CN112423364A - 一种无线移动式自组通信方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线移动式自组通信方法和系统，属于物联网和无线通信技术领域，采用低成本、低功耗、移动设备设计的轻量级、分布式无线移动自组网协议，该协议定义了完备的链路层和网络层协议规范，物理层可以采用多种无线信号调制方式，同时，网络拓扑为完全分布式、对等的网状网络，能充分利用网络中的冗余路由，数据链路具有优异的自愈性的稳定性，网络不需要初始化节点上电可以立即进行无线通信，支持规模大、拓扑结构变化快的移动网络，所有路由节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心，路由的发现和维护在数据传输过程中同时进行，不需要额外开销，非常适合低功耗、实时性要求高的应用场景。

Description

一种无线移动式自组通信方法和系统

技术领域

本发明涉及物联网和无线通信技术领域，尤其涉及一种无线移动式自组通信方法和系统。

背景技术

传统的自组网通信网络存在以下问题：

(1)网络拓扑：仅仅实现最基本的节点之间联通，没有发挥网络节点之间的冗余连接。网络健壮性差，吞吐量低。

(2)路由协议：在网络层上实现，需要网络路由建立过程，每个节点都需要寻找某个节点作为自己的父节点，并把父节点信息报告给网关/根节点。根节点会计算到达每个节点的路径，下行采用源路由方式。路由更新和维护与数据传输过程独立，在路由失效时才会寻找新的路由，在数据传输中不能更新路由。节点位置需要保持固定。

(3)路由级数：由于下行采用源路由的方式，路由级数受报文长度的限制。路由的维护开销会随着级数、节点数量的增加迅速上升。实际应用中仅有10级以下。

(4)碰撞算法：基于星型单点对多点的模型设计，在尝试发送报文期间不接收新的报文，不感知并发的节点数量。带宽有效利用率随着并发节点数量急剧下降，甚至无法传输。MAC层碰撞算法和路由协议无关，在碰撞处理过程中不交换路由等信息。

(5)网络规模：FFD需要消耗很多的资源存放路由表，一个网络最大容量为5000点

(6)路由节点不能休眠，仅叶子节点可以休眠，有CSL(唤醒)/RIT(查询)方式。网络分簇/层设计，报文在簇之间转发效率很低，网络延时很大。网络在使用前需要用RPL路由协议建立网关到所有节点的路由表，节点也要找到各自父节点。加上网络分簇设计，整个过程非常耗时。根据网络规模一般需要几十分钟到几个小时。

发明内容

本发明提供一种无线移动式自组通信方法和系统，采用低成本、低功耗、移动设备设计的轻量级、分布式无线移动自组网协议，实现低成本、高精度的人员定位算法。

本发明提供的具体技术方案如下：

第一方面，本发明提供的一种无线移动式自组通信方法包括：

网关将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，

第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

依次，第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

可选的，所述无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。

可选的，所述广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

可选的，所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。

可选的，所述无线移动式自组通信方法中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

另一方面，本发明还提供一种无线移动式自组通信系统包括：

网关，用于将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

处理器，用于依次第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

可选的，所述无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。

可选的，所述广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

可选的，所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。

可选的，所述无线移动式自组通信系统中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例提供一种无线移动式自组通信方法和系统，采用低成本、低功耗、移动设备设计的轻量级、分布式无线移动自组网协议，该协议定义了完备的链路层和网络层协议规范，物理层可以采用多种无线信号调制方式，因此可以运行在多种射频芯片上，同时，网络拓扑为完全分布式、对等的网状网络，采用私有多径路由协议，能充分利用网络中的冗余路由，数据链路具有优异的自愈性的稳定性，网络不需要初始化节点上电可以立即进行无线通信，支持规模大、拓扑结构变化快的移动网络，是无线移动自组网的理想协议，所有路由节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心，路由的发现和维护在数据传输过程中同时进行，不需要额外开销；通过将碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播等信息，对路由变换敏感，节点可以任意移动，并且在数据的传输过程中可以不断优化和更新路由信息，非常适合低功耗、实时性要求高的应用场景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例的一种数据帧解析的示意图；

图2为本发明实施例的一种异步唤醒过程示意图；

图3为本发明实施例的一种自组休眠时间片示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例一提供的一种无线移动式自组通信方法可以用于无线移动式自组通信系统，可以广泛适用于人员定位和智慧照明的融合系统，实现因地定人而不是因人定地，随时明确某位置有/该有/不该有什么人，根据管控“需”求设定定位范围，实现按需定位。本发明实施例在网络覆盖范围、网络容量、功耗、实时性和健壮性等方面优势明显，使得在超大规模区域中进行人员定位和控制灯具成为可能。

参考图1、图2、图3所示，本发明实施例一提供的一种无线移动式自组通信方法包括：

网关将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，

第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

依次，第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

其中，无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

本发明实施例的无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。无线移动式自组通信方法中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

本发明实施例采用的无线移动自组网协议是针对于低功耗、低成本的无线移动自组网络设计的协议，该协议定义了链路层和网络层，网络拓扑为完全分布式、对等的网状网络。采用私有多径路由协议，能充分利用网络中的冗余路由，数据链路具有优异的自愈性和稳定性。网络不需要初始化节点，模块上电之后可以立即进行无线通信，支持规模大、拓扑结构变化快的移动网络，是无线移动自组网的理想协议。所有节点都是平等的，都可以休眠。网络性能优异，易于部署，可裁剪性好、自愈性好。协议栈代码尺寸小、容错性高，即使出现供电等硬件故障也会在极短时间内自我恢复。

本发明实施例的一种无线移动式自组通信办法，采用的是一种为低成本、低功耗、移动设备设计的轻量级、分布式无线移动自组网协议。该无线移动自组网协议定义了完备的链路层(MAC)和网络层(NWK)协议规范，物理层可以采用多种无线信号调制方式，因此可以运行在多种射频芯片上。

无线移动自组网是多个具有路由功能的移动节点组成的多跳网络，数据的传输需要多个节点的协作才能完成，因此路由协议是网络实现至关重要的一部分。与传统有线网络相比，无线移动自组网有自己的特点，如分布式控制、动态变化的网络拓扑结构、无线传输带宽和节点能力有限、安全性差、路由生存时间短等。

本发明实施例采用的无线移动自组网路由协议具有以下特点：

(1)分布式路由算法；分布式算法更适合于无中心的分布式控制网络；(2)自适应能力强；可适应快速变化的网络拓扑结构；(3)无环路；无环路是任何路由协议的基本要求，可以避免路由错误和带宽浪费；(4)路由计算与维护控制开销少；用最小的控制开销做到最完整、最强大的功能是所有路由协议共同努力的目标；(5)适应于大规模网络；(6)健壮性、可扩展性好。

本发明实施例采用的无线移动自组网路由协议中从任何一个源节点到目的节点的路径通常会有多条，而且节点具有随机移动性，整个网络的拓扑结构经常变化。本发明的协议采用私有按需轻量动态多径路由协议，该协议是针对硬件资源条件苛刻的移动自组网设计的，适用于移动速度快、拓扑结构变化快的无线网络。该路由协议可以最大限度减小路由建立和维护过程的开销，能够在多条路径并行进行数据报文的发送，可以感知网络拓扑结构的变化并对路由进行更新不需要进行洪泛，在不同路由之见间无缝切换。

本发明实施例的无线移动自组网路由协议具有如下特点：(1)每个节点维护自己的路由信息，没有中心节点负责全网的路由；(2)路由不需要事先建立，如果之前没有路由会采用可靠广播的方式发送，在数据报文发送的过程中同时建立路由，没有路由建立延时；(3)在建立路由之后，在数据通信的同时能够充分利用无线信号的冗余，时时刻刻进行路由的维护和更新，并且没有额外开销；(4)不论多大的规模，完全没有路由回路，路由稳定性好；(5)路由选择算法权衡了很多因素如距离矢量、信号能量、链路质量和电池电压等；(6)支持移动节点，对网络拓扑结构的变化敏感，路由能够动态迅速达到最优；(7)支持最大255级路由，网络规模大；(8)可以限制最大的路由级数(1-255)，从而可以控制数据发送的网络范围。

本发明实施例路由的建立通过可靠广播的方式实现，多条路由间没有闭环回路、允许多条路径相交。每个节点都会选择尽可能多的节点作为自己的下一跳路由，数据报文可以在多条路径之间动态切换，能够并行传输。失效路由检测、新路由发现、网络拓扑结构的变化通过监听相邻节点间的握手报文来感知，不需要进行洪泛也不需要额外的开销。包括源节点在内的所有节点仅需要寻找自己的下一跳中继节点，而不需要确定整条路径，因此该路由协议开销很小，适合拓扑结构快速变化的移动网络，能够迅速发现即时最佳路由，支持255级路由的超大规模网络。

不同于有线的网络，对于无线移动自组网来说无线信号容易受外界干扰的影响，造成数据链路生存时间短、稳定性差的特点。路由协议必须能够正确选择信号质量好、链路稳定的路径才能保证网络的稳定性、实时性、可靠性和抗干扰能力。本发明路由协议能够迅速探测多条路由的即时链路质量，能在极短时间内选择出最佳链路质量的路径做路由，并且在必要时可以选择次最近路径作为路由。另外对于低功耗无线移动自组网来说，路由选择需要充分考虑节点电池的电量，应尽可能避开电池电量低的节点进行路由。在距离矢量和信号质量都相同的条件下，本发明路由协议会自动选择剩余电量相对大的节点做路由。

本发明实施例的路由协议会综合多种选择算法进行路由的筛选，包括距离矢量、信号质量和节点剩余电量。距离矢量算法根据目的地的远近来决定的路径，每个节点都会维护一张矢量表，表中列出了当前已知的到每个目标的最佳距离。节点可以根据这张矢量表，选择比自己更接近目的地的节点作为转发路由。根据距离矢量算法可以找到两个节点间的最近路径，但不一定是最佳路径。

本发明实施例在报文解析过程中，在应用层看来，无线模块按照透明传输的方式收发应用层的数据报文，在使用上和没有协议栈的UART-RF透明传输模块基本没有区别。但是，简单的透明传输应用层的数据报文无法保证数据帧的完整性，也无法从数据帧中获得地址信息也就无法进行精确路由。因此，本发明的协议栈设计了非常灵活的应用层数据帧解析功能，该功能可以通过参数灵活配置，基本上可以适配何种数据帧格式。本发明数据帧解析过程如图1所示，数据帧解析参数仅有4个参数而且都是可选的：帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值。可以解析以下数据帧：(1)不做任何解析，真正透明传输；(2)解析按照固定字符开始、固定字符结束的数据帧；(3)固定长度数据帧；(4)帧中含有帧长度信息的数据帧；(5)其中2可以和3、4项联合检测。

本发明实施例的无线移动式自组通信方法的数据帧解析可以过滤垃圾字节，特别是模块在使用串口休眠唤醒时容易产生垃圾数据；确认数据帧的完整性，特别是需要确认数据帧的开始位置，这是获取正确地址信息进行路由转发的基石；数据帧解析和串口握手报文搭配使用，确保串口数据不丢失，是实现网络可靠传输的关键；AT指令解析模式和应用层数据帧解析模式会同时进行，因此不需要主动切换这两种帧解析模式，但是AT指令识别优先于应用层数据帧。

本发明实施例的无线移动式自组通信方法在串口握手过程中，协议在不休眠情况下可以保证100％数据可靠性。在休眠情况下会因为优先保证功耗，存在极小无线数据报文发送不成功的可能性。但是在无线发送失败的情况下也绝不会丢弃任何数据报文，等待网络恢复或者干扰消除后会继续发送之前未发送的报文。因此本发明的协议可以被认为是一种可靠传输网络协议。

在连续发送多个报文的应用中仍然会发现无线模块丢包的现象，其实数据包是被无线模块的串口丢弃而不是无线。无线模块的片内的数据缓存数量有限，在无线网络拥塞的情况下，模块缓存中的数据报文还没得及通过无线发送，这时如果向模块串口持续发送新的报文会导致缓冲区满。在模块缓冲区满之后会临时关闭串口，这时再向模块串口发送数据报文就会被丢弃。只有等待数据报文发送成功或者失败之后，才会再次打开模块串口接收新的报文。

与无线模块进行简单的串口握手，就可以保证模块的串口数据报文的可靠性。模块提供参数可以设置3个串口握手报文：(1)串口握手报文：在模块串口接收到完整的数据帧后会立即回会通过串口发送该报文通知外设MCU确认串口已经准确收到该数据帧；(2)发送成功报文：在模块通过无线发送成功一包单播数据帧后(广播无效)，会通过串口发送该报文通知外设MCU数据报文被无线成功发送；(3)缓冲区空报文：在模块串口缓冲区由满到空闲时，会通过串口发送该报文通知外设MCU可以向模块发送新的数据报文；

本发明实施例的串口握手是可选项，在需要连续发送多个数据报文时或者实际应用中会发现丢包现象时需要使能该功能；串口握手各报文内容由客户自己定义，长度最大仅为15字节；串口握手各报文设置后就为固定内容，目前无法回应序列号等其它信息。

本发明实施例的协议底层是分布式异步网络，即使采用同步休眠的节点底层也是个纯异步的网络。并且该协议采用完全扁平化设计，多种类型的设备如路由中继节点和叶子节点会共享相同的物理信道，其数据传输和路由完全依赖碰撞避免算法，因此碰撞避免算法的效率和策略对该协议而且显得异常重要。本发明碰撞避免算法经过了很多年的改进，无论网络的疏密、节点类型的不同，新一代的算法目前的有效物理层带宽效利用率可以达到90％以上，基本上已经到达理想极限。

本发明实施例的碰撞避免算法做了以下改进：(1)信道空闲检测不再依赖信号强度，远处节点和近处节点具有几乎相同算法优先级，同时减小了MCU的开销，降低了对射频芯片的依赖程度；(2)对非均匀分布的网络做了优化，对于网络瓶颈上的中继节点会有更高优先级，确保网络最佳吞吐量。以自组休眠网络为例，数量众多的叶子节点需要经过某个路由节点中继转发数据报文，这就要求担任路由的节点要求更高的发送优先级；以抄表应用为例，新的居民楼盖的越来越高，在同一栋楼里的表相对位置比较近、无线信号比较强，而和相邻楼或者单元里的表往往信号比较差，很可能楼和楼之间只有几个边缘节点担任路由和中继，这就要求碰撞避免算法需要配置路由关系，确保担任楼间路由的节点具有更高的发送优先级；(3)本发明算法能够时时刻刻感应和预测网络吞吐量的变化和同时进行传输的相邻节点数量的变化。以数据集抄为例，汇聚节点输出的数据流吞吐量从集抄的开始到结束几乎没有变化。而集抄的整个过程中，同时想要发送数据的邻居节点数量随着时间的推移在逐步下降，这就要求碰撞避免算法的效率不随着节点的数量变化而变化。

本发明实施例采用的新一代碰撞避免算法根据实际应用场景和资源开销综合设计，要求同时发送数报文的相邻节点的数量尽可能控制在250点以内；不过在实际使用中基本上不可能所有相邻节点会同时发送数据，因此对相邻节点的数量的限制不是个硬性指标；对于非常密集的网络，相邻节点数量远远大于250的情况下，可以通过降低射频发射功率的方法减小相邻节点数量；对于生产出厂测试来说，往往节点数量非常多和密集，这就需要按照分批测试和逐个测试的原则，不能上千个节点放在一起测试；相邻节点的数量和网络节点容量是完全不同的概念，对相邻节点的数量的限制不是对网络节点容量的限制；

本发明实施例为了满足各种低功耗的应用场景，提供了多种休眠策略：异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠。

其中，异步休眠模式下节点会在网络空闲后自动按照设定进入“休眠-监听-休眠-监听…”的循环过程，协议栈在休眠时间片结束时会打开射频监听网络中的无线信号，进入监听时间片。如果在监听时间片之内识别出特定的无线唤醒信号则会结束监听过程进入正常工作模式；否则会在监听时间片结束时进入下一个休眠的时间片。休眠时间片和监听时间片的长度可以根据实际需要设定。

异步休眠模式下所有节点和网关都可以进行异步休眠；无论是否使能休眠，全网所有节点均需要设置相同的异步休眠时间片参数；异步休眠节点之间通信，需要在交换正式数据之前进行无线唤醒；异步休眠待机后节点不需要发送任何报文，全网保持静默；异步休眠节点和非休眠节点可以进行数据通信，但需要非休眠节点设置相同的异步休眠参数以便能够唤醒异步休眠节点；异步休眠节点在被串口的数据报文唤醒后会立即结束休眠时间片进行突发数据传输；监听时间片的长度和无线的速率相关，无线速率越大监听时间片越短，反之越长；异步休眠数据传输功耗优先级大于可靠性，单次全网数据集抄不保证100％可靠性。

参考图2所示，对于异步休眠节点的无线唤醒通常采用前导的方式，然而这种唤醒方要求报文的前导长度大于休眠时间片的长度才能基本保证能够唤醒休眠节点。前导唤醒方式的报文耗时很长，被误唤醒的概率很大，在唤醒时基本上没办法进行碰撞避免，没办法区分单播和多播，更没有办法进行休眠网络的集抄。因此本发明并没有采用简单的前导唤醒方式。

由于本发明协议的握手报文非常短并且加上优异的碰撞避免算法，可以直接采用握手报文的方式进行唤醒，达到非常理想的唤醒效果。握手报文唤醒不需要报文持续整个休眠时间片，基本没有被误唤醒的可能，可以进行碰撞算法并且容易区分广播报文和单播报文，可以在唤醒过程中交换路由和广播信息，并且达到极高的唤醒成功率。但是握手报文唤醒方式在网络规模比较大的网络会因为持续的数据报文会导致反复唤醒休眠节点，休眠节点的监听时间片长度也会比较长。

参考图2和图3所示，本发明的协议中又对握手报文唤醒方式进行了改进，简化握手报文过多信息，将报文的长度缩短到最短；充分利用不同射频芯片的特点，采用时间精度更高、更智能的碰撞算法；将唤醒过程独立出来，不再和数据交换过程同时进行，避免被反复唤醒的情况。经过改进的唤醒算法保留了第一代握手报文唤醒优点的同时，将唤醒过程所需的时间进行了严格的控制，唤醒延时是确定的和网络节点密度以及网络的规模没有关系，确保功耗优先而并非第一代协议的成功率优先原则；另外，由于采用更短的唤醒报文可以使监听时间片进一步缩短至～1ms以内；对于单播仅需要唤醒下一跳中继节点，对于广播可以进行全网唤醒。

同步休眠模式下，网络所有节点的休眠时间片是严格同步的，协议会尽可能将相邻节点之间的时间片误差降至最小，可以实现所有节点同时工作同时休眠。网络中需要指定某个网关负责时间片的同步，通过广播同步休眠报文实现，广播同步休眠报文携带本次同步休眠时间片的长度。因此同步休眠时间片长度不是固定值，可以根据需要进行随时调整。网络中若没有数据传输时可以立即进入下一个休眠时间片而不需要等待当前工作时间片结束。网关会根据静默超时判断工作时间片的结束时刻，因此工作时间片长度也随着网络数据量、节点数量的变化而变化。同步休眠模式下各节点时间片的误差很小，因此在工作时间片内进行数据传输不需要唤醒过程。

本发明实施例的同步休眠模式是为了降低硬件成本和功耗，模块休眠时采用的是MCU片内的低速RC振荡器，频偏比较大；协议会对低速RC振荡器进行校准，使其频偏在可控的范围内；协议充分考虑了校准后的RC振荡器的频偏带来的误差；综合考虑MCU的性能和低速RC振荡器的误差，目前允许的最大同步时间片的长度为～17分钟；同步休眠参数仅仅需要对负责同步休眠的网关设置即可；同步休眠时间片无法提前结束，也无法进行突发数据传输；同步休眠数据传输功耗优先级大于可靠性，单次全网数据集抄不保证100％可靠性。

如果单纯采用同步休眠会在节点收到干扰收不到正确的同步休眠报文而无法进入休眠的异常情况，这时节点就处于接收状态，就会产生比较大的功耗。为了增加同步休眠的健壮性，本发明实施例搭配异步休眠一起使用，称之为混合休眠模式。在同步时间片结束时刻，节点不会立即进入工作时间片，而是进入异步休眠。因此在下一个工作时间片开始之前需要进行异步休眠唤醒，在唤醒结束时才会进入工作时间片。采用混合休眠的节点在受到干扰接收不到同步休眠报文时，会进入异步休眠模式，这时待机功耗要远低于工作时间片，确保功耗优先的原则。采用混合休眠另一个好处是降低节点对工作片同步的精度要求，因为只要时间片的误差小于一个异步休眠时间片的长度均可以正常工作。

本发明实施例的异步休眠在混合休眠里起着异常情况处理的作用，仅仅是辅助作用；异步休眠时间片设置越长，异步休眠唤醒时间就需要越长，正常情况下的功耗也就越大，但异常情况下的功耗也就越小；异步休眠时间片设置越短，则反之；因此，测试需要设定异步休眠时间片为一个合理的值，推荐100ms～500ms。

对于不需要进行数据中继和路由转发的叶子节点(终端节点)，可以仅仅在需要进行收发或者询问属于自己的数据报文时才会打开射频进行数据传输，在数据传输完毕可以立即进入休眠，称之为自组休眠。自组休眠节点可以和不休眠节点之间进行突发数据传输，但自组休眠节点之间无法进行数据交换。自组休眠节点和不休眠节点之间不存在绑定关系，因此自组休眠节点可以在网络中任意移动，甚至脱离网络。自组休眠的节点按照预设的休眠时间片进行休眠，在休眠时间片结束后会主动发送报文询问广播报文，以及探测不休眠节点的存在。因此，不休眠节点无需主动唤醒自组休眠节点。在接收到串口数据报文时，可以立即结束自组休眠时间片，进行突发数据传输。

参考图3所示，本发明实施例的自组休眠节点没有路由和数据中继转发的能力，网络需要有不休眠的路由/网关节点和自组休眠节点配合才能进行数据传输；不要求自组休眠节点的休眠时间片都相同，可以任意设定；自组休眠节点可以主动醒来探测网络和询问广播报文，其休眠时间片可以设置为1秒～4.5分钟；如果不需要自组休眠节点主动醒来探测网络，可以设置自组休眠时间片为无穷大，这样自组休眠节点只有在收到串口数据报文时才打开射频进行数据传输，没有数据传输时会一直休眠状态；自组休眠节点可以获得最低的待机功耗，节点功耗通常比异步休眠低2-3个数量级，可以用于低功耗传感节点、人员定位卡(标识卡)等应用；在允许部署少量不休眠节点做路由的情况下，自组休眠是最佳选择；自组休眠节点在主动醒来探测网络时采用碰撞算法，功耗优先级会大于成功率，在遇到网络拥塞或者无线报文错误时，可能会导致此次数据交换失败立刻重新进入休眠时间片，但数据报文不会丢失，并且在休眠时间片结束后会继续尝试；因此只要给足够多的时间，自组休眠单次全网数据集抄保证100％可靠性；自组休眠的网络稳定性、抗干扰能力和网络规模都要优于异步休眠网络。

外部MCU可以通过串口发送指令，使节点立即进入休眠状态，其休眠策略而并非来自协议本身，称之为被动休眠。可以指定被动休眠的时间片长度1秒～4.5分钟或者永久。在节点休眠时间片结束之后或者接收到串口的数据报文后，协议栈会重新接管对硬件的控制权，恢复休眠之前的工作模式。这种休眠方式可以用来满足以下应用需求：硬件的休眠电流测试；设备在安装使用之前，长期存放和运输过程中；更加灵活多变的休眠策略，如可以只是在每天的某个时间段通过无线模块进行数据收发，其它时间可以休眠，这种休眠不规律的情况。

在网络个别节点硬件出现异常如不停复位等情况出现后，可能会和网络中相邻正常节点反复进行数据交换，导致正常节点无法休眠的极端情况出现。为了降低这种异常情况下的正常节点的功耗，可以使能强制休眠。强制休眠的休眠策略是：如果节点的工作时间片超出～8分钟会强制节点休眠～17分钟。这样做会使正常节点主动断异常节点的数据请求，网络会处于比较长时间的共同静默状态。这段静默时间很可能会迫使异常节点放弃数据传输请求。强制休眠策略相当于飞机跑道最后的防护网，仅仅为了应对硬件的异常情况。

本发明实施例的网络拓扑结构中，节点(节点也即实路由节点)可以和所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接。其路由数量是传统网络的几何倍数，网络极为健壮，多径并发，网络吞吐量可以大于物理层无线速率。分布式移动网络，路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心。路由的发现和维护在数据传输过程中同时进行，不需要额外开销。节点会维护尽可能多动态实时路由，可以在多跳路由并行发送报文。节点可以在网络中任意移动，数据流可以在新老路由之间平滑切换。

路由级数：分布式路由，路由级数受报文长度的限制。路由的维护开销和路由级数、节点数量无关。实际应用中可以支持255级路由，网络覆盖范围大。碰撞算法：基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，在相邻节点数量2～256点并发情况下，带宽有效利用率达到90％以上。碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播等信息，对路由变换敏感，节点可以任意移动。网络规模：分布式网络，节点硬件资源开销基本与节点数量无关。网络中可以有多个根/网关节点，网络规模可以无限扩展。休眠：实现多种休眠方式，所有节点都可以休眠，可以单点、全网唤醒和查询方式。可靠性：单播5次握手，广播采用4次握手，不休眠可以保证100％可靠传输。全网集抄：可以在数秒内进行路由建立、同时采集全网所有节点的数据。任意拓扑结构上千点规模的网络采集时间约10秒。传输延时：路由协议基本无开销，每级转发仅需要物理层传输延时，网络延时很小。建网时间：网络不需要建立过程，整个网络上电可以立即进行数据发送。在数据的传输过程中可以不断优化和更新路由信息，非常适合低功耗、实时性要求高的应用场景。

无线自组网的大部分应用就是收集网络中海量节点数据，同时伴随着实时性和低功耗的要求，例如无线抄表、传感器采集等应用。为了快速实时获得全网所有节点的数据并且满足功耗的要求，本发明实施例采用的是全网集抄，这也是本发明实施例的精髓。全网数据集抄只需要网关发送一条广播抄读报文，网关在数秒之内即可以获得全部节点的数据。对于不休眠的应用如电表抄表协议可以保证单次集抄100％的成功率；对于自组休眠低功耗网络协议保证单次集抄100％成功率；对于同步休眠和异步休眠低功耗网络，本着功耗优先的原则，协议可以提供单次集抄接近100％成功率。

具体的，网关将广播抄读报文以可靠广播的方式文发送给其相邻节点或者第一级路由节点(可是很多个)；第一级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点(数量很可能比第一级多很多)，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文；第二级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点(数量很可能比第二级多很多)并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关；第三级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点(数量很可能比第三级多很多)并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关；

依次，第四级、第五级…直至采集完毕全网数据。

在网关看来，反馈的数据报文会从网络远处的各个节点源源不绝的汇聚过来，理论上单个网关的吞吐量可以达到物理层带宽的80％到90％(实际上需要根据射频芯片的能力，需要计算收发切换时间、校准时间和不同的报文长度，吞吐量可以达到物理层带宽的～70％)。整个网络的数据集抄时间可以根据总的数据量和吞吐量进行简单计算就可以得出。如果网络中有多个网关，可以使网络的吞吐量成倍的增加，这样整个网络的数据集抄时间可以成倍减少。

对全部节点处于异步休眠状态的网络进行全网集抄时，需要逐级唤醒所有节点，其中每级唤醒需要1-2倍异步休眠时间片长度。异步唤醒整个网络所需要时间跟网络最大跳数相关，跳数越多其唤醒时间就越久。然而全网异步唤醒过程和全网数据集抄过程可以并行进行，因此全网异步唤醒过程给集抄过程带来的额外时间开销并不多。按照通常情况如果每一级节点数量达到几十个以上，异步唤醒过程会比数据传输过程耗时要短，这样以来异步唤醒过程就不会额外增加时间开销。因此，通常情况下全网异步唤醒过程给整个集抄过程总时间仅仅增加1-2倍异步休眠时间片长度。鉴于异步休眠时间片为0-4秒，因此对于异步休眠的网络集抄用时仍然可以达到秒级。

其中，集抄的过程会自动建立网关到节点的双向路由，因此整个网络不需要事前建立路由，网络上电可以立即工作；如果节点需要上报的数据量大于协议支持的最大报文长度，则需要将数据打包成多个报文进行发送；集抄的过程各节点向网关发送的数据报文个数不限，如果需要发送多个报文则需要与无线模块进行串口握手，以确保在网络拥塞的情况下报文不被串口丢弃；对于成百上千点密度适中的网络来说，每节点均上报一包数据，射频速率采用100kbps，全网集抄可以在数秒内完成；对于包含自组休眠的节点网络，全网集抄可以保证100％可靠性，但是需要等待1到多个自组休眠时间片长度(时间片无限长除外)才能得到全部数据。这是因为休眠节点为了保证功耗优先，在拥塞和碰撞的时候很可能会放弃数据传输立即休眠，但会在休眠时间片结束再次尝试。

本发明人员定位实施例中，对于人员定位等此类的应用需要在一个较大的范围内管理成千上万个移动目标节点，管理中心需要及时了解每个移动点的位置和状态信息。移动节点需要按照较短时间间隔向管理中心报告位置和状态信息；中心节点也可以向每个移动节点发送数据报文，进行双向数据通信。

本发明实施例的一种无线移动式自组通信办法，可以实现超低功耗人员定位，定位算法基于无线信号强度。管理中心位置解算服务器根据一个移动点的数据报文到达多个固定点的信号矢量，进行移动点三维坐标的计算，通过对多个时间点的坐标的位移进行滤波和修正，可以得到较为准确的移动点的位置。该方案可以实现大规模人员定位、仓储物流物质管理等应用，移动点也可以作为有源标签来应用。超低功耗无线定位网络中ENDDEVICE无线模块作为移动定位点；ROOT无线模块与后台位置解算服务器相连；由NODE无线模块作为网络的骨干实现上下行数据的转发、中继和路由。其中NODE模块作为网络中的固定参照点，位置坐标固定且已知不能任意移动。

本发明实施例的无线移动式自组网通信方法适用于人员定位和智慧照明的融合系统，每个LED灯上加装无线模块作为网络中的节点，节点之间可以自动建立路由进行多跳可靠数据传输。定位卡可以同时具有有源标签、门禁卡的功能，在感应到某人进入某个区域后，决定是否点亮对应灯具，以实现“人来灯亮”的效果；进而实现因地定人而不是因人定地，随时明确某位置有/该有/不该有什么人，根据管控“需”求设定定位范围，实现按需定位。在网络覆盖范围、网络容量、功耗、实时性和健壮性等方面优势明显，使得在超大规模区域中进行人员定位和控制灯具成为可能。

本发明解决了工业环境灯具数量庞大的情况下，实现了按需亮灯、按需定位这一难题，而且将传统意义上的智能照明加入新的内涵，由传统的人来灯亮、人走灯灭，延伸至可按需亮灯、按需定位、既满足不同场景、不同人员对亮灯、灭灯按需控制的灵活要求，又实现了低成本高精度的人员定位效果。

本发明实施例提供一种无线移动式自组通信方法和系统，采用低成本、低功耗、移动设备设计的轻量级、分布式无线移动自组网协议，该协议定义了完备的链路层和网络层协议规范，物理层可以采用多种无线信号调制方式，因此可以运行在多种射频芯片上，同时，网络拓扑为完全分布式、对等的网状网络，采用私有多径路由协议，能充分利用网络中的冗余路由，数据链路具有优异的自愈性的稳定性，网络不需要初始化节点上电可以立即进行无线通信，支持规模大、拓扑结构变化快的移动网络，是无线移动自组网的理想协议，所有路由节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心，路由的发现和维护在数据传输过程中同时进行，不需要额外开销；通过将碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播等信息，对路由变换敏感，节点可以任意移动，并且在数据的传输过程中可以不断优化和更新路由信息，非常适合低功耗、实时性要求高的应用场景。

基于相同的发明构思，本发明实施例二提供一种无线移动式自组通信系统用于执行上述实施例一中的一种无线移动式自组通信方法，其中，该一种无线移动式自组通信系统包括：

网关，用于将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

处理器，用于依次第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

可选的，所述无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。

可选的，所述广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

可选的，所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。

可选的，所述无线移动式自组通信系统中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种无线移动式自组通信方法，其特征在于，所述无线移动式自组通信方法包括：

网关将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

依次，第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

2.根据权利要求1所述的无线移动式自组通信方法，其特征在于，所述无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。

3.根据权利要求1所述的无线移动式自组通信方法，其特征在于，所述广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

4.根据权利要求1所述的无线移动式自组通信方法，其特征在于，所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。

5.根据权利要求1所述的无线移动式自组通信方法，其特征在于，所述无线移动式自组通信方法中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

6.一种无线移动式自组通信系统，其特征在于，所述无线移动式自组通信系统包括：

网关，用于将广播抄读数据报文以可靠广播的方式发送给其相邻节点或第一级路由节点；

第一级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第二级路由节点，同时将广播抄读报文通过串口发送给外设MCU以获取返回数据报文，其中，第二级路由节点的数量大于第一级路由节点的数量；

第二级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第三级路由节点并且获得外设数据，此时第一级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给网关，第三级路由节点的数量大于第二级路由节点的数量；

第三级路由节点，用于在收到广播抄读报文后会继续中继转发给自己的相邻节点或者第四级路由节点并且获得外设数据，此时第二级路由节点会将反馈的数据报文陆续发送给第一级路由节点，第一级路由节点会陆续中继转发第二级路由节点的数据报文给网关，其中，第四级路由节点的数量比第三级路由节点的数量多；

处理器，用于依次第四级、第五级…直至采集完毕全网数据，进而实现无线移动式自组网系统的组建。

7.根据权利要求6所述的无线移动式自组通信系统，其特征在于，所述无线移动式自组网系统中不存在中心路由节点，所有路由节点之间相互平等且扁平不分等级，所有节点各自计算自己的路由，不需要中心节点掌控全网路由；所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均可以任意移动，并且在移动的同时保持数据流连续传输。

8.根据权利要求6所述的无线移动式自组通信系统，其特征在于，所述广播抄读报文的数据帧解析参数包括帧起始字符、帧结束字符、长度偏移量、长度修正值，所述无线移动式自组通信方法采用串口握手报文、发送成功报文和缓冲区空报文以保证通信的可靠性。

9.根据权利要求6所述的无线移动式自组通信系统，其特征在于，所述无线移动式自组网系统中所有路由节点均采用异步休眠、同步休眠、自组休眠、混合休眠、被动休眠和强制休眠中的任意一种休眠策略。

10.根据权利要求6所述的无线移动式自组通信系统，其特征在于，所述无线移动式自组通信系统中的任一路由节点和其所有的邻居节点建立联系，充分发挥网络节点之间的冗余连接，其采用分布式，移动网络路由协议在链路层实现，不需要网络路由建立过程，所有节点独立负责自己的路由，上下行采用相同的路由方式，根节点不是网络中心；碰撞算法采用基于多点对多点并发模型设计，不依赖信号强度检测，自动感知并根据同时发送节点数量进行计算，碰撞算法和路由协议紧密结合，在碰撞处理过程中交换路由、广播信息，网络规模无限扩展。

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