用於選擇傳感器網絡中的通信網絡的系統和方法與流程
2023-10-04 16:14:49 1
所公開的系統涉及用於飛行器的靈活網絡系統，並且更具體地涉及用於選擇基於無線通信協議的第一傳感器網絡或基於電力線通信協議的第二傳感器網絡的系統和方法。
背景技術：
飛行器可以包含用於飛行控制和各種操作的各種傳感器。這些傳感器可以是飛行器傳感器網絡的一部分，用於將傳感器採集的數據發送到計算系統，所述計算系統可以分析傳感器採集的數據。例如，用於飛行器中的客艙的環境控制系統可以使用各種溫度傳感器和氣流傳感器來識別為維持客艙內的期望環境可能需要的改變。
應該意識到，增加使用飛行器傳感器將導致飛行器內更多的布線。該布線可能增加飛行器的成本和重量，並且還可能是安裝耗時的。為了減少飛行器內的布線，可以使用無線傳感器網絡。然而，在飛行器上實施無線網絡可能存在若干獨特的挑戰。當嘗試在飛行器內實施無線網絡時遇到的問題的一些示例包括例如電源和電池約束、射頻(RF)信道減損、安全性以及物理到邏輯映射。特別地，當受到由於無線介質的固有性質引起的幹擾時，現存的無線解決方案不總是安全的。而且，還應該意識到，除非有大量的可用帶寬，否則不可能實現無線節點的精確的物理到邏輯映射。因此，本領域持續地需要克服上述問題的一種魯棒且靈活的無線傳感器網絡。
技術實現要素：
在一個方面，公開一種傳感器網絡，其包含基於無線通信協議的第一網絡、基於電力線通信協議的第二網絡以及與第一網絡和第二網絡中的一個通信的至少一個傳感器節點。傳感器節點包含至少一個傳感器和與所述至少一個傳感器通信的控制模塊。該控制模塊包含控制邏輯，用於基於傳感器網絡的至少一個工作參數選擇第一網絡和第二網絡中的一個。
在另一方面，公開了一種在飛行器的傳感器網絡內選擇第一網絡和第二網絡之一的方法。該方法包含由控制模塊檢測傳感器網絡的至少一個工作參數。該方法還包含基於傳感器網絡的至少一個工作參數由控制模塊選擇第一網絡和第二網絡中的一個。第一網絡基於無線通信協議，第二網絡基於電力線通信協議，並且控制模塊是與第一網絡和第二網絡中的一個通信的至少一個傳感器節點的一部分。
所公開方法和系統的其他目的和優點在以下說明書、附圖以及所附權利要求中是顯而易見的。
附圖說明
圖1是包含多個傳感器節點、數據採集器以及伺服器的所公開的傳感器網絡的框圖。
圖2是圖1所示的控制模塊的框圖；以及
圖3是被存儲在圖1-2所示的控制模塊的存儲器內的各種堆棧選項的框圖。
具體實施方式
圖1是圖示說明所公開的傳感器網絡10的框圖。傳感器網絡10可以包含一個或多個傳感器節點20(其也可以被稱為結點)、數據集中器22以及伺服器24。傳感器網絡10可以是包含用於將由傳感器節點20採集的數據傳輸到伺服器24的兩種不同通信協議的混合網絡。具體地說，如下文詳細描述的，傳感器網絡10提供了一種使用無線網絡或電力線通信傳送由傳感器節點20收集的數據的魯棒且靈活的網絡。而且，也正如下文更詳細描述的，如果網絡中的一個不可用，則傳感器網絡10可以容易地切換到剩餘的網絡以進行不間斷的數據通信服務。
在圖1所示的實施例中，傳感器網絡10是飛行器26的一部分。然而，應認識到傳感器網絡10不局限於飛行器26並且也可以用於其他環境，例如汽車應用。儘管飛行器26本質上不旨在進行限制，但是應認識到飛行器網絡一般不要求相對快的數據傳輸速率。因此，如下所述，無線介質以及電力線通信均可以基於具有相對低的數據傳輸速率的通信協議。
傳感器節點20中的每一個可以包含相應的天線30，並且每個傳感器節點20可以通過無線連接32與剩餘的傳感器節點20以及數據集中器22進行通信。無線連接32可以基於射頻(RF)通信協議。在一個實施例中，無線連接32可以基於具有相對低的數據傳輸速率的RF通信協議，其中傳輸速率為大約幾百kb/s。具有相對低的數據速率的RF通信協議的一個示例是基於電子與電氣工程師協會(IEEE)802.15.4協議的通信協議。還應認識到IEEE802.15.4協議只定義了七層開放系統互連(OSI)模型中的較低網絡層，例如物理(PHY)層以及媒體訪問控制(MAC)層。PHY層可以被稱為層1，並且是網絡層中的最低層。MAC層可以被稱為層2。應進一步認識到IEEE802.15.4協議沒有定義較高級層。基於IEEE802.15.4協議的無線通信協議的一些示例包含但不限於、無線以及6LoWPAN。
傳感器節點20中的每一個可以通過電力線通信38互相通信以及與數據集中器22和伺服器24通信。電力線通信38也可以基於具有相對低的數據傳輸速率的通信協議，例如，窄帶電力線通信技術。在一個非限制性實施例中，電力線通信38可以基於IEEE1901.2協議。應認識到，窄帶電力線通信一般運行在約500kHz以下的頻帶。然而，應認識到，電力線通信38不應該僅局限於窄帶電力線通信，窄帶通信可以給位於飛行器26上的其他系統提供減少的幹擾。而且，還應認識到，在一個實施例中電力線通信38可以利用飛行器26內現有的交流(AC)或直流(DC)電力線，其進而減小飛行器26的成本和重量。具體地說，例如，電力線通信38可以利用飛行器26內現有的115VAC線，或者現有的28VDC線。
傳感器節點20可以包含用於收集感測信息的一個或多個傳感器(未顯示)，所述感測信息指示飛行器26內的工作狀況，例如，溫度、壓力、速度以及高度。傳感器節點20也可以通過相應的控制模塊40處理由傳感器收集的感測信息。控制模塊40可以指代以下所述項或所述項的一部分：專用集成電路(ASIC)、電子電路、組合邏輯電路、現場可編程門陣列(FPGA)、包括硬體或執行代碼的軟體的處理器(共享的、專用的或成組的)或者例如在片上系統內的上述項中的一些或全部的組合。控制模塊40可以包含用於與無線連接32和電力線通信38兩者通信的被保存在存儲器內的多堆棧配置，其在下文被更詳細地描述並且在圖3中圖示說明。傳感器節點20可以將指示由傳感器檢測到的工作狀態的數據傳輸到傳感器網絡10內的其他傳感器節點20，以及通過無線連接32或電力線通信38傳輸到數據集中器22。
數據集中器22可以包含天線42。無線連接32通過相應的天線30、42將傳感器節點20連接到數據集中器22。數據集中器22可以從傳感器節點20採集數據，並且可以經由數據連接件44將從傳感器節點20接收到的數據傳輸到伺服器24。連接件44可以是用於傳輸數據的任何類型的連接件，例如乙太網連接。數據集中器22可以包含將從傳感器節點20接收到的數據傳輸到伺服器24的至少一個控制模塊50。控制模塊50可以包含與無線連接32和電力線通信38兩者通信的被保存在存儲器中的多個堆棧配置，其在下文被更加詳細地描述並且在圖3中圖示說明。控制模塊40和控制模塊50兩者都可以包含用於基於無線連接32或電力線通信38選擇通信的控制邏輯。
圖2是通過接口64與兩個收發器60、62通信的控制模塊50的框圖。具體地說，收發器60中的一個是與無線連接32通信的RF收發器(圖1)。RF收發器60用於發送和接收來自無線連接32的通信。剩餘的收發器62可以是與電力線通信38(圖1)通信的電力線通信(PLC)收發器。PLC收發器62用於發送和接收來自電力線通信38的通信。
RF收發器60和PLC收發器62兩者都與接口64通信。接口64可以是例如基於IEEE802.15.4協議的增強串行外圍接口(SPI)。應認識到，SPI接口在RF收發器60和PLC收發器62兩者之間是共用的。接口64可以將來自RF收發器60和PLC收發器62的通信傳輸到控制模塊50。
圖3是被保存在控制模塊50(圖1和圖2)的存儲器內以及控制模塊40(圖1所示)的存儲器內的示例性網絡堆棧配置70。具體地說，堆棧70包含第一電力線通信堆棧71和第二無線連接堆棧80。電力線通信堆棧71可以包含用於與圖2所示的PLC收發器62通信的一個或多個堆棧選項。在圖示的示例性實施例中，電力線通信堆棧71包含兩個堆棧71a、71b，每個堆棧都基於OSI模型。然而，應認識到，該圖示不是限制性的，並且在另一實施例中網絡堆棧配置70還可以基於另一種協議，如Zigbee 。
圖3說明了電力線通信堆棧71a，其包含多個層，即PHY層72a、MAC層74a、網絡層76a以及傳輸層78a。類似地，所示的電力線通信堆棧71b包含PHY層72b、MAC層74b、網絡層76b以及傳輸層78b。應認識到兩個堆棧71a、71b的頂部的三個層(即會話層、表徵層和應用層)為了簡化和清楚的目的沒有在圖3中示出。然而，電力線通信堆棧71a、71b都包含這些層。
本領域技術人員很容易理解的是，PHY層72a、72b可以接收來自物理介質的消息並傳送消息到物理介質。如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊40的存儲器內，則物理介質可以是圖1所示的傳感器節點20的傳感器模塊(未顯示)。可替換地，如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊50的存儲器內，則物理設備也可以是PLC收發器62(圖2)。MAC層74a、74b可以用作網絡層76a、76b和PHY層72a、72b之間的接口。從圖3中可以看出，MAC層74a、74b都被調適用於IEEE802.15.4協議。應認識到，IEEE802.15.4協議不旨在用於電力線通信。因此，MAC層74a、74b已經被調適或修改以便用於電力線通信。網絡層76a、76b和傳輸層78a、78b可以被認為是比PHY層72和MAC層74更高的層，因為來自PLC收發器62的數據可以從相應的PHY層72a、72b通過堆棧向上行進到應用層(未顯示)。如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊40的存儲器內，則可以經由電力線通信38來發送數據。如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊50的存儲器內，則可以經由連接件44發送數據並且將其發送到伺服器24(圖1)。
在圖3所示的示例性實施例中，網絡層76a可以被提供以基於6LoWPAN協議進行通信。具體地說，網絡層76a可以基於網際網路協議第六版(IPv6)將數據包發送到傳輸層78a。類似地，網絡層76b可以基於網際網路協議第四版(IPv4)被提供或進行通信。網絡層76b可以基於用戶數據報協議(UDP)將數據包發送到傳輸層78b。應認識到，圖3本質上僅是示例性的，並且網絡層76a、76b和傳輸層78a、78b也可以基於另一種協議。還應認識到，儘管電力線通信堆棧71包含兩個堆棧71a、71b，但是該圖示本質上僅是示例性的，並且也可以包括適應其他類型的通信協議的任何數量的堆棧。
繼續參考圖3，無線連接堆棧80可以包含用於與圖2所示的RF收發器60通信的一個或多個堆棧選項。在所示實施例中，無線連接堆棧80包含兩個堆棧80a、80b。具體地說，圖3示出了無線連接堆棧80a，其包含PHY層82a、MAC層84a、網絡層86a以及傳輸層88a。類似地，圖3示出了無線連接堆棧80b，其包含PHY層82b、MAC層84b、網絡層86b以及傳輸層88b。應認識到，兩個堆棧80a、80b的頂部三個層(即會話層、表徵層以及應用層)也由於簡化和清楚的目的而沒有在圖3中示出。
PHY層82a、82b可以從物理設備接收消息並且將消息傳輸到物理設備。如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊40的存儲器內，則物理設備可以是圖1中所示的傳感器節點20的傳感器(未顯示)。可替換地，如果網絡堆棧配置70被保存在控制模塊50的存儲器內，則物理設備也可以是RF收發器60(圖2)。類似於電力線堆棧70a的網絡層76a，無線連接堆棧80a的網絡層86a可以被提供用於基於6LoWPAN進行通信。同樣，無線連接堆棧80b的網絡層86b可以基於IPv4。
參考圖1和圖3兩者，兩個控制模塊40、50均可以包含用於選擇網絡堆棧配置70中的電力線通信堆棧71或無線連接堆棧80的控制邏輯。特定堆棧的選擇可以基於傳感器網絡10的至少一個工作參數。具體地說，特定堆棧的選擇可以基於網絡堆棧配置70中的一個或多個層(即PHY層、MAC層、網絡層、傳輸層、會話層、表徵層以及應用層)是否不可用。應認識到，在一個實施例中，無線連接堆棧80可以是被利用的默認堆棧，除非無線連接32(圖1)不可用，或者如果不適於通過無線網絡傳輸的高度安全數據將通過傳感器網絡10(圖1)進行通信。例如，如果控制模塊50接收到通信或者確定存在可能影響無線連接堆棧80的PHY層82a、82b的幹擾或另一信道減損，則控制模塊50將選擇電力線通信堆棧71用於數據傳輸。
在一種方案中，在控制模塊40、50基於PHY層72a、72b、82a、82b的可用性選擇了網絡堆棧配置70的電力線通信堆棧71或無線連接堆棧80之後，控制模塊40、50接著可以選擇電力線通信堆棧71或無線連接堆棧80內的特定堆棧。特定堆棧的選擇可以基於由堆棧的較高級層定義的通信協議。應認識到，較高級層包含MAC層之上的五個層(即網絡層、傳輸層、會話層、表徵層以及應用層)。例如，如果控制模塊40、50接收到通信或者確定傳感器網絡10(圖1)正在傳輸語音數據，則應認識到，可以利用由傳輸層定義的UDP。因此，如果電力線通信堆棧71已經被選擇，則電力線通信堆棧71b被控制模塊50選擇。類似地，如果無線連接堆棧80已經被選擇，則無線連接堆棧80b被控制模塊50選擇。
應認識到，控制模塊40(圖1)如控制模塊50一樣包含類似的控制邏輯以便選擇網絡堆棧配置70內的堆棧之一。然而，應認識到控制模塊50可以實施用以協調各個相關傳感器節點20的額外功能，例如網絡形成和安全密鑰管理。
總體參考附圖，所公開的傳感器網絡10提供了一種混合網絡，其包含無線連接和電力線通信以便進行通信。應認識到，電力線通信可以利用飛行器26內現有的AC或DC電力線，由此減少與硬連線連接相關的成本和重量。還應認識到，所公開的方案利用控制模塊40、50內現有的硬體來選擇特定的網絡堆棧。最後，應認識到，飛行器電力系統包含獨特的要求，例如負荷和信號傳播環境。因此，利用窄帶電力線通信可能是特別有利的，其對位於飛行器上的其他系統帶來減少的幹擾。
進一步地，本公開包括根據以下條款所述的實施例：
條款1.一種傳感器網絡(10)，其包括：
第一網絡，其基於無線(32)通信協議；
第二網絡，其基於電力線(38)通信協議；以及
至少一個傳感器節點(20)，其與所述第一網絡和所述第二網絡中的一個通信，所述至少一個傳感器節點(20)包含至少一個傳感器和與所述至少一個傳感器通信的控制模塊(40)，所述控制模塊包含用於基於所述傳感器網絡(10)的至少一個工作參數選擇所述第一網絡和所述第二網絡中的一個的控制邏輯。
條款2.根據條款1所述的傳感器網絡，其中所述控制模塊(40)包含存儲器(70)，並且其中網絡堆棧配置被存儲在所述控制模塊(40)的所述存儲器內。
條款3.根據條款2所述的傳感器網絡，其中所述網絡堆棧配置包含基於所述無線通信協議的至少一個無線堆棧(80)和基於所述電力線通信協議的至少一個電力線堆棧(71)。
條款4.根據條款3所述的傳感器網絡，其中所述至少一個無線堆棧和所述至少一個電力線堆棧兩者都基於七層開放系統互連(OSI)模型，並且其中所述至少一個無線堆棧和所述至少一個電力線堆棧兩者都包含多個層。
條款5.根據條款4所述的傳感器網絡，其中所述至少一個工作參數基於所述至少一個無線堆棧(80)或所述至少一個電力線堆棧(71)中的所述多個層中的特定層是否不可用。
條款6.根據條款4所述的傳感器網絡，其中所述至少一個工作參數基於所述至少一個無線堆棧或所述至少一個電力線堆棧(72)中的物理(PHY)層(82)是否不可用。
條款7.根據條款4所述的傳感器網絡，其中所述至少一個工作參數基於所述至少一個無線堆棧(80)或所述至少一個電力線堆棧(71)中的較高級層。
條款8.根據條款1所述的傳感器網絡，其中所述無線通信協議基於電氣與電子工程師協會(IEEE)802.15.4協議。
條款9.根據條款1所述的傳感器網絡，其中所述電力線通信協議是運行在約500kHz以下頻帶的窄帶電力線通信。
條款10.根據條款1所述的傳感器網絡，其中所述電力線通信利用飛行器內現有的交流(AC)電力線和現有的直流(DC)電力線中的一種。
條款11.根據條款1所述的傳感器網絡，其包括與所述第一網絡和所述第二網絡中的一個通信的數據集中器(22)，所述數據集中器(22)包含第二控制模塊(50)。
條款12.根據條款11所述的傳感器網絡，其中所述第二控制模塊(50)包含用於基於所述傳感器網絡的所述至少一個工作參數選擇所述第一網絡和所述第二網絡中的一個的控制邏輯。
條款13.根據條款11所述的傳感器網絡，其中所述第二控制模塊包含存儲器，並且其中網絡堆棧配置被保存在所述控制模塊(50)的所述存儲器(70)內。
條款14.一種選擇飛行器(26)的傳感器網絡(10)內的第一網絡和第二網絡之一的方法，該方法包括：
通過控制模塊(40)檢測所述傳感器網絡的至少一個工作參數；以及
基於所述傳感器網絡的所述至少一個工作參數，通過所述控制模塊(40)選擇所述第一網絡和所述第二網絡中的一個，其中所述第一網絡基於無線通信協議(32)，所述第二網絡基於電力線通信協議(38)，並且所述控制模塊是與所述第一網絡和所述第二網絡中的一個通信的至少一個傳感器節點(20)的一部分。
條款15.根據條款14所述的方法，其包括提供被保存在所述控制模塊(40)的存儲器(70)內的網絡堆棧配置。
條款16.根據條款15所述的方法，其包括在所述網絡堆棧配置內包含基於所述無線通信協議的至少一個無線堆棧(71)和基於所述電力線通信協議的至少一個電力線堆棧(80)。
條款17.根據條款16所述的方法，其中所述至少一個無線堆棧和所述至少一個電力線堆棧兩者都基於七層開放系統互連(OSI)模型，並且其中所述至少一個無線堆棧和所述至少一個電力線堆棧兩者都包含多個層。
條款18.根據條款14所述的方法，其包括與所述第一網絡和所述第二網絡中的一個通信的數據集中器(22)，所述數據集中器包含第二控制模塊(50)。
條款19.根據條款18所述的方法，其包括通過所述第二控制模塊(50)基於所述傳感器網絡的所述至少一個工作參數選擇所述第一網絡和所述第二網絡中的一個。
條款20.根據條款18所述的方法，其包括將網絡堆棧配置保存在所述控制模塊(50)的存儲器(70)內。
雖然本文描述的裝置和方法的形式構成了本公開的優選方面，但應理解本公開不局限於這些精確形式的裝置和方法，並且在不偏離本公開範圍的情況下可以對這些精確形式的裝置和方法做出改變。