CN106211184A - 基于微网协议的微网构建法 - Google Patents
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- Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
- Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks
Abstract
本发明公开的基于微网协议的微网构建法，通讯指令格式以工业标准 Modbus-RTU为蓝本，数据以二进制格式传输，应用于微型且传输不稳定的无线广播网络或低速有线网络，提供可靠传输，支持Zigbee/nRF24L01+/433M FSK/RS232/RS485等网络传输。是一种无线通讯协议，可工作在2.4GHz、433MHz和5GHz等频段上，具有250kbps、1Mbps和2Mbps的传输速率，它的传输距离在 10-1500米的范围内；满足成本低、低复杂度、中小距离传输、中等速率、中继扩展、时延极短、低功耗并安全可靠的特性。
Description
技术领域
本发明涉及微网技术领域，尤其涉及一种基于微网协议的微网构建法。
背景技术
在物联网领域 ，特别是智能家居市场 ，急切需要一个低成本、低功耗且又有较远传输距离的无线通讯技术。当前常用的WiFi模块、Zigbee模块、蓝牙模块等无线技术，在成本、功耗和距离方面总有较大不足 ，成本普遍在几十元 ，室内通讯距离穿墙后不到十米 ，室外通讯距离也只有几十米。微网TinyNet支持的数传模块最低成本只有上述模块的 10% ，发射功率 7dBm ，室内穿墙通讯距离15米 ，室外空旷距离100多米 ；增强型数传模块成本也不到上述模块的30%，发射功率20dBm ，室内穿墙通讯距离50米 ，室外空旷距离1500多米。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于微网协议的微网构建法，有效解决上述技术问题。
为有效解决上述技术问题，本发明采取的技术方案如下：
基于微网协议的微网构建法，该方法包括以下步骤：
（1）建设通讯协议：组网协议以工业标准Modbus-RTU为蓝本，包含目标地址、源地址、指令类型、标识位、序列号、数据长度、数据体、校验、生存周期等部分组成；
（2）实现通讯协议：以广播网为基础，协议指令格式设定在32字节或64字节以内；
（3）通讯方式设定：通过外网连接实现网关与云端服务器之间的通讯网络；
（4）系统指令设定：包括组网、心跳、时间同步以及内存操作。
特别的，所述步骤（1）还包括以下步骤：
（1-1）网关：每个网关负责管理一个广播子网，为每一个组网节点分配子网地址，在无线通信中 ，一般不同子网采用不同无线通道 ，避免子网冲突影响通信效率，网关工作在组网模式时 ，监听组网通道内自由节点的入网申请消息，授权自由节点加入网关所在子网，并统一分配节点地址和随机密钥，网关工作在工作模式时 ，与所有节点的通讯均使用专有密钥加密；
（1-2）节点：设定具有收发数据包的功能的普通网络节点，刚出厂未加入任何子网的节点成为自由节点 ，默认工作在组网通道，等待网关出现，并请求加入，收到网关准许入网的许可后，节点记录分配得到的地址和通信密钥；
（1-3）中继：设定特殊的网络节点，用于扩大无线网络覆盖，收到非自己的数据包后，根据TTL字段判断是否进行中继转发，中继作为普通节点，也需要加入网关子网，中继功能单一，有时候直接在普通功能设备上实现中继功能。此类设备一般需要有较好的电源供应，以及较强的信号覆盖。
特别的，所述步骤（2）还包括以下步骤：
（2-1）请求应答：组网基本模型采用请求应答机制，网络中任意一个节点均可主动发起请求 ，接收者可根据指令类型选择不应答、正常应答和错误应答；
（2-2）指令格式：内网组网由设备节点和网关组成，基于多种有线无线通信方式 ，甚至处于一个广播网络之中；
（2-3）地址：地址0表示广播，所有节点都接收，源地址不能是0，地址255保留，暂不适用，源地址和目的地址不能相同，节点地址根据硬件标识自动生成，组网后由网关统一分配；
（2-4）指令类型：指令类型采用 1个字节，数值范围 1~127，128及以上将来作为多字节指令扩展。响应数据的指令类型必须与请求指令一致，16以下指令由微网保留作为系统指令，用户自定义指令从16算起；
（2-5）标识位：1个字节作为标识位，用于管理维护通讯中需要的各种标识，Reply是否响应。用于标识是请求指令还是响应指令Error是否错误，用于标识是否错误请求 ，一般错误指令同时也是响应指令，负载数据指示具体错误内容，比如Crc校验错误，Ack是否确认包，确认包不带负载数据，仅用于告诉发送方已收到数据，NoAck是否需要确认，指示接收方不需要发送Ack确认包；
（2-6）序列号：1字节序列号，用于确定指令在源设备上的唯一性，所有节点以及中继均依靠源地址和消息序列号来确定消息的唯一性，每个设备最大可产生256个序列号 ，网络中短时间内不可能产生具有相同序列号的不同指令包；
（2-7）数据部分：数据长度范围0~127
，128及以上表示采用7位压缩编码整数扩展，数据长度指明后续数据部分的字节数；
（2-8）数据校验 ：默认采用CRC16校验指令前面部分，各系统根据需要可能更换校验算法或者加盐实现数字签名；
（2-9）生存期TTL： 生存期TTL用于路由转发非本机数据包，以实现无线组网延伸覆盖范围的功能，每个节点收到数据包后，若非本机数据包，则把TTL减 1，如果大于0 ，则延迟随机时间后继续向外发出，每个节点可设置是否支持TTL ，以免因TTL浪费处理能力以及功耗，TTL不参与指令主体校验，也不参与加密；
（2-10）加密保护 ：为了保证通信的安全，指令在传输过程中加密，一般采用异或或者RC4加密，加密范围：除目标地址、源地址、数据长度外，全部加密，目的地址不能加密，否则无法识别这是谁的数据包，也就无法解密，TTL也不加密，否则无法中继路由，因为序列号被加密，中继路由时，可根据源地址和已加密的序列号配对来识别重复消息，加密密码具有有效期，由网关生成并分配。
特别的，所述步骤（3）还包括以下步骤：
（3-1）入网发现0x01：
请求：2设备类型+12ID+4CPUID+2
DevID+2RevID，
响应：1 地址+1 通道+8 密码；
（3-2）心跳指令0x02 ：
请求：1 子功能码+N 数据；
响应：N 数据；
（3-3）时间同步0x03：
请求：8 时间，
响应：8 时间；
（3-4）内存基址0x04 ：
请求：4 基址，
响应：4 基址；
请求空数据时仅读取当前基址，作为操作内存时的基础地址，一般最后一个字节为0，内存基址加上1个字节的偏移，即为实际操作内存的地址；
（3-5）读取内存0x05：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：N 数据；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-6）写入内存0x06：
请求：1 偏移+1 数量+N 数据，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-7）擦除内存0x07：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址0x04指令设定加上偏移。
本发明的有益效果为：本发明提供的基于微网协议的微网构建法，是一种无线通讯协议 ，可工作在2.4GHz、433MHz和5GHz等频段上，具有250kbps、1Mbps和2Mbps的传输速率，它的传输距离在 10-1500米的范围内；满足成本低、低复杂度、中小距离传输、中等速率、中继扩展、时延极短、低功耗并安全可靠的特性。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1是本发明所述基于令牌协议的令牌组网终端结构示意图。
具体实施方式
实施例1：
在本实施例中，所述传统公知结构的组成原件在图中不做文字说明及显示。
如图1所示，本实施例公开的基于微网协议的微网构建法，该方法包括以下步骤：
（1）建设通讯协议：组网协议以工业标准Modbus-RTU为蓝本，包含目标地址、源地址、指令类型、标识位、序列号、数据长度、数据体、校验、生存周期等部分组成；
（1-1）网关：每个网关负责管理一个广播子网，为每一个组网节点分配子网地址，在无线通信中 ，一般不同子网采用不同无线通道 ，避免子网冲突影响通信效率，网关工作在组网模式时 ，监听组网通道内自由节点的入网申请消息，授权自由节点加入网关所在子网，并统一分配节点地址和随机密钥，网关工作在工作模式时 ，与所有节点的通讯均使用专有密钥加密；
（1-2）节点：设定具有收发数据包的功能的普通网络节点，刚出厂未加入任何子网的节点成为自由节点 ，默认工作在组网通道，等待网关出现，并请求加入，收到网关准许入网的许可后，节点记录分配得到的地址和通信密钥；
（1-3）中继：设定特殊的网络节点，用于扩大无线网络覆盖，收到非自己的数据包后，根据TTL字段判断是否进行中继转发，中继作为普通节点，也需要加入网关子网，中继功能单一，有时候直接在普通功能设备上实现中继功能。此类设备一般需要有较好的电源供应，以及较强的信号覆盖。
（2）实现通讯协议：以广播网为基础，协议指令格式设定在32字节或64字节以内；
（2-1）请求应答：组网基本模型采用请求应答机制，网络中任意一个节点均可主动发起请求 ，接收者可根据指令类型选择不应答、正常应答和错误应答；
（2-2）指令格式：内网组网由设备节点和网关组成，基于多种有线无线通信方式 ，甚至处于一个广播网络之中；
（2-3）地址：地址0表示广播，所有节点都接收，源地址不能是0，地址255保留，暂不适用，源地址和目的地址不能相同，节点地址根据硬件标识自动生成，组网后由网关统一分配；
（2-4）指令类型：指令类型采用 1个字节，数值范围 1~127，128及以上将来作为多字节指令扩展。响应数据的指令类型必须与请求指令一致，16以下指令由微网保留作为系统指令，用户自定义指令从16算起；
（2-5）标识位：1个字节作为标识位，用于管理维护通讯中需要的各种标识，Reply是否响应。用于标识是请求指令还是响应指令Error是否错误，用于标识是否错误请求 ，一般错误指令同时也是响应指令，负载数据指示具体错误内容，比如Crc校验错误，Ack是否确认包，确认包不带负载数据，仅用于告诉发送方已收到数据，NoAck是否需要确认，指示接收方不需要发送Ack确认包；
（2-6）序列号：1字节序列号，用于确定指令在源设备上的唯一性，所有节点以及中继均依靠源地址和消息序列号来确定消息的唯一性，每个设备最大可产生256个序列号 ，网络中短时间内不可能产生具有相同序列号的不同指令包；
（2-7）数据部分：数据长度范围0~127
，128及以上表示采用7位压缩编码整数扩展，数据长度指明后续数据部分的字节数；
（2-8）数据校验 ：默认采用CRC16校验指令前面部分，各系统根据需要可能更换校验算法或者加盐实现数字签名；
（2-9）生存期TTL： 生存期TTL用于路由转发非本机数据包，以实现无线组网延伸覆盖范围的功能，每个节点收到数据包后，若非本机数据包，则把TTL减 1，如果大于0 ，则延迟随机时间后继续向外发出，每个节点可设置是否支持TTL ，以免因TTL浪费处理能力以及功耗，TTL不参与指令主体校验，也不参与加密；
（2-10）加密保护 ：为了保证通信的安全，指令在传输过程中加密，一般采用异或或者RC4加密，加密范围：除目标地址、源地址、数据长度外，全部加密，目的地址不能加密，否则无法识别这是谁的数据包，也就无法解密，TTL也不加密，否则无法中继路由，因为序列号被加密，中继路由时，可根据源地址和已加密的序列号配对来识别重复消息，加密密码具有有效期，由网关生成并分配。
（3）通讯方式设定：通过外网连接实现网关与云端服务器之间的通讯网络；
（3-1）入网发现0x01：
请求：2设备类型+12ID+4CPUID+2
DevID+2RevID，
响应：1 地址+1 通道+8 密码；
（3-2）心跳指令0x02 ：
请求：1 子功能码+N 数据；
响应：N 数据；
（3-3）时间同步0x03：
请求：8 时间，
响应：8 时间；
（3-4）内存基址0x04 ：
请求：4 基址，
响应：4 基址；
请求空数据时仅读取当前基址，作为操作内存时的基础地址，一般最后一个字节为0，内存基址加上1个字节的偏移，即为实际操作内存的地址；
（3-5）读取内存0x05：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：N 数据；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-6）写入内存0x06：
请求：1 偏移+1 数量+N 数据，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-7）擦除内存0x07：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址0x04指令设定加上偏移。
（4）系统指令设定：包括组网、心跳、时间同步以及内存操作。
申请人声明，所属技术领域的技术人员在上述实施例的基础上，将上述实施例某步骤，与发明内容部分的技术方案相组合，从而产生的新的方法，也是本发明的记载范围之一，本申请为使说明书简明，不再罗列这些步骤的其它实施方式。
本实施例中区别于现有技术的技术路线为：
微网TinyNet是一种无线通讯协议 ，可工作在2.4GHz、433MHz和5GHz等频段上，具有250kbps、1Mbps和2Mbps的传输速率，它的传输距离在10-1500米的范围内。数传模块成本比Zigbee要低很多 ，平均成本只有Zigbee的10%，增强型模块成本只有Zigbee的30%，射频芯片价格只有Zigbee的30%。模块自身不带微处理器 ，仅做射频芯片 ，支持各种带有SPI接口的微处理器 ，全功能仅需要6KB代码。普通模块室内15米，室外 100多米；增强型模块室内50米，室外 1500多米。
可通过中继扩展进一步扩大传输距离。大家都不使用中继扩展时 ，通讯距离
超过WiFi、Zigbee和蓝牙。普通模块发射功率7dBm ，增强模块发射功率20dBm甚至更高 ，确保可以很好的在室内穿透墙壁等障碍物。
具有250kbps、1Mbps和2Mbps的传输速率。比WiFi要低 ，但是比Zigbee 和蓝牙要高很多。足够传输简单的视频音频数据。 高的数据速率可以在更短的时间完成同样的数据收发 ，因此可以具有更低的功耗。
每个TinyNet子网最大支持254个节点，支持子网广播。在整个网络范围 内，任意两个节点之间可以相互通信。每个节点均可转发收到的数据包 ，一般建议电池供电产品不启用转发 ，其它产品最大转发3次以内。转发策略极其简单，不需要复杂庞大的路由机制，大大降低协议复杂度。
启动时间小于130us，在2Mbps传输速率下传输16字节的指令数据包以及反馈确认仅需要64us*2=128us。掉电模式功耗小于900nA ，待机功耗小于15uA，因极快的启动速度以及收发速度，让模块绝大多数时候处于待机状态，功耗降低到极致。发射接收电流12mA左右。具有自动重发和自动应答功能 ，自动重发没有收到应答的数据包。重发时间间隔采用自学习动态调整机制，有效避免无线空间信号碰撞。
申请人又一声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的实现方法及装置结构，但本发明并不局限于上述实施方式，即不意味着本发明必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用实现方法等效替换及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
本发明并不限于上述实施方式，凡采用与本发明相似结构及其方法来实现本发明目的的所有实施方式均在本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.基于微网协议的微网构建法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）建设通讯协议：组网协议以工业标准Modbus-RTU为蓝本，包含目标地址、源地址、指令类型、标识位、序列号、数据长度、数据体、校验、生存周期等部分组成；
（2）实现通讯协议：以广播网为基础，协议指令格式设定在32字节或64字节以内；
（3）通讯方式设定：通过外网连接实现网关与云端服务器之间的通讯网络；
（4）系统指令设定：包括组网、心跳、时间同步以及内存操作。
2.根据权利要求1所述的基于微网协议的微网构建法，其特征在于，所述步骤（1）还包括以下步骤：
（1-1）网关：每个网关负责管理一个广播子网，为每一个组网节点分配子网地址，在无线通信中 ，一般不同子网采用不同无线通道 ，避免子网冲突影响通信效率，网关工作在组网模式时
，监听组网通道内自由节点的入网申请消息，授权自由节点加入网关所在子网，并统一分配节点地址和随机密钥，网关工作在工作模式时
，与所有节点的通讯均使用专有密钥加密；
（1-2）节点：设定具有收发数据包的功能的普通网络节点，刚出厂未加入任何子网的节点成为自由节点 ，默认工作在组网通道，等待网关出现，并请求加入，收到网关准许入网的许可后，节点记录分配得到的地址和通信密钥；
（1-3）中继：设定特殊的网络节点，用于扩大无线网络覆盖，收到非自己的数据包后，根据TTL字段判断是否进行中继转发，中继作为普通节点，也需要加入网关子网，中继功能单一，有时候直接在普通功能设备上实现中继功能，此类设备一般需要有较好的电源供应，以及较强的信号覆盖。
3.根据权利要求1所述的基于微网协议的微网构建法，其特征在于，所述步骤（2）还包括以下步骤：
（2-1）请求应答：组网基本模型采用请求应答机制，网络中任意一个节点均可主动发起请求 ，接收者可根据指令类型选择不应答、正常应答和错误应答；
（2-2）指令格式：内网组网由设备节点和网关组成，基于多种有线无线通信方式 ，甚至处于一个广播网络之中；
（2-3）地址：地址0表示广播，所有节点都接收，源地址不能是0，地址255保留，暂不适用，源地址和目的地址不能相同，节点地址根据硬件标识自动生成，组网后由网关统一分配；
（2-4）指令类型：指令类型采用 1个字节，数值范围 1~127，128及以上将来作为多字节指令扩展，响应数据的指令类型必须与请求指令一致，16以下指令由微网保留作为系统指令，用户自定义指令从16算起；
（2-5）标识位：1个字节作为标识位，用于管理维护通讯中需要的各种标识，Reply是否响应，用于标识是请求指令还是响应指令Error是否错误，用于标识是否错误请求 ，一般错误指令同时也是响应指令，负载数据指示具体错误内容，比如Crc校验错误，Ack是否确认包，确认包不带负载数据，仅用于告诉发送方已收到数据，NoAck是否需要确认，指示接收方不需要发送Ack确认包；
（2-6）序列号：1字节序列号，用于确定指令在源设备上的唯一性，所有节点以及中继均依靠源地址和消息序列号来确定消息的唯一性，每个设备最大可产生256个序列号 ，网络中短时间内不可能产生具有相同序列号的不同指令包；
（2-7）数据部分：数据长度范围0~127 ，128及以上表示采用7位压缩编码整数扩展，数据长度指明后续数据部分的字节数；
（2-8）数据校验 ：默认采用CRC16校验指令前面部分，各系统根据需要可能更换校验算法或者加盐实现数字签名；
（2-9）生存期TTL： 生存期TTL用于路由转发非本机数据包，以实现无线组网延伸覆盖范围的功能，每个节点收到数据包后，若非本机数据包，则把TTL减 1，如果大于0 ，则延迟随机时间后继续向外发出，每个节点可设置是否支持TTL ，以免因TTL浪费处理能力以及功耗，TTL不参与指令主体校验，也不参与加密；
（2-10）加密保护 ：为了保证通信的安全，指令在传输过程中加密，一般采用异或或者RC4加密，加密范围：除目标地址、源地址、数据长度外，全部加密，目的地址不能加密，否则无法识别这是谁的数据包，也就无法解密，TTL也不加密，否则无法中继路由，因为序列号被加密，中继路由时，可根据源地址和已加密的序列号配对来识别重复消息，加密密码具有有效期，由网关生成并分配。
4.根据权利要求1所述的基于微网协议的微网构建法，其特征在于，所述步骤（3）还包括以下步骤：
（3-1）入网发现0x01：
请求：2设备类型+12ID+4CPUID+2 DevID+2RevID，
响应：1 地址+1 通道+8 密码；
（3-2）心跳指令0x02 ：
请求：1 子功能码+N 数据；
响应：N 数据；
（3-3）时间同步0x03：
请求：8 时间，
响应：8 时间；
（3-4）内存基址0x04 ：
请求：4 基址，
响应：4 基址；
请求空数据时仅读取当前基址，作为操作内存时的基础地址，一般最后一个字节为0，内存基址加上1个字节的偏移，即为实际操作内存的地址；
（3-5）读取内存0x05：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：N 数据；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-6）写入内存0x06：
请求：1 偏移+1 数量+N 数据，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址（0x04指令设定）加上偏移；
（3-7）擦除内存0x07：
请求：1 偏移+1 数量，
响应：1 成功数量；
实际操作内存位于内存基址0x04指令设定加上偏移。
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| CN201510213547.4A Pending CN106211184A (zh) | 2015-04-30 | 2015-04-30 | 基于微网协议的微网构建法 |
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