CN105307249B - 低功耗无线传输系统及其传输方法 - Google Patents

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Abstract

一种适合在智能家居领域的底层通信中使用的简洁高效、超低功耗、穿墙能力较强的低功耗的无线传输系统及其传输方法。其在智能家居与互联网之间设置一个MacBee协议的网络系统，在该网络系统中设有若干个网关节点和设备端节点，网关节点的通信传输周期采用固定周期，设备端节点的通信传输周期采用固定周期的整数倍，网关节点与设备端节点之间的通信协议报文分为同步帧和数据帧，同步帧的载荷在无控制命令状态下可低至1个字节，设备端通过对同步帧的分析确定是否接收网关节点发出的数据，设备端节点的设备在非传输时隙为深度睡眠状态。其具有大幅降低设备端功耗的优点。

Description

低功耗无线传输系统及其传输方法
技术领域
本发明涉及一种用于智能家居中的通信系统及通信协议，特别涉及一种超低功耗的无线传输系统及其传输方法。
背景技术
智能家居是当前炙手可热的新兴方向，在智能家居领域，智能节点与家庭网关的通信协议，目前比较常见的有Wi-Fi、Zigbee和蓝牙等。但是这些方案都有比较明显的不足之处，阻碍了其普及的速度。
Wi-Fi功耗大、成本高，在电池供电场合基本无法使用。Wi-Fi的Beacon帧数据长度高达几十个字节，需要较长时间才能接收完毕。
Zigbee的协议复杂，代码庞大，必然会影响开发成本和系统稳定性；Zigbee的自组网功能在家庭环境并不实用，现代家庭中普遍实现了Wi-Fi覆盖，通过Zigbee来扩展传输距离已经没有必要，反而会让网络拓扑变复杂。ZigBee协议栈从低到高分为PHY层、MAC层、网络安全层和应用层。对于Beacon帧，PHY层头部6字节、MAC层头部11字节以上，再加上Beacon内容，需要18字节以上。
蓝牙空旷传输距离在10米以内，一堵实心墙都无法穿透，不适合家庭智能家居组网。蓝牙协议栈的PHY层仅接入码、包头就有126比特(15.75字节)，再加上链路层等开销，就更大了。
在智能家居领域，智能终端应用场景有这样的特点：
1)传递的数据量不会很大，大部份时间网络是空闲的。
2)智能终端需要主动上报的数据很少。
3)用户控制指令需要下发及时。
4)Wi-Fi已经普遍覆盖，不需要考虑自组网。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适合在智能家居领域的底层通信中使用的简洁高效、超低功耗、穿墙能力较强的低功耗的无线传输系统及其传输方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
本发明的低功耗无线传输系统，其特征在于：在智能家居与互联网之间设置一个MacBee协议的网络系统，在该网络系统中设有若干个网关节点和设备端节点，网关节点的通信传输周期采用固定周期，设备端节点的通信传输周期采用所述固定周期的整数倍，网关节点与设备端节点之间的通信协议报文分为同步帧和数据帧，同步帧的载荷在无控制命令状态下可低至1个字节，设备端通过对所述同步帧的分析确定是否接收网关节点发出的数据，设备端节点的设备在非传输时隙为深度睡眠状态。
所述设备端节点所用部件在网关节点发出的一个通信传输周期内，脱离低功耗休眠状态的次数不多于一次。
所述MacBee协议的网络系统采用250kbps载波，其工作在2.4GHz ISM频段。
本发明的低功耗无线传输方法，应用于本发明的所述的系统中的MacBee协议的网络系统内的网关节点与设备端节点之间的信号传输方法如下：
将单个固定时长的数据交互周期细分为四个时间段，分别为同步阶段、指令下发阶段、设备ACK应答阶段和竞争传输阶段，其中，
同步阶段，为该交互周期的首个阶段，在该阶段的起始段设置本交互周期的具有起始标志且由网关节点发出的同步帧；
指令下发阶段，网关节点向目标设备端节点下发控制指令，或者为网关节点向给其上报数据的设备端节点发出回复确认信息；
设备ACK应答阶段，是指收到指令的设备端节点向发出该指令的网关节点回复应答；
竞争传输阶段，当设备端节点出现异常告警时，需主动向该网关节点上报该异常信息。
本发明方法中所述同步帧中包括在本交互周期中需要接收指令的设备端节点的目录信息和该接收指令未被目标设备端节点接收确认时补救的指令续发重传机制。
本发明方法，在所述的指令下发阶段和设备ACK应答阶段均设有16个时隙，每个时隙占5ms；指令下发阶段的每个时隙分别针对一个待接收指令的设备端节点，设备ACK应答阶段的每个时隙分别对应一个需要应答的设备端节点；设备ACK应答阶段中的时隙编号应该与该时隙编号对应的设备端节点在指令下发阶段接收的下发报文对应的下发指令的时隙编号相同。
本发明方法，在所述的竞争传输阶段设有6个时隙，每个时隙占5ms；6个时隙由接收到下发指令的若干介设备端节点随机抽签择一占用。
本发明方法，在所述的时隙时间段内，相应的功能操作会重复3次。
本发明的低功耗的无线传输系统及其传输方法(又称银河风云分时复用及竞争抢占的低功耗无线数据传输系统，以下简称MacBee协议)正是为了解决现有技术中用于智能家居的通信协议所存在的问题而设计。MacBee协议把网络中的节点分为两类节点，分别为网关节点和设备端节点，网关节点为控制中心，一个MacBee协议的网络系统中可以有多个网关节点，网关节点之间组成虚拟组，设备可以漫游；设备端节点为控制节点。网关节点可以用外部电源供电，而设备端节点的设备采用电池供电，因此本协议的低功耗设计主要是针对设备端节点的设备。
MacBee协议主要从这几个方面来大幅降低设备端的功耗：
1.设备端可以灵活选择休眠周期数，达到极小的占空比，使设备大部份时间处于极低功耗的休眠状态。
2.MacBee协议大幅缩短同步帧的数据长度，从而缩短每次唤醒后接收数据的时间,进一步降低了功耗。
3.网关节点有重传机制，简化了设备的处理逻辑，进一步降低功耗。
附图说明
图1为要发明的传输方法中一个数据交互周期内的时隙划分示意图。
图2为本发明的传输方法中同步帧格式的示意图。
具体实施方式
本发明的低功耗无线传输系统，是在智能家居与互联网之间设置一个分时复用及竞争抢占的低功耗无线数据传输系统(下称MacBee协议)，在该网络系统中设有若干个网关节点和设备端节点，网关节点的通信传输周期采用固定周期，设备端节点的通信传输周期采用所述固定周期的整数倍，网关节点与设备端节点之间的通信协议报文分为同步帧和数据帧，同步帧的载荷至多为1个字节，设备端通过对所述同步帧的分析确定是否接收网关节点发出的数据，设备端节点的设备在非传输时隙为深度睡眠状态。
本发明的无线传输系统把数据交互划分成固定时长的周期，在一个数据交互周期内，又细分成同步阶段、指令下发阶段、设备ACK应答阶段、竞争传输阶段四个阶段。
MacBee协议使用同步帧作为一个数据交互周期的开始，它由网关节点发出。同步帧中指示命令下发周期中哪些设备端节点的设备需要接收指令。所述设备收到同步帧后，就知道自己在本次数据交互周期内是否去接收指令，如果有发送给设备的指令，设备接收完毕需要发送ACK给网关节点，否则网关节点将多次重传。
通过同步帧及固定数据交互周期时长的机制，设备端节点可以根据自己的节电要求及处理的事务实时性要求，来控制自己唤醒时间，可以是一个周期的开始时间醒来一次，接收同步帧，如果发现无自己的数据，则可立即进入极低功耗的休眠状态；也可以多个周期只醒来一次。
MacBee协议通过固定周期时间、固定阶段划分、以同步帧为周期起始标志、在同步帧中指示哪些设备端节点有数据、下发指令未被确认时带重传机制，从而使设备端节点对协议的处理非常简单；并且占空比很小，设备端节点大部份时间都处于低功耗休眠状态，从而实现极低功耗。
MacBee协议的同步帧在没有数据需要传输时，MAC层以上的载荷仅一个字节，加上MAC层开销，整个报文也才9字节。这样设备端节点在唤醒接收数据时，可以在很短时间收完同步帧，然后通过对该同步帧的分析，知道本次交互有无数据，当无数据时，立即进入极低功耗的休眠模式
MacBee协议每个指令在一个时隙内重传3次，提高了数据传输的成功率。MacBee协议中的网关节点对需要下发的指令会进行重传，这样设备端节点在收到网关节点下发的指令，发送出ACK给网关节点后，无需关心该ACK是否被网关节点接收到，即可进入睡眠状态。如果该ACK丢失，网关节点会在下一个周期重传该指令，来触发设备端节点重发ACK。通过这种机制，设备端节点可以按照正常的低占空比工作方式收发数据，无需长时间醒着进行收发处理。
MacBee协议采用2.4GHz ISM频段，MAC层帧格式分为帧头部、数据载荷和校验和3个部分。MAC地址在帧头部，分为单播、广播、子网广播三类地址。协议部分放在数据载荷。
MacBee协议一个数据交互周期内的时隙划分如图1、2所示：
MacBee协议把一个数据交互周期划分为以下四个阶段：
1.同步阶段。同步帧作为一个数据交互周期的开始，由网关节点通过子网广播发送给所有已经配对的设备端节点的设备。
2.命令下发阶段。此阶段由网关节点通过单播或者子网广播发送给目标设备端节点，发送的内容可能是用户控制指令，也可能是对竞争传输阶段设备端节点的设备上报数据的确认。此阶段内，又细分为16个时隙，每个时隙占用5毫秒，在5毫秒内重复发送3次命令。如果同时需要往超过16个的设备单播发送命令，就需要把一部分命令排到下一个数据交互周期发送。但是在家庭应用环境里，这种情况极少会发生。
3.设备ACK应答阶段。此阶段设备对命令下发阶段收到的单播命令进行应答。该阶段也细分为16个时隙，每个时隙占用5毫秒，在5毫秒内重复发送3次ACK。设备在16个时隙中具体占用的哪个，必须与命令下发阶段收到报文的时隙编号一样。
4.竞争传输阶段。此阶段传输设备要主动上报的数据。该阶段细分为6个时隙，每个时隙占5毫秒，5毫秒内重发3次。设备使用随机算法选择要占用的时隙，以避免多个设备同时上报时的冲突。网关节点收到设备主动上报的数据后，在下一周期的命令下发阶段进行ACK确认。

Claims (6)

1.一种低功耗无线传输系统，其特征在于：为设置在智能家居与互联网之间的一个采用分时复用及竞争抢占的网络系统，在该网络系统中设有若干个网关节点和设备端节点，网关节点的通信传输周期采用固定周期，设备端节点的通信传输周期采用所述固定周期的整数倍，网关节点与设备端节点之间的通信协议报文分为同步帧和数据帧，同步帧的载荷在无控制命令状态下能够低至1个字节，设备端节点通过对所述同步帧的分析确定是否接收网关节点发出的数据，设备端节点的设备在非传输时隙为睡眠状态。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述设备端节点所用部件在网关节点发出的一个通信传输周期内，脱离低功耗休眠状态的次数不多于一次。
3.根据权利要求1或2中所述的系统，其特征在于：所述采用分时复用及竞争抢占的网络系统采用250kbps载波，其工作在2.4GHz ISM频段。
4.一种低功耗无线传输方法，其特征在于：应用于权利要求1－3中任一项所述系统中的网关节点与设备端节点之间的信号传输方法如下：
将单个固定时长的数据交互周期细分为四个时间段，分别为同步阶段、指令下发阶段、设备ACK应答阶段和竞争传输阶段，其中，
同步阶段，为该交互周期的首个阶段，在该阶段的起始段设置本交互周期的具有起始标志且由网关节点发出的同步帧；
指令下发阶段，网关节点向目标设备端节点下发控制指令，或者为网关节点向给其上报数据的设备端节点发出回复确认信息；
设备ACK应答阶段，是指收到指令的设备端节点向发出该指令的网关节点回复应答；
竞争传输阶段，将设备需主动上报的数据传输给网关节点，该竞争传输阶段设有6个时隙，每个时隙占5ms；6个时隙由接收到下发指令的若干个设备端节点随机抽签择一占用。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在所述的指令下发阶段和设备ACK应答阶段均设有16个时隙，每个时隙占5ms；指令下发阶段的每个时隙分别针对一个待接收指令的设备端节点，设备ACK应答阶段的每个时隙分别对应一个需要应答的设备端节点；设备ACK应答阶段中的时隙编号应该与该时隙编号对应的设备端节点在指令下发阶段接收的下发报文对应的下发指令的时隙编号相同。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：在所述竞争传输阶段，设备需主动上报的数据所占用的时隙内，该主动上报的数据重复传输3次。
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