CN112423253A - 应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议，包括节点组网和组网通信，所述节点包括根节点、中继节点和终端节点。所述组网通信能够用于上位机、根节点、中继节点，以及内置自组网终端节点的无线电子体温计之间的通信，所述上位机、中继节点和电子体温计自组网模块遵循同一种数据通信协议格式，该数据通信协议格式由帧头、帧体和帧校验序列构成，帧头和帧体根据帧类型不同，其长度可变。本发明提供一种轻量、动态的窄带自组网通信协议格式及实现方法，该协议可靠性和稳定性高，结构清晰、对硬件要求低、易于开发实现。

Description

应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议

技术领域

本发明涉及物联网领域，具体涉及应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议。

背景技术

无线自组网是一种不依赖于任何固定基础设施的无线自组多跳网络，这种网络不需要规划路由，网络中各节点能够自探测、自组织路由，它具有良好的可靠性、抗毁自愈能力和灵活性的自组织特征。但是目前大多数自组网通信协议，由于对硬件要求高，仅应用于传输音、视频、图像宽带数据。

物联网对无线通信模块性能的需求，主要表现在低成本、低功耗、体积小、传输距离远、覆盖范围大、组网能力强、抗干扰能力强、数据传输安全可靠、易于安装和配置等方面的需求。

物联网可应用于各行各业，无线电子体温计便是物联网在医疗行业的一种具体应用。具有自组网特性的无线电子体温计可以实现智能组网，自动将体温数据传输至上位机，无线电子体温计对传输模块同样有低成本、低功耗、体积小、传输距离远、覆盖范围大、组网能力强、抗干扰能力强、数据传输安全可靠、易于安装和配置的要求，因此需要设计满足轻量动态的数据通信协议满足物联网通信模块硬件成本低，处理能力弱的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议，使用本发明的通信协议可以实现无线电子体温计测量的体温数据的实时上传，接收上位机传输的各种指令，并根据指令内容执行指令或返回与指令内容相应的参数。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议，组网过程中信道分为控制信道和数据信道，一个控制信道根据使用的频段及网络规模确定对应8或16个数据信道，除了数据帧在数据信道传输外，其他路由请求、路由应答、数据发送请求、数据发送允许均在控制信道传输。

进一步地，通信协议格式中帧头的同步标识为两个字节，为十六进制的EB和10，用于界定帧起始；帧头的帧类型为一个字节，第0位至第5位用于定义帧类型，第6位和第7位表示节点类型；帧头的包长为一个字节，代表除帧校验外所有字节的长度；帧头的包序号为一个字节，表示序号为0-255的数据包；帧头的目的地址、源地址、数据接收地址、数据发送地址分别为两个字节；帧头的跳数为一个字节，表示本节点到源节点的跳数。

进一步地，通信协议格式中，帧校验为两个字节，采用CRC校验。

任何节点在发送数据前要首先检测信道的状态，如果信道忙，则产生一个随机数，延迟一段随机时间，此时节点始终处于接收状态，如果忙继续等待；如果信道空闲，则开始发送。

中继节点在开机时，首先要建立路由，发送路由广播包，其他中继节点和根节点转发这个路由包，中继节点在收到其他节点转发的路由包后，根据这些路由包中到根节点的跳数，建立路由表，确定本中继节点转发数据的路由，路由表中包含主路由和备用路由。

根节点在开机时，主动发起路由建立过程，路由建立过程与中继节点相同。

无线电子体温计节点作为终端节点在开机时也建立路由，如果在一定时间内无数据发送或建立不了路由，则进入低功耗状态，等有数据需要发送时，如果有路由，则按路由发送，否则先建立路由，然后再发送。

无线电子体温计工作在低功耗状态：MCU控制温度传感器工作并读取数据，在液晶显示器上显示，然后唤醒射频模块，将数据发送出去，射频模块再次进入休眠状态。

进一步地，无线电子体温计没有数据转发功能，只有中继节点转发数据，中继节点不进入低功耗状态。

进一步地，无线电子体温计唤醒条件包括：按键唤醒，MCU工作在低功耗状态，通过按键产生中断唤醒MCU；通过测量间隔定时器唤醒MCU；通过上位机下发的控制命令定时唤醒，唤醒后终端节点向中继节点提取数据，由于中继节点不休眠，上位机下发的数据缓存在中继节点中，无线电子体温计在定时间隔到时，MCU工作主动向中继节点提取数据。

进一步地，无线电子体温计终端节点采用单播方式发送数据，中继节点在收到终端节点数据后，返回ACK，终端节点在收到ACK后结束发送，否则重发，重发次数不超过3次，如果仍收不到ACK，则重新建立路由，然后再重复发送过程，如果路由不能建立，或仍收不到ACK，则在显示器上报警（数字闪烁），然后进入低功耗模式。

中继节点在收到电子体温计节点的数据并正确返回ACK后，根据路由表确定转发数据的下一跳节点的地址，然后转发数据，下一跳节点收到数据后返回ACK，依此直至根节点。如果中继节点在一定的时间内没有收到ACK，则重发，如果重发后仍收不到ACK，则选用备用路由发送，如果仍然收不到数据，则说明路由有问题，此时该节点重新发起路由建立过程。

进一步地，多根节点路由的建立过程如下：根节点的路由请求包中的目的地址为无线电子体温计终端节点的地址，其他节点的路由请求包中的目的地址为特殊地址0000H，0000H代表所有的根节点，各节点在收到路由请求包时，首先检查目的地址是否是0000H，如果目的地址是0000H且本节点又不是根节点时，转发此路由请求包，如果目的地址是0000H且本节点是根节点则产生路由应答包，这样路由发起节点可能收到多个路由应答包，选择一个跳数最少且信号质量（RSSI）最好的作为路由。

进一步地，多信道的协商过程如下：在数据发送请求、数据发送允许中增加Channnel字段，长度为一个字节，每位对应一个信道号，如果是1，则表示该对应的信道忙，否则为0，表示该对应的信道空闲；数据发送请求帧中ChannnelN字段表示希望使用的数据信道，在节点收到数据发送请求后，根据本节点周围信道使用情况，如果数据发送请求中ChannnelN所对应的信道空闲，则同意使用该信道，否则根据数据发送请求中ChannnelN所对应的信道状态和本节点周围信道状态，选择一个共同空闲的信道，在数据发送允许中的ChannnelN字段回应。然后双方在此信道进行数据通信。

本发明的有益效果是提供一种轻量、动态的窄带自组网通信协议，该协议可靠性和稳定性高，结构清晰，过程简单，对硬件要求低，硬件成本低，适用于物联网的无线通信模块组网。

附图说明

图1为本发明的通信内容传输示意图。

图2为本发明的帧结构图。

图3为本发明的数据帧格式图。

图4为路由请求建立过程流程图。

图5为多信道协商过程流程图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

请参照图1，图1为本发明的通信内容传输示意图，应用于无线电子体温计的窄带自组网协议，包括节点组网和组网通信，所述节点包括根节点、中继节点和终端节点。所述组网通信能够用于上位机、根节点、中继节点，以及内置自组网终端节点的无线电子体温计之间的通信，无线电子体温计能够实时将测量的体温数据通过中继节点或直接传输至上位机，上位机通过根节点发送给电子体温计的指令包含唤醒处于低功耗状态的电子体温计指令、设置工作模式及参数状态的指令、查询电子体温计状态的指令，这些指令根据网络结构及实际应用场景，智能选择通过中继节点转发至电子体温计，或由上位机直接发送至电子体温计，电子体温计接收到来自上位机的指令后，根据指令内容能够执行指令或返回与指令对应的内容的参数信息，所述上位机、中继节点和电子体温计自组网模块遵循同一种数据通信协议格式。

请参考图2和图3，图2为本发明的帧结构图，图3为本发明的数据帧格式图。该数据通信协议格式由帧头、帧体和帧校验序列构成，帧头和帧体根据帧类型不同，其长度可变。

请参考图4，图4为路由请求建立过程流程图。

（1）路由建立

①路由请求消息发送过程

节点上电后，网络各节点首先需要建立路由表。根节点首先侦听信道，发现信道空闲后，根节点广播一个跳数为0的路由广播消息，发起一次路由建立过程。

节点构造一个路由请求包（RREQ），并正确初始化该包中的各字段。类型字段被设置为00H，表示该消息是一个路由请求消息，并且是由根节点发起的。跳数字段设置为0。源地址（SA）和目的地址（DA）分别设置为根节点地址和广播地址，发送地址（TA）为发送或转发路由消息的节点地址，这里设置为本节点地址。RA为广播地址。在初始化完RREQ路由请求消息之后，节点查询当前网络的信道能量值（CCA检测），如果能量值小于设定的阈值，也即意味着当前信道空闲，则可以发送路由请求消息，反之如果信道能量值大于设定的阈值，则按退避算法后发送此路由请求消息。发送完毕后，节点转换成接收模式。

请参考图5，图5为多信道协商过程流程图。为了避免由于建立路由引起信道冲突，在开机上电时，各节点首先要侦听一定时间（如设为50ms）信道状态，在侦听信道过程中，如果收到了其他节点发送的消息，则根据收到的消息（MAC 帧头中根据SA，TA，跳数等），初步建立路由表。50ms计时器到以后，检测信道忙闲状态，如果信道处于空闲状态，则发送路由请求消息，同时设置一个定时器和计数（10ms），在发送完之后，本节点继续侦听下一跳节点是否转发了路由消息，如果有转发，说明有其他节点知道了本节点的存在，意味着本节点已入网。

在一定时间内，如果下一跳节点没有转发路由请求消息，此时可能存在有两种情况：一种是隐终端问题，可能路由包在下一跳节点发生冲突；一种是本节点或下一跳节点是个孤立节点，没有邻节点地址。本节点执行退避算法后再次发送路由请求消息，如果还是没有收到转发的消息，当重发次数大于3次时，则判定本节点是孤立节点，此时让节点处于低功耗接收状态，等待其他节点上电加入网络。如果下一跳节点转发了路由请求消息，当网络拓扑比较大的时候，为了减少后面可能产生的消息冲突，本节点再次发送一次路由消息，每发送一次，包序号加1，这样节点在处理路由消息的时候，根据包序号来判定是否是最新消息。通过连续发送广播报文，增加了部分路由消息开销，降低了消息冲突带来的路由建立失败。

②处理和转发路由请求

在网络拓扑中，首先根据物联网中数据的上下行结构，区分根节点和终端节点。当节点收到广播数据包时，通过查看源地址和数据传输方向判断广播报文的来源，如果广播包的源地址是终端节点，则建立的是下行路由表。如果广播包的源地址是根节点，记录发送节点地址和跳数，同时建立上行路由表。

处理和转发路由请求是节点建立路由表的过程，各个节点依次发送路由请求，每个节点发送一个路由请求包可以在全网拓扑建立其他节点到本节点的路由项。当节点收到其他节点任何类型的消息后，解析数据包，通过源节点信息查找到路由表中对应表项，因为每个节点下行路由表结构中存在到其它各个节点的一个主路由和一个备用路由，因此首先看其是否存在到源节点的主路由，如果不存在就将路由请求消息中的发送节点作为主路由的邻节点地址，跳数加1作为到源节点的跳数。否则再查看是否存在备用路由，如果不存在的话，就将消息中的发送节点作为备用路由的邻节点地址，跳数加1作为到源节点的跳数。如果同时存在主路由和备用路由，则将跳数加1与备用路由和主路由的跳数进行比较，如果数据中的跳数小于路由表中主路由的跳数且RSSI也大于路由表中的RSSI值，则更新主路由，如果大于主路由小于备用路由跳数则更新备用路由，更新完路由之后继续重新装载路由请求消息并转发，但是当跳数大于备用路由跳数时，则丢弃路由请求。

在节点处理完路由包之后，节点需要转发路由包，由于有多个中间节点，每一个节点会收到多个路由包，这些路由包可能是同一个节点发出的包序号相同的包。如果每一个路由包都转发则会增加网络开销，对于如何处理转发路由包问题，本发明提出通过源地址、包序号和跳数来控制转发过程。在处理完路由包之后，首先查看数据包中的源地址字段和包序号字段确定是否是最新的路由消息，包序号不同，则进行转发；在包序号相同时，则比较跳数，跳数大于主路由跳数就不转发。这样就可以解决网络的泛洪问题。

如果本节点需要转发路由请求消息时，需要重新装载此时路由请求消息中本机地址项为本节点地址（SA），跳数字段为加1的值。然后进入转发状态，该状态下，节点查询当前网络的信道能量值，如果信道空闲则转发该消息，否则执行退避算法。

（2）路由更新维护

①正常通信过程中路由表更新

在正常通信中，各个节点监听数据包，根据数据包中的内容去更新路由。具体步骤为：节点在收到数据包之后解析报文，根据数据包中的源地址类型字段判断是根节点还是其他节点，如果源节点是根节点则查看数据包中到根节点的跳数，如果该跳数值小于上行路由表中主路由的值则把该节点作为到根节点的主路由，如果该跳数值大于主路由中的跳数值但小于路由表中备用路由的值则把该节点作为到根节点的备用路由。如果源节点是终端节点则根据数据包中到终端节点的跳数，更新下行路由表中的值。在更新完路由之后再决定是否转发数据包，首先查看本节点是否是接收节点，如果不是接收节点就不用转发数据包，如果是接收节点再看其是否是目的节点；如果是目的节点，说明数据包到最后一跳了，如果不是目的节点，则根据目的地址查找下一跳节点，然后修改相应字段之后再转发数据消息。

在路由维护时，可能会遇到网络中较长时间没有数据传输，则通过侦听数据包维护路由表和邻节点信息无法进行。在这种情况下，提出一种发送Hello包的方式来维护节点和邻节点之间的链路。在一定的时间T内，假设网络中没有数据传输，可以认定需要通过Hello包的形式来确认和邻节点之间的关系。节点发送一个Hello包，这时周围的邻节点可以收到报文，同时Hello包只规定了源地址，不需要转发。收到Hello包的节点可以明确网络拓扑有无变化。

②通信过程中路由失效处理

在路由建立以后，进入正常通信过程，如果有数据需要发送时，首先监听控制信道是否被占用，如果信道被占用则等待一直到信道空闲。在信道空闲后节点如果所发送的信息是广播消息则直接发送，否则首先在路由表中查找到目的地址的下一跳的节点地址，然后进入消息发送过程。如果在数据消息发送以后在一定时间内，没有收到下一跳节点转发的数据消息，则再次发送数据消息，如果仍没有收到下一跳节点转发的数据消息，则说明该节点消失或出现故障；此时启动备用路由，如果备用路由也没有返回转发的消息，则有可能发生两种情况：一是节点移动后，主路由节点和备用路由节点都失效；二是本节点已经脱网。

处理方法：在每个节点维护一个邻节点表，表中的内容包括邻节点地址和RSSI值。当节点路由失效时，查找邻节点表根据RSSI值选择最大的一个作为数据消息的下一跳节点，因为每一跳节点都维护着到网络中各节点的路由表，根据源地址在路由表中找到对应项的下一跳地址转发消息。邻节点表的建立是基于广播路由消息的过程，在路由建立的过程中，各节点广播路由请求消息，各个节点在收到路由请求消息时，获取消息中的发送节点字段，然后记录射频模块发送的RSSI值。邻节点表的维护是通过侦听信道中的数据包实现的，在通信过程中，数据包帧格式中存在发送节点和接收节点，可以收到邻节点转发的消息，当邻节点位置变化时，可以更新RSSI值。此时也可能存在节点移动的情况，所以在使用邻节点表时，发送完消息之后要听下一跳节点是否转发，如果没转发，则需要选取另一个邻节点，同时删去失效的邻节点。

（3）节点迟入网过程

本发明中路由协议支持255个节点，在网络运行过程中，开始时拓扑可能并没有饱和，这时需要考虑节点迟入网的过程。新节点加入自组网络时，需要考虑两个问题，一是怎样让全网其他节点知道自己的存在；二是节点本身怎样和其他节点通信。对于第一个问题，节点在加入网络时，以广播的方式发送入网请求，这样全网其他节点就能建立到新节点的路由。第二个问题的难点在于如果新节点要建立到每个节点的路由，则需要进行全网的广播，开销大，本发明提出的方法是考虑到原有网络中每个节点都有到其他节点的路由项，新节点可以采取侦听邻节点的数据消息，建立自己的邻节点表，当有消息发送时，消息中的下一跳节点地址可以选择邻节点表中的节点，进行消息发送。同时，通过侦听数据消息逐步建立自己的路由表。

以上所述仅为本发明的实施示例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效协议或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.本发明公开了一种应用于无线电子体温计的窄带自组网通信协议，包括节点组网和组网通信，所述节点包括根节点、中继节点和终端节点。

2.根据权利要求1所述组网通信能够用于上位机、根节点、中继节点，以及内置自组网终端节点的无线电子体温计之间的通信，无线电子体温计能够实时将测量的体温数据通过中继节点或直接传输至上位机，上位机通过根节点发送给电子体温计的指令包含唤醒处于低功耗状态的电子体温计指令、设置工作模式及参数状态的指令、查询电子体温计状态的指令，这些指令根据网络结构及实际应用场景，智能选择通过中继节点转发至电子体温计，或由上位机直接发送至电子体温计，电子体温计接收到来自上位机的指令后，根据指令内容能够执行指令或返回与指令对应的内容的参数信息，所述上位机、中继节点和电子体温计自组网模块遵循同一种数据通信协议格式，该数据通信协议格式由帧头、帧体和帧校验序列构成，帧头和帧体根据帧类型不同，其长度可变。

3.根据权利要求1所述的应用于无线电子体温计窄带自组网通信协议，组网过程中信道分为控制信道和数据信道，一个控制信道根据网络规模确定对应8或16个数据信道，除了数据帧在数据信道传输外，其他路由请求、路由应答、数据发送请求、数据发送允许均在控制信道传输。

4.根据权利要求1所述的应用于无线电子体温计窄带自组网通信协议，多根节点路由的建立过程如下：根节点的路由请求包中的目的地址为终端节点的地址，其他节点的路由请求包中的目的地址为特殊地址0000H，0000H代表所有的根节点，各节点在收到路由请求包时，首先检查目的地址是否是0000H，如果目的地址是0000H且本节点又不是根节点时转发此路由请求包，如果目的地址是0000H且本节点是根节点时则产生路由应答包，这样路由发起节点可能收到多个路由应答包，选择一个跳数最少且信号质量（RSSI）最好的作为路由。

5.根据权利要求1所述的应用于无线电子体温计窄带自组网通信协议，多信道的协商过程如下：在数据发送请求、数据发送允许中增加Channnel字段，长度为一个字节，每位对应一个信道号，如果是1，则表示该对应的信道忙，否则为0，表示该对应的信道空闲；数据发送请求帧中ChannnelN字段表示希望使用的数据信道，在节点收到数据发送请求后，根据本节点周围信道使用情况，如果数据发送请求中ChannnelN所对应的信道空闲，则同意使用该信道，否则根据数据发送请求中ChannnelN所对应的信道状态和本节点周围信道状态，选择一个共同空闲的信道，在数据发送允许中的ChannnelN字段回应，然后双方在此信道进行数据通信。

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