接口和矿用传感器，矿用掘进机等设备相连接，一般可以就近取电，该设备为持续工作设备，完成信息采集工作。如图3所示，基站Q是数据跳传的最后一级，其结构与数据采集器结构类似，包括主控模块Q1、电源模块Q2、定时模块Q3、有线链路模块Q4和射频模块Q5，在矿山安全应用领域，矿用基站Q安放的位置一般在矿井中的主巷道中，因此可以比较方便的实现供电，该设备也是持续工作设备，基站的有线链路模块用于将无线数据传输系统接入矿井内的有线网络。如图4所示，数据中继器R为数据跳传系统的核心设备，包括主控模块R1、电源模块R2、定时模块R3和射频模块R4，所述的定时模块R3为系统提供维护系统运行需要的时隙窗口，所述的射频模块R4基于无线网络协议与其他的数据中继器通讯，或与数据采集器和基站通信。该设备布置在矿井巷道中，是低功耗设备，具有很低的激活/休眠占空比，采用12安时的内置电池供电，可以工作一年。数据中继器R在实际布置中个数不定，每个节点在链路中的路由关系也不定，由于Zigbee数据传输要求收发双方必须在激活状态下才能进行数据传输，因此要在实现本发明的链式跳传，进行数据的两个节点之间必须做到严格的时间同步，即收发双方在同一时刻醒来，进行数据收发后再进入休眠状态。因此本发明还包括一种无线数据传输方法，包括如下步骤

　　步骤A.在设备安装后，首先数据中继器要通过主控模块依次建立数据采集器、数据中 继器和基站之间的链接关系，使自身节点和上游的父节点，下游的子节点间建立路由关系和时间同步关系。链接的顺序是从数据采集开始，一个个顺序进行。初始时只有数据采集器可以接受子节点入网。当他的子节点成功入网后，数据采集器进入工作状态，不再接受子节点入网，而他的下一级子节点开始接受子节点入网，如此一级一级的进行级联，直到连上矿用基站结束，每个设备只能链接一个父节点和一个子节点。步骤B.如图5所示，每个数据中继器拥有一个固定的ID，同时拥有一个父节点ID和一个子节点ID，数据中继器通过定时模块维护一个父节点窗口时隙和一个子节点窗口时隙，数据采集器设备维护子节点窗口时隙，基站维护父节点窗口时隙，父节点窗口时隙和子节点窗口时隙依次被激活/休眠，系统的工作/休眠占空比为1% ；

　　步骤C.相邻设备在共同的窗口时隙激活状态采用逐级传输的方法完成数据的上传/下发，其他时间处于休眠状态。如图6所示，在步骤C中，设备从上电到正常工作需要依次经过“搜索父节点”状态，“搜索子节点”状态，数据上传/下发三个状态。I. “搜索父节点”状态设备上电后即进入此状态，在此状态下，设备每1000毫秒向外发射父节点探测帧1，并打开侦听窗口 20毫秒。若在此时间内收到父节点回复帧2，则记录父节点ID和父节点的窗口时隙。同时向父节点发射链路建立确认帧3，表明链路已经成功建立。2. “搜索子节点”状态设备搜索父节点成功后即进入该状态。该状态下设备每30秒侦听1100毫秒，该窗口大于设备搜寻父节点周期。若在此窗口内收到了父节点探测帧1，则向对方回复父节点回复帧2，等待对方建立链接。如果对方回复链路建立确认帧3，则表明链路已经成功建立，此时记录子节点的ID和子节点的工作窗口时隙，转入正常工作状态。搜索子节点的周期大于设备搜寻父节点的周期。3. “数据上传/下发”状态在此状态下，设备不再接受子节点入网，在它的父节点窗口时隙和子节点窗口时隙，设备被激活进行数据传输，其它时间则处于休眠状态。如图7所示，由于各个设备之间可能存在时钟上的偏差，因此建立起来的时隙窗口关系可能随着两个设备的运行越偏越远。因此在步骤C中还包括对时隙窗口进行校准的步骤，对时隙窗口进行校准。假设上级节点的窗口开始时间为h，下级节点的时间窗口起始时间为t2，在每个激活时间窗内，由上级节点向下级节点发射一个时间同步帧。该帧包含上级节点的时间窗口起始信息，下级节点收到该帧后，修改自己的休眠长度，在下一个窗口时刻将自己的时间窗起始时间t2校正为与上级同步的ti。本发明可以应用在一些条件苛刻的地方需要上传关键数据的环境中，以上具体实 施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。

　　权利要求

　　1.一种无线数据传输系统，其特征在于包括数据采集器、基站、以及设置在两者之间的至少一个数据中继器，所述的数据采集器、数据中继器和基站之间组成链式跳转传递结构，采用无线网络逐级传输完成数据的上传和下发。

　　2.如权利要求I所述的无线数据传输系统，其特征在于，所述的数据采集器包括主控模块、电源模块、定时模块、数据采集模块和射频模块，所述的数据采集模块与矿用传感器、矿用掘进设备相连，进行数据采集，所述的射频模块基于无线网络协议与数据中继器通信。

　　3.如权利要求I所述的无线数据传输系统，其特征在于，所述的基站包括主控模块、电源模块、定时模块、有线链路模块和射频模块，所述的有线链路模块用于将无线数据传输系统接入有线网络，所述的射频模块基于无线网络协议与数据中继器通信。

　　4.如权利要求I所述的无线数据传输系统，其特征在于，所述的数据中继器包括主控模块、电源模块、定时模块和射频模块，所述的定时模块为系统提供维护系统运行需要的时隙窗口，所述的射频模块基于无线网络协议与其他的数据中继器通讯，或与数据采集器和基站通信，所述电源模块采用电池供电。

　　5.如权利要求4所述的无线数据传输系统，其特征在于，所述的数据中继器为多个，每个数据中继器拥有一个固定的ID，同时拥有一个父节点ID和一个子节点ID，所述的数据中继器维护一个父节点窗口时隙和一个子节点窗口时隙，所述的数据采集器设备维护子节点窗口时隙，所述的基站维护父节点窗口时隙，所述父节点窗口时隙和子节点窗口时隙依次被激活/休眠。

　　6.如权利要求I所述的无线数据传输系统，其特征在于，所述的无线网络采用Zigbee标准协议，工作频率为2. 4GHz。

　　7.一种无线数据传输方法，其特征在于包括 步骤A.通过主控模块依次建立数据采集器、数据中继器和基站之间的链接关系，使自身节点和上游的父节点，下游的子节点丨司建立路由关系和时间同步关系； 步骤B.通过定时模块维护一个父节点窗口时隙和一个子节点窗口时隙，所述父节点窗口时隙和子节点窗口时隙依次被激活/休眠，系统的工作/休眠占空比为1% ； 步骤C.相邻设备在共同的窗口时隙激活状态完成数据的上传/下发，其他时间处于休眠状态。

　　8.如权利要求7所述的无线数据传输方法，其特征在于，所述步骤C中的数据的上传/下发包括 (O “搜索父节点”状态，设备上电后，每1000毫秒向外发射父节点探测帧，并打开侦听窗口 20毫秒，若在此时间内收到父节点回复帧，则记录父节点ID和父节点的窗口时隙，同时向父节点发射链路建立确认帧，表明链路已经成功建立； (2)“搜索子节点”状态，设备搜索父节点成功后即进入该状态，该状态下设备每30秒侦听1100毫秒，该窗口大于设备搜寻父节点周期，若在此窗口内收到了父节点探测帧，则向对方回复父节点回复帧，等待对方建立链接；如果对方回复链路建立确认帧，则表明链路已经成功建立，此时记录子节点的ID和子节点的工作窗口时隙，转入数据上传/下发工作状态； (3)数据上传/下发，此状态下，设备不再接受子节点入网，在它的父节点窗口时隙和子节点窗口时隙，设备被激活进行数据传输，其它时间则处于休眠状态。

　　9.如权利要求7所述的无线数据传输方法，其特征在于搜索子节点的周期大于设备搜寻父节点的周期。

　　10.如权利要求7所述的低功耗数据传输方法，其特征在于所述步骤C还包括对时隙窗口进行校准的步骤，该步骤中，在每个激活时间窗口内，由上级节点向下级节点发射一个时间同步帧，该帧包含上级节点的时间窗口起始信息tl，下级节点收到该帧后，修改自己的休眠长度，在下一个窗口时刻将自己的时间窗起始时间t2校正为与上级同步的h。

　　全文摘要

　　本发明公开一种无线数据传输系统，包括数据采集器、基站、以及设置在两者之间的至少一个数据中继器，数据采集器、数据中继器和基站之间组成链式跳转传递结构，采用无线网络逐级传输完成数据的上传和下发。本发明采用低功耗方案及在极低占空比下进行无线数据传输，在恶劣的地下环境也能够自由组网，不受环境影响。

　　文档编号H04W84/18GK102869124SQ20121037879

　　公开日2013年1月9日 申请日期2012年10月9日 优先权日2012年10月9日

　　发明者崔荣涛, 徐跃福, 文智力, 陈洵 申请人:深圳市翌日科技有限公司

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