基于两级多节点的无线通信网络的设计及应用

陈亮

（广东省电信规划设计院有限公司 广东省广州市 510630）

以往很多质量监测系统在实际进行监测的过程中，多采用的是有线布置方式，这种方式不仅极大地增加了实际电缆安装以及维护的成本，而且维护工作相对较为复杂，难度也更大，此外，由于此类质量检测系统的通信节点较多，整个系统设计、施工等复杂性都相对较高，也使得通信系统的运行容易受到各方面因素影响。因此，为解决上述问题，同时提高通信质量效率，采用了两级多节点的无线通信网络设计方式。

1 基于两级多节点的无线通信系统

基于无线通信网络功能需求，该系统主要包括上位机、主站、多功能终端，以及各类无线传感器等，整个系统其本身有着较高的复杂性，因此相应通信节点也相对较多，以煤矿产业液压支架支护质量在线监测系统为例，若一个综采工作面包括200 组液压支架的话，那么其所需要的无线传感器、上位机、协调器、终端等将多达近5000 个，通信节点高达2000 多个，因此整个系统的运行对于通信网络有着极高的要求，为确保整个系统的正常运行，保障无线通信网络的稳定性就是整个系统设计的关键。因此，为确保通信系统的稳定性以及信息传输效率，采用两级组网方式，分频段进行通信设计。其中，一级网络主要包括一个主站协调器以及多个分站协调器，并拥有独立频段；二级网络则包括多个频段，每个分站协调器和其下属的多个传感器使用同一频段，进而组成二级网络。根据上述分析，两级多节点无线通信网络系统的结构组成如图1 所示。

图1：两级多节点无线通信网络系统的结构组成

这种两级多节点的组网方式，不仅能够进一步保障整个通信网络系统信息传输的稳定性以及可靠性，还能够有效保障信息传输的时效，在质量监测系统当中能够有效起到良好的作用效果。其主要优势特点主要包括以下几个方面：

（1）稳定性较好，两级多节点无线通信网络系统基于其本身逐级传输、多频段传输的特点，因此整个网络系统有着极强的稳定性；

（2）安全性强，该两级多节点组网方式，有着较强的安全性，能够有效保障数据信息传输过程中的完整性和准确性，一旦在数据传输过程中，出现缺漏情况，能够重新指定数据包进行重新发送；

（3）维护便捷，相较于以往有线通信网络，无线通信网络受到外界环境影响较小，而且相应系统维护升级较为便利，给网络的维护保养提供了极大便利，也有效降低了维护成本；

（4）简化施工，无线通信网络形式由于不需要进行线缆布设，因此有效简化了实际建网施工难度，提高了通信网络建设的速度。

2 基于两级多节点的无线通信网络的总体设计

整个无线通信网络体系主要采用的是模块化设计方式，根据通信网络功能需求，无线通信网络设计过程中，不仅需要对信道、通信频率等进行设计，同时还需要对空中速率、串口参数以及发射功率进行设置。并且每个通信网络组内，都需要设置一个主协调器，并将其划分为多个节点协调器，以此实现以及网络与二级网络之间的有效连接。

2.1 一级网络

根据图1 可知，一级网络主要包括主站协调器和多个分站协调器，主站协调器是一级网络当中的核心设备，可用于存储路由表。一级网络的主要通信方式是无线路由，在通信系统实际运行的过程中，一级网络的主要功能在于将终端系统当中的数据信息传输给到主站，然后再经过主站，将相关数据上传至上位机。对于一级网络而言，分站协调器就是主站协调器的通信节点，主站协调器的信息传输只能到达分站调节器这一层，而且必须要经过分站调节器，不能够进行越级管理，因此其主站点的协调器就能够有分站协调器的路径，除特殊情况外，分站调节器是无法主动向主站发送信息和数据，只能听取主站协调器的调取，才能够进行回复。此外，在进行一级网络设计的过程中，为保障通信网络系统的稳定性、运行的顺畅性以及传输的时效性，还为其设计的“跳级”功能，此功能主要是针对分站协调器之间的信息数据传输，虽然通信传输距离是有明显界限的，但是在有限的传输距离之内，“跳级”功能的设置能够使得分站协调器在进行数据信息传输的过程中，将数据直接传送给到通信范围内，最远距离的分站协调器，以此进一步提升数据传输的效率。

2.2 二级网络

结合图1 结构组成可知二级网络设计主要包括节点调节器和传感器两个部分，其中节点协调器是二级网络的核心设备。由于二级网络包括多个频段，因此二级网络的通信形式主要广播通信，以此实现对于传感器数据的获取，并将传感器的数据存储在多功能终端当中。而节点主协调器则主要负责保存通信频段以及地址，与一级网络不同的是，二级网络传感器的数据是通过主动的方式传输给节点主协调器的。结合质量监测系统实际运行情况和需求，在系统运行的过程中，可能会存在多个传感器同时向主协调器传输信息的情况，对此，为避免二级无线通信网络出现数据冲突、传输混乱等情况，此次通信网络系统的设计，将不同通信节点的信道进行区分设计，以此有效避免了数据冲突问题，保障通信系统的顺畅运行。

3 两级多节点的组网形式

根据两级多节点的无线通信网络的总体设计框架，其组网形式主要包括上电自组网、上位机自动建网以及人工路由表建网三种形式。

（1）上电自组网。顾名思义，就是在整个系统初次通电的过程中，进行自动组网。基于两级多节点的通信网络系统，这种组网方式，能够使得系统初次上电时，一级网络当中的主站协调器和分站协调器会自动寻找网络，并组成通信网络，然后将通信路径保存在路由表当中。在一级网络组网完成之后，才会进行二级网络的自动组网。在二级网络自动组网的过程中，其节点主协调器和节点协调器也会自动寻找并组网，然后节点主协调器会自动保存节点协调器的通信路径，进而完成上电自组网，形成通信网络。

（2）上位机自动建网。上位机与主站协调器之间的网络通信，需要由上位机自动建网实现，上位机能够自主给分站协调器或者节点主协调器发送组网指令，要求指定协调器进行重新组网，以此实现对于原有通信路径的更新调整，形成新的通信路径，该指令能够指定具体节点，有针对性地进行通信路径的调整。上位机无线自组网形式如图2 所示，这种组网方式能够有效提高信息传输效率以及网络通信的稳定性和可靠性。

图2：上位机无线自组网

（3）人工路由表建网。路由表也叫做路由择域信息库，就是通信网络设备上存储的表，该表中保存了能够到达指定网络终端的路径，其中也包含网络周边的拓扑信息，建立路由表的主要目的在于能够进行静态路由选择。但实际上进行数据包传输的过程中，路由表并不是直接参与到传输过程中，而是通过生成小型指向表，该指向表的主要目的就是提供数据包传输的有限路径。人工路由表建网主要是针对静态路由进行手动配置和调整，以此明确指定数据包传输过程中所需要经过的路径。人工路由表建网的主要特点在于，能够实现对于路由的精准控制，配置相对较为简单，可以有效减少网络流量。路由表更新流程如图3 所示。在整个通信网络系统运行的过程中，可能会存在通信路径调整的情况，在上位机自动建网难以满足实际通信需求的情况下，就需要采用人工路由表建网的方式，更改或者修正路由表信息，以此实现对于通信网络路径的调整。例如，需要添加3 调路由器，2 台设备时，其中设备A 的IP 为192.168.1.7/24，B 的IP 设置为192.168.4.7/24。各路由器的IP 配置如表1 所示。设备APING 路由器A 的E1 口的IP：不通，是因为设备A还没有配置默认网关，因此需要将其配置默认网关。设备APING 设备B：不通，是因为尚未配置各个路由器，因此需要配置路由器A 的静态路由，然后查看路由表检查网络配置情况。

表1：路由器的IP 配置

图3：路由表更新流程

4 一级无线通信网络设计

4.1 硬件设计

在进行一级无线通信网络设计的过程中，结合当前质量监测系统实际运行需求，所选择的无线芯片频率的范围应为300～510MHz，并要求该无线射频模块的接收功耗相对较低，经过系统设计之后，其接收电流为2.6mA，电压也控制在了2.1～3.6V 之间，最大发射功率为+12.5dBm。此外，为提升一级网络硬件设计的科学性以及有效性，还需要硬件系统具有较高的集成度，整个电路设计不仅需要具有射频功能，同时还需要兼顾逻辑控制能力。整个一级无线通信系统网络主要包括的硬件结构有振荡器、电路、功率放大器、变频器，以及各种放大电路和调解电路等。该硬件系统的设计和芯片使用，能够有效保障一级无线通信系统当中硬件芯片有着较高的灵敏度，有效保障了数据信息接收的质量和效率。

4.2 数据传输

对于一级无线通信网络而言，其核心设备为主站协调器，上位机与整个通信网络进行数据信息传输的唯一通路也是主站协调器，此外，为保障数据的顺利传输，上位机在给主站协调器发送相应数据指令的数据帧当中，需要将分站协调器的ID 号也包含进去，这样才能够将相应指令准确的传输给到分站协调器。然后主站协调器收到上位机的数据信息之后，就会进行数据帧的解析处理，再充分调取出分站协调器的ID，然后按照相应ID，通过与路由表进行对比，以此提取出分站ID 的通信路径，再将相应数据帧以及通信路径发送给到分站协调器。分站协调器接收到相应数据帧之后，就会进行目标数据帧的解析，若相应路径当中包含自己的ID，但不属于自己的目标点时，就会将其传送给后续其他分站协调器，以此实现自身中继功能，若路径当中不包含自己的ID，则不需要自己进行转发，其他被包含ID 的分站协调器会发挥自身解析和中继传输作用，直至数据帧到达目标分站协调器。然后由目标分站协调器对接收到的数据信息进行解析还原，再将由终端采集和处理后的数据信息打包成为能够进行无线路由传输的数据包，再将其上传给到主站协调器，然后由主站协调器将数据传输至上位机，以此完成整个数据信息传输过程，在实际进行数据传输的过程中，若来自于终端的数据信息无法在一个数据包当中全部上传完毕，则需要将其划分成为多个数据包进行上传处理，并对其进行标记，以此确保数据信息上传的完整性，一旦上传过程中出现数据包丢失的情况，能够及时发现丢失的数据包，并下发重新发送数据包的指令。

4.3 保障机制

为保障整个通信网络系统的稳定性以及可靠性，在初次进行网络搭建的过程中，主站协调器通常会为针对每个分站协调器，分别建立三条通信路径，其中主路径为默认路径，数据信息传输过程中，通常都是以默认路径为主，当默认路径出现连接问题，如网络断开或者访问超时，此时在经过一段时间的延时等待之后，主站协调器就会自主选择其他路径进行信息传输，若第二条路径也无法成功连接，才会启动第三条路径。当三条传输路径都无法连接成功时，主站协调器将会重新进行数据发送，并启动自动建网方式，建立新的通信路径，以此确保数据信息能够发送到指定分站协调器当中。这种重发机制的设计能够有效保障数据信息的准确发送，而且前后两次信息发送路径不同，重发路径是自动重建之后的通信路径，这种机制，不仅能够实现对于通信网络当中冗余路由的有效利用，而且还能够保障分站协调器在主通信路径的基础上，还能够具有多条备用路径，有效保障了通信系统的稳定性以及可靠性。

除此之外，在进行一级无线通信网络设计的过程中，还为其设置了无回复情况下的两种安全机制。

（1）当主协调器向分站协调器发送指令信息没有得到任何反馈或者回复的情况下，主站协调器还会多次分别通过不同通信路径进行访问，若仍然无法得到回复，那么主站协调器会将对该分站协调器进行故障报警处理。

（2）当分站协调器长时间未收到来自于主站协调器的指令或者数据信息时，则会主动向上发送特殊数据信息，以此确保主站与分站协调器之间仍然能够顺利通信，且系统处于正常运行状态之下，以此保障无线通信系统的正常运转，进一步提升系统的可靠性。

5 二级无线通信网络设计

5.1 硬件设计

二级无线通信网络部分硬件设计主要指的是射频收发部分，射频收发模块的设计，直接影响着二级无线通信网络的通信质量和运行效率。对此，为保障二级无线通信网络数据传输的质量和效率，需要选用高性能射频芯片和单片机，并通过固定模块、透明传输以及低电压供电设计，降低实际运行过程中的操作要求，保障系统运行的稳定性。对此，其射频频率应设置在428～434MHz，传输距离应设置为100m，并通过FSK 进行调制，此外，为确保无线模块运行的稳定性，还需要增设看门狗，并设置40bytes 的数据缓冲区，进一步保障无线模块运行的可靠性以及稳定性。此外，为保障无线模块的实用性，还需要对其体积、功耗以及灵敏度等进行优化调整，以此进一步缩小模块体系，降低模块功耗，并提升模块灵敏度，保障整个二级通信网络系统的可靠性，以此提升二级无线通信系统整体性能。部分二级无线通信电路图设计情况如图4 所示。

图4：部分电路图

5.2 数据传输

与一级通信网络不同，二级通信网络数据传输的主要方式为广播式发送，节点主协调器、分界点协调器与终端设备之间均以TTL方式进行数据信息传输，并且为主动发射方式，这样才能够有效保障采集到的数据信息能够准确、及时的传输出去。为降低整个无线通信系统运行的低功耗特性，在通信系统实际运行的过程中，节点主协调器始终处于待机状态，但是能够随时进行数据接收，为保障信息传输的时效性，需要由分节点协调器定时进行唤醒，对此在进行系统设计的过程中，需要通过设置定时休眠自动唤醒时间，当到达相应唤醒时间节点时，传感器会向节点协调器发送低电平进行唤醒，等到传感器数据收集完毕之后，会主动将数据经由节点协调器，发送至节点主协调器完成数据通信。当完成数据传输过程之后，相应传感器、协调器等均会进入休眠状态，这种系统运行方式，不仅能够有效保障数据信息传输效率，确保通信网络系统稳定运行，同时还能够进一步减少耗能。此外，为保障数据传输的顺利性，还可以进行分时发送设计，在系统除此上电之后，终端会给传感器发送休眠指令，然后设置相应唤醒间隔，以此促使传感器能够在不同的时间被唤醒，并进行数据信息的传输，进而错开数据传输时间，避免组内传感器数据传输冲突问题。最后，由于每个传感器都有明确的ID 地址，能够在系统运行时，准确标出传感器的类型和位置，有效保障了数据传输的精准性。

5.3 保障机制

为确保二级通信网络运行质量和效率，二级网络采用多频段通信方式，为每个主协调器配置多个不同频段，并确保每组节点协调器都与节点主协调器处于同一通信频段，以此避免不同组别之间出现数据冲突的情况，造成数据传输混乱。此外，为保障数据传输的顺利性以及可靠性，还需要为节点主协调器配置单独的ID，以此保障信息传输的准确性以及可靠性，确保数据准确、高效的抵达目标。除此之外，由于二级通信网络其所涉及到的传感器、协调器较多，因此数据传输量也相对较大，可能存在组内数据传输冲突情况，因此，为防止此类情况的发生，可以进行数据侦听设计，一旦出现数据冲突情况，则可自动进行数据延时发送处理，直至所有数据信息发送成功为止。最后，若在信息传输的过程中，当超出指定通信时限之后，主协调器仍然没有接收到节点协调器所传输的数据信息，此时，主协调器将会开启自动重启功能，重新启动主协调器以及节点协调器，并组建新的无线网络路径，重新进行数据信息的传输，以此保障无线通信网络的运行可靠性。两级多节点无线通信网络的设计和研究，对于提升质量监测系统的功能性以及可靠性有着极大的作用，该无线网络通信系统的科学运用，不仅提高了相应监测系统的安装效率，而且该系统的应用也降低了对于通信网络维护保养的需求，既能够有效保障终端数据的实时显示，同时也能够及时在上位机进行相应数据信息的更新，促使无线通信网络的优势得到了最大程度地发挥，也极大地提升了整个监测系统运行的可靠性。

6 结束语

综上所述，两级多节点无线通信网络系统的设计和应用，不仅有效缩短了数据传输时间，而且还具有自动修复和保护功能，极大地降低了系统对于维护保养的需求，有效保障了通信网络系统运行的稳定性，提高了数据信息传输的准确性、可靠性以及时效性，而且该通信网络系统还具有功耗较低、抗干扰能力强、无线传输以及多传输路径等特点。通过采用上电自组网、上位机自建网以及人工路由表建网方式进行组网，并通过提升硬件部分性能的设计，以及相应通信保障机制等，有效解决了数据冲突、通信路径断开等突发性问题，极大地保障了通信网络的运行质量。同时无线通信形式，也解决了以往通信模式下问题频发、维护困难等情况，对于无线通信网络的建设和发展有着积极作用。