CN112367658B - 一种基于主从结构的无线通信系统及其动态自组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于主从结构的无线通信系统及其动态自组网方法。正常情况下，该无线通信系统的系统中心节点与各个子网之间采用宽带无线通信的方式进行通信并交换数据，当某个子网的节点发生故障无法与系统中心节点进行宽带无线通信时，故障节点所在的子网自动与其他子网依靠各自的中继节点采用广域网通信的方式建立连接，并由其代为上报相关数据。本发明提供的无线通信系统具有稳定性好、可靠性高、能够自动快速组网等诸多优点，在日常训练、应急救灾等特殊场合具有较好的应用前景。

Description

一种基于主从结构的无线通信系统及其动态自组网方法
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种基于主从结构的无线通信系统及其动态自组网方法。
背景技术
随着物联网技术的不断发展，物联网终端的种类与数量越来越多，为了保证各个终端的数据能够及时、高效的上报系统，已经发展出了多种自组网方式。现有的自组网方式主要是基于单一通信制式的自组网(如LORA、ZIGBEE)，所有数据均在网内传输，通过网关连接互联网或者系统。这种组网方式存在网内数据量开销很大、通信距离与传输速率无法兼顾等问题，不能适应所有通信需求形式及复杂多变的通信环境。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述问题，提供一种基于主从结构的无线通信系统，该无线通信系统包括系统中心节点以及若干个子节点，所述子节点包括宽带无线通信模块和广域网通信模块；正常情况下系统中心节点与子节点通过宽带无线通信模块进行通信连接；当某个子节点与系统中心节点之间的宽带无线通信出现故障时，该子节点通过广域网通信模块与至少一个其他子节点进行组网和通信，并借助其他子节点与系统中心节点进行间接通信连接。
进一步的，所述子节点包括路由节点、中继节点、终端节点，其中路由节点与系统中心节点之间通过宽带无线通信模块进行通信，路由节点与中继节点、终端节点之间以及不同中继节点之间通过广域网通信模块进行组网和通信。
更进一步的，所述路由节点、中继节点、终端节点能够根据系统需要相互转换。
更进一步的，子节点的数量不超过300个，每一个子节点内的设备数量不超过100个。所有子节点都与系统中心节点无线连接通信，逻辑上子节点的数量没有限制，但考虑到系统中心节点的硬件性能以及网络稳定性，子节点的总数量不大于300为宜。
进一步的，所述宽带无线通信模块具体为3G通信模块、4G通信模块、5G通信模块中的一种；所述广域网通信模块具体为LoRa通信模块或Zigbee通信模块，优选为LoRa通信模块。
进一步的，所述系统中心节点具体为电脑席位，其能够与所有子节点及其设备进行直接或间接通信，进行管理和控制。
本发明的另一目的在于提供一种基于主从结构的无线通信系统的动态自组网方法，该方法包括以下步骤：(a)首先对子节点设备进行分类、编号，得到不同优先级的路由节点、中继节点、终端节点；(b)启动系统中心节点和路由节点，系统中心节点与各个路由节点之间通过宽带无线通信模块进行通信连接；启动中继节点、终端节点，路由节点与中继节点、终端节点之间通过广域网通信模块进行通信和组网；(c)宽带无线通信正常时，各个子节点通过宽带无线通信模块与系统中心节点进行通信并传输数据；宽带无线通信不正常时，发生故障的子节点借助其自身的中继节点与其他子节点的中继节点以广域网通信方式进行组网和通信，然后借助其他子节点与系统中心节点间接进行通信并传输数据。
进一步的，所述子节点设备根据编号划分为高中低三个优先级，其中高优先级的设备开机1min后发送广播组网帧，中优先级的设备开机5min后发送广播组网帧，低优先级的设备开机10min后发送广播组网帧。通过优先级延时控制各个设备的组网先后顺序，避免多个设备同时开机同时发送广播组网帧造成的组网效率低、无线通道堵塞等问题。
进一步的，启动后高优先级的子节点设备率先发送广播组网帧，设备编号相对较小的高优先级子节点设备优先参与组网，如果存在未满子网时直接加入，否则新建一个子网并等待其他设备加入；如果一段时间后各个节点未收到高优先级子节点设备的广播组网帧，那么中优先级的子节点设备发送广播组网帧，其余中优先级子节点设备入网；如果再过一段时间各个终端节点未收到广播组网帧，则自动转为低优先级路由节点，发送广播组网帧进行组网。
进一步的，各个子网之间无法通过中继路由进行通信时有两种方式确认新的中继节点：a)通过系统中心节点，根据各节点位置信息选择就近的中继节点，确认为新的中继节点；或者b)间隔一定频率子网内中继节点分时发送中继帧，询问是否有子网能够互联，根据信号强度及坐标位置自主确定新的中继节点。
进一步的，任何一个终端节点启动后一段时间如果没有加入任何子网络，自动发送紧急入网请求，任何路由节点收到该紧急入网请求后自动将该终端节点加入其所在子网并上报系统中心节点。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该系统以宽带无线通信为主，各个子节点/子网络利用其与系统中心节点进行通信；以广域网通信为辅，各个子节点相互自组网，系统中心节点参与组网分配；当宽带无线通信不稳定或不通时，数据通过广域网通信模块交换到其他节点，再由其他节点代为上报系统。该套系统具有适应性强、可靠度高、稳定性好等优点，有效的保障了整体通信的稳定性和可靠性，能够应用于日常训练、救灾等情况。
附图说明
图1为本发明系统结构示意图；
图2为本发明系统组网示意图；
图3为本发明系统子网间通信示意图；
图4为本发明节点组网流程示意图。
具体实施方式
为使本领域普通技术人员充分理解本发明的技术方案和有益效果，以下结合具体实施例及附图进行进一步说明。
如图1-4所示的一种基于主从结构的无线通信系统，主要包括主网和若干子网，各个子网组成主网。整个系统划分为四种节点，包括系统中心节点、路由节点、中继节点、终端节点，其中系统中心节点是整个系统的核心节点，负责接收其他所有节点数据并控制其他各个节点的工作状态，实践中为设置在控制中心或控制大厅的电脑席位。系统中心节点通过宽带无线通信的方式与由其他节点组成的子网进行通信。路由节点、中继节点、终端节点均包括宽带无线通信模块和广域网通信模块，相互之间能够根据需要进行快速转化。路由节点主要负责子网组网，其具有高中低三种优先级，尾号编号为0的是高优先级路由节点，尾号编号为5的是中优先级路由节点，其他尾号节点转换为路由节点时为低优先级路由节点。中继节点主要负责不同子网之间的通信，依靠的是广域网通信模块；终端节点是参与组网的普通终端，其可根据组网情况转化为路由节点或中继节点。所有节点在网络中具有唯一序列编号。每个子网络最多容纳100台设备，当某一个子网络容纳量满后，由其他路由节点继续自行组网，并且按照编号小的路由节点优先组网。
该系统自组网具体过程如下：①各节点启动后，高优先级路由节点发送广播组网帧；多个高优先级路由节点同时在线时，设备号小的充当主路由节点开始组网。当广播组网帧时，若已有未满子网则直接入网；若5分钟未收到路由节点的组网帧，中优先级节点发送广播组网帧；如果10分钟无中优先级节点组网，则低优先级节点发送广播组网帧；②各个子网之间，通过中继节点进行互通，默认路由节点为中继节点；③当子网之间无法通过路由中继节点通信时，有两种方式确认新中继节点：一是通过中心节点，根据各节点位置信息，将就近的节点确认为中继节点；二是每隔5分钟子网内节点分时发送中继帧，询问是否有子网能够互联，根据信号强度与坐标位置自主确定中继节点；④紧急入网请求：当终端节点启动后，3分钟内未加入任何子网时，该节点周期发送紧急入网请求；任何节点收到紧急入网请求后，将该节点加入其所在子网，并上报给路由节点以及中心节点；所有数据通过本终端节点直接上报系统中心节点；⑤当子网中某个路由节点的宽带无线通信不通时，该节点通过同一子网内的路由节点及中继节点以广域网通信的方式将异常状态报给其他子网进而报告给系统中心节点，由其它子网的路由节点代替上报数据；当宽带无线通信畅通后，故障节点发送正常状态给路由节点以及系统中心节点，恢复自主上报状态。

Claims (3)

1.一种基于主从结构的无线通信系统，其特征在于：该无线通信系统包括系统中心节点以及若干个子节点，系统中心节点与所有子节点及其设备进行直接或间接通信；每一个子节点包括路由节点、中继节点、终端节点，每一个路由节点、中继节点、终端节点都包括宽带无线通信模块和广域网通信模块，其中路由节点与系统中心节点之间通过宽带无线通信模块进行通信，路由节点与中继节点、终端节点之间以及不同中继节点之间通过广域网通信模块进行组网和通信；路由节点、中继节点、终端节点能够根据系统需要相互转换；正常情况下系统中心节点与子节点通过宽带无线通信模块进行通信连接；当某个子节点与系统中心节点之间的宽带无线通信出现故障时，该子节点通过广域网通信模块与至少一个其他子节点进行组网和通信，并借助其他子节点与系统中心节点进行间接通信连接；该无线通信系统的动态自组网方法如下：
（a）首先对子节点设备进行分类、编号，得到不同优先级的路由节点、中继节点、终端节点；所述子节点设备根据编号划分为高中低三个优先级，其中高优先级的设备开机1min后发送广播组网帧，中优先级的设备开机5min后发送广播组网帧，低优先级的设备开机10min后发送广播组网帧；
各个节点启动后，高优先级路由节点率先发送广播组网帧，设备编号小的高优先级路由节点优先参与组网，如果存在未满子网时直接加入，否则新建一个子网并等待其他设备加入；如果5min各个节点未收到高优先级路由节点的广播组网帧，那么中优先级的子节点设备发送广播组网帧，其余中优先级子节点设备入网；如果10min各个终端节点未收到广播组网帧，则自动转为低优先级路由节点，发送广播组网帧进行组网；
（b）启动系统中心节点和路由节点，系统中心节点与各个路由节点之间通过宽带无线通信模块进行通信连接；启动中继节点、终端节点，路由节点与中继节点、终端节点之间通过广域网通信模块进行通信和组网；
（c）宽带无线通信正常时，各个子节点通过宽带无线通信模块与系统中心节点进行通信并传输数据；宽带无线通信不正常时，发生故障的子节点借助其自身的中继节点与其他子节点的中继节点以广域网通信方式进行组网和通信，然后借助其他子节点与系统中心节点间接进行通信并传输数据；
各个子网之间无法通过中继路由进行通信时有两种方式确认新的中继节点：a)通过系统中心节点，根据各节点位置信息选择就近的中继节点，确认为新的中继节点；或者b）间隔一定频率子网内中继节点分时发送中继帧，询问是否有子网能够互联，根据信号强度及坐标位置自主确定新的中继节点；任何一个终端节点启动后一段时间如果没有加入任何子网络，自动发送紧急入网请求，任何路由节点收到该紧急入网请求后自动将该终端节点加入其所在子网并上报系统中心节点。
2.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：子节点的数量不超过300个，每一个子节点内的设备数量不超过100个。
3.如权利要求1所述的无线通信系统，其特征在于：所述宽带无线通信模块具体为3G通信模块、4G通信模块、5G通信模块中的一种；所述广域网通信模块具体为LoRa通信模块或Zigbee通信模块；所述系统中心节点具体为电脑席位。
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