CN110418397B - 一种低功耗的物联网通信方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗的物联网通信方法，涉及物联网技术领域，包括：向节点设备发送唤醒信号，其中，所述唤醒信号为射频信号；向所述节点设备发送通信命令，其中，所述通信命令包括组合在一起的设备地址字段和功耗控制字段；与被选中的所述节点设备单独通信，告知其他所述节点设备同时保持休眠。本发明所使用的通信方法，其通信协议中增加了低功耗射频唤醒信号，同时将设备地址字段与功耗控制字段合二为一，在选中某个节点设备进行通信的同时，其他节点设备同时休眠。本发明实现了网关与任意节点设备随机的单独无线通信，避免了节点设备定期唤醒，降低了整个网络功耗。本发明还提供了一种物联网通信系统。

Description

一种低功耗的物联网通信方法及系统
技术领域
本发明涉及物联网技术领域，尤其涉及一种低功耗的物联网通信方法及系统。
背景技术
物联网是互联网基础上的延伸和扩展的网络，将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。
在物联网技术中，网络规模极为庞大，节点较多，大量的节点设备随机布放。随着无线通信技术应用和发展，对物联网性能提出了新的要求，其中低功耗是最苛刻的要求。虽然在低功耗技术方面取得了一些进展，但是还远远不能满足低功耗的需求。
目前，低功耗节点设备在使用时，大多数情况是处于休眠状态即低功耗状态，以尽可能地降低功耗，延长电池使用手名。但是低功耗节点设备在使用时，需要周期性地唤醒与网关通信。这样，需要在节点设备上设置定时计时功能，设定可能的唤醒周期。而这样的唤醒后重新计时过程中是比较耗电的。
在物联网应用中，常见的组网模式为一个物联网网关管理多个物联网节点设备。如果能够设计一种支持低功耗的无线通信协议，将会促进物联网设备的普及应用。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种低功耗的物联网通信方法及系统，其实用的通信协议，能够实现网关与任意节点设备随机的单独无线通信，其他节点设备持续保持休眠，从而避免了节点设备定期唤醒，降低了整个网络功耗。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何避免节点设备定期唤醒，并实现网关与节点设备的随机的单独无线通信，而其他节点设备持续保持休眠。
为实现上述目的，本发明提供了一种低功耗的物联网通信方法，由网关执行如下步骤：
网关向节点设备发送唤醒信号，其中，所述唤醒信号为射频信号；
所述网关向所述节点设备发送通信命令，其中，所述通信命令包括组合在一起的设备地址字段和功耗控制字段；
所述网关与被选中的所述节点设备单独通信，并告知其他所述节点设备同时保持休眠。
进一步地，所述节点设备在休眠时，其唤醒信号检测模块处于工作状态。
进一步地，所述节点设备的地址分配方式为离线分配或在线分配。
进一步地，所述在线分配使用广播信道的配置地址命令，对所述节点设备的每一个进行单独设置。
进一步地，所述通信命令包括寻址的通信命令与不休眠命令的组合，寻址的通信命令与非寻址的休眠命令的组合，寻址的通信命令与寻址的休眠命令的组合，广播通信命令与不休眠命令的组合，广播通信命令与广播的休眠命令的组合。
进一步地，所述射频信号为方波或正弦波。
进一步地，所述功耗控制字段设置的功耗模式包括：寻址工作/非寻址低功耗，寻址工作/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址低功耗。
进一步地，所述网关与所述节点设备的通信方式包括蓝牙、ZigBee、WLAN、蜂窝网络、卫星通讯或无线电广播的任意一种。
本发明提供的低功耗的物联网通信方法，节点设备执行如下步骤：
所述节点设备接收唤醒信号，其中，所述唤醒信号为射频信号；
所述节点设备接收通信命令，其中，所述通信命令包括设备地址字段和功耗控制字段；
所述节点设备判断是否匹配所述设备地址字段，如果匹配成功，与网关进行单独通信；否则，保持休眠。
本发明还提供了一种低功耗的物联网通信系统，包括：
网关以及与所述网关进行无线通信的多个节点设备；
所述网关与所述节点设备之间的通信协议包括：设置为射频信号的唤醒信号、设备地址字段与功耗控制字段组合在一起的通信命令；一个所述节点设备被选中通信时，其他所述节点设备保持休眠。
本发明提供的低功耗的物联网通信方法及系统，使用的无线通信协议有两个重要特征：1)增加了低功耗射频唤醒信号，进一步地还可以通过简化射频信号，使得射频信号简单、易于检测，还能进一步降低设备的功耗；2)将设备地址字段和功耗控制字段合二为一，在某个节点设备被选中通信的同时，其他节点设备同时休眠。通过以上两种设置协同，实现了网关与任意节点设备随机的单独无线通信，其他节点设备持续休眠，从而避免了节点设备定期唤醒，降低了整个网络功耗。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的网关与每个节点设备的单独通信示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的射频唤醒信号示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的字段示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的一个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
在本实施例中，采用一个网关与三个节点设备组成的物联网系统，进一步说明本发明的低功耗的物联网通信方法及系统。
如图1所示，网关0管理三个节点设备：第一节点设备1、第二节点设备3和第三节点设备5，网关0依次发出了三个通信命令:第一通信命令a、第二通信命令b和第三通信命令c，并且在每个通信命令之前还有一个唤醒信号d。将三个节点设备的地址配置为：1、3、5。在初始状态，节点设备1、节点设备2和节点设备3均处于休眠状态，此时，各个节点设备的唤醒信号检测模块仍处于工作状态。
本实施例的低功耗的物联网通信方法步骤如下：
第一，网关0向各个节点设备发送唤醒信号d。唤醒信号d设置为射频信号，且该射频信号尽量简单规律，例如，如图2所示，可以采用连续的16个14KHz的方波信号，或者可以采用正弦波。相应地，各个节点设备的唤醒信号检测模块也可以做到简单和10uA量级的低功耗，从而使得各个节点设备在休眠状态时，降低其功耗。如图1所示，各个节点设备在接收到唤醒信号d后，继续等待接收后续的命令，但是此时，各个节点设备并未启动。网关0在每次发送通信命令之前，均向所有节点设备发送一个唤醒信号d。各个节点设备由于其唤醒信号检测模块一直处于工作状态，都会对该唤醒信号d予以响应。
第二，网关0向各个节点设备发送通信命令。通信命令的字段包括设备地址字段和功耗控制字段。如图3所示，本实施例中，将通信命令字段的Bit 7和Bit 6设置为功耗控制字段，将通信命令字段的Bit 0至Bit 5设置为设备地址字段。设备地址字段包含6bit，可以寻址64个设备，如果排除一个广播地址，实际可以管理的节点设备可以达到63个。功耗控制字段有2bit,可以设置四种功耗模式，分别为：寻址工作/非寻址低功耗、寻址工作/非寻址工作、寻址低功耗/非寻址工作、寻址低功耗/非寻址低功耗。应当注意的是，根据实际需求不同，可以设置不同位数的通信命令字段：其设备地址字段的位数可以扩展，以其管理更多数量的设备；同时其功耗控制字段的位数也可以扩展，实现更多的功耗模式，以便适应实际需求。
如图1所示，第一通信命令a、第二通信命令b、第三通信命令c中的a1、b1、c1为功耗控制字段，a2、b2、c2为设备地址字段；这里假设a2对应第二节点设备3的地址，b2对应第三节点设备5的地址，c2对应第一节点设备1的地址，并以第二通信命令b为例进行说明。第二通信命令b发出后，第三节点设备5与地址b2匹配，则第三节点设备5继续响应与网关0单独通信，而功耗控制命令b1告知第一节点设备1和第二节点设备3继续保持休眠状态。
进一步地，设备地址的分配有两种方式，第一种是离线分配，即在离线状态将设备地址分配导入网关中；第二种是在线分配，使用广播信道的配置地址命令，对各个节点设备一台一台的单独设置，不允许两台节点设备同时在广播信道中等待配置。
本实施例中，通信命令包括5类：寻址的通信命令+不休眠命令，寻址的通信命令+非寻址的休眠命令，寻址的通信命令+寻址的休眠命令，广播通信命令+不休眠命令，广播通信命令+广播的休眠命令。
第三，各个节点设备判断通信命令中的设备地址是否匹配，如果匹配，则被选中的节点设备继续与网关单独通信，其他节点设备则保持休眠状态。如图1所示，第二通信命令b发送后，第一节点设备1和第二节点设备2仍处于休眠状态，其唤醒信号检测模块仍处于工作状态，等待下一次响应唤醒信号d。
由于各个节点设备接收到通信命令后，如果某个节点设备的地址与设备地址字段匹配，则该节点设备与网关单独通信，其他没有匹配上的节点设备仍保持休眠状态。此时，整个网络就只有网关与被选中的节点设备在工作，二者可以直接进行点对点交互通信，也不存在多个设备竞争使用单一无线信道，节点设备无需设计信道多址接入逻辑，大大简化了节点设备的复杂度。由此而言，本发明的通信方法是节省通信信道资源的一种通信方法。
本实施例中的网关与各个节点设备仍可以按照传统通信方式进行通信，对传统网络通信设备可以无缝兼容。传统网络通信方式包括但不限于蓝牙、ZigBee、WLAN、蜂巢式通信、卫星通信或无线电广播。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种低功耗的物联网通信方法，其特征在于，包括：
设置网关以及与所述网关进行无线通信的多个节点设备，所述节点设备在初始状态，均处于休眠状态；
所述网关向所述节点设备的每一个发送唤醒信号，其中，所述唤醒信号为射频信号；
所述节点设备的每一个接收所述唤醒信号，并对所述唤醒信号予以响应；
所述网关向所述节点设备的每一个发送通信命令，其中，所述通信命令包括组合在一起的设备地址字段和功耗控制字段；所述功耗控制字段设置的功耗模式包括：寻址工作/非寻址低功耗，寻址工作/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址低功耗；所述通信命令包括寻址的通信命令与不休眠命令的组合，寻址的通信命令与非寻址的休眠命令的组合，寻址的通信命令与寻址的休眠命令的组合，广播通信命令与不休眠命令的组合，广播通信命令与广播的休眠命令的组合；
所述节点设备的每一个接收所述通信命令；
所述节点设备的每一个判断是否匹配所述设备地址字段，如果匹配成功，与所述网关进行单独通信；否则，保持休眠。
2.如权利要求1所述的物联网通信方法，其特征在于，所述节点设备在休眠时，其唤醒信号检测模块处于工作状态。
3.如权利要求1所述的物联网通信方法，其特征在于，所述节点设备的地址分配方式为离线分配或在线分配。
4.如权利要求3所述的物联网通信方法，其特征在于，所述在线分配使用广播信道的配置地址命令，对所述节点设备的每一个进行单独设置。
5.如权利要求1所述的物联网通信方法，其特征在于，所述射频信号为方波或正弦波。
6.如权利要求1所述的物联网通信方法，其特征在于，所述网关与所述节点设备的通信方式包括蓝牙、ZigBee、WLAN、蜂窝网络、卫星通讯或无线电广播的任意一种。
7.一种低功耗的物联网通信系统，其特征在于，包括：
网关以及与所述网关进行无线通信的多个节点设备，其中，所述节点设备在初始状态，均处于休眠状态；
所述网关与所述节点设备之间的通信协议包括：设置为射频信号的唤醒信号、设备地址字段与功耗控制字段组合在一起的通信命令；所述功耗控制字段设置的功耗模式包括：寻址工作/非寻址低功耗，寻址工作/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址工作，寻址低功耗/非寻址低功耗；所述通信命令包括寻址的通信命令与不休眠命令的组合，寻址的通信命令与非寻址的休眠命令的组合，寻址的通信命令与寻址的休眠命令的组合，广播通信命令与不休眠命令的组合，广播通信命令与广播的休眠命令的组合；其中，所述唤醒信号和通信命令依次由所述网关发送至所述节点设备的每一个，一个所述节点设备被选中通信时，其他所述节点设备保持休眠。
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