CN103906172B - 基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，该方法的工作原理是：数据采集器工作在两种模式下，这两种工作模式自动交替工作，一种模式是用来等待新节点加入；另外一种模式是收集已经加入网络子节点的数据信息。为减少节点之间的相互干扰，数据采集器与子节点之间的通信均采用不同的信道通信，而新节点加入时采用公共信道进行通信；数据采集器在两种模式下交替工作，一方面能够收集网络中个节点的数据，另一方面能够管理网络中的节点，例如：删除故障节点，增加新的节点，从而使网络更加灵活，高效。本发明方法简单易操作，组网方便，降低了设备的复杂性。

Description

基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法

技术领域

本发明是一种基于油田应用的低功耗小型无线传感网络的自动组网技术。

背景技术

近年来，随着物联网技术的迅速发展，使得数据的实时监测以及远程操控得以实现。在工业生产应用中，使用无线传感网络实时监测现场数据应用最为广泛。当前主流应用是：传感网络通过无线方式将数据传送无线数据采集器，然后由无线数据采集器传送至以太网服务器，管理员可以远程监测现场数据。无线传感网络技术越来越成熟，各种无线组网协议应运而生，其中ZigBee协议应用较为广泛，ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协定，底层是采用IEEE 802.15.4标准规范的媒体存取层与实体层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是一套比较完整的协议，因此协议本身而过于复杂，使得研发人员要对其有比较透彻的理解才能灵活运用，掌握协议内部的工作流程需要消耗大量的精力；又因其协议的标准性使得协议增加很多附属功能，同时也增加了协议的规模，降低了效率，增加了无效数据的开销。然而对于小型传感网络，使用ZigBee协议较为繁琐，开发周期较长；另外，复杂的通信协议带来通信数据增加，消耗电能，对于有些是电池供电的设备极为不利，同时也降低了小型网络的实时性。

在我国，油田现场大多远离城市，并且处于恶劣的露天环境中，交通和信息交流极不方便，油井位置又相对分散。因此，对油田现场实行远程自动化监控和管理具有十分重大的现实意义。对单个油井进行数据监测，一般监测油井的液位，温度，抽油机运转情况，线缆防盗等，一般传感器数量在小于20个，数据采集器采用该网络内的数据通过GSM/GPRS传送至上位机或以太网，完成对数据的实时监控。根据以上的分析，ZigBee等标准协议不能很好应用在油田数据监测。

发明内容

本发明解决第一个技术问题是针对以上标准协议的复杂度，提出一种组网简单操作，同时又能降低网络组网的复杂度的方法。

本发明解决的第二个技术问题是针对标准协议带来的大量无效数据，提出一种通信效率高，设备寿命长的组网方法。

本发明基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法包括如下步骤：

步骤1：初次建立网络时，初始化数据采集器：清零子节点记录表中的子节点数，子节点ID分配表初始化；

步骤2：数据采集器有两种工作模式，模式1是等待新节点加入网络；模式2是轮询子节点的状态；数据采集器根据当前网络中子节点的数量，调整两种工作模式的工作时间，如果子节点数量等于0，则数据采集器一直工作在等待子节点加入的模式下也就是工作在模式1下，进一步，将信道切换至公共信道，等待子节点的加入；如果子节点数量大于0，两种工作模式交替进行；

步骤3：初始化子节点，子节点申请加入网络时首先将信道切换至公共信道，发送请求加入网络信息；

步骤4：子节点在发送申请加入网络信息之前，如果有空间中有公共信道的信号在传输，则等待一个随机时间，重新侦听公共信道是否有信号，直到公共信道空闲；

步骤5：子节点发送申请加入网络信息，发送的申请信息中包括子节点本身固有的硬件地址,等待数据采集器回应，并根据数据采集器回应信息确定自己的虚拟ID，根据分配得到的虚拟ID号码进一步确定自己的通信信道；

步骤6：数据采集器接收到子节点加入网络的申请信息，通过查表获得当前网络中空置虚拟ID号，进一步将此虚拟ID号回应给申请加入的子节点，并在表中对该虚拟ID进行标志为已使用；

步骤7：子节点接收到数据采集器的回应信息，解析回应信息并获得虚拟ID号，根据此虚拟ID号计算出相应的通信信道，进一步将信道从原来的公共信道切换至相应的通信信道，至此，子节点成功加入该网络。

步骤5中当子节点申请加入网络信息次数达到设定阈值时，提示加入网络失败，退出网络加入。

步骤6当网络子节点大于设定的数量时，数据采集器拒绝子节点加入，数据采集器一直工作在模式2下，进一步提示网络已满。

所述子节点成功加入网络之后，子节点有两种工作模式，模式1是子节点等待数据采集器的问询，工作在休眠-侦听的工作模式下；模式2是为能够实时响应数据采集器，一旦接收到数据采集器的问询命令，子节点将一直工作在接收模式。

所述子节点一旦接收到数据采集器的问询命令，则回应数据采集器，回应内容包括：测量数据和虚拟ID以及校验码，同时子节点工作在模式2下，即子节点将状态切换至接收状态，不再进入休眠状态，进一步，接收到数据采集器的问询命令就立即回应数据采集器，直到接收问询命令超时，子节点将再次切换至休眠-侦听的工作模式。

数据采集器应具有删除子节点的功能，当网络中某一子节点工作异常或电量消耗殆尽时，数据采集器将能够删除此节点。在轮询过程中，数据采集器询问某一个子节点时，子节点没有响应，数据采集器等待子节点响应超时，应进行一个子节点轮询，此时数据采集器对此子节点做通信超时记录，当该记录超过一定阈值时，该子节点将退出该网络，进一步该子节点的虚拟ID号由忙标志转为空闲标志。

所述子节点故障之后，如果自我恢复成功，需要判断是否应该重新加入网络，判断的依据是：当等待数据采集器问询命令超时，子节点会再次重新加入该网络，返回至步骤4。

数据采集器和子节点之间的通信协议参照MODBUS的通信协议。

本发明这种低功耗无线组网协议中，所述无线传感网络包括数据采集器和网络中若干字节点组成，数据采集器和每个子节点的通信信道不同，避免带来无谓的数据接收，以致消耗子节点能量；数据采集器工作在两种模式之下，模式1是等待新节点加入网络，模式2是询问当前子节点的状态。数据采集器使用轮询的方式对各个子节点进行询问，并根据网络中子节点的数量而动态调整两种模式下的时间分配，子节点使用休眠-侦听的方式来达到节省能量和增加子节点寿命的目的。

附图说明

图1给出的是网络拓扑结构图；

图2给出的是数据采集器和子节点之间的通信数据结构；

图3给出的是子节点申请加入网络的数据帧结构；

图4给出的是数据采集器回应子节点加入网络的申请命令的数据帧结构；

图5给出的是数据采集器问询子节点的数据帧结构；

图6给出的是子节点回应数据采集器问询命令的数据帧结构；

图7给出的是子节点申请加入网络的程序流程图；

图8给出的是数据采集器问询子节点的程序流程图。

具体实施方式

下面结合实施案列和附图对该发明做进一步的的详细说明，以下实施案列对该发明不构成限定。

本实施案列使用PC机一台，数据采集器一个和若干个子节点(配有温度传感器)，使用PC机观察该网络的组网状态和监控网络内的各个温度点。

如图1和图2所示，本发明中的数据采集器和子节点都是由电源模块，数据采集模块，无线模块，微处理器模块组成，其中数据采集器不含有数据采集模块。其中电源模块采用一块3.7V的锂电池，用于整个系统的供电，其电量由微处理器监控，提供低压指示功能；数据采集模块采用微处理器内部AD完成，由此可以减少功耗，增加子节点的使用寿命；无线模块采用TI公司的CC1101，与微处理器通信采用SPI协议，该模块含有两个可配置I/O中断引脚，可用于发送中断和接收中断，提高了微处理器处理数据的实时性；微处理器采用单片机Atemga88pa，可方便与无线模块相连接，其低功耗性能突出，管理各个模块之间协调工作，控制无线模块工作在空闲或活动状态，提高电能的利用率。无线模块CC1101的SCLK，CSn，SO，SI引脚分别与Atmega88pa的PB5，PB2，PB3，PB4引脚连接，用于微处理器和无线模块的通信，以及设置无线模块的寄存器参数，读取无线接收的数据，无线发送数据；无线模块CC1101的GDO0引脚和Atemga88pa的PD2连接，通过微处理器对无线模块的IOCFG0寄存器设置成无线接收中断，当无线模块接收到数据之后，完成数据校验，数据正确时，GDO0引脚输出状态发生改变，从而触发微处理器的中断，进行及时读取接收的数据。无线模块CC1101工作频率可以设定315MHz-1GHz之间，载波中心频率设定完成之后，可以通过设定寄存器CHANN确定通信信道，本实施方案中中心频率设定为315MHz；无线模块CC1101还拥有载波监听的功能，对空中同频率波段信号进行监测。

由PC机，数据采集器和子节点组成的网络的组网方法步骤如下：

首先打开数据采集器，数据采集器初始化无线收发模块，初始化子节点虚拟ID分配表记录，数据采集器设置无线收发模块的状态为接收模式，设置无线模块通信信道频率为315MHz，等待子节点加入网络；其次打开PC机上的上位机软件，使用串口连接至数据采集器，查看是否连接成功；连接成功以后，逐个打开子节点，使用子节点上的8位拨码开关设置子节点的地址唯一，子节点的微处理器Atmega88pa设置无线模块CC1101的工作频率为315MHz，进而开启载波监听功能(Carrier Sense)；如果空间中存在该频段信号，则可以随机等待一个时间再去监测，随机时间可以由函数srand(addr)和rand()确定，其中addr是子节点的自身硬件地址，由拨码开关决定；该信道一旦空闲，子节点发送图3所示的数据帧，其加入网络流程图如图7所示；步骤201，子节点发送图3所示的数据帧；步骤202，查看是否接收到数据采集器回应图4所示的数据帧，若接收到数据帧，则转入步骤203，若接收时间超过Timeout＝100ms时执行步骤207；步骤203，对图4所示的数据帧进行拆包解析，提取出数据采集器分配的虚拟ID，根据此ID号码可以确定该子节点与数据采集器的通信信道，通信频率Fn＝315MHz+200KHz*ID，该子节点，设置自己的通信频率为Fn，设置无线模块CC1101为接收模式；步骤204，置位状态标志位为1，点亮外部指示灯，表示成功加入网络；步骤207，累计失败次数T++；步骤206，判断T是否大于N＝5，若大于，则执行步骤205，若不大于，则执行步骤201；步骤205，加入网络失败，点亮外部指示灯，表示加入网络失败。当网络中已经有子节点加入时，将子节点的数量和ID号上传至上位机，同时，该虚拟ID被标记为已使用，此时数据采集器工作在两种模式下，其一，等待其他节点加入该网络，将信道切换为公共信道315MHz，该模式时间由网络中子节点的数量决定，若网络中子节点数量已经达到上限值，则数据采集器不再进入此模式；其二，如图8所示，问询子节点，步骤301，数据采集器切换到信道Fn＝315MHz+200KHz*ID；步骤302，发送如图5所示的数据帧，步骤303，查看是否接收到子节点回应图6所示的数据帧，若接收到数据帧，则转入步骤304，若接收时间超过Timeout＝100ms时执行步骤309；步骤304，解析接收到的数据帧，提取虚拟ID；步骤305，对提取的ID进行匹配比较，若匹配正确则执行步骤306，若匹配错误则执行步骤309；步骤306，进一步提取该子节点的温度数据，上传至上位机显示；步骤309，累计失败次数T++；步骤308，判断T是否大于N＝5，若大于，则执行步骤309，若不大于，则执行步骤301；步骤307，从网络中删除该子节点，释放虚拟ID。子节点在被数据采集器问询时，设置无线模块CC1101为接收模式，其余时间工作在休眠-侦听的模式；若子节点在一定时间内MAXT＝10s一直没有接收到数据采集器的信息，则子节点认为自己已经退出该网络，点亮外部指示灯表示已经退出该网络，子节点会重新启动程序，再次尝试加入网络。

以上所述仅是本发明的一种实施方式，应当指出，在本发明原理基础之上，做出的任何修改，等同替换等变化，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：初次建立网络时，初始化数据采集器：清零子节点记录表中的子节点数，子节点ID分配表初始化；

步骤2：数据采集器有两种工作模式，模式1是等待新节点加入网络；模式2是轮询子节点的状态；数据采集器根据当前网络中子节点的数量，调整两种工作模式的工作时间，如果子节点数量等于0，则数据采集器一直工作在等待子节点加入的模式下也就是工作在模式1下，进一步，将信道切换至公共信道，等待子节点的加入；如果子节点数量大于0，则两种工作模式交替进行；

步骤3：初始化子节点，子节点申请加入网络时首先将信道切换至公共信道，发送请求加入网络信息；

步骤4：子节点在发送申请加入网络信息之前，如果有空间中有公共信道的信号在传输，则等待一个随机时间，重新侦听公共信道是否有信号，直到公共信道空闲；

步骤5：子节点发送申请加入网络信息，发送的申请信息中包括子节点本身固有的硬件地址,等待数据采集器回应，并根据数据采集器回应信息确定自己的虚拟ID，根据分配得到的虚拟ID号码进一步确定自己的通信信道；

步骤6：数据采集器接收到子节点加入网络的申请信息，通过查表获得当前网络中空置虚拟ID号，进一步将此虚拟ID号回应给申请加入的子节点，并在表中对该虚拟ID进行标志为已使用；

步骤7：子节点接收到数据采集器的回应信息，解析回应信息并获得虚拟ID号，根据此虚拟ID号计算出相应的通信信道，进一步将信道从原来的公共信道切换至相应的通信信道，至此，子节点成功加入该网络。

2.根据权利要求1所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于步骤5中当子节点申请加入网络信息次数达到设定阈值时，提示加入网络失败，退出网络加入。

3.根据权利要求1所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于步骤6当网络子节点大于设定的数量时，数据采集器拒绝子节点加入，数据采集器一直工作在模式2下，进一步提示网络已满。

4.根据权利要求1所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于所述子节点成功加入网络之后，子节点有两种工作模式，模式1是子节点等待数据采集器的问询，工作在休眠-侦听的工作模式下；模式2是为能够实时响应数据采集器，一旦接收到数据采集器的问询命令，子节点将一直工作在接收模式。

5.根据权利要求4所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于所述子节点一旦接收到数据采集器的问询命令，则回应数据采集器，回应内容包括：测量数据和虚拟ID以及校验码，同时子节点工作在模式2下，即子节点将状态切换至接收状态，不再进入休眠状态，进一步，接收到数据采集器的问询命令就立即回应数据采集器，直到接收问询命令超时，子节点将再次切换至休眠-侦听的工作模式。

6.根据权利要求1所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于数据采集器应具有删除子节点的功能，当网络中某一子节点工作异常或电量消耗殆尽时，数据采集器将能够删除此节点；在轮询过程中，数据采集器询问某一个子节点时，子节点没有响应，数据采集器等待子节点响应超时，应进行一个子节点轮询，此时数据采集器对此子节点做通信超时记录，当该记录超过一定阈值时，该子节点将退出该网络，进一步该子节点的虚拟ID号由忙标志转为空闲标志。

7.根据权利要求1或4所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于所述子节点故障之后，如果自我恢复成功，需要判断是否应该重新加入网络，判断的依据是：当等待数据采集器问询命令超时，子节点会再次重新加入该网络，返回至步骤4。

8.根据权利要求1所述的基于油田应用的低功耗小型无线传感网络组网方法，其特征在于数据采集器和子节点之间的通信协议参照MODBUS的通信协议。