CN104202801A - 一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法，若上位机处于工作态，协调器广播唤醒包，唤醒网络中所有节点，节点被唤醒后修改自身状态为持续工作态；若上位机处于不工作态，发送方通过向接收方多次发送探测包来唤醒节点，此时节点依然处于睡眠唤醒态。根据上位机是否工作，使用广播唤醒包或是点对点多次发送探测包的方法唤醒节点，这样可以根据上位机的不同的工作状态发生采用不同的唤醒方法，不需要使用长度较大的前导包，并且硬件设计结构简单，可以有效的降低功耗。

Description

一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法
技术领域
本发明涉及无线传感器网络节点和MAC层协议，属于无线传感器网络技术领域，具体涉及无线抄表系统MAC层协议中节点的周期性睡眠唤醒方法。
背景技术
传统的人工入户抄表方式，弊端众多，人力工作强度大，效率低，管理成本高，存在读数误差等，随着无线传感器网络的出现和发展，将无线传感器网络技术应用于抄表系统得到广泛的研究和应用，使用无线抄表的方式可以有效解决人工入户抄表的弊端。
无线抄表系统在应用中节点规模庞大，使用电池供电，为延长节点使用寿命，节点不能时刻处于工作状态，因此引入周期性睡眠唤醒机制，使节点在不工作的情况下进入周期性睡眠唤醒状态。
引入周期性睡眠唤醒机制的根本目的是节省空闲监听时的能耗。由于接收方并不了解何时接收数据，如何保证发送数据时接收方也处于工作状态是问题的关键。目前较常用的唤醒模式有主动唤醒机制、异步唤醒机制和同步唤醒机制。其中主动唤醒机制可以在任何时间通过唤醒信号唤醒节点，能够最大程度的降低功耗，但是该方式通常要求每个传感器节点配置两套无线收发机，因此硬件设计复杂度较高。异步唤醒机制要求所有的节点分为工作期和睡眠期，每个节点独立调度，发送方在发送指定数据前先发送一个足够长的唤醒前导，该方式简单易行，但能耗相对较大。同步唤醒机制要求所有节点或临近的节点合作性的同时休眠，同时进入工作状态，虽然在能量消耗方面相对具有一定优势，但是在维持各节点全同步方面较为繁琐。
发明内容
本发明的目的是提出一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法，根据上位机是否工作，使用广播唤醒包或是点对点多次发送探测包的方法唤醒节点，取消传统异步睡眠机制中长度较大的前导包的使用，解决其延迟大、功耗高的问题。
本发明的技术方案是：一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法，若上位机处于工作态，协调器广播唤醒包，唤醒网络中所有节点，节点被唤醒后修改自身状态为持续工作态；若上位机处于不工作态，发送方通过向接收方多次发送探测包来唤醒节点，此时节点依然处于睡眠唤醒态，所述唤醒包的macDstAddr（目的节点MAC地址）为0XFFFF，而探测包的macDstAddr为目的节点的MAC地址。
进一步的，若上位机处于工作态，所述协调器接收到上位机的工作态指令后以T on + t 0 为时间间隔广播n=T idle /T on +1次唤醒包，节点第一次收到唤醒包时同样转发n次，之后收到的唤醒包则直接丢弃不处理，其中，T idle 为节点的一个固定睡眠周期，T on 为一个工作周期，t 0 为一个趋向于0的定值。
进一步的，节点收到协调器的睡眠唤醒包后，向协调器发送状态包，协调器收到包后在点名表中进行登记，并回复ACK帧。
进一步的，若上位机处于不工作态，发送方以T on +t 0 为时间间隔，向接收方发送探测包，发送次数不超过T idle /T on +1次；接收方收到探测包后，回复ACK帧，并延长自身的工作时间，若有一次未收到数据包，则侦听时长立即变为T on ，网络中发送方收到ACK回复后不再发送探测包，正式与接收方进行通信。
进一步的，所述延长的工作时间不大于3倍的工作周期。
进一步的，节点处于脱网状态时，需要进行重新入网，并通知所有子节点重新入网；重新入网后修改协调器的全网地址映射表，并在点名表中进行登记；当协调器检查到签到表中所有节点已经签到完成，则通知上位机可以正常工作了。
进一步的，工作完成后，通过协调器发送睡眠包，各节点继续进入睡眠唤醒状态。
本发明的优点是：
此发明提供的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，根据上位机是否工作，使用广播唤醒包或是点对点多次发送探测包的方法唤醒节点，这样可以根据上位机的不同的工作状态发生采用不同的唤醒方法，不需要使用长度较大的前导包，并且硬件设计结构简单，可以有效的降低功耗。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的唤醒包发送示意图；
图2是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的特殊唤醒时间示意图；
图3是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的协调器签到示意图；
图4是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的唤醒包和探测包的帧结构示意图；
图5是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的异步唤醒示意图；
图6是本发明一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例：
本发明中上位机工作时网络中各节点维持一个固定的睡眠周期为T idle 和一个工作周期为T on ，假设睡眠周期T idle 为工作周期T on 的n倍，因此设定睡眠唤醒包的广播次数为n+1，就可以确保网络中的所有节点被唤醒。当节点第一次收到唤醒包时，参照协调器的广播方式，将该包转发n+1次，之后再收到唤醒包则直接丢弃，不予处理。
为方便描述，举例说明n=3时的情形，如图1所示为唤醒包发送示意图，假设协调器发送第一个睡眠唤醒广播包的时间为T 1 ，第二个广播包的时间T 2 为T 1 +T on +t 0 （t 0 的大小趋向于0，约300us），第三个广播包的时间T 3 为T 1 +2*T on +t 0 ，第四个广播包的时间T 4 为T 1 +3*T on +t 0 。节点共标出了12个时间段，其中时间段4、8、12下节点为工作期，其它时间段节点为睡眠期。当T 1 指向时间段1时，T 4 刚好在时间段4中，当T 1 指向时间段2时，T 3 刚好在时间段4中，当T 1 指向时间段3时，T 2 刚好在时间段4中，或者T 1 直接指向时间段4。可以发现，当协调器广播四个睡眠唤醒包时，能确保节点收到包。
在广播包的发送间隔上，加上一个趋向于0的t 0 值，确保当发送第一个睡眠广播包的时间T 1 刚好位于时间段1、2、3的左边沿时，后面发送的广播包中能有一个包处于时间段4的内部，而不是位于节点将要唤醒的边沿，保证节点处于唤醒状态。
如图2所示为特殊唤醒时间示意图，当T 1 正好位于时间段4的左边沿，T 2 、T 3 、T 4 分别位于时间段5、6、7中，此时节点处于正在唤醒的状态，不能保证一定能够收到数据包。但是根据抄表系统的实际特点，协调器广播范围内的节点有不止一个，并且它们是异步唤醒的状态。从下图中可以看出，当节点1中，T 1 正好位于时间段4的左边沿，此时节点2正好位于时间段4的内部，也就是节点2处于完全唤醒状态，能够正确接收到广播包。当节点2将广播包转发出去时，节点1处于唤醒状态，正好能够收到该包。
为保证网络中的所有节点都处于在网状态，在各节点工作之前，协调器还需要进行点名工作。如图3所示，节点收到协调器的睡眠唤醒包后，向协调器发送状态包，协调器收到包后在点名表中进行登记，并回复ACK帧。若节点发送3次后还没有收到ACK帧，则说明节点已经处于脱网状态，需要进行重新入网。等待一段时间后申请入网，并通知所有子节点重新入网。重新入网后修改协调器的全网地址映射表，并在点名表中进行登记。当协调器检查到签到表中，所有节点已经签到完成，则通知上位机可以正常工作了。
上位机不工作时，为了防止抄表系统中的节点在实际抄表时处于脱网状态，各节点组网成功后需要周期性的向父节点进行签到。此时网络中的所有节点处于周期性睡眠唤醒状态，想要正常通信，必须确保两节点均处于唤醒状态。类似于上位机工作时，协调器广播的睡眠唤醒包，子节点向特定的父节点发送探测包，发送间隔也为T on +t 0 。不同之处在于节点收到探测包后，不会持续处于工作状态，依然是周期性睡眠唤醒状态，只是唤醒的时间会有所改变。探测包的发送次数并不设定为T idle /T on +1次，只要接收到父节点回复的ACK帧，则说明探测成功，子节点向父节点发送签到包，若发送T idle /T on +1次后，仍没有接收到父节点发送的ACK帧，说明签到失败，节点处于脱网状态，需要进行重新入网，并通知所有的子节点重新入网。
探测包与唤醒包的区别之处在于，收到探测包的节点无需改变工作模式，而收到唤醒包的节点则需要将工作模式修改为工作态。另外探测包的发送次数不固定，不超过Tidle/Ton+1次即可，而唤醒包的发送次数固定为Tidle/Ton+1次。探测包的发送模式为点对点发送，唤醒包为广播发送。两者的帧结构如图4所示，包括帧控制域frameCtrl、网络号panId、目的节点MAC地址macDstAddr、序列号seqNum。其中，帧控制域frameCtrl主要包括帧类型、是否加密、是否需要ACK确认、MAC层协议版本号；网络号panId为各网络中协调器所指定的网络标识，panID不同的节点从属于不同的网络；网络中的每一个节点都具有唯一的MAC地址，指定目的MAC地址即能进行准确的数据收发；序列号seqNum则用来判断是否收到重复的数据包。当帧控制域frameCtrl的帧类型frameType为004时对应唤醒包，为005时对应探测包，唤醒包的macDstAddr为0XFFFF，而探测包的macDstAddr为目的节点的MAC地址。
若网络中的节点连续收到多个数据包，则说明此时网络中的流量较大，可以通过动态延长工作周期，进行相应的调节。如图5所示，目的节点收到数据包后，修改工作周期为2倍的基本工作周期，如果在此期间又接收到数据包，那么将工作周期修改为3倍的基本工作周期。为了避免由于无限延长工作周期而造成的延时，在3倍的基本工作周期内收到数据包时，不再改变工作周期。不管工作周期为多长，如果没有收到数据包，那么下一个工作周期到来时，仍然按照基本工作周期时长开始侦听。
图6是本发明无线抄表系统的睡眠唤醒方法的流程图；
首先判断上位机的工作状态；
若上位机工作时执行步骤如下：
步骤a：协调器射频一直打开，等待上位机发送节点工作态指令，其他节点处于睡眠唤醒状态。
步骤b：协调器收到上位机的工作态指令后，以工作周期为时间间隔广播n=T idle /T on +1（节点的一个固定睡眠周期为T idle ，一个工作周期为T on ）次唤醒包。
步骤c：节点首次收到唤醒包后，将自身的状态由睡眠换形态改为工作态，并且参照协调器的广播间隔与广播次数，对收到的唤醒包进行转发。同时唤醒后的节点还要向协调器发送签到包。
步骤d：除首次收到的唤醒包，对于其他的唤醒包节点都不再进行处理，直接丢弃。
步骤e：协调器收到签到包后，跟新点名表，并回复ACK帧。
步骤f：若节点一直没收到协调器回复的签到包的ACK帧，则说明节点处于脱网状态，需要重新进行入网工作。节点重新入网成功后，协调器更新其点名表。
步骤g：当协调器检查点名表，发现所有节点都完成签到时，通知上位机可进行正常工作了。
步骤h：上位机完成工作后，相协调器发送睡眠唤醒态指令，收到该指令后协调广播睡眠包，各节点继续进入周期性睡眠唤醒状态。
若上位机不工作时执行步骤如下：
步骤a：发送方向指定的接受方发送探测包，发送次数小于等于T idle /T on +1次，各探测包间隔时间为T on +t 0 。
步骤b：接收方侦听到探测包后，回复一个ACK帧，并将自身的工作周期修改为2倍的基本工作周期。
步骤c：发送方收到ACK回复后，不再发送探测包。如果只是签到的话，那么至此工作完成。否则的话发送方与接收方继续进行通信。
步骤d：如果发送方发完T idle /T on +1次探测包后，依然没有收到接收方的ACK回复。说明发送方处于脱网状态，需要进行重新入网。
步骤f：网络中的节点每收到一次数据包都会对工作周期进行延长，直到修改为3倍的基本周期为止。
步骤g：如果有一次没有收到数据包，则工作周期直接修改为基本工作周期。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1. 一种无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，若上位机处于工作态，协调器广播唤醒包，唤醒网络中所有节点，节点被唤醒后修改自身状态为持续工作态；若上位机处于不工作态，发送方通过向接收方多次发送探测包来唤醒节点，此时节点依然处于睡眠唤醒态，所述唤醒包的macDstAddr（目的节点MAC地址）为0XFFFF，而探测包的macDstAddr为目的节点的MAC地址。
2.根据权利要求1所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，若上位机处于工作态，所述协调器接收到上位机的工作态指令后以Ton+t0为时间间隔广播n=Tidle/Ton+1次唤醒包，节点第一次收到唤醒包时同样转发n次，之后收到的唤醒包则直接丢弃不处理，其中，Tidle为节点的一个固定睡眠周期，Ton为一个工作周期，t0为一个趋向于0的定值。
3.根据权利要求2所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，节点收到协调器的睡眠唤醒包后，向协调器发送状态包，协调器收到包后在点名表中进行登记，并回复ACK帧。
4.根据权利要求1所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，若上位机处于不工作态，发送方以Ton+t0为时间间隔，向接收方发送探测包，发送次数不超过Tidle/Ton+1次；接收方收到探测包后，回复ACK帧，并延长自身的工作时间，若有一次未收到数据包，则侦听时长立即变为Ton，发送方收到ACK回复后，不再发送探测包，正式与接收方进行通信。
5.根据权利要求4所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，所述延长的工作时间不大于3倍的工作周期。
6.根据权利要求1-3任一项所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，节点处于脱网状态时，需要进行重新入网，并通知所有子节点重新入网；重新入网后修改协调器的全网地址映射表，并在点名表中进行登记；当协调器检查到签到表中所有节点已经签到完成，则通知上位机可以正常工作了。
7.根据权利要求1-3任一项所述的无线抄表系统的睡眠唤醒方法，其特征在于，工作完成后，通过协调器发送睡眠包，各节点继续进入睡眠唤醒状态。
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