CN104994567B - 一种低功耗无线组网通信的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线组网通信的方法和系统，系统中所有节点时钟保持与协调器时钟同步，设定一个通信周期，将此周期分为多个时间片，并由协调器为每级中转节点分配一个监听时间片和监听频道，且可以为第一级中转节点分配多个时间片；以进一步降低第一级中转节点的功耗，每个节点仅在自己的监听时间片内监听无线通信，其他时间则关闭无线通信；无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据包后又在更一下级的开启监听的时间片转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成－次协调器与节点的通信。

Description

一种低功耗无线组网通信的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种无线组网通信系统，特别适用于对数据量和通信延时要求不高，但对功耗要求苛刻的无线通信应用，比如无线抄表、低速数据无线采集等领域。

背景技术

在一些无线通信网络中，对数据量和通信延时的要求不高，但对节点的功耗要求苛刻，一般要求用一节锂电池供电，连续工作数年。由于成本限制，其节点一般采用简单的无线半双工收发芯片。比如在无线水表、气表、热表的集中抄表系统中，通常在一个协调器管理数百甚至数千个节点，而这些节点位置较为分散，需要多级中转才能覆盖。

一般的，对于起中转作用的节点，需要一直保持无线监听，以准备随时转发数据，这使得其功耗大增。一种常用的做法是用有市电供电的节点作为中转节点，其他节点不提供中转功能的方式。但是这对现场施工造成很大的麻烦，因为很难选择地点安装这些中转节点并为其供电。

另一种方法是采用所有节点同步开启的方式，每个节点都可以提供中转功能，当在需要通信的时间内，所有处于节点间隔监听状态，当RSSI大于阈值时，节点持续监听一段时间以接收数据，否则进入休眠。而在不需要通信的时间内一直保持休眠状态。但此方法通常只能用于节点数量较少的场合，当网络中有大量节点时，协调器遍历完所有的节点需要很长的时间，造成较高级的中转节点无法进入低功耗模式。此时只能将无线通信的频率降到很低，比如每月一次，用于抄表应用。但由于通信频率太低，一些对实时性要求较高的应用将无法实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低功耗的无线组网通信系统，使各级中转节点都能以很低的功耗工作，以降低网络的复杂度和施工难度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的组网无线网络系统由一个协调器和多个节点组成，每个节点都具有中转功能（下文中节点和中转节点者都指同一种节点，中转节点的描述只是侧重其中转功能），可以为不能直接与协调器通信的节点提供数据中转。

在这个无线组网通信网络中，所有节点时钟保持与协调器时钟同步，通信指令由协调器开始发出。在协调器通信直接覆盖范围的节点成为第一级中转节点，由第一级中转节点覆盖的远离协调器的节点组成第二级中转节点，通过第一级中转节点与协调器通信。以此类推，多级中转节点覆盖整个无线网络。

根据网络的规模和功耗的要求，设定一个通信周期（一般来说网络中转级数越多，功耗要求越高则通信周期越长）将这个通信周期分为多个时间片。为每级中转节点分配一个监听时间片，即同时只有同一级中转节点打开无线监听，这样当发生通信时只有少数需要通信的节点被唤醒。更进一步，可以为同一级中转节点分配不同的监听频道以减少每次通信时唤醒的节点数，进一步降低功耗。同时由于第一级中转节点都在协调器的信号覆盖之下，每次协调器发送数据时都将唤醒第一级中转节点，为降低第一级中转节点的功耗，采用为第一级中转节点分配多个时间片，以减少第一级中转节点被多余唤醒的次数。同理也可以为第二级及以下的节点分配多个时间片，但一般第二级及以下的节点被一个无线信号同时覆盖的可能小，所以一般只要分配一个时间片即可。

无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据后又在更一下级中转节点开启监听的时间片内转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成一次协调器与节点的通信。

监听时间片的分配方法为：下行数据时为第一级中转节点分配m个时间片，为第2至第n级中转节点依次各分配一个时间片。另为最终收到数据包的节点分配t个时间片用于处理数据和准备返回数据包。上行数据时，为第n至第1级中转节点依次分配一个时间片，另为协调器处理和准备数据分配1个时间片，可见总的时间片数量N=m+2n+t。

所有要中转的数据包中至少包括如下内容：路径信息、时间信标；接收到数据包的节点根据路径信息判断是否是发给自己或是要求通过自己转发的数据，若是则在指定的时间片返回相应的数据包或转发数据包；每个收到数据包的节点，都应根据收到的时间信标，同步自己的时间；并根据节点自身的时间误差调整时钟频率，以保证时钟的同步；其方法为：若收到包的时间提前则说明本身的时钟过慢，则调快时钟，反之若收到的包的时间推后则调慢时钟；每个节点都根据自己未收到数据包以同步时钟的时间长度，来提前和延长监听的时间长度，即未同步时钟的时间越长，则提前和延长监听的时间也越长，以防止由于时钟误差造成数据丢失。

监听无线通信时，通过RSSI值判断是否继续监听，当读出的RSSI值大于一定的阈值时，则持续监听一段时间，以接收数据包，否则直接关闭监听，以保证最小的监听时间，从而降低功率；阈值可根据现场的无线噪声大小动态调整，其方法为：当触发接续监听一段时间后，没有收到数据包，则认为阈值过低，调高阈值；当监听时RSSI值远小于阈值时，则认为阈值过高，调低阈值。

本发明具有的有益的效果是：

本发明简化了网络结构，只由协调器和多个节点组成。在不增加硬件成本的前提下，通过为各级中转节点分配一个或多个监听时间片的方式，有效的降低了各级中转节点的功耗，并能保证一定的通信实时性。

附图说明

图1是本发明的无线网络拓扑结构图。

图2是本发明中各级中转节点监听时间片分配图。

图3是本发明中各级节点收发数据状态示意图。

图4是本发明中协调器的组成框图。

图5是本发明中节点的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图本发明作进一步说明

本发明的组网无线网络的网络拓扑结构如图1所示。网络由一个协调器和多个节点组成，N(0)为协调器，N(n,x)为第n级中转节点的第x个节点。除了第一级节点N(1,x)直接与协调器通信，其他各级节点通过上一级中转节点与协调器通信。

网络的组网过程如下：

1)节点在加入网络前一直在指定的频道间断监听无线信号，间隔时间一般一到数秒，监听时间一般小于1mS，当读出的RSSI值大于一定的阈值时，持续监听一段时间，以接收数据包，否则直接关闭监听。此阈值可根据现场的无线噪声大于动态调整，其方法为：当触发接续监听一段时间后，没有收到数据包，则认为阈值过低，调高阈值；当监听时RSSI值远小于阈值时，则认为阈值过高，调低阈值。节点加入网络后，只在指定的时间片内开启无线监听，同样也采用间断监听的方式，但是间断的时间间隔较短，一般几十mS。以保证在小于一个时间片内，上下级的中转节点能够通信完成；

2)协调器准备好后，通过持续发送查找子节点的指令，持续时间应大于节点的监听时间间隔。未加入网络的节点在收到指令后，在一个指定的时间范围的随机时刻返回节点的信息数据包，并在一段时间内保持监听状态，以接收协调器的指令。协调器在收到节点返回的数据包，为每个节点分配一个监听时间片和频道，并将为节点分配的监听时间片、监听频道、通信周期、时间信标等信息下发给节点。相应的节点接收到该数据包后就加入网络中，并在指定的时间片和频道监听网络，至此第一级中转节点加入网络中；

3)第一级中转节点加入网络后，协调器在每一个第一级中转节点的监听时间片到来时，通过该节点的频道向其发送请求查找节点的指令。节点收到此指令后，同协调器一样，发送查找子节点的数据包，并将未加入网络的节点发送的数据信息转发给协调器。协调器为每个新的节点分配好监听时间片和监听频道后，将信息通过第一级中转节点发送给准备加入网络的节点，从而将第二级中转节点加入网络中；

4)同理，协调器通过第一级中转节点向第二级中转节点发送请求查找子节点的指令，从而将第三级中转节点加入网络。以此类推，完成整个网络的建立。

如图2所示为各级中转节点的监听时间片，其中N(0)为协调器，N(1,1)至N(1,m)为第一级中转节点，共分配了m个时间片，N(2)至N(n)为第二到第n组中转节点，每个节点都只分配一个时间片。网络一共有n级中转节点，另外为节点处理数据分配t个时间片，则每个通信周期为m+2n+t。其中下行数据时，每个节点在指定的时间片打开监听，准备接收数据。上行数据时，只有下发过数据包的节点在指定的时间片打开监听，以转发返回的数据，其他节点的上行数据时关闭监听。

如图3所示为在第一级中转节点分配4个时间片，共5级中转节点，节点节点数据的时间片为3时，通过第一级中转节点中第二个时间片监听的中转节点采集或控制第5级中转节时，各时间片内各级节点的无线工作状态，通信周期共17个时间片。每个节点只有1/17的时间在间隔监听状态，从而将功耗降低为一直间隔监听的1/17。

当网络建立后，协调器通过在每个通信周期的开始发送采集和控制节点的数据包。数据包的内容至少应包括：中转信息、时间信标。中转信息中指出了本数据包传递过程中作为中转的节点，由协调器根据网络的拓扑关系和各节点间的通信信号质量来选择。接收到数据包的节点根据中转信息判断是否是发给自己的数据或是要求通过自己转发的数据，若是则在指定的时间片返回相应的数据或转发数据。每个收到数据包的节点，都应根据收到的时间信标，同步自己的时间信标。一般情况下，协调器选择一个最长时间内未通信的节点，对其进行数据采集或控制，当有对其他节点的采集或控制任务时，则选择相当的节点进行采集或控制通信。这样可以保证每个节点都可以在较短的时间间隔内收到被采集或控制，并使其他节点收到数据包，通过其中的时间信标来同步时钟。

由于时钟同步对于本网络通信非常重要，而晶振的误差一般较大，为了防止因为时钟误差造成的同步误差，每个节点都根据自己未收到数据包以同步时钟的时间长度，来提前和延长监听的时间长度，即未同步时钟的时候越长，则提前和延长监听的时间也越长。同时节点应在同步时钟时根据自身的时钟误差校准时钟，以保证时钟的同步，其方法为：若收到包的时间提前则说明本身的时钟过慢，调快时钟，反之则调慢时钟。

如图4和图5所示分别为本发明中节点和协调器的组成框图，其中节点的单片机选用STM8L系列单片机，可满足低功耗和低成本的要求；协调器的单片机选用STM32F系列处理器；RF电路选用SI4438或SI4463系列低成本无线通信芯片；高精度32768Hz时钟选用精度优于10ppm的无源晶体振荡器；传感器和控制器则根据应用需要可包括流量传感器，温度传感器，阀门控制器等；协调器的通信接口可选用RS232，USB或RJ45网络接口等。

Claims (1)

1.一种无线组网通信的方法，其特征在于无线网络由一个协调器和多个节点组成，每个节点都具有数据中转的功能，并采用如下工作模式以降低功耗：

1)所有节点时钟保持与协调器时钟同步，设定一个通信周期，将此周期分为多个时间片，并由协调器为每级中转节点分配若干监听时间片和若干监听频道；监听频道的分配方法为：为同一级中转节点分配不同的监听频道；

2)进行数据通信时由协调器发起，先发送下行数据到节点，节点收到数据后回复上行数据给协调器；其工作方式为：下行数据时，每个节点在指定的时间片打开监听，准备接收数据，上行数据时，只有下发过数据包的节点在指定的时间片打开监听，以转发返回的数据，其他节点的上行数据时关闭监听；无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据包后又在更下一级的开启监听的时间片转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成一次协调器与节点的通信；

3)监听时间片的分配方法为：下行数据时为第一级中转节点分配m个时间片，为第2至第n级中转节点依次各分配一个时间片；另为最终收到数据包的节点分配t个时间片用于处理数据和准备返回数据包；上行数据时，为第n至第1级中转节点依次分配一个时间片，另为协调器处理和准备数据分配1个时间片，可见总的时间片数量N＝m+2n+t；

4)所有要中转的数据包中至少包括如下内容：路径信息、时间信标；接收到数据包的节点根据路径信息判断是否是发给自己的数据或是要求通过自己转发的数据，若是则在指定的时间片返回相应的数据包或转发数据包；每个收到数据包的节点，都应根据收到的时间信标，同步自己的时间；并根据节点自身的时间误差调整时钟频率，以保证时钟的同步；其方法为：若收到包的时间提前则说明本身的时钟过慢，调快时钟，反之若收到的包的时间推后则调慢时钟；每个节点都根据自己未收到数据包以同步时钟的时间长度，来提前和延长监听的时间长度，即未同步时钟的时间越长，则提前和延长监听的时间也越长，以防止由于时钟误差造成数据丢失。