CN110139224A - 一种适用于物联网环境的无线自组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于物联网环境的无线自组网方法，通过公共信道的广播进行单向自组网，形成无线自组网网络，该无线自组网网络的通信链路是单向的，不存储路由表，只存储周边的节点信息或网关的信息。本发明的有益效果是：适用于物联网应用场景，具有低功耗、低成本的优点。

Description

一种适用于物联网环境的无线自组网方法

技术领域

本发明涉及无线自组网方法，尤其涉及一种适用于物联网环境的无线自组网方法。

背景技术

物联网系统一般由感知层、传输层、应用层构成。其中传输层将感知层测量的参量数据通过各种通信网络传送给应用层的后台系统，除部分物联网系统使用以太网等有线网络外，多数物联网系统传输层使用无线网络来传输数据，包括GPRS和4G-LTE等公共移动通信网络，Wi-Fi等无线数据网等，有时甚至使用私有的无线数传网络。这些无线网络的特点是有网关或网关设备，物联网终端通过接入网关或网关，由其对数据进行汇聚后传送给后台系统。但在某些物联网应用场景中，由于距离、空间、成本等因素限制，传统网关或网关的无线通信距离无法完全覆盖部署的物联网终端，或者部分物联网终端由于无线信号被遮挡、屏蔽等因素无法与网关或网关设备进行可靠通信。例如在集装箱上安装物联网终端实现集装箱的位置跟踪的应用场景，由于集装箱在堆场以堆垛形式堆放导致底层的物联网终端的无线信号被屏蔽而无法与网关或网关通信。对于这类场景，一般采用无线自组网的模式，可通信范围内的物联网终端自动组成无中心无线网络，无法与基建或网关通信的物联网终端，通过自组网网络中的其他节点将数据转发给网关或网关。

目前以zig-bee为代表的自组网网络技术和协议已经成熟，部分具有自组网功能的物联网系统均在这些技术基础上开发。

随着无线通信需求的多样化，zig-bee为代表的自组网系统成为通信技术的一个分支，目前已有的以无线自组网协议出现时物联网概念还没有提出，自组网协议针对无线通信或数据终端的应用需求来规划，一般都比较复杂，节点间进行通信时需要通过大量的信令交换，节点要维护路由表来记录数据传输的跳转路径。而物联网数据传输与常规通信区别在于，主要数据流向是单向的，数据量小，数据通信间隔大。传统无线自组网协议复杂的信令交换使物联网终端处于无线收发状态的时间变长，导致系统功耗增加。路由表的存在要求物联网终端有较强的数据处理能力和运行时间， 系统需要使用成本较高的处理器，成本和功耗都增加。

因此，如何提供一种适用于物联网应用场景并且低功耗、低成本的自组网方法是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种适用于物联网环境的无线自组网方法。

本发明提供了一种适用于物联网环境的无线自组网方法，通过公共信道的广播进行单向自组网，形成无线自组网网络，该无线自组网网络的通信链路是单向的，不存储路由表，只存储周边的节点信息或网关的信息。

作为本发明的进一步改进，只存储周边节点中通信质量好的节点信息或网关的信息。

作为本发明的进一步改进，进行单向链路通信质量测试，在广播中发送用于测试误码率的长时间数据。

作为本发明的进一步改进，用于测试误码率的测试数据的速率为通信数据的4～5倍，缩短测试时间；单向，变速测通信质量。

作为本发明的进一步改进，指定一个固定频道为组网广播频道，每个网关和节点均在该组网广播频道进行侦听和发射广播数据；每个节点都进行周期性唤醒，在组网广播频道接收广播信息，如果接收到网关信息则向网关发起呼叫并建立通信链路，然后测试网关信号的RSSI 值和误码率，将数据存储在节点内。

作为本发明的进一步改进，所述网关为网关设备，所述节点为物联网终端设备

作为本发明的进一步改进，进入无线自组网网络中的所有节点，首先监听组网广播频道，接收其他节点的参数，如果节点参数指示其具有连接到网关的数据通道，则存储该节点参数作为自身的上游节点。

作为本发明的进一步改进，如果在一个已经完成组网的无线自组网网络中，某个节点突然无法接收到自己上级节点或网关的广播数据，则使用备份上级节点，如果所有备份上级节点都失效，则广播自身的广播信息。

作为本发明的进一步改进，当节点位于彼此可通信范围时，节点间进行自组网步骤如下：

步骤1：每个节点周期性尝试与网关建立通信链路；

步骤2：与网关建立通信链路的节点在预先指定的组网广播频道中广播自身链路参数，节点在组网广播频道广播本节点的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道，其中前向标记标为‘0’，代表该节点可直接与通信网关建立通信链路；

步骤3：未能搜索到网关，或者搜索到但是通信质量未达到限定值的，如果接收到前向标记为0的广播信号，则存储接收到的节点参数，然后在指定的组网广播频道广播本节点的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道，其中前向标记标为1，代表该节点通过一次转发可与通信网关建立通信链路；

步骤4：所有节点均按上述规则操作，如果未能直接与网关建立直接的通信链路，则在可接收到的其他节点的广播信号里选择前向标记最小的节点参数，同时也广播自身节点参数，同时将自身的前向标记在接收到的前向标记最小的节点的前向标记的基础上+1。

本发明的有益效果是：通过上述方案，适用于物联网应用场景，具有低功耗、低成本的优点。

附图说明

图1是本发明一种适用于物联网环境的无线自组网方法的组网示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种适用于物联网环境的无线自组网方法，通过公共信道的广播实现单向自组网，链路是单向的，不存储路由表，只存储周边节点中通信质量好的节点信息或网关的信息，单向链路通信质量测试，在广播中发送用于测试误码率的长时间数据，用于测试误码率的测试数据的速率为通信数据的4～5倍，缩短测试时间；单向，变速测通信质量。

物联网应用环境中的数据采集终端，由于部署位置等因素，某些终端的通信质量较好，可以与后台系统进行有效通信。而另外一些终端，则可能因为无线信号被遮挡而无法与后台系统建立有效通信链路，导致感知、采集数据无法上传。针对此类应用场景，解决方案之一是使用无线自组网网络，通信质量差的节点通过通信质量好的节点将数据转发给后台系统，有时需要经过若干个节点的转发将数据传送给后台系统。例如一个集装箱位置跟踪的物联网应用，安装在集装箱堆垛底部集装箱上的位置跟踪终端由于集装箱堆垛的遮挡无法与后台系统进行通信，此时需要位置跟踪终端具有无线自组网能力，所有位置跟踪终端组成一个自组网网络，位于底层的物联网终端通过自组网网络的转发，最终通过位于集装箱堆垛顶层的位置跟踪终端将位置数据转发给后台系统。

目前带有自组网功能的无线网络种类很多，典型如zigbee，但全部都有复杂的网络协议，终端设备的协议开销非常大、工作时间很长，导致设备的功耗较大，因此常规的自组网协议不是非常适用于物联网应用的低功耗、低数据量、长间隔的特点。

本发明实施例针对物联网应用的特点和需求，公开了一种不需要复杂的信令交互的，单向通讯的无线自组网方法。

本发明实施例公开的无线自组网方法中包括网关设备（即网关）和物联网终端设备（即节点或节点设备）。网关设备带有固定的有线或无线通信链路，可籍此与后台系统进行通讯，交换数据和指令。同时网关可与物联网终端设备通信，接收其采集的数据并进行识别、过滤等处理后转发给后台系统。物联网终端设备除可与网关设备进行通讯外，彼此间也可进行通信。

上述功能可以通过在设备内包括两套无线单元实现，也可通过一套无线单元实现。

在物联网应用的实施中，物联网终端被部署在特定的地点，也可能被安装在特定的对象（设备、车辆、人员等）上，随着特定对象的移动，物联网终端的空间位置也会发生移动。无论是部署在特定的地点还是特定的对象，由于屏蔽、遮挡、干扰等因素对无线通信的影响，不是所有物联网终端都会能够与网关（网关）之间进行通信，存在如下情况：

第1类：位于较好的空间位置，能够直接与后台系统建立无线通信链路。

第2类：能够与第1类直接建立通信链路。

第3类：无法直接与第1类建立通信链路，但可以经第2类节点将数据转发给第1类节点，甚至要经过多个节点后才能将数据转发给第一类节点。

本发明实施例公开的无线自组网方法基于广播通信实现，网络部署时所有物联网终端需设定一个公共的广播频道，所有物联网终端需周期性在该频道发射自身的节点参数，同时所有物联网终端需要在该频道接收广播信息。

物联网终端广播的节点参数包括如下内容：

1、设备类型：标记设备属性；

2、设备ID： 物联网终端在系统中的唯一编号；

3、工作频点：节点自身的工作频点，用于转发数据的接收和响应；

4、前向标记：标记该节点可直接连接网关，或者具有连接到网关的数据通道；

5、节点负载：过去指定时间内通过自己转发的数据数量；

6、节点跳数：标记所属节点到网关间链路的节点跳数，即需要经过相应数量节点才能将数据转发给网关。

无线自组网系统指定一个固定频道为组网广播频道。每个网关设备和节点设备都能够在广播频道进行侦听和发射广播数据。

每个节点都周期性唤醒，在组网广播频道接收广播信息。如果接收到网关信息则向网关发起呼叫并建立通信链路，然后测试网关信号的RSSI 值和误码率，将数据存储在节点内。

进入无线自组网网络中的所有节点（物联网终端）首先监听广播频道，接收其他节点的参数，如果节点参数的前向标记被标记（指示其具有连接到网关的数据通道），存储该节点参数作为自身的上游节点。

如果在一个已经完成组网的自组网系统中，某个节点突然无法接收到自己上级节点（或网关）的广播数据，则使用备份上级节点，如果所有上级节点都失效，则在自己的广播信息中广播

当节点设备位于彼此可通信范围时，设备间进行自组网步骤如下：

步骤1：每个节点设备周期性尝试网关设备建立通信链路。

步骤2：与网关建立通信链路的节点设备在预先指定频道广播自身链路参数，节点设备在指定频道广播本设备的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道。其中前向标记标为‘0’，代表该节点可直接与通信网关建立通信链路。

步骤3：未能搜索到网关，或者搜索到但是通信质量未达到限定值的，如果接收到前向标记为0的广播信号，存储接收到的节点参数，然后在指定频道广播本设备的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道。其中前向标记标为1，代表该节点通过一次转发可与通信网关建立通信链路。

步骤4：所有节点设备按此规则操作，如果未能直接与网关建立直接的通信链路，则在可接收到的其他节点设备的广播信号里选择前向标记标最小的节点参数，同时自身也广播自身节点参数，同时将前向标记增加1。

本发明提供的一种适用于物联网环境的无线自组网方法，适用于物联网应用场景，低功耗、低成本，其优势在于：

1、自组网系统节点间通信为广播和单工通信，尽量减少通信节点间的信令交互，节点的无线收发系统可以采用简单的设计，极大降低成本和功耗；

2、自组网节点中不需要存储“路由表”等结构数据，仅需要存储1组或2组上游节点的ID号、频道等参数，因此自组网节点可以采用低速、低成本处理器；

3、 传统无线自组网系统中如果出现“节点丢失”后需要重新规划路由，本发明公开的技术采用搜寻新的上游节点的方式。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：通过公共信道的广播进行单向自组网，形成无线自组网网络，该无线自组网网络的通信链路是单向的，不存储路由表，只存储周边的节点信息或网关的信息。

2.根据权利要求1所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：只存储周边节点中通信质量好的节点信息或网关的信息。

3.根据权利要求1所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：进行单向链路通信质量测试，在广播中发送用于测试误码率的长时间数据。

4.根据权利要求3所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：用于测试误码率的测试数据的速率为通信数据的4～5倍，缩短测试时间；单向，变速测通信质量。

5.根据权利要求1所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：指定一个固定频道为组网广播频道，每个网关和节点均在该组网广播频道进行侦听和发射广播数据；每个节点都进行周期性唤醒，在组网广播频道接收广播信息，如果接收到网关信息则向网关发起呼叫并建立通信链路，然后测试网关信号的RSSI 值和误码率，将数据存储在节点内。

6.根据权利要求5所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：所述网关为网关设备，所述节点为物联网终端设备。

7.根据权利要求5所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：进入无线自组网网络中的所有节点，首先监听组网广播频道，接收其他节点的参数，如果节点参数指示其具有连接到网关的数据通道，则存储该节点参数作为自身的上游节点。

8.根据权利要求5所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：如果在一个已经完成组网的无线自组网网络中，某个节点突然无法接收到自己上级节点或网关的广播数据，则使用备份上级节点，如果所有备份上级节点都失效，则广播自身的广播信息。

9.根据权利要求1所述的适用于物联网环境的无线自组网方法，其特征在于：当节点位于彼此可通信范围时，节点间进行自组网步骤如下：

步骤1：每个节点周期性尝试与网关建立通信链路；

步骤2：与网关建立通信链路的节点在预先指定的组网广播频道中广播自身链路参数，节点在组网广播频道广播本节点的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道，其中前向标记标为‘0’，代表该节点可直接与通信网关建立通信链路；

步骤3：未能搜索到网关，或者搜索到但是通信质量未达到限定值的，如果接收到前向标记为0的广播信号，则存储接收到的节点参数，然后在指定的组网广播频道广播本节点的节点参数，包括设备ID、前向标记、负载标记和通信频道，其中前向标记标为1，代表该节点通过一次转发可与通信网关建立通信链路；

步骤4：所有节点均按上述规则操作，如果未能直接与网关建立直接的通信链路，则在可接收到的其他节点的广播信号里选择前向标记最小的节点参数，同时也广播自身节点参数，同时将自身的前向标记在接收到的前向标记最小的节点的前向标记的基础上+1。