CN107994957B - 一种无线网络设备信号小范围覆盖方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线网络设备信号小范围覆盖方法，其自探测步骤包括：变功率信号探测、探测数据一次交换、探测数据一次分组、探测数据一次排序、探测数据二次交换、探测数据二次排序、发射功率确认。本发明通过主动设备发送变功率信号帧，可以由大到小、由远到近和由小到大、由近到远的探测无线信号，从而动态的判断出物联网应用中各被动设备到主动设备间的通讯距离，然后根据实际需要无线覆盖的设备数量自动计算出最小的无线信号覆盖范围。本发明既可以满足无线电管理局的监管要求、又能最大限度的降低对其他网络设备的干扰和影响，同时还能够在最大限度的利用无线的频域和空域资源，极大的提高了无线网络通讯的效率。

Description

一种无线网络设备信号小范围覆盖方法

技术领域

本发明涉及一种方法，尤其涉及一种无线网络设备信号小范围覆盖方法，属于物联网技术领域。

背景技术

在无线网络通讯过程中，为了能够实现更多无线网络设备间的通讯，通常采用大功率的无线发射设备进行大范围空间的无线信号覆盖，保证大范围空间内每个无线网络设备都能够和无线管理中心设备进行通讯，但是在实际使用过程中大功率的无线发射设备会受到国家无线电管理委员会的管制，避免大功率无线发射设备对其它国家重要的无线通讯设备造成无线电干扰从而影响人们的生活和生产安全；同时大功率的无线发射设备所发出的无线信号辐射对人体的伤害也比较大，时间久了会威胁到人们的身体健康。

部分厂家采用了无线路由转发的方式进行无线网络设备通讯，虽然这类无线网络设备采用了固定适中的无线发射功率进行无线信号覆盖，但是由于无线网络设备天线增益的差别、天线摆放角度的不同、无线网络设备的移动应用，使得固定的无线发射功率进行无线信号覆盖，会造成部分设备不能够进入无线信号覆盖范围，部分设备形成无线干扰导致设备通讯效率下降甚至无通讯网络完全瘫痪的情况发生。

也有部分厂家为了能够避免设备移动过程中出现无法通讯或者网络瘫痪的情况发生，采用了技术参数约束的手段，约束无线网络设备发送数据的帧间隔、约束无线网络中设备的最大接入数量、约束某个节点为中心转发节点等等各种技术参数，但是在物联网应用中，将会有数量巨大的设备会接入无线网络、各个设备对无线网络的通讯效率和响应速度有较高要求、无线网络中的中心节点的故障也有快速替换要求，采用参数约束的方式组成的无线网络将无法满足物联网的各种应用需求。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种无线网络设备信号小范围覆盖方法。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种无线网络设备信号小范围覆盖方法，其步骤如下：

步骤S1、将所有参与无线组网通讯的无线网络设备命名为设备节点；将需要进行无线发射功率计算的设备节点命名为主动设备；将有可能和该主动设备进行无线组网的设备节点命名为被动设备；

步骤S2、采用自探测的方式使设备节点进行无线通讯组网，从而计算确定设备节点的无线信号发射功率，在保证无线网络设备能够可靠组网通讯的前提下，选取最小的无线发射功率，保证无线信号覆盖范围最小化；对于每个设备节点进行无线信号发射功率自探测过程中，有且只有一个主动设备，而被动设备为任意多个。

步骤S2中自探测的整体步骤为：

步骤S21、变功率信号探测：采用从大到小和由小到大的发射功率发送功率探测帧，由被动设备接收该功率探测帧，记录接收到的信号强度RSSI值并记录信号强度条目；该步骤用于根据实际需要无线覆盖的设备数量，自动计算出最小的无线小信号覆盖范围；

步骤S22、探测数据一次交换：将被动设备记录的信号强度条目通过无线信号传送给主动设备并进行存储；

步骤S23、探测数据一次分组：主动设备将交换获得的信号强度条目存储后，根据信号强度条目中的发射功率进行信号强度条目分组，将相同的发射功率分为一组；该步骤用于对获取到的多个被动设备的信号强度条目根据相同的发射功率进行分组，完成了在一个发射功率条件下，有多个被动设备被无线覆盖；

步骤S24、探测数据一次排序：将分组后的数据根据信号强度条目中的接收信号强度平均值、接收信号最小值，从大到小进行信号强度条目排序；该步骤完成了被动设备的距离识别；

步骤S25、探测数据二次交换：每个设备除了记录自身做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，还通过和其他设备进行数据二次交换，记录其他设备做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，用于后续的探测数据二次排序；

步骤S26、探测数据二次排序：将交换过来的多个主动设备的探测数据一次排序后的数据，按照相邻间的关系进行二次排序修正，解决探测数据一次排除后的方向性问题，使得所有的无线网络设备根据实际的物理空间及相互间的距离和方向进行排序；

步骤S27、发射功率确认：根据无线网络设备实际无线组网的需求，确定主动设备的无线信号最少需要覆盖多少个被动设备来最终确认无线网络设备的发射功率。

步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照由大到小的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率降低3dbm即功率减半进行变功率探测，采用该变功率方式能够有效覆盖所有变功率和尽可能多的被动设备，其信号探测精度最高；该方式用于首次组网时变功能探测。

此外，在步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照从小到大的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率增加3dbm即功率增加一倍进行变功率探测，采用该变功率方式能够以最快速的速度达到预定的小功率信号值，其信号探测速度最快；该方式用于已经组网后已经确定了一个小信号发射功率的情况下进行重复变功率探测。

步骤S21的变功率信号探测过程中，主动设备发送的探测帧数量N和每次变功率探测时功率降低/功率增加PWR_STEP的取值可以根据设备的探测时间和探测精度确定，在需要高探测精度和固定无线设备的场合，将N取值偏大，PWR_STEP取值偏小；在需要较短时间完成探测和移动无线设备的场合，将N取值偏小，PWR_STEP取值偏大。

为了降低无线信号的干扰，无线空域内的所有设备，只要在接收到一帧功率探测帧后，全部暂停当前的无线通讯任务，进入静默接收模式，静默时间为3秒钟，3秒钟后没有再收到任何一个功率探测帧后，才允许继续开启暂停了的无线通讯任务；该机制能够优先保证功率探测帧的无线信号传输，减少无线信号小范围覆盖自探测的干扰，提高自探测精度。

步骤S21中的信号强度条目分为存储型信号强度条目和传输型信号强度条目；存储型信号强度条目用于记录主动设备向被动设备发送的无线信号的信号强度，包含发射功率、接收信号强度平均值、接收信号强度最小值、接收丢帧数量、接收设备五个部分；发射功率为主动设备发送信息时的无线信号的发射功率，接收信号平均值为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度平均值，接收信号强度最小值为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度最小值，接收丢帧数量R为被动设备丢失了多少个主动设备的数据，接收设备为被动设备的ID序号；传输型信号强度条目是为了提高无线传输效率而设计的，它和标准信号强度条目相比省略掉了接收设备，主要用于信号强度数据在主动设备和被动设备间的快速传输，提高无线传输效率。

信号强度条目在数据交换和传输中的通讯帧包括功率探测帧、探测数据请求帧、探测数据传输帧；功率探测帧用于主动设备进行无线发射功率的探测，包含帧头、帧类别、发送帧总数、发送帧序号、探测帧发射功率、探测帧主动设备ID、CRC校验；探测数据请求帧用于主动设备向被动设备请求信号强度条目，包含帧头、帧类别、请求帧序号、请求设备ID、主动设备ID、被动设备ID、CRC校验；探测数据传输帧用于被动设备向主动设备传输型信号强度条目，包含帧头、帧类别、信号强度总数、当前帧信号强度条目数、信号强度条目序号、条目1～n、请求帧主动设备ID、应答帧被动设备ID、CRC校验；为了节约帧空间，提高无线传输效率，探测数据传输帧中的信号强度条目采用传输型信号强度条目进行传输。

主动设备和被动设备是在单次信号探测的过程中进行命名的，但是在整个无线网络中，所有的设备都是同等级别的设备，都采用相同的自探测方式，所有设备的探测机制和流程都相同，没有主从设备之分，完全属于一种平衡式的无线通讯网络。

本发明通过主动设备发送变功率信号帧，可以由大到小、由远到近和由小到大、由近到远的探测无线信号，从而动态的判断出物联网应用中各被动设备到主动设备间的通讯距离，然后根据实际需要无线覆盖的设备数量自动计算出最小的无线信号覆盖范围。通过该小范围的无线覆盖即满足了无线电管理局的监管要求、又最大限度的降低了无线网络设备对其他设备的干扰和影响，同时降低了无线发射信号的耗电量延长了电池设备的使用寿命，而且还能够在最大限度的利用无线的频域和空域资源，极大的提高了无线网络通讯的效率。

附图说明

图1为自探测方式的步骤流程示意图。

图2为变功率信号探测的过程展示图。

图3为探测数据一次排序的过程展示图。

图4为探测数据二次排序的过程展示图。

图5为本发明所用设备的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1所示的一种无线网络设备信号小范围覆盖方法，其中无线网络设备是指在一个较大的空域内有任意多个无线网络设备A、B、C、D、E、F、G……，这些无线网络设备之间以相同的无线通讯频率、合适的无线发射功率进行无线信号的交互，完成设备和设备之间的无线组网通讯，实现各个设备间的信息交互和传输。

为了方便后续文字描述，将所有参与无线组网通讯的无线网络设备命名为设备节点，每个设备节点采用的无线通讯频率命名为无线频点，每个设备节点采用的无线发射功率命名为无线功率。将需要进行无线发射功率计算的自探测的设备节点命名为“主动探测设备”，简称为“主动设备”，将有可能和该主动探测设备进行无线组网的设备节点命名为“被动响应设备”，简称为“被动设备”；在本发明的无线通讯组网中，对于每个设备节点进行无线信号发射功率自探测过程中，有且只有一个主动设备，而被动设备可以有任意多个。

此外需要做出说明的是：在单次信号探测的过程中有主动设备和被动设备，但是在整个无线网络中，所有的设备都是同等级别的设备，都采用相同的自探测方式，所有设备的探测机制和流程都相同，没有主从设备之分，完全属于一种平衡式的无线通讯网络。

设备节点在进行无线通讯组网时采用自探测的方式来计算确定设备节点的无线信号发射功率，在保证无线网络设备能够可靠组网通讯的前提下，选取最小的无线发射功率，保证无线信号覆盖范围最小化。其中，自探测方式的具体步骤如下：

步骤S21、变功率信号探测：采用从大到小的发射功率发送功率探测帧，由被动设备接收该功率探测帧，记录接收到的信号强度RSSI值并记录信号强度条目；该步骤用于根据实际需要无线覆盖的设备数量，自动计算出最小的无线小信号覆盖范围；

步骤S22、探测数据一次交换：将被动设备记录的信号强度条目通过无线信号传送给主动设备并进行存储；该步骤可以通过被动设备的接收信号强度，实现被动设备和主动设备的通信距离测量；

步骤S23、探测数据一次分组：主动设备将交换获得的信号强度条目存储后，根据信号强度条目中的发射功率进行信号强度条目分组，将相同的发射功率分为一组；该步骤可以对获取到的多个被动设备的信号强度条目根据相同的发射功率进行分组，完成在一个发射功率条件下，有多少个被动设备被无线覆盖。

步骤S24、探测数据一次排序：将分组后的数据根据信号强度条目中的接收信号强度平均值、接收信号最小值，从大到小进行信号强度条目排序；该步骤完成了被动设备的距离识别；

步骤S25、探测数据二次交换：每个设备除了记录自身做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，还通过和其他设备进行数据二次交换，记录其他设备做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，用于后续的探测数据二次排序；

步骤S26、探测数据二次排序：将交换过来的多个主动设备的探测数据一次排序后的数据，按照相邻间的关系进行二次排序修正，解决探测数据一次排除后的方向性问题，使得所有的无线网络设备根据实际的物理空间及相互间的距离和方向进行排序；

步骤S27、发射功率确认：根据无线网络设备实际无线组网的需求，确定主动设备的无线信号最少需要覆盖多少个被动设备来最终确认无线网络设备的发射功率。

其中，信号强度条目可以分为存储型信号强度条目和传输型信号强度条目。存储型信号强度条目用于记录主动设备向被动设备发送的无线信号的信号强度，包含发射功率S_PWR、接收信号强度平均值RSSI_AVG、接收信号强度最小值RSSI_MIN、接收丢帧数量RSSI_LOSE、接收设备IDRECV_ID五个部分；发射功率S_PWR为主动设备发送信息时的无线信号的发射功率，接收信号平均值RSSI_AVG为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度平均值，接收信号强度最小值RSSI_MIN为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度最小值，接收丢帧数量RSSI_LOSE为被动设备丢失了多少个主动设备的数据，接收设备RECV_ID为被动设备的ID序号。其结构组成如表1所示。

表1

传输型信号强度条目是为了提高无线传输效率而设计的，它和标准信号强度条目相比省略掉了接收设备RECV_ID，主要用于信号强度数据在主动设备和被动设备间的快速传输，提高无线传输效率。其结构组成如表2所示。

表2

此外，本发明为了方便主动设备和被动设备的无线信号强度条目的数据交换和传输设计了三个通讯帧：1、功率探测帧，用于主动设备进行无线发射功率的探测，包含帧头、帧类别、发送帧总数、发送帧序号、探测帧发射功率、探测帧主动设备ID、CRC校验；2、探测数据请求帧，用于主动设备向被动设备请求信号强度条目，包含帧头、帧类别、请求帧序号、请求设备ID、主动设备ID、被动设备ID、CRC校验；3、探测数据传输帧，用于被动设备向主动设备传输型信号强度条目，包含帧头、帧类别、信号强度总数、当前帧信号强度条目数、信号强度条目序号、条目1～n、请求帧主动设备ID、应答帧被动设备ID、CRC校验；该帧中为了节约帧空间，提高无线传输效率，探测数据传输帧中的信号强度条目采用传输型信号强度条目进行传输。功率探测帧、探测数据请求帧、探测数据传输帧的结构分别如表3、表4、表5所示。

表3

表4

表5

步骤S21中变功率信号探测的具体过程为(如图2)：1、主动设备A利用设备节点的无线信号发射器所具有的最大的无线发射功率PWR_MAX同时向空域内的所有被动设备连续快速发送N个功率探测帧，N≤255，默认取值N＝32；主动设备记录无线发射功率PWR_SEND＝PWR_MAX，功率探测帧中的发射功率字段填写当前的无线发射器的发射功率，发送帧序号字段填写当前发送的是第几个功率探测帧；2、空域内被动设备B将会收到主动设备A的M个功率探测帧，记录每帧的接收信号强度值RSSI数值，并从功率探测帧中提取主动设备的ID序号记为S_ID,提取主动设备A的无线发射功率记为S_PWR,提取发送帧总数N；3、利用公式(M-N)÷N×100％计算丢帧率，被动设备B接收到功率探测帧的丢帧率≤10％时，表示被动设备B能够基本能够完整的接收主动设备A的无线信号，设备节点B剔除掉最大的两个RSSI数字，并计算余下的M-2个RSSI数值的平均值记录为接收信号强度平均值RSSI_AVG，同时从M-2个RSSI数值中选取最小的RSSI数值记录为接收信号强度最小值RSSI_MIN，记录接收丢帧数量RSSI_LOSE＝N-M＝0；被动设备B接收到功率探测帧的丢帧率≤10％时，表示被动设备B会漏掉主动设备A的无线信号，被动设备B直接计算M各RSSI数值的平局值记录为接收信号强度平均值RSSI_AVG,同时从M个RSSI数值中选取最小的RSSI数值记录为接收信号强度最小值RSSI_MIN，记录接收丢帧数量RSSI_LOSE＝N-M；4、被动设备B计算完毕接收信号强度平均值后，会将主动设备S_ID、发射功率S_PWR、接收信号强度平均值RSSI_AVG、接收信号强度最小值RSSI_MIN、接收丢帧数量RSSI_LOSE记录一条主动设备A的传输型信号强度条目；5、同理被动设备C、D、E、F、G……都会和被动设备B类似接收到主动设备A的功率探测帧，计算并记录一条主动设备A的传输型信号强度条目；6、主动设备在N个功率探测帧发送完毕后，延迟1秒种等待被动设备计算并记录主动设备A的传输型信号强度条目，随后主动设备A将其无线发射功率按照公式PWR_SEND＝PWR_SEND–PWR_STEP降低，PWR_STEP为每次变功率探测时功率降低的功率取值，默认PWR_STEP＝3dbm发射功率减半，在从小到大的变功率探测时，PWR_STEP增加3dbm发射功率加倍，继续重复步骤1～5向空域内所有被动设备发送N个功率探测帧；被动设备B、C、D、E、F、G……会接受、计算、记录一条新的主动设备A的传输型信号强度条目；7、如此类推，重复步骤1～6，直到主动设备节点A的无线发射功率降低到＜-6bdm或者增加到预设的发射功率为止，停止向空域内发送功率探测帧；至此变功率信号探测全部完成，在每个被动设备B、C、D、E、F、G……都会记录若干条主动设备A的传输型信号强度条目，距离主动设备A越近的被动设备，其传输型信号强度条目数量越多，且信号强度数值越大，丢帧数量越少，丢帧率越低，距离主动设备A越远的被动设备，其传输型信号强度条目数量越少，甚至一条都没有，且信号强度数值越小，丢帧数量越多，丢帧率越高。

为了降低无线信号的干扰，无线空域内的所有设备，只要在接收到一帧功率探测帧后，全部暂停当前的无线通讯任务，进入3秒静默接收模式，静默时间为3秒钟，3秒钟后没有再收到任何一个功率探测帧后，才允许继续开启暂停了的无线通讯任务；该机制能够优先保证功率探测帧的无线信号传输，减少了无线信号小范围覆盖自探测的干扰，提高了自探测精度。

步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照由大到小的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率降低3dbm即功率减半进行变功率探测，采用该变功率方式能够有效覆盖所有变功率和尽可能多的被动设备，其信号探测精度最高；该方式用于首次组网时变功能探测。

此外，在步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照从小到大的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率增加3dbm即功率增加一倍进行变功率探测，采用该变功率方式能够以最快速的速度达到预定的小功率信号值，其信号探测速度最快；该方式用于已经组网后已经确定了一个小信号发射功率的情况下进行重复变功率探测。

主动设备A向空域内所有的被动设备B、C、D、E、F、G……发送完毕功率探测帧并在被动设备上记录传输型信号强度条目后，会立即进行步骤S22中的探测数据一次交换：1、主动设备A利用设备节点的无线信号发射器所具有的最大的无线发射功率PWR_MAX同时向空域内的所有被动设备发送探测数据请求帧，要求被动设备B将自身记录的主动设备A的信号强度条目传输给主动节点A；2、被动设备B接收到探测数据请求帧后，会以发射器最大的无线发射功率PWR_MAX向主动设备A回复探测数据传输帧，传输型信号强度条目；为了提高传输效率，节约传输空间，在传输过程中采用传输型信号强度条目的格式进行传输，在帧尾部添加一个主动设备A的ID和被动设备B的ID用以表示信号强度条目的发射方A和接收方B；3、在被动设备B记录的信号强度条目全部传输到主动设备A后，主动设备A会在传输型信号强度条目尾部添加功率探测帧接收方被动设备B的ID，组成存储型信号强度条目进行存储；4、同理被动设备C、D、E、F、G……都会和被动设备B类似将信号强度条目传输给主动设备A，并由主动设备A在信号强度条目尾部添加功率探测帧接收方的ID，组成存储型信号强度条目进行存储；至此主动设备A通过探测数据请求帧和探测数据传输帧完成了所有能够收集到的信号强度条目的收集和存储。

主动设备A在接收完毕空域内全部被动设备传输过来的信号强度条目后，立即进行步骤S23中的探测数据一次分组，按照信号强度条目中的发射功率S_PWR进行条目分组，将相同发射功率S_PWR的条目各自分成一组；本发明随着无线发射功率的减小，无线覆盖范围会越小，能够收到功率探测帧的被动设备会越少，分组的信号强度条目会越少。

步骤S24中探测数据一次排序的具体过程为：1、将相同发射功率S_PWR进行分组后的各个信号强度条目依据信号强度平均值的大小，从大到小进行排序；在排序过程中出现信号强度平均值相同时，按照信号强度最小值的大小，从大到小进行排序；若相邻两个条目的最小信号强度相差≤3dbm时，比较两个条目的丢帧数量，将丢帧数量少的条目排在前面，丢帧数量多的条目排在末尾；2、对每个S_PWR分组的信号强度条目进行了排序后，比较每个S_PWR分组条目中的被动设备ID的排列顺序，按照多数决定原则，进行被动设备ID的排序，由于被动设备距离主动设备的空间距离越近，其被动设备接收的信号强度值越大，反之，经过信号强度排序和被动设备ID多数决原则排序后，越排在前面的被动设备距离主设备越近，越适合于主动设备进行无线信号小范围覆盖，越排在后面的被动设备距离主动设备越远，主动设备不需要对其进行无线信号覆盖；对信号强度条目经过探测数据一次排序后(如图3所示)根据排序的顺序被动设备B、G距离主动设备A最近，被动设备C、H次之，被动设备F、K距离主动设备A最远。

在完成了探测数据一次排序后，主动设备会发起步骤S25中的探测数据二次交换请求：要求相邻的设备B、C、G、H将其自身做为主动设备时存储的信号强度条目发送给主动设备A用于设备B、C、G、H的距离计算；

步骤S26中探测数据二次排序的具体过程为：主动设备A通过排序分析设备B、C、G、H的信号强度条目，设备B距离设备A和C较近，距离设备G较远；设备G距离设备A和H较近，主动设备A重新修正被动设备B、C、G、H……的排列顺序(如图4所示)为H、G、A、B、C，将探测数据一次排序后的数据进行二次排序修正，使得所有的无线网络设备根据实际的物理空间及相互间的距离进行排序。

完成二次排序后需要进行主动设备步骤S27中的发射功率确认，根据无线网络设备实际无线组网的需求，确定主动设备A的无线信号最少需要覆盖多少个被动设备，直接从本发明步骤S23探测数据一次分组的结果中，将S_PWR从小到大的顺序查找对比每个分组中的被动设备ID和实际需要覆盖的被动设备ID，在查找对比分组中的被动设备ID能够包含实际需要覆盖的被动设备ID时，该分组的S_PWR即为主动设备A进行无线信号小范围覆盖的无线信号发射功率，在无线网络设备A进行正常的无线组网通讯时，都将以该S_PWR无线发射功率进行无线组网通讯。

同理无线网络中的其它设备都按照相同的方法进行无线发射功率的自探测计算。此外，在变功率信号探测时，主动设备发送的探测帧数量N和每次变功率探测时功率降低/功率增加PWR_STEP的取值可以根据设备的探测时间和探测精度确定，在需要高探测精度和固定无线设备的场合，可以将N取值偏大，PWR_STEP取值偏小；在需要较短时间完成探测和移动无线设备的场合，可以将N取值偏小，PWR_STEP取值偏大。

在需要构建高可靠性无线组网通讯时，为了避免无线通讯外部环境的干扰，在完成主动设备无线发射功率S_PWR计算确认后，将S_PWR＝S_PWR+PWR_STEP作为最终的S_PWR进行无线组网通，以保证无线网络设备有足够的发射功率进行无线信号小范围覆盖。

在探测数据一次分组时，若信号强度条目中的丢帧率>50％时，则说明该发射功率下主动设备无法和被动设备进行稳定可靠的无线通讯，对比其它的信号强度条目，判断主动设备和被动设备是否有通讯故障问题。

本发明将和主动设备A通讯的所有被动设备B、C、D、E、F、G……按照信号强度值排序，信号强度数值越高代表组网的的信号质量越好，设备排序越排在前面，即使在特殊情况下由于设备硬件故障、空间阻隔等原因导致被动设备在物理空间上和主动设备A的距离较近的设备信号质量较差，距离较远的设备信号质量较好的情况发射时，依旧优先选择信号强度数值高信号质量好的被动设备做为无线数据传输和数据转发的设备，从而在逻辑上不会影响无线组网的通讯性能和数据转发性能。

综上所述，本发明的自探测方式为通过从大到小的调整主动设备的发射功率来测算每个发射功率下有多少被动设备能够接收到主动设备的无线信号；并检测主动设备向被动设备发送的无线信号的信号强度，判断被动设备到主动设备间的空间距离，根据设备间的空间距离进行被动设备距离排序，然后由主动设备选取若干个关键的必要的近距离的被动设备进行无线通讯组网，由此主动设备在满足这几个关键的必要的近距离的被动设备能够进行安全可靠通讯的前提下，采用最小的无线发射功率进行无线组网通讯，实现了无线网络设备信号小范围覆盖。设备无线信号小范围计算完毕后，即使在实际的物理距离变化的情况下，只要逻辑的信号强度不变，计算出的无线信号小范围覆盖也不会影响设备间的无线通讯和数据转发，不必由于设备的移动导致物理距离变化而频繁的进行设备功率调整和数据转发调整。

本发明可以采用不同的CPU处理器和无线通讯模块进行实施，下面结合一项具体实施方式对本发明所用的设备进行详细的说明。

本方法所用的设备由如下几个部分组成(如图5所示)：1、CPU处理器，采用STM32F103RB芯片，该芯片处理器内置有一个128Kbyte的FLASH存储空间和一个20Kbyte的RAM存储空间，本实施例将该FLASH存储空间划分为2个64Kbyte的存储空间，第一个64Kbyte空间用于存储CPU处理器的执行代码，第二个FLASH存储空间用于存储存储型信号强度条目，每个存储型信号强度条目占用12Byte空间，至少可以存储5120条存储型信号强度条目，且设备掉电和复位重启不会丢失，保证了设备掉电或者复位重启后，设备能够快速的根据需要恢复设备的无线小信号发射功率；在进行变功率信号探测过程中产生的传输型信号强度条目存储在RAM存储空间中，由于每条传输型信号强度条目占用4Byte,至少可以存储4000条传输型信号强度条目；2、无线通讯模块，采用SX1278无线通讯模块进行无线信号的接收和发射，该无线通讯模块不外接外置功率放大器时，其硬件器件的最大发射功率为20dbm，接收灵敏度可以高达-140dbm；3、外置FLASH存储器，采用M25P32芯片，具有4Mbyte的FLASH存储空间，本外置FLASH存储器为非必要器件，只有在一个小空域范围内有非常多的无线网络设备，且进行变功率信号探测时，要求探测精度非常高，PWR_STEP取值很小时才需要外置的FLASH存储器来存储存储型信号强度条目，除此之外利用CPU处理器内部的FLASH空间即可满足一般的无线网络信号小范围覆盖应用；对于在一个小空域范围内存在数量巨大的无线网络设备，可以采用更大容量的具有SPI接口的FLASH存储器，或者采用SPI总线接口连接多个大容量的FLASH存储器来存储更多的存储型信号强度条目；4、直流电源管理芯片用来为CPU处理器、无线通讯模块、外置FLASH存储器。

CPU处理器内部的20Kbyte的RAM存储空间中可以至少存储4000条传输型信号强度条目，按照本实施例的SX1278无线通讯模块最大发射功率20dbm，每个PWR_STEP＝3dbm计算，变功率信号探测时有20dbm、17dbm、14dbm、11dbm、8dbm、5dbm、2dbm、-1dbm、-4dbm共9级发射功率进行变功率信号探测，每次变功率信号探测只会产生9个信号强度条目，每个被动设备最多只需要存储9个传输型信号强度条目，CPU处理器内部的RAM存储空间可以同时容纳至少400个主动设备的向其发送功率探测帧；若采用分时存储的方式，将可以存储无限数量的主动设备向其发送功率探测帧。

本发明在每个设备上都设定了一个唯一的8字节的设备ID号用以区分每个设备的身份；设备在生产过程中，向设备的CPU处理器片内FLASH中写入唯一的8字节ID；主动设备在进行无线网络发射功率自探测时，由功率探测帧将设备自身的ID序号发送给被动设备，表示设备ID以功率PWR_SEND进行无线发射；由于8字节的设备ID在进行信号条目存储过程中会占用过多的存储空间，在某些较小数量的无线网络组网通讯应用中，可以将该设备ID设定为4个字节用以表示设备的唯一身份，也可以采用设备的4字节或者2字节的地址在一个局部范围空间内表示设备的唯一身份。

为了提高功率探测帧、探测数据请求帧、探测数据传输帧的抗干扰性，在每个类型的帧前采用一个固定的2字节的帧头，帧头取值0xFFFA；帧类型采用1个字节表示，0x01表示功率探测帧、0x02探测数据请求帧、0x03探测数据传输帧；每个类型的帧采用CRC16校验码校验帧的正确性。

为了提高无线信号发射效率功率探测帧采用固定16字节的短帧帧长，且每个功率探测帧采用连续的无线信号快速发送，由于每一个PWR_SEND发射功率的帧发送N次，在被动设备中接收功率探测帧时，丢失少量的功率探测帧，将不会影响整体的探测效果和无线信号发射功率信号小范围覆盖的自探测。

探测数据请求帧采用固定30字节的短帧帧长进行探测数据的请求命令的发送，主动设备在进行探测数据请求命令可以在设备除了功率探测帧发送期间以外的任何时刻发出，且能够发送多次请求帧，每次请求时间请求序号加1，用以告诉被动设备，该请求已经发送了多次；帧中请求设备ID用以表示由那个设备在请求探测数据，帧中主动设备ID和被动设备ID用以表示请求那个主动设备向那个被动设备发送的功率探测帧生产的信号强度条目探测数据，在探测数据一次交换过程中，请求设备ID和主动设备ID都填写功率探测帧的主动设备ID，被动设备ID填写请求的被动设备ID；在探测数据二次交换过程中，主动设备A请求设备C做为主动设备发向被动设备B的信号强度条目探测数据时，请求设备ID填写设备A的ID，主动设备ID填写设备C的ID，被动设备ID填写设备B的ID；如此探测数据请求帧通过三个设备ID的设计能够很好的满足探测数据一次交换任务和探测数据二次交换任务。

探测数据传输帧采用变长帧长进行信号强度条目的传输，一帧只传输一个主动设备向一个被动设备发送的功能探测帧生成的信号强度条目；帧中主动设备ID和被动设备ID用以分别表示信号强度条目的发送功率探测帧的主动设备ID和接收功率探测帧的被动设备ID，并且采用广播无线信号方式进行传输，空域内所有设备都可以收到该传输帧，在被动设备B向主动设备A进行探测数据一次交换过程传输型信号强度条目时，设备C也可以收到设备B和设备A之间的探测数据二次交换条目，在传输主动设备D到被动设备E的信号强度条目时，设备A、B、C都会收到该帧作为探测数据二次交换的条目，如此能够充分利用无线通讯广播优势减少探测数据二次交换条目的次数，提高了无线网络的通讯效率。

本发明的探测数据传输帧最大帧长为512字节，一帧最大可以传输122个信号强度条目，按照每个PWR_STEP＝1dbm计算，可以传输最大发射功率为116dbm的变功率信号探测帧，这么大的发射功率足以覆盖物联网应用中的所有无线信号发射器。

本发明与现有技术相比，其整体有益效果是：

1、通过自探测方式能够测算出每个无线网络设备在保证无线网络设备可靠通讯的前提下采用最小的无线发射功率进行无线通讯。

2、无线网络设备在各个不同的实际安装环境下，能够自适应的选择最合理的无线发射功率。

3、对于距离较远或者通讯丢包率较高的无线网络设备，能够很直观根据信号强度条目将其归纳为无线通讯不可靠的类别，方便进行无线网络通讯故障的排查。

综上所述，本发明不仅解决了大功率远距离、大范围覆盖导致有限的无线频谱资源浪费的问题，而且可以实现微功率小范围覆盖，功耗较小，能够延长电池供电设备使用寿命。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述方法的步骤如下：

步骤S1、将所有参与无线组网通讯的无线网络设备命名为设备节点；将需要进行无线发射功率计算的设备节点命名为主动设备；将有可能和该主动设备进行无线组网的设备节点命名为被动设备；

步骤S2、采用自探测的方式使设备节点进行无线通讯组网，从而计算确定设备节点的无线信号发射功率，在保证无线网络设备能够可靠组网通讯的前提下，选取最小的无线发射功率，保证无线信号覆盖范围最小化；对于每个设备节点进行无线信号发射功率自探测过程中，有且只有一个主动设备，而被动设备为任意多个；

所述步骤S2中自探测的整体步骤为：

步骤S21、变功率信号探测：采用从大到小和由小到大的发射功率发送功率探测帧，由被动设备接收该功率探测帧，记录接收到的信号强度RSSI值并记录信号强度条目；该步骤用于根据实际需要无线覆盖的设备数量，自动计算出最小的无线小信号覆盖范围；

步骤S22、探测数据一次交换：将被动设备记录的信号强度条目通过无线信号传送给主动设备并进行存储；

步骤S23、探测数据一次分组：主动设备将交换获得的信号强度条目存储后，根据信号强度条目中的发射功率进行信号强度条目分组，将相同的发射功率分为一组；该步骤用于对获取到的多个被动设备的信号强度条目根据相同的发射功率进行分组，完成了在一个发射功率条件下，有多个被动设备被无线覆盖；

步骤S24、探测数据一次排序：将分组后的数据根据信号强度条目中的接收信号强度平均值、接收信号最小值，从大到小进行信号强度条目排序；该步骤完成了被动设备的距离识别；

步骤S25、探测数据二次交换：每个设备除了记录自身做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，还通过和其他设备进行数据二次交换，记录其他设备做为主动设备进行变功率信号探测的信号条目，用于后续的探测数据二次排序；

步骤S26、探测数据二次排序：将交换过来的多个主动设备的探测数据一次排序后的数据，按照相邻间的关系进行二次排序修正，解决探测数据一次排除后的方向性问题，使得所有的无线网络设备根据实际的物理空间及相互间的距离和方向进行排序；

步骤S27、发射功率确认：根据无线网络设备实际无线组网的需求，确定主动设备的无线信号最少需要覆盖多少个被动设备来最终确认无线网络设备的发射功率。

2.根据权利要求1所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照由大到小的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率降低3dbm即功率减半进行变功率探测；采用该变功率方式能有效覆盖所有变功率和尽可能多的被动设备，其信号探测精度最高；该方式用于首次组网时变功能探测。

3.根据权利要求1所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述步骤S21的变功率信号探测过程中，变功率按照从小到大的发射功率发送功率探测帧，即变功率按照每次发射功率增加3dbm即功率增加一倍进行变功率探测；采用该变功率方式能以最快速的速度达到预定的小功率信号值，其信号探测速度最快；该方式用于已经组网后已经确定了一个小信号发射功率的情况下进行重复变功率探测。

4.根据权利要求2或3所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述步骤S21的变功率信号探测过程中，主动设备发送的探测帧数量N和每次变功率探测时功率降低/功率增加PWR_STEP的取值可以根据设备的探测时间和探测精度确定，在需要高探测精度和固定无线设备的场合，将N取值偏大，PWR_STEP取值偏小；在需要较短时间完成探测和移动无线设备的场合，将N取值偏小，PWR_STEP取值偏大。

5.根据权利要求4所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：为了降低无线信号的干扰，无线空域内的所有设备，只要在接收到一帧功率探测帧后，全部暂停当前的无线通讯任务，进入静默接收模式，静默时间为3秒钟，3秒钟后没有再收到任何一个功率探测帧后，才允许继续开启暂停了的无线通讯任务；该机制能够优先保证功率探测帧的无线信号传输，减少无线信号小范围覆盖自探测的干扰，提高自探测精度。

6.根据权利要求1所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述步骤S21中的信号强度条目分为存储型信号强度条目和传输型信号强度条目；所述存储型信号强度条目用于记录主动设备向被动设备发送的无线信号的信号强度，包含发射功率、接收信号强度平均值、接收信号强度最小值、接收丢帧数量、接收设备五个部分；发射功率为主动设备发送信息时的无线信号的发射功率，接收信号平均值为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度平均值，接收信号强度最小值为被动设备接收到的主动设备无线信号的信号强度最小值，接收丢帧数量R为被动设备丢失了多少个主动设备的数据，接收设备为被动设备的ID序号；所述传输型信号强度条目是为了提高无线传输效率而设计的，它和标准信号强度条目相比省略掉了接收设备，主要用于信号强度数据在主动设备和被动设备间的快速传输，提高无线传输效率。

7.根据权利要求6所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述信号强度条目在数据交换和传输中的通讯帧包括功率探测帧、探测数据请求帧、探测数据传输帧；所述功率探测帧用于主动设备进行无线发射功率的探测，包含帧头、帧类别、发送帧总数、发送帧序号、探测帧发射功率、探测帧主动设备ID、CRC校验；所述探测数据请求帧用于主动设备向被动设备请求信号强度条目，包含帧头、帧类别、请求帧序号、请求设备ID、主动设备ID、被动设备ID、CRC校验；所述探测数据传输帧用于被动设备向主动设备传输型信号强度条目，包含帧头、帧类别、信号强度总数、当前帧信号强度条目数、信号强度条目序号、条目1～n、请求帧主动设备ID、应答帧被动设备ID、CRC校验；为了节约帧空间，提高无线传输效率，探测数据传输帧中的信号强度条目采用传输型信号强度条目进行传输。

8.根据权利要求1所述的无线网络设备信号小范围覆盖方法，其特征在于：所述主动设备和被动设备是在单次信号探测的过程中进行命名的，但是在整个无线网络中，所有的设备都是同等级别的设备，都采用相同的自探测方式，所有设备的探测机制和流程都相同，没有主从设备之分，完全属于一种平衡式的无线通讯网络。

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