CN103152803B - 基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议 - Google Patents

Abstract

基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，属于物联网以及无线传感技术领域。该固定结构的网络分为工作站、数据汇聚终端和数据采集节点三层，其中数据汇聚终端采用直流供电方式，不考虑能源消耗，数据采集节点采用电池供电，系统层次分明结构简单。根据这种网络结构设计的超轻量级无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，能够完成自动组网、信道选择、数据的实时采集、系统的休眠和自动唤醒、链路自愈、数据汇聚终端和数据采集节点的动态加入。实现系统低成本、低功耗的运行。

Description

基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议

技术领域

本发明涉及一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，属于物联网以及无线传感技术领域。

背景技术

物联网技术的研究方兴未艾，2009年8月温家宝总理在无锡考察时，提出的“感知中国”，要求加快推进物联网技术的发展。美国总统奥巴马就职后。也积极的回应IBM提出的“智慧地球”概念，并很快的将建设物联网计划上升为国家战略。

而无线传感网络技术是物联网技术的重要组成部分，但我国对无线传感网络传输协议的研究比较晚，在工业中的应用也较少。无线蓝牙技术、Wi-Fi技术多适用在民用产品，其特点是：传输距离近，功耗大。

现有的这种固定结构的网络多应用于高压变电站、粮仓等场合的温度测量上。这些场合的数据采集节点采用电池供电，且电池的更换不易。很多研究直接采用zigbee技术应用于这些场合的无线传感网络，相对而言，zigbee技术功耗、复杂度低；但在组网、路由选择上相对灵活，造成了网络的拓扑结构不定，各个节点的功能不定，这造成了功耗的浪费。因此设计出一种适用于这种固定网络结构的超轻量级通信协议尤为必要。

申请号为201120056219.5发明名称为“无线测温系统”的实用新型提出了一种无线传感网络，该系统包括：无线温度传感器节点，连接至Zigbee无线网络管理单元，采集监测点的温度数据，并将所述温度数据通过Zigbee无线网络发送至所述Zigbee无线网络管理单元；所述Zigbee无线网络管理单元，连接至数据检测管理中心，接收所述温度数据，并将所述温度数据上传至所述数据检测管理中心；所述数据检测管理中心，对接收的所述温度数据进行存储。该实用新型就是采用的zigbee协议，势必造成网络拓扑结构不定，数据采集节点的功能不唯一，可能具有路由的功能，在数据转发的过程中，造成不必要的能源浪费。

发明内容

本发明针对这种固定网络结构的应用中的缺陷和不足，提出了一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，本发明的固定结构的网络成本低、功耗少，能够完成自动组网、信道选择、数据实时传输、链路自愈、系统休眠定时唤醒等功能。

本发明的技术方案如下：

一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，该固定网络结构包括数据汇聚终端、数据采集节点和工作站，数据采集节点散布于各工作场所，以采集温度、湿度或某种气体浓度的参数数据；其中工作站为PC机；数据汇聚终端主要包括单片机、无线收发芯片、天线、MAX485芯片、外部存储器24C08以及电压转换芯片，利用直流电源供电；数据采集节点主要包括单片机、无线收发芯片、天线、传感器和电池，其中工作站经过485转232模块后，通过485线与数据汇聚终端相连；数据汇聚终端和数据采集节点通过无线通信进行联系并传送信息；无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，该协议工作过程如下：

(1)组网阶段

工作站配置数据汇聚终端，将对应的数据采集节点的个数和地址信息传给数据汇聚终端；

在完成对数据汇聚终端的配置后，数据汇聚终端开始发送广播命令，时间长度为数据采集节点扫描一遍信道的时间，然后按地址依次和数据采集节点通信；

数据汇聚终端先判断此数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若为1，表示已经完成组网，则跳过该数据采集节点，与下一数据采集节点通信；根据实际需要，为了减少通信次数，并没有设计单独的组网命令，而是数据汇聚终端直接发送修改定时器命令，若收不到数据采集节点返回的ACK确认信号，则认为此数据采集节点未安装，然后数据汇聚终端与下一个数据采集节点通信；数据汇聚终端若收到确认信号，则发送休眠命令，并修改数据采集节点定时休眠时间为30分钟，数据采集节点休眠，并将其通信状态标志位Flag[N]置1；

这样数据汇聚终端查询完所有的数据采集节点后，再次发送广播信号，重复上面的步骤，直到找到所有的数据采集节点；

数据采集节点上电完成对单片机和无线收发芯片的初始化后，配置接收地址为广播地址，首先匹配信道，数据采集节点一遍遍扫描信道查找数据汇聚终端发送的广播信号，当收到广播信号后，将地址改为自身地址（唯一ID），并从广播命令中提取对应的数据汇聚终端的地址并写入发送地址，数据采集节点等待数据汇聚终端发送的修改定时器命令和休眠命令，发送应答信号，将正在组网标志位Prime置1，然后进入休眠；完成组网后的数据采集节点每次醒来后等待数据汇聚终端的命令，如果在一定时间内未收到数据汇聚终端的命令，则对组网标志位Prime进行判断，若其为1就继续休眠；Prime在完成组网进入调整阶段后会被置0；

此阶段完成后，所有的数据采集节点会集中在三十分钟内醒来；

（2）时间调整阶段

数据汇聚终端按照地址表中的顺序依次与数据采集节点通讯，当与第一个数据采集节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第N个，调整其定时时间为30分钟+（N-1）×50mS，同时数据汇聚终端开启定时器1，定时时间30分钟；当于第二个节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第M个，此时，定时器累计的时间为X，则调整其定时时间为（30-X）分钟+（M-1）×50mS，这样在30分钟内，就会将时间间隔依次调整为50mS的所有的数据采集节点相继醒来；

（3）正常工作阶段

此阶段包括采集数据阶段和休眠阶段；

采集数据阶段：定时到时后，数据汇聚终端每隔50mS与一个数据采集节点通信，采集数据并保存到外部存储器中，然后数据汇聚终端判断定时时间是否变化，若变化，则发送修改定时器命令，并发送定时时间，然后发送休眠命令；若没有变化则直接发送休眠命令；

休眠阶段：在采集数据阶段，若不能与第N个数据采集节点通信上，则数据汇聚终端将其工作标志位Flag[N]置0，同时此数据采集节点修改其地址为广播地址，以便再次完成组网，定时醒来的时间为1分钟；

在休眠阶段，数据汇聚终端先发送一定时间的广播信号，有两个方面的作用，一是达到占据信道的目的，二是让采集数据阶段通信失败的节点能够收到，然后数据汇聚终端查询数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若值为1，则跳过；若值为0，则发送修改定时器信号，等待应答信号；若能通信上，则将数据采集节点定时时间调整为(T-X)分钟+(N-1)×50mS，其中T为定时间隔，X为数据汇聚终端定时器已计时的时间，N为数据汇聚终端地址表中未通信上的数据采集节点的编号，然后数据汇聚终端发送休眠命令；

数据采集节点收到广播信号后，修改其接收地址为自身地址（唯一ID），等待接收修改定时器命令和休眠命令，若多次未通信上，则数据汇聚终端在与工作站通信时向其报错，认为此数据采集节点死掉，请求人为处理；

数据采集节点的整体的工作方式：

数据采集节点定时醒来后，射频芯片为接收模式等待数据汇聚终端的命令，同时开启短定时，如果在定时时间内收到数据汇聚终端的命令，则根据命令工作，然后短定时重新开始，等待下一个命令；若到时后收不到命令则进入休眠。

本发明的优点主要有：一是能够完成系统的自动组网，并根据现场环境确定干净质量好的信道进行通信。二是数据汇聚终端和数据采集节点按照严格的时间表工作，保证数据采集节点醒来后能够立刻与数据汇聚终端通信，完成数据采集后立刻进入休眠。三是链路自愈，数据采集节点在通信失败后立刻进入休眠，等待下次组网，若失败后再次进入休眠，直到完成组网，保证不造成电量的浪费。四是系统任何一层的设备故障不影响其他设备的正常工作，故障设备恢复正常后，能够自动与其他设备组成完整的网络。五是网络结构简单，没有复杂的组网方式和路由协议，数据透明传输，最大化的减少数据采集节点的能量消耗。

附图说明

图1为本发明的固定网络结构的方框示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例：

本实施案例如图1所示，一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，该固定网络结构包括数据汇聚终端、数据采集节点和工作站，数据采集节点散布于各工作场所，以采集温度、湿度或某种气体浓度的参数数据；其中工作站为PC机；数据汇聚终端主要包括单片机、无线收发芯片、天线、MAX485芯片、外部存储器24C08以及电压转换芯片，利用直流电源供电；数据采集节点主要包括单片机、无线收发芯片、天线、传感器和电池，其中工作站经过485转232模块后，通过485线与数据汇聚终端相连；数据汇聚终端和数据采集节点通过无线通信进行联系并传送信息；无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，该协议工作过程如下：

(1)组网阶段

工作站配置数据汇聚终端，将对应的数据采集节点的个数和地址信息传给数据汇聚终端；

在完成对数据汇聚终端的配置后，数据汇聚终端开始发送广播命令，时间长度为数据采集节点扫描一遍信道的时间，然后按地址依次和数据采集节点通信；

数据汇聚终端先判断此数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若为1，表示已经完成组网，则跳过该数据采集节点，与下一数据采集节点通信；根据实际需要，为了减少通信次数，并没有设计单独的组网命令，而是数据汇聚终端直接发送修改定时器命令，若收不到数据采集节点返回的ACK确认信号，则认为此数据采集节点未安装，然后数据汇聚终端与下一个数据采集节点通信；数据汇聚终端若收到确认信号，则发送休眠命令，并修改数据采集节点定时休眠时间为30分钟，数据采集节点休眠，并将其通信状态标志位Flag[N]置1；

这样数据汇聚终端查询完所有的数据采集节点后，再次发送广播信号，重复上面的步骤，直到找到所有的数据采集节点；

数据采集节点上电完成对单片机和无线收发芯片的初始化后，配置接收地址为广播地址，首先匹配信道，数据采集节点一遍遍扫描信道查找数据汇聚终端发送的广播信号，当收到广播信号后，将地址改为自身地址（唯一ID），并从广播命令中提取对应的数据汇聚终端的地址并写入发送地址，数据采集节点等待数据汇聚终端发送的修改定时器命令和休眠命令，发送应答信号，将正在组网标志位Prime置1，然后进入休眠；完成组网后的数据采集节点每次醒来后等待数据汇聚终端的命令，如果在一定时间内未收到数据汇聚终端的命令，则对组网标志位Prime进行判断，若其为1就继续休眠；Prime在完成组网进入调整阶段后会被置0；

此阶段完成后，所有的数据采集节点会集中在三十分钟内醒来；

（2）时间调整阶段

数据汇聚终端按照地址表中的顺序依次与数据采集节点通讯，当与第一个数据采集节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第N个，调整其定时时间为30分钟+（N-1）×50mS，同时数据汇聚终端开启定时器1，定时时间30分钟；当于第二个节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第M个，此时，定时器累计的时间为X，则调整其定时时间为（30-X）分钟+（M-1）×50mS，这样在30分钟内，就会将时间间隔依次调整为50mS的所有的数据采集节点相继醒来；

（3）正常工作阶段

此阶段包括采集数据阶段和休眠阶段；

采集数据阶段：定时到时后，数据汇聚终端每隔50mS与一个数据采集节点通信，采集数据并保存到外部存储器中，然后数据汇聚终端判断定时时间是否变化，若变化，则发送修改定时器命令，并发送定时时间，然后发送休眠命令；若没有变化则直接发送休眠命令；

休眠阶段：在采集数据阶段，若不能与第N个数据采集节点通信上，则数据汇聚终端将其工作标志位Flag[N]置0，同时此数据采集节点修改其地址为广播地址，以便再次完成组网，定时醒来的时间为1分钟；

在休眠阶段，数据汇聚终端先发送一定时间的广播信号，有两个方面的作用，一是达到占据信道的目的，二是让采集数据阶段通信失败的节点能够收到，然后数据汇聚终端查询数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若值为1，则跳过；若值为0，则发送修改定时器信号，等待应答信号；若能通信上，则将数据采集节点定时时间调整为(T-X)分钟+(N-1)×50mS，其中T为定时间隔，X为数据汇聚终端定时器已计时的时间，N为数据汇聚终端地址表中未通信上的数据采集节点的编号，然后数据汇聚终端发送休眠命令；

数据采集节点收到广播信号后，修改其接收地址为自身地址（唯一ID），等待接收修改定时器命令和休眠命令，若多次未通信上，则数据汇聚终端在与工作站通信时向其报错，认为此数据采集节点死掉，请求人为处理；

数据采集节点的整体的工作方式：

数据采集节点定时醒来后，射频芯片为接收模式等待数据汇聚终端的命令，同时开启短定时，如果在定时时间内收到数据汇聚终端的命令，则根据命令工作，然后短定时重新开始，等待下一个命令；若到时后收不到命令则进入休眠。

Claims (1)

1.一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，该固定网络结构包括数据汇聚终端、数据采集节点和工作站，数据采集节点散布于各工作场所，以采集温度、湿度或某种气体浓度的参数数据；其中工作站为PC机；数据汇聚终端主要包括单片机、无线收发芯片、天线、MAX485芯片、外部存储器24C08以及电压转换芯片，利用直流电源供电；数据采集节点主要包括单片机、无线收发芯片、天线、传感器和电池，其中工作站经过485转232模块后，通过232线与数据汇聚终端相连；数据汇聚终端和数据采集节点通过无线通信进行联系并传送信息；无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，该协议工作过程如下：

 (1)组网阶段

工作站配置数据汇聚终端，将对应的数据采集节点的个数和地址信息传给数据汇聚终端；

在完成对数据汇聚终端的配置后，数据汇聚终端开始发送广播命令，时间长度为数据采集节点扫描一遍信道的时间，然后按地址依次和数据采集节点通信；

数据汇聚终端先判断此数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若为1，表示已经完成组网，则跳过该数据采集节点，与下一数据采集节点通信；根据实际需要，为了减少通信次数，并没有设计单独的组网命令，而是数据汇聚终端直接发送修改定时器命令，若收不到数据采集节点返回的ACK确认信号，则认为此数据采集节点未安装，然后数据汇聚终端与下一个数据采集节点通信；数据汇聚终端若收到确认信号，则发送休眠命令，并修改数据采集节点定时休眠时间为30分钟，数据采集节点休眠，并将其通信状态标志位Flag[N]置1；

这样数据汇聚终端查询完所有的数据节点后，即找到所有的数据采集节点；

数据采集节点上电完成对单片机和无线收发芯片的初始化后，配置接收地址为广播地址，首先匹配信道，数据采集节点一遍遍扫描信道查找数据汇聚终端发送的广播信号，当收到广播信号后，将地址改为自身地址，并从广播命令中提取对应的数据汇聚终端的地址并写入发送地址，数据采集节点等待数据汇聚终端发送的修改定时器命令和休眠命令之后，发送应答信号，将正在组网标志位Prime置1，然后进入休眠；完成组网后的数据采集节点每次醒来后等待数据汇聚终端的命令，如果在一定时间内未收到数据汇聚终端的命令，则对组网标志位Prime进行判断，若其为1就继续休眠；Prime在完成组网进入调整阶段后会被置0；

此阶段完成后，所有的数据采集节点会集中在三十分钟内醒来；

（2）时间调整阶段

数据汇聚终端按照地址表中的顺序依次与数据采集节点通讯，当与第一个数据采集节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第N个，调整其定时时间为                                               ，同时数据汇聚终端开启定时器1，定时时间30分钟；当于第二个节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第M个，此时，定时器累计的时间为X，则调整其定时时间为，这样在30分钟内，就会将时间间隔依次调整为50mS的所有的数据采集节点相继醒来；

（3）正常工作阶段

此阶段包括采集数据阶段和休眠阶段；

采集数据阶段：定时到时后，数据汇聚终端每隔50mS与一个数据采集节点通信，采集数据并保存到外部存储器中，然后数据汇聚终端判断定时时间是否变化，若变化，则发送修改定时器命令，并发送定时时间，然后发送休眠命令；若没有变化则直接发送休眠命令；

休眠阶段：在采集数据阶段，若不能与第N个数据采集节点通信上，则数据汇聚终端将其工作标志位Flag[N]置0，同时此数据采集节点修改其地址为广播地址，以便再次完成组网，定时醒来的时间为1分钟；

在休眠阶段，数据汇聚终端先发送一定时间的广播信号，有两个方面的作用，一是达到占据信道的目的，二是让采集数据阶段通信失败的节点能够收到，然后数据汇聚终端查询数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若值为1，则跳过；若值为0，则发送修改定时器信号，等待应答信号；若能通信上，则将数据采集节点定时时间调整为，其中T为定时间隔，X为数据汇聚终端定时器已计时的时间，N为数据汇聚终端地址表中未通信上的数据采集节点的编号，然后数据汇聚终端发送休眠命令；

数据采集节点收到广播信号后，修改其接收地址为自身地址，等待接收修改定时器命令和休眠命令，若多次未通信上，则数据汇聚终端在与工作站通信时向其报错，认为此数据采集节点死掉，请求人为处理；

数据采集节点的整体的工作方式：

数据采集节点定时醒来后，射频芯片为接收模式等待数据汇聚终端的命令，同时开启短定时，如果在定时时间内收到数据汇聚终端的命令，则根据命令工作，然后短定时重新开始，等待下一个命令；若到时后收不到命令则进入休眠。