CN110167120B - 一种物联网无线星型网络低功耗设备 - Google Patents

一种物联网无线星型网络低功耗设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种物联网无线星型网络低功耗设备，包括一个集中器，多个采集器，以及与每个采集器对应的设备，所述集中器和采集器之间构成星型网络；集中器根据采集器退网数量值与退网数量阈值作对比，条件满足设定条件时，集中器调整采集器入网次序列表，采集器根据被分配的入网次序号、采集器已入网数量、采集器之间时间间隔和前一个采集器数据包上传时间计算出下个周期唤醒时间。本发明可以随着入网和退网情况动态地调自身整唤醒周期，减少了网通讯功耗，延长带电时间，同时集中器出现工作异常情况可直接更换设备，不何影响采集器正常工作。

Description

一种物联网无线星型网络低功耗设备
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，更具体地说，特别涉及一种物联网无线星型网络低功耗设备。
背景技术
现有物联网无线星型网络通过集中器将许多采集器连接在一起，采集器根据时间片轮询方式定时向集中器发送数据包。随着网络中出现新采集器入网，或者已入网络采集器退网等问题发生，集中器未能调整采集器轮询间隔时间，导致信道容易出现拥堵或信道空闲、数据丢失，设备功耗增加，降低无线信道利用率等缺点。集中器工作异常也会造成采集器发送周期混乱等现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种物联网无线星型网络低功耗设备，以解决当前物联网无线星型网络由于新采集器加入或已入网络采集器退网等情况，造成信道堵塞或信道空闲、数据丢失，增加设备运行功耗等问题。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种物联网无线星型网络低功耗设备，包括一个集中器，多个采集器，以及与每个采集器对应的设备，所述集中器和采集器之间构成星型网络；集中器根据采集器退网数量值与退网数量阈值作对比，条件满足设定条件时，集中器调整采集器入网次序列表，采集器根据被分配的入网次序号、采集器已入网数量、采集器之间时间间隔和前一个采集器数据包上传时间计算出下个周期唤醒时间。
进一步地，所述集中器采用CC1310F128RGZ芯片实现数据收发及处理。
进一步地，所述采集器采用CC1310F128RSM芯片实现数据收发及处理。
进一步地，所述集中器存储有内部资源表，所述内部资源表包括采集器入网序列表、采集器ID表、采集器发送时间列表、采集器退网数量、采集器退网数量阀值和采集器之间间隔发送时间。
进一步地，所述集中器在接收到采集器的入网申请数据包后，并返回应答数据包至所述采集器，所述集中器和采集器按照物联网无线星型网络调度算法对所述入网申请数据包和应答数据包进行处理；
进一步地，所述物联网无线星型网络调度算法包括：
第一步、集中器上电后允许采集器加入网络，采集器上电后发送入网申请数据包，集中器接收到入网申请数据包后，返回一应答数据包给该采集器，所述入网申请数据包包括采集器的ID编号、温度值和电池余量值，所述应答数据包包括采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq、当前采集器时钟时间Tp和实时时钟。
第二步、采集器收到应答数据包后，根据应答数据包内容进行一次时钟同步，根据采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq计算出下次唤醒时间，然后采集器进入睡眠状态。
第三步、等待唤醒时间到后，采集器首先对信道进行监听以确定是否有别的采集器在传输，如果信道空闲，该采集器可以传输，否则，该采集器将避让一设定时间段后再尝试，避免和刚刚入网的新节点发生碰撞；
第四步、集中器判断是否有新的采集器加入网络，同时对比采集器入网申请数据包中的ID号，如果判断出是新采集器入网，则对应采集器数量M加1，且为该采集器分配一个新入网次序号N，否则不变；
第五步、集中器如监测出某个采集器没有在指定的时间内发送入网申请数据包，且超过设定周期阈值F，则集中器判出该采集器退网，并将该ID号从列表中移除，对应采集器数量M减1，否则不变。
进一步地，所述第二步中下次唤醒时间的计算公式为：
T1＝Tp+(N+M)×R    (1)
T2＝Tq+N*R    (2)
公式(1)中T1代表采集器申请入网成功后第1次唤醒时间的计算方法值；
公式(2)中T2代表采集器第2次及以后唤醒时间的计算方法值；
Tp代表当前采集器时钟时间；
Tq代表前一个采集器数据包上传时间；
M代表采集器入网数量；
N代表采集器入网次序号；
R代表采集器之间间隔发送时间。
进一步地，还包括：
第六步：采集器计算退网数量超过设定阈值P则重新调整一次每个采集器的入网次序号N；
入网次序号：N＝|Np-U|    (3)；
公式(3)中N代表计算出最新序列号；Np代表当前采集器入网次序号；U代表比当前采集器次序号小的退网个数。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明可以随着入网和退网情况动态地调自身整唤醒周期，减少了网通讯功耗，延长带电时间，同时集中器出现工作异常情况可直接更换设备，不何影响采集器正常工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明物联网无线星型网络低功耗设备的框架图。
图2是本发明物联网无线星型网络低功耗设备中集中器的工作流程图。
图3是本发明物联网无线星型网络低功耗设备中采集器的工作流程图。
图4是本发明物联网无线星型网络低功耗设备中内部资源表的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参阅图1本发明提供一种物联网无线星型网络低功耗设备，包括一个集中器，多个采集器，以及与每个采集器对应的设备，所述集中器和采集器之间构成星型网络；集中器根据采集器退网数量值与退网数量阈值作对比，条件满足设定条件时，集中器调整采集器入网次序列表，采集器根据被分配的入网次序号、采集器已入网数量、采集器之间时间间隔和前一个采集器数据包上传时间计算出下个周期唤醒时间。
通过以上设计，本发明可以随着入网和退网情况动态地调自身整唤醒周期，减少了网通讯功耗，延长带电时间，同时集中器出现工作异常情况可直接更换设备，不何影响采集器正常工作。
所述的集中器采用CC1310F128RGZ低功耗电源管理芯片实现数据收发及处理，用户友好界面设定参数，自动生成内部资表用于管理和存储网络信息，内部资源表包括采集器入网序列表、采集器ID表、采集器发送时间列表、采集器退网数量、采集器退网数量阀值和采集器之间间隔发送时间。内部资源表如图4所示。在采集器退网数量超过设定阈值P条件下，按照先入网先分配低16位数值,范围为1～65535，以及空位后补原则调整采集器入网次序表，集中器收到采集器的入网申请数据包后，解析ID是否是新采集器入网，是否需要修改采集器ID列表，然后返回采集器应答数据包，集中器基本工作流程如图2所示。
所述的采集器采用CC1310F128RSM低功耗电源管理芯片实现数据收发及处采用纽扣电池供电，带有电池余量检测功能和温度检测功能，通讯频段采用433MHz，PCB内置天线设计，可通过USART手动设定16位唯一ID号，范围为1～65535。采集器带有信道监听功能，休眠功能，在唤醒条件下向集中器发送入网申请数据包，入网申请数据包包含ID号、温度值和电池余量值，然后等待应答数据包，最后继续进入睡眠状态，采集器基本工作流程如图3所示。
本发明中，所述的集中器在接收到采集器的入网申请数据包后，并返回应答数据包至所述采集器，所述的集中器和采集器按照物联网无线星型网络调度算法对所述入网申请数据包和应答数据包进行处理。
所述的物联网无线星型网络调度算法包括：
第一步、集中器上电后允许采集器加入网络，采集器上电后发送入网申请数据包，集中器接收到入网申请数据包后，返回一应答数据包给该采集器，所述入网申请数据包包括采集器的ID编号、温度值和电池余量值，所述应答数据包包括采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq、当前采集器时钟时间Tp和实时时钟。
第二步、采集器收到应答数据包后，根据应答数据包内容进行一次时钟同步，根据采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq计算出下次唤醒时间，然后采集器进入睡眠状态。
具体的，下次唤醒时间的计算公式为：
T1＝Tp+(N+M)×R    (1)
T2＝Tq+N*R    (2)
公式(1)中T1代表采集器申请入网成功后第1次唤醒时间的计算方法值；
公式(2)中T2代表采集器第2次及以后唤醒时间的计算方法值；
Tp代表当前采集器时钟时间；
Tq代表前一个采集器数据包上传时间；
M代表采集器入网数量；
N代表采集器入网次序号；
R代表采集器之间间隔发送时间。
第三步、采集器等待唤醒时间到后，首先对信道进行监听以确定是否有别的采集器在传输。如果信道空闲，该采集器可以传输，否则，该采集器将避让一设定时间段(该时间段可以根据需要进行设定)后再尝试，避免和刚刚入网的新节点发生碰撞。
第四步、集中器运行期间允许新采集器加入网络，即集中器判断是否有新的采集器加入网络，同时对比采集器入网申请数据包中的ID号，如果判断出是新采集器入网，则对应采集器数量M加1，且为该采集器分配一个新入网次序号N，否则不变；
第五步、集中器运行期间一直等待采集器发送过来的入网申请数据包，即集中器如监测出某个采集器没有在指定的时间内发送入网申请数据包，且超过设定周期阈值F，则集中器判出该采集器退网，并将该ID号从列表中移除，对应采集器数量M减1，否则不变。
第六步：采集器计算退网数量超过设定阈值P则重新调整一次每个采集器的入网次序号N；
入网次序号：N＝|Np-U|    (3)；
公式(3)中N代表计算出最新序列号；Np代表当前采集器入网次序号；U代表比当前采集器次序号小的退网个数。
如果网络中集中器出现异常，可以直接更换集中器，不会造成采集器发送周期混乱。此调度算法支持网络中采集器任意加入和退网，不会造成信道的阻塞和空闲，提高信道的利用率。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种物联网无线星型网络低功耗设备，其特征在于：包括一个集中器，多个采集器，以及与每个采集器对应的设备，所述集中器和采集器之间构成星型网络；集中器根据采集器退网数量值与退网数量阈值作对比，条件满足设定条件时，集中器调整采集器入网次序列表，采集器根据被分配的入网次序号、采集器已入网数量、采集器之间间隔发送时间和前一个采集器数据包上传时间计算出下个周期唤醒时间；
集中器调整采集器入网次序列表具体为：采集器计算退网数量超过设定阈值P则重新调整一次每个采集器的入网次序号N；
入网次序号：N＝|Np-U|；
上述公式中N代表计算出最新序列号；Np代表当前采集器入网次序号；U代表比当前采集器次序号小的退网个数；
所述集中器在接收到采集器的入网申请数据包后，并返回应答数据包至所述采集器，所述集中器和采集器按照物联网无线星型网络调度算法对所述入网申请数据包和应答数据包进行处理；
所述物联网无线星型网络调度算法包括：
第一步、集中器上电后允许采集器加入网络，采集器上电后发送入网申请数据包，集中器接收到入网申请数据包后，返回一应答数据包给该采集器，所述入网申请数据包包括采集器的ID编号、温度值和电池余量值，所述应答数据包包括采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq、当前采集器时钟时间Tp和实时时钟；
第二步、采集器收到应答数据包后，根据应答数据包内容进行一次时钟同步，根据采集器入网次序号N、采集器已入网数量M、采集器之间间隔发送时间R、前一个采集器数据包上传时间Tq计算出下次唤醒时间，然后采集器进入睡眠状态；
第三步、等待唤醒时间到后，采集器首先对信道进行监听以确定是否有别的采集器在传输，如信道空闲，该采集器可以传输，否则，该采集器将避让一设定时间段后再尝试；
第四步、集中器判断是否有新的采集器加入网络，同时对比采集器入网申请数据包中的ID号，如果判断出是新采集器入网，则对应采集器数量M加1，且为该采集器分配一个新入网次序号N，否则不变；
第五步、集中器如监测出某个采集器没有在指定的时间内发送入网申请数据包，且超过设定周期阈值F，则集中器判断出该采集器退网，并将该ID号从列表中移除，对应采集器数量M减1，否则不变；
所述第二步中下次唤醒时间的计算公式为：
T1＝Tp+(N+M)*R(1)；
T2＝Tq+N*R(2)；
公式(1)中T1代表采集器申请入网成功后第1次唤醒时间的计算方法值；
公式(2)中T2代表采集器第2次及以后唤醒时间的计算方法值；
Tp代表当前采集器时钟时间；
Tq代表前一个采集器数据包上传时间；
M代表采集器入网数量；
N代表采集器入网次序号；
R代表采集器之间间隔发送时间。
2.根据权利要求1所述的物联网无线星型网络低功耗设备，其特征在于：所述集中器采用CC1310F128RGZ芯片实现数据收发及处理。
3.根据权利要求1所述的物联网无线星型网络低功耗设备，其特征在于：所述采集器采用CC1310F128RSM芯片实现数据收发及处理。
4.根据权利要求1所述的物联网无线星型网络低功耗设备，其特征在于：所述集中器存储有内部资源表，所述内部资源表包括采集器入网序列表、采集器ID表、采集器发送时间列表、采集器退网数量、采集器退网数量阈值和采集器之间间隔发送时间。
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