CN110233756A - 一种动态低功耗网络的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态低功耗网络的构建方法，通过对于前周期网络层数的状态判断，待组网支点可以根据实际情况，在第0秒就唤醒自己实现动态组网，也可以在特定父网络层发出组网帧前唤醒自己实现静态组网；过动态组网和静态组网相结合的方式组网，在较低功耗的基础上，实现快速组网，减少了实现一次快速数据传输所需的时间，进而降低了发生数据回传不及时、丢包的问题的概率，使网络更适应于工程环境的动态变化。同时待组网支点根据其所在层数、前一次作为父支点所带的子网络的层数，动态调整每一个支点的对应其中继时间，减少了支点中预留冗余的中继时间，同时保证了任何支点能够在任何一个时间点携带比前一周期更多层数的子网络的能力。

Description

一种动态低功耗网络的构建方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术领域，具体为一种动态低功耗网络的构建方法。

背景技术

当多跳形式的无线传感网络数据在传输过程中，网关与支点的状态包括：组网、采集、中继、休眠、唤醒五个状态。每个支点在网关发出组网帧之前唤醒自己，等待接听组网帧的到达；入网后的支点，在指定时间内对潜在的下层支点进一步的发出组网帧，然后进入休眠状态，在此过程中，如果下一层支点接听到了组网帧，则下一层支点入网完毕；遵循上述过程，当前层依次递归向下喊话，直至网络组网完毕；在此过程中，除了网关和最底层的网络支点，其余的支点都要进行数据的中继回传，即，将自身信息和所携带的子支点群信息发回网关或自己的父支点。

在隧道等超长线性、复杂的地下工程中，监测数据往往要进行远距离传输；实际的工程中，会出现诸如：频繁通过但持续时间较短的地铁阻碍数据传输路线、在建工程因施工导致长期持续变化的不可控组网扰动等等现象，使网络发生数据回传不及时、丢包现象，或者多次回传导致网络自身功耗变大等问题。

发明内容

为了解决现有技术中因工程自身环境特点导致数据回传不及时、丢包、网络功耗变大的问题，本发明提供一种动态低功耗网络的构建方法，其可以在较低功耗的基础上，实现快速组网，减少了实现一次快速数据传输所需的时间，进而降低了发生数据回传不及时、丢包的问题的概率，使网络更适应于工程环境的动态变化。

本发明的技术方案是这样的：一种动态低功耗网络的构建方法，其包括以下步骤：

S1：根据工程的具体结构特征和环境特征，设计多层拓扑结构的数据传输网络的结构，确定最大网络层数MaxL，设置组网周期，根据单次组网允许花费的最大时间，设置组网总时间；

S2：网关发出第一组网帧，开始构建所述传输网络；

S3：能够收到所述第一组网帧的待组网支点进入网络成为第一层支点；

S4：所述第一层支点发出第二组网帧；

S5：收到所述第二组网帧的所述待组网支点，进入网络成为第二层支点；

S6：依次类推，即第n层支点，发出第n+1组网帧，收到n+1组网帧的所述待组网支点判断自身的入网资格，如果满足则加入到网络中成为第n+1层支点，否则继续监听，

其中n = 1.......N；

S7：直至n等于所述最大网络层数MaxL或所述组网总时间结束，所述传输网络组网完毕；

S8：所述传输网络在每一个所述组网周期都要进行重复S2~S7，进行动态组网；

其特征在于：

在所述组网周期中，每一个所述待组网支点按照步骤S2~S8进行组网时，根据父支点名单，按照如下步骤确认自己的网络路径，实现快速组网：

a1：所述待组网支点会在等待接收所述第n+1组网帧的时候，参照所述父支点名单中记录的父支点和子支点的历史数据，查询自身在前一周期的组网情况；判断自身的前周期网络层数的网络状态，所述前周期网络层数为所述待组网支点在前一个所述组网周期位于网络中的层数；

a2：如果所述前周期网络层数是锁定状态，所述待组网支点会在本组网周期内组网时，在自己所在的上级父支点发出网帧前，提前M 毫秒唤醒自己，完成组网，M为根据产品的具体性能参数预设的定值；

a3：如果所述前周期网络层数是非锁定状态，即所述待组网支点所在历史网络层数一直变化，则该支点会在所述网关发起组网前，提前唤醒自己，尝试成为MaxL层中的任意一层支点；

a4：每次组网成功后，入网后的所述待组网支点即所述第n+1层支点，会根据其自身保存的所述父支点名单记录中的历史数据，动态调整自己的中继时间，减少支点自身无用中继时间的损耗。

其进一步特征在于：

步骤S2~S8中，所述待组网支点在唤醒自身监听网帧之前，按照以下步骤确定自己的唤醒时间：

b1：所述待组网支点确认自身的所述前周期网络层数的状态；

b2：如果所述前周期网络层数是非锁定状态，则该支点的所述唤醒时间设置为0，即所述待组网支点在第0秒唤醒自己；

b3：如果所述前周期网络层数是锁定状态，则所述待组网支点设置自己的唤醒时间，在所述唤醒时间到达时唤醒自身；所述唤醒时间T的设置公式如下：

T = L * t - M

式中：L 为所述前周期网络层数， t为系统中设置的单位时间，M为根据产品的具体性能参数预设的内部时钟偏离时间长度，是对于时间同步的纠偏量，单位为毫秒；

步骤a1中，每个所述待组网支点按照以下步骤设置自身的所述前周期网络层数的状态：

d1：根据所述父支点名单中记录的父支点的历史数据，所述待组网支点找到最近的连续10次的自身所在的网络层数的历史数据；

d2：如果最近的连续10次的所述网络层数的历史数据都是N，则所述前周期网络层数设置为N，且所述前周期网络层数的状态设置为锁定状态；否则，所述前周期网络层数设置为空，且所述前周期网络层数的状态设置为非锁定状态；

步骤a4中，入网后的所述第n+1层支点按照如下步骤对自身的所述中继时间进行收敛控制：

a4-1：入网后的所述第n+1层支点在其所述父支点名单中记录的数据，找到上一次其作为父支点时的子网络层数；

a4-2：所述第n+1层支点根据上一次其作为父支点时的子网层数设置为其子网络预留的所述中继时间Tr：

Tr = （m+1）* QU * t

式中，m为上一次其作为父支点时的子网层数，t为系统中设置的单位时间，QU为系统中预设的给单独的一层子网预留的中继补偿时间；

整个网络在中继过程中，一旦出现数据传输失败的情况，按照下面的方式进行处理：

e1：所述待组网支点动态调整后的所述中继时间不足以支持其作为父支点完成对其子网络的信息进行中继，即其子网的实际层数为x，x*t > Tr ,则在所述中继时间耗尽的时候，没有回传到所述待组网支点的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中转信息一起回传；

e2：出现障碍物导致数据中继失败的情况下，没有回传到所述网关的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中继信息一起回传；

每一个所述待组网支点自带电源，为了确保电源的使用寿命，定时通过电池延寿算法消除自身的电池钝化膜；

所述电池延寿算法包括如下步骤：

f1：每个所述待组网支点定时采集自身的电压，并且把检测时间和电压值发送至网关，进而发送到服务器，存储到服务器中的历史记录中；

f2：预先设置预警阈值、预警时间段，当所述待组网支点的电压降低到所述预警阈值的时候，根据电池的使用时长、各支点的出厂功耗测试数据，出厂值计算电池是否进入电量耗尽阶段；

f3：如果电池进入到电量耗尽阶段，则通知维修人员更换电池；否则在所述历史记录查询到在所述预警时间段内的所有电压值；

f4:确认在所述预警时间段内的所有电压值是否是持续降低；如果不是持续降低则继续执行f1；如果是持续降低，则把记录的采样时间、电压值经过计算形成支点电池电压衰变曲线，所述支点电池电压衰变曲线的横轴为时间段、纵轴为支点电池的电压值；

f5：把所述支点电池电压衰变曲线与电池电压钝化曲线进行数学比对；

比对的时候，通过对所述支点电池电压衰变曲线做最佳线性拟合，并得出斜率；

当所述斜率与所述电池电压钝化曲线的整体斜率的误差在[-15% ,+15%]范围内的时候，认为两曲线吻合；

f6：如果经过数学比对后的两曲线吻合，且所述待组网支点仍然能正常工作，则由服务器发出指令，使所述待组网支点进入高功耗模式，持续N小时，对电池钝化膜进行消除操作，N的数值是根据电池性能与支点自身最大功耗不同而设置不同的定值；

如果经过数学比对后的两曲线并不吻合，或者两曲线吻合但是如果所述待组网支点已经不能正常工作，则报警通知维修人员；

f7：N个小时后，检测所述待组网支点的电压，如果电压仍然低于所述预计阈值，则判断为电池耗尽，报警通知维修人员；否则继续执行f1；

所述电池电压钝化曲线是针对每个型号的所述待组网支点在出厂的时候，基于所述待组网支点自带电源的类型、耗电特征，在其进入电池钝化阶段后，按照预设的采样周期对电压进行定时采样后，最终形成的横轴为采样周期、纵轴为电压值的曲线；

构建所述传输网络时，通过在所述网关中集成基于不同协议的无线网络的转换模块，实现无线传感网络与无线广域网、有线专用网的异构网络转换；所述转换模块支持的通信协议包括：2G、3G、4G，WiFi、NB-IOT、Ethernet、光纤、RS232、RS485、TTL、ISM频段下的433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz；

步骤S6中，所有收到所述第n+1组网帧的所述待组网支点，根据以下步骤来确认的自身的所述入网资格，如果满足则入网，否则继续盲听：

S6-1：如果所述待组网支点的所述前周期网络层数是n+1，则优先入网；

S6-2：如果所述待组网支点的所述前周期网络层数不是n+1，则确认所述待组网支点的父支点黑名单，如果发出所述第n+1组网帧的所述第n层支点位于所述父支点黑名单的列表中，则不加入网络；

S6-3：如果所述第n层支点不在所述父支点黑名单列表中，则比较所述第n+1组网帧的信号强度与所述待组网支点自身的信号门限值，如果所述第n+1组网帧的信号强度小于所述信号门限值，则不加入网络；

S6-4：如果所述第n+1组网帧的信号强度大于所述信号门限值，则确认所述待组网支点的电池电量，如果所述电池电量足够，则加入网络，否则不加入网络；

每个所述待组网支点的所述父支点黑名单通过如下步骤建立：

c1：初始化所述父支点黑名单；

c2：初始化所述父支点名单；

c3：每个处于非入网状态的所述待组网支点进入盲听状态；

c4：收到所述第n层支点发出的所述第n+1组网帧之后，把所述第n层支点加入到所述父支点名单中的父支点列表中，并且按照信号强度，以由强到弱的顺序，更新当前所述父支点列表的排列顺序；

c5：确认所述父支点列表中的支点是否都在所述父支点黑名单中；

如果所有的所述父支点列表中的支点都在所述父支点黑名单中，则从所述父支点列表中选择信号最强的设置为目标父支点；

否则找出所有不在所述父支点黑名单中的支点，在其中选择其中信号最强的设置为所述目标父支点；

c6: 向所述目标父支点发送数据，等待该父支点的Ack帧回复；

c7：如果连续两次对同一个所述目标父支点发送数据均无Ack帧回复，则把这个所述目标父支点添加到所述父支点黑名单中；

c8：如果连续两次选择的所述目标父支点都在所述父支点黑名单中，则清除所述父支点黑名单；

c9：重复步骤c2~c9。

本发明提供的一种动态低功耗网络的构建方法，通过设置父支点名单，在父支点名单中记录前周期网络层数、父支点的历史数据等信息；根据前周期网络层数的状态，如果所述前周期网络层数的状态是锁定状态，待组网支点只需要在自己所在的上级父支点发出网帧前，提前唤醒自己进入组网，节省了该支点组网所需时间，减少了持续监听不同潜在父支点网络层的入网帧的时间，进而降低了发生数据回传不及时、丢包的问题的概率，进而降低了网络自身组网所需功耗。通过对于前周期网络层数的状态判断，待组网支点可以根据实际情况，在第0秒就唤醒自己实现动态组网，也可以在特定父网络层发出组网帧前唤醒自己实现静态组网；即，根据实际的外界环境，本发明的技术方案，通过动态组网和静态组网相结合的方式实现组网，不但提高了组网效率，还使网络能够灵活应对环境变化，所产生的组网路径的变化需求，大大提高了每一个周期所有支点组网以及数据回传的能力，进一步降低了发生数据回传不及时、甚至是丢包的概率；同时待组网支点根据其所在层数、前一周期作为父支点所带的子网络的层数，动态调整每一个支点的对应中继时间，大大减少了支点中预留冗余的中继时间，同时保证了任何支点能够在任何一个时间点携带比前一周期更多层数的子网络的能力，进一步的减少了组网所需时间，降低了网络整体的运行功耗，使得数据回传更加及时，降低了丢包问题发生的概率。综上，本发明的技术方案中，通过组网方式的动静结合、网络拓扑中的中继时长收敛管理方式，最大程度地优化了单个支点的组网功耗和中继功耗，同时最大程度上的对应了因为无线传输环境变化所引起的网络灵活组网要求，提高了数据回传至网关的成功率与时效性。

附图说明

图1为本发明的低功耗网络构建方法流程示意图；

图2为待组网支点判断自身的入网资格的流程示意图；

图3为电池延寿算法流程示意图；

图4为父支点黑名单建立流程示意图；

图5为电池电压钝化曲线示例图。

具体实施方式

如图1~图2所示，本发明一种动态低功耗网络的构建方法，其包括以下步骤：

S1：根据工程的具体结构特征和环境特征，设计多层拓扑结构的数据传输网络的结构，确定最大网络层数MaxL，设置组网周期，根据单次组网允许花费的最大时间，设置组网总时间；

S2：网关发出第一组网帧，开始构建传输网络；

S3：能够收到第一组网帧的待组网支点进入网络成为第一层支点；

S4：第一层支点发出第二组网帧；

S5：收到第二组网帧的待组网支点，进入网络成为第二层支点；

S6：依次类推，即第n层支点，发出第n+1组网帧，收到n+1组网帧的待组网支点判断自身的入网资格，如果满足则加入到网络中成为第n+1层支点，否则继续监听，

其中n = 1.......N；

所有收到第n+1组网帧的待组网支点，根据以下步骤来确认的自身的入网资格，如果满足则入网，否则继续盲听：

S6-1：如果待组网支点的前周期网络层数是n+1，则优先入网；

S6-2：如果待组网支点的前周期网络层数不是n+1，则确认待组网支点的父支点黑名单，如果发出第n+1组网帧的第n层支点位于父支点黑名单的列表中，则不加入网络；

S6-3：如果第n层支点不在父支点黑名单列表中，则比较第n+1组网帧的信号强度与待组网支点自身的信号门限值，如果第n+1组网帧的信号强度小于信号门限值，则不加入网络；

S6-4：如果第n+1组网帧的信号强度大于信号门限值，则确认待组网支点的电池电量，如果电池电量足够，则加入网络，否则不加入网络；

S7：直至n等于最大网络层数MaxL或组网总时间结束，传输网络组网完毕；

S8：传输网络在每一个组网周期都要进行重复S2~S7，进行动态组网；

在组网周期中，每一个待组网支点按照步骤S2~S8进行组网时，根据父支点名单，按照如下步骤确认自己的网络路径，实现快速组网：

a1：待组网支点会在等待接收第n+1组网帧的时候，参照父支点名单中记录的父支点和子支点的历史数据，查询自身在前一周期的组网情况；判断自身的前周期网络层数的网络状态，前周期网络层数为待组网支点在前一个组网周期位于网络中的层数；

a2：如果前周期网络层数是锁定状态，待组网支点会在本组网周期内组网时，在自己所在的上级父支点发出网帧前，提前M 毫秒唤醒自己，完成组网，M为根据产品的具体性能参数预设的内部时钟偏离时间长度，是对于时间同步的纠偏量；

a3：如果前周期网络层数是非锁定状态，即待组网支点所在历史网络层数一直变化，则该支点会在网关发起组网前，提前唤醒自己，尝试成为MaxL层中的任意一层支点；

a4：每次组网成功后，入网后的待组网支点即第n+1层支点，会根据其自身保存的父支点名单记录中的历史数据，动态调整自己的中继时间，减少支点自身无用中继时间的损耗；

入网后的第n+1层支点按照如下步骤对自身的中继时间进行收敛控制：

a4-1：入网后的第n+1层支点在其父支点名单中记录的数据，找到上一次其作为父节点时的子网络层数；

a4-2：第n+1层支点根据上一次其作为父支点时的子网层数设置为其子网络预留的中继时间Tr：

Tr = （m+1）* QU * t

式中，m为上一次其作为父支点时的子网层数，t为系统中设置的单位时间，QU为系统中预设的给单独的一层子网预留的中继补偿时间；1* QU为应对子网络层在下个周期增加的预留层中继，继而使得支点在本周期内有充分时间知道自己在当前周期中新添加的实际最大子网络层，以便于下一个周期做对应的中继时长的增加与减少；

整个网络在中继过程中，一旦出现数据传输失败的情况，按照下面的方式进行处理：

e1：待组网支点动态调整后的中继时间不足以支持其作为父支点完成对其子网络的信息进行中继，即其子网的实际层数为x，x*t > Tr ,则在中继时间耗尽的时候，没有回传到待组网支点的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中转信息一起回传；

e2：出现障碍物导致数据中继失败的情况下，没有回传到网关的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中继信息一起回传；不会因为中继时间的不足而导致数据丢失，确保了所有的数据都会传输回网关；

在本方法中对中继时间进行动态调整，而不必针给每个支点都设置固定的中继时间，不但节省了单次组网时间，提高了组网效率，同时也是节省了对支点电池的消耗，实现了低功耗。

步骤S2~S8中，待组网支点在唤醒自身监听网帧之前，按照以下步骤确定自己的唤醒时间：

b1：待组网支点确认自身的前周期网络层数的状态；

b2：如果前周期网络层数是非锁定状态，则该支点的唤醒时间设置为0，即待组网支点在第0秒唤醒自己；

b3：如果前周期网络层数是锁定状态，则待组网支点设置自己的唤醒时间，在唤醒时间到达时唤醒自身；唤醒时间T的设置公式如下：

T = L * t - M

式中：L 为前周期网络层数， t为系统中设置的单位时间，M为根据产品的具体性能参数预设的内部时钟偏离时间长度，是对于时间同步的纠偏量，单位为ms；

每个待组网支点按照以下步骤设置自身的前周期网络层数的状态的：

d1：根据父支点名单中记录的父支点的历史数据，待组网支点找到连续10次的自身所在的网络层数的历史数据；

d2：如果连续10次的网络层数的历史数据都是N，则前周期网络层数设置为N，且前周期网络层数的状态设置为锁定状态；否则，前周期网络层数设置为空，且前周期网络层数的状态设置为非锁定状态；

现有技术中每个支点都是在第0秒开始监听，即动态入网方式，直至入网或者单次的组网总时间结束才结束监听，这种监听方式会导致电池的浪费；在实际的工程中，工程的外界环境相对稳定的情况下，每个待组网支点在网络中的层数是相对固定的，所以本发明中通过设计了静态入网方式，即通过设置“前周期网络层数”这个参数的状态，来判断外界环境是否发生变化；当外界环境相对固定的时候，“前周期网络层数”的状态是锁定状态，此时待组网支点在网络中的层数相对固定，其就可以在父支点发出网帧之前唤醒自己，而不必从第0秒开始监听；通过这种静态入网的方式，对于待组网支点来说，节省了一部分所需的功耗；而一旦外界环境发生变化，“前周期网络层数”的状态是锁定状态就变成了非锁定状态，此时待组网支点就启用动态入网方式，从第0秒开始进入盲听状态；本发明通过动态入网和静态入网相结合的方式，可以适应外界环境的变化，来调整待组网支点的入网方式，既保证了组网的成功率，又实现了低功耗的效果。

如图4所示，每个待组网支点的父支点黑名单通过如下步骤建立：

c1：初始化父支点黑名单；

c2：初始化父支点名单；

c3：每个处于非入网状态的待组网支点进入盲听状态；

c4：收到第n层支点发出的第n+1组网帧之后，把第n层支点加入到父支点名单中的父支点列表中，并且按照信号强度，以由强到弱的顺序，更新当前父支点列表的排列顺序；

c5：确认父支点列表中的支点是否都在父支点黑名单中；

如果所有的父支点列表中的支点都在父支点黑名单中，则从父支点列表中选择信号最强的设置为目标父支点；

否则找出所有不在父支点黑名单中的支点，在其中选择其中信号最强的设置为目标父支点；

c6: 向目标父支点发送数据，等待该父支点的Ack帧回复；

c7：如果连续两次对同一个目标父支点发送数据均无Ack帧回复，则把这个目标父支点添加到父支点黑名单中；

c8：如果连续两次选择的目标父支点都在父支点黑名单中，则清除父支点黑名单；

c9：重复步骤C2~C9；

对于因为环境原因导致信号强度比较弱的父支点放入父支点和名单中，通过父支点黑名单的设置，可以让待组网支点更加高效的找到最佳父支点，节省了组网时间，降低了数据传输失败的概率。

因为本发明的方法中待组网支点使用的工业电池，是在低功耗状态下工作的，但是待组网支点的超小功率的用电方式会造成电池的内部钝化累计滞后效应，在长周期的工作过程中，工业电池会因电压过低在放电20%~25%后停止放电，继而造成电池使用寿命变短。为了能够保证待组网支点中的电池能够充分使用，本发明的方案中通过电池延寿算法来延长电池的使用寿命，使得电池的至少80%的电被充分使用。

如图3所示，每一个待组网支点自带电源，为了确保电源的使用寿命，定时通过电池延寿算法消除自身的电池钝化膜；

电池延寿算法包括如下步骤：

f1：每个待组网支点定时采集自身的电压，并且把检测时间和电压值发送至网关，进而保存在服务器的历史记录中；

f2：预先设置预警阈值、预警时间段，当待组网支点的电压降低到预警阈值的时候，根据电池的使用时长、各支点的出场功耗测试数据，出厂值计算电池是否进入电量耗尽阶段；电量耗尽阶段即根据电池的使用时长和个支点的出场功耗计算后，得出电池中的电量已经使用殆尽，检测到的电压进入预警阈值是符合电池的使用寿命的；

f3：如果电池进入到电量耗尽阶段，则通知维修人员更换电池；否则在历史记录查询到在预警时间段内的所有电压值；

f4:确认在预警时间段内的所有电压值是否是持续降低；如果不是持续降低则继续执行f1；如果是持续降低，则把记录的采样时间、电压值经过计算形成支点电池电压衰变曲线，支点电池电压衰变曲线的横轴为时间段、纵轴为支点电池的电压值；

f5：把支点电池电压衰变曲线与电池电压钝化曲线进行数学比对；

比对的时候，通过对支点电池电压衰变曲线做最佳线性拟合，并得出斜率；

当斜率与电电池电压钝化曲线的整体斜率的误差在[-15% ,+15%]范围内的时候，认为两曲线吻合；

f6：如果经过数学比对后的两曲线吻合，且待组网支点仍然能正常工作，则待组网支点进入高功耗模式，持续N小时，对电池钝化膜进行消除操作，N的数值是根据电池性能与支点自身最大功耗不同而设置不同的定值；

如果经过数学比对后的两曲线并不吻合，或者两曲线吻合但是如果待组网支点已经不能正常工作，则报警通知维修人员；

f7：N个小时后，检测待组网支点的电压，如果电压仍然低于预计阈值，则判断为电池耗尽，报警通知维修人员；否则继续执行f1；

参照附图的图5，电池电压钝化曲线是针对每个型号的待组网支点在出场的时候，基于待组网支点自带电源的类型、耗电特征，在其进入电池钝化阶段后，按照预设的采样周期对电压进行定时采样后，最终形成的横轴为采样周期、纵轴为电压值的曲线；通过此方法，实质性地解决了无线传感网络支点在低功耗下加速电池产生钝化问题，让电池在极长使用的周期下（如：10-20年），能够充分使用其额定的内在电量，充分发挥出电池在长使用周期中的最大用电放电能力，保障本系统中支点的长期服役性。

当每周期支点信息汇聚于网关后，网关至服务器的数据交互为异构网络，通过在网关中集成基于不同协议的无线网络的转换模块，实现无线传感网络与无线广域网、有线专用网的转换；转化模块通过物理供电、结构安装接口的统一，同时对于嵌入式数据接口的规定，使得转换模块支持的通信协议包括：2G、3G、4G，WiFi、NB-IOT、Ethernet、光纤、RS232、RS485、TTL、ISM频段下的433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz；使用时可以根据现场实际需要，快速插拔与更换，在做到最大的通用性的基础上，实现了成本集约。

本发明的技术方案中，通过时间同步控制，把支点的工作周期划分为：组网、采集、中继、休眠、唤醒几个阶段，通过对不同阶段分别设计使用策略，用以精确控制支点的时间使用和电量使用，进而实现快速组网、快速数据传输，以及实现低功耗的效果；本方法可以实现动态与静态相结合的实时组网策略，使网络灵活的适应工程所在环境的变化，做到丢包率小于0.1%；通过电池延寿算法，使产品在低功耗使用的情况下，保证了支点电池的长期服役。

Claims (10)

1.一种动态低功耗网络的构建方法，其包括以下步骤：

S1：根据工程的具体结构特征和环境特征，设计多层拓扑结构的数据传输网络的结构，确定最大网络层数MaxL，设置组网周期，根据单次组网允许花费的最大时间，设置组网总时间；

S2：网关发出第一组网帧，开始构建所述传输网络；

S3：能够收到所述第一组网帧的待组网支点进入网络成为第一层支点；

S4：所述第一层支点发出第二组网帧；

S5：收到所述第二组网帧的所述待组网支点，进入网络成为第二层支点；

S6：依次类推，即第n层支点，发出第n+1组网帧，收到n+1组网帧的所述待组网支点判断自身的入网资格，如果满足则加入到网络中成为第n+1层支点，否则继续监听，

其中n = 1.......N；

S7：直至n等于所述最大网络层数MaxL或所述组网总时间结束，所述传输网络组网完毕；

S8：所述传输网络在每一个所述组网周期都要进行重复S2~S7，进行动态组网；

其特征在于：

在所述组网周期中，每一个所述待组网支点按照步骤S2~S8进行组网时，根据父支点名单，按照如下步骤确认自己的网络路径，实现快速组网：

a1：所述待组网支点会在等待接收所述第n+1组网帧的时候，参照所述父支点名单中记录的父支点和子支点的历史数据，查询自身在前一周期的组网情况；判断自身的前周期网络层数的网络状态，所述前周期网络层数为所述待组网支点在前一个所述组网周期位于网络中的层数；

a2：如果所述前周期网络层数是锁定状态，所述待组网支点会在本组网周期内组网时，在自己所在的上级父支点发出网帧前，提前M 毫秒唤醒自己，完成组网，M为根据产品的具体性能参数预设的定值；

a3：如果所述前周期网络层数是非锁定状态，即所述待组网支点所在历史网络层数一直变化，则该支点会在所述网关发起组网前，提前唤醒自己，尝试成为MaxL层中的任意一层支点；

a4：每次组网成功后，入网后的所述待组网支点即所述第n+1层支点，会根据其自身保存的所述父支点名单记录中的历史数据，动态调整自己的中继时间，减少支点自身无用中继时间的损耗。

2.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：步骤S2~S8中，所述待组网支点在唤醒自身监听网帧之前，按照以下步骤确定自己的唤醒时间：

b1：所述待组网支点确认自身的所述前周期网络层数的状态；

b2：如果所述前周期网络层数是非锁定状态，则该支点的所述唤醒时间设置为0，即所述待组网支点在第0秒唤醒自己；

b3：如果所述前周期网络层数是锁定状态，则所述待组网支点设置自己的唤醒时间，在所述唤醒时间到达时唤醒自身；所述唤醒时间T的设置公式如下：

T = L * t - M

式中：L 为所述前周期网络层数， t为系统中设置的单位时间，M为根据产品的具体性能参数预设的内部时钟偏离时间长度，是对于时间同步的纠偏量，单位为毫秒。

3.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：步骤a1中，每个所述待组网支点按照以下步骤设置自身的所述前周期网络层数的状态：

d1：根据所述父支点名单中记录的父支点的历史数据，所述待组网支点找到最近的连续10次的自身所在的网络层数的历史数据；

d2：如果最近的连续10次的所述网络层数的历史数据都是N，则所述前周期网络层数设置为N，且所述前周期网络层数的状态设置为锁定状态；否则，所述前周期网络层数设置为空，且所述前周期网络层数的状态设置为非锁定状态。

4.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：步骤a4中，入网后的所述第n+1层支点按照如下步骤对自身的所述中继时间进行收敛控制：

a4-1：入网后的所述第n+1层支点在其所述父支点名单中记录的数据，找到上一次其作为父支点时的子网络层数；

a4-2：所述第n+1层支点根据上一次其作为父支点时的子网层数设置为其子网络预留的所述中继时间Tr：

Tr = （m+1）* QU * t

式中，m为上一次其作为父支点时的子网层数，t为系统中设置的单位时间，QU为系统中预设的给单独的一层子网预留的中继补偿时间。

5.根据权利要求4所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：整个网络在中继过程中，一旦出现数据传输失败的情况，按照下面的方式进行处理：

e1：所述待组网支点动态调整后的所述中继时间不足以支持其作为父支点完成对其子网络的信息进行中继，即其子网的实际层数为x，x*t > Tr ,则在所述中继时间耗尽的时候，没有回传到所述待组网支点的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中转信息一起回传；

e2：出现障碍物导致数据中继失败的情况下，没有回传到所述网关的信息保存在当时所在的支点的本地存储介质中，等待下次通信回复后，与下次的中继信息一起回传。

6.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：每一个所述待组网支点自带电源，为了确保电源的使用寿命，定时通过电池延寿算法消除自身的电池钝化膜；

所述电池延寿算法包括如下步骤：

f1：每个所述待组网支点定时采集自身的电压，并且把检测时间和电压值发送至网关，进而发送到服务器，存储到服务器中的历史记录中；

f2：预先设置预警阈值、预警时间段，当所述待组网支点的电压降低到所述预警阈值的时候，根据电池的使用时长、各支点的出厂功耗测试数据，出厂值计算电池是否进入电量耗尽阶段；

f3：如果电池进入到电量耗尽阶段，则通知维修人员更换电池；否则在所述历史记录查询到在所述预警时间段内的所有电压值；

f4:确认在所述预警时间段内的所有电压值是否是持续降低；如果不是持续降低则继续执行f1；如果是持续降低，则把记录的采样时间、电压值经过计算形成支点电池电压衰变曲线，所述支点电池电压衰变曲线的横轴为时间段、纵轴为支点电池的电压值；

f5：把所述支点电池电压衰变曲线与电池电压钝化曲线进行数学比对；

比对的时候，通过对所述支点电池电压衰变曲线做最佳线性拟合，并得出斜率；

当所述斜率与所述电池电压钝化曲线的整体斜率的误差在[-15% ,+15%]范围内的时候，认为两曲线吻合；

f6：如果经过数学比对后的两曲线吻合，且所述待组网支点仍然能正常工作，则由服务器发出指令，使所述待组网支点进入高功耗模式，持续N小时，对电池钝化膜进行消除操作，N的数值是根据电池性能与支点自身最大功耗不同而设置不同的定值；

如果经过数学比对后的两曲线并不吻合，或者两曲线吻合但是如果所述待组网支点已经不能正常工作，则报警通知维修人员；

f7：N个小时后，检测所述待组网支点的电压，如果电压仍然低于所述预计阈值，则判断为电池耗尽，报警通知维修人员；否则继续执行f1。

7.根据权利要求6所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：所述电池电压钝化曲线是针对每个型号的所述待组网支点在出厂的时候，基于所述待组网支点自带电源的类型、耗电特征，在其进入电池钝化阶段后，按照预设的采样周期对电压进行定时采样后，最终形成的横轴为采样周期、纵轴为电压值的曲线。

8.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：构建所述传输网络时，通过在所述网关中集成基于不同协议的无线网络的转换模块，实现无线传感网络与无线广域网、有线专用网的异构网络转换；所述转换模块支持的通信协议包括：2G、3G、4G，WiFi、NB-IOT、Ethernet、光纤、RS232、RS485、TTL、ISM频段下的433MHz、900MHz、2.4GHz、5.8GHz。

9.根据权利要求1所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：步骤S6中，所有收到所述第n+1组网帧的所述待组网支点，根据以下步骤来确认的自身的所述入网资格，如果满足则入网，否则继续盲听：

S6-1：如果所述待组网支点的所述前周期网络层数是n+1，则优先入网；

S6-2：如果所述待组网支点的所述前周期网络层数不是n+1，则确认所述待组网支点的父支点黑名单，如果发出所述第n+1组网帧的所述第n层支点位于所述父支点黑名单的列表中，则不加入网络；

S6-3：如果所述第n层支点不在所述父支点黑名单列表中，则比较所述第n+1组网帧的信号强度与所述待组网支点自身的信号门限值，如果所述第n+1组网帧的信号强度小于所述信号门限值，则不加入网络；

S6-4：如果所述第n+1组网帧的信号强度大于所述信号门限值，则确认所述待组网支点的电池电量，如果所述电池电量足够，则加入网络，否则不加入网络。

10.根据权利要求9所述一种动态低功耗网络的构建方法，其特征在于：每个所述待组网支点的所述父支点黑名单通过如下步骤建立：

c1：初始化所述父支点黑名单；

c2：初始化所述父支点名单；

c3：每个处于非入网状态的所述待组网支点进入盲听状态；

c4：收到所述第n层支点发出的所述第n+1组网帧之后，把所述第n层支点加入到所述父支点名单中的父支点列表中，并且按照信号强度，以由强到弱的顺序，更新当前所述父支点列表的排列顺序；

c5：确认所述父支点列表中的支点是否都在所述父支点黑名单中；

如果所有的所述父支点列表中的支点都在所述父支点黑名单中，则从所述父支点列表中选择信号最强的设置为目标父支点；

否则找出所有不在所述父支点黑名单中的支点，在其中选择其中信号最强的设置为所述目标父支点；

c6: 向所述目标父支点发送数据，等待该父支点的Ack帧回复；

c7：如果连续两次对同一个所述目标父支点发送数据均无Ack帧回复，则把这个所述目标父支点添加到所述父支点黑名单中；

c8：如果连续两次选择的所述目标父支点都在所述父支点黑名单中，则清除所述父支点黑名单；

c9：重复步骤c2~c9。