CN113365373A - 一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，该方法应用于集中抄表系统，所述集中抄表系统包括集中器、集中抄表管理系统、若干终端设备、若干中继，其中终端设备包括与所述集中器直连的直连终端设备、与所述中继交互的非直连终端设备。本组网方法适用于有低功耗需求的中继和终端设备，能够提高通信成功率及效率，降低设备频繁通信，来保证电池损耗的可控化；通过频分和时分的方式及中继独立集抄方式，极大降低了在大容量组网环境下，对所有设备遍历的时间和功耗开销。
Description
技术领域
本发明属于组网方法技术领域，尤其是涉及一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法。
背景技术
现有技术中组网方法包括：
1.轮询点抄+ACK：集中器根据白名单依次对挂载设备进行CAD唤醒并完成数据点抄，直到轮询点抄完所有设备。比如集中器点抄A设备并等待ACK，若ACK失败则继续点抄A设备，若ACK成功则继续点抄下一设备。
2.群抄+窗口竞争上报：
群抄对挂载设备进行CAD群唤醒并下发广播包进行群抄，随后打开一个固定周期的接收窗口，每个设备通过一个随机延时后进行数据上报。并在下一次广播中告知设备是否成功采集，已上报成功设备在本轮将不再接受应答。集中器可根据白名单设备采集数据情况，来选择群抄进行次数。
方案1的不足之处在于：
a)需要依次对每个设备进行点抄，若无应答则需要进行重传，直到点抄成功。如果该设备当前环境干扰较大，则会导致反复通信失败，一方面降低了效率，另一方面增加了功耗。
b)每次要对设备进行CAD唤醒，一方面集中器频繁发送数据，另一方面周边其他设备会被误唤醒，两者都会增加一定的功耗开销。
方案2的不足之处在于：
a)集中器下发广播包后，开启指定大小的接收窗口，设备随机延时后上报数据。设备信号发生碰撞干扰几率较大，导致需要进行多次竞争上报，因此群抄效率与功耗开销会受影响。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，提供一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，该方法应用于集中抄表系统，所述集中抄表系统包括集中器、集中抄表管理系统、若干终端设备、若干中继，其中终端设备包括与所述集中器直连的直连终端设备、与所述中继交互的非直连终端设备，集中器直连集中抄表管理系统，快速与直连终端设备通信，在自己的时间片上行和采用先前配置专属频段上传数据，集中器与中继节点交互，所有中继独立与终端设备交互，采用时间片竞争上报的方式进行抄表数据传输；
所述组网方法包括：
S1.直连终端设备入网时，按入网情况分配通信的时域和频域，非直连终端依附于中继；
S2.集中器下发集抄指令，随后开启相应长度的接收窗口；
S3.直连终端设备接收集抄指令，在相应时域和频域上上报数据；
S4.集中器接收上报数据，并将对已上报的设备做及时应答；
S5.直连集抄结束，中继独立集抄非直连终端，非直连终端在固定的时间片上竞争上报到各自中继；
S6.各自中继集抄完下属的终端设备，自动与集中器通信，实现数据汇总。
作为优选，所述组网方法包括：集中器根据白名单依次对直连终端设备进行CAD唤醒并完成数据点抄，集中器点抄一直连终端设备并等待ACK，若ACK失败则继续点抄该直连终端设备设备，若ACK成功则继续点抄下一直连终端设备，直到轮询点抄完所有直连终端设备。
作为优选，所述组网方法包括：对直连终端设备进行CAD群唤醒并下发广播包进行群抄，随后打开一个固定周期的接收窗口，每个设备通过一个随机延时后进行数据上报；并在下一次广播中告知设备是否成功采集，已上报成功设备在本轮将不再接受应答。
作为优选，集中器根据白名单设备采集数据情况，来选择群抄进行次数。
作为优选，S4中，若网络中终端设备数量过多，则进行分组通信。
作为优选，S6中，中继上传到集中器没有具体路径上报路径，当默认路径中的设备出现异常，无法支持转发，则选择备选路径，备选路径通过两个途径获取：a.历史成功通信路径；b.当下广播，获取上级父中继应答。
作为优选，中继对多次竞争上报设备数与窗口比例情况进行拟合，通过不断调节时间片窗口来确保整套网络的工作负载利用率最大化。
作为优选，S1中，按入网情况分配通信的时域和频域的方法为：未入网的终端节点上电后主动申请入网，集中器收到入网申请帧，对节点在时域和频域上进行分配；分配原则为：优先时域分配，在集中器接收窗口分割时间片，入网节点按序分配，其次频域上分配，在每个时域上，可以分配多个不同频点；每个节点都会分配不同的时域或者频域，实现二维隔离。
作为优选，集中器对直连终端设备进行数据点抄采用小包唤醒机制，直连终端设备通过唤醒包序号判定该次广播包下发时间。
作为优选，若通信失败则进行数据重传，重传应答在所有设备通信结束后再应答。
采用上述技术方案后，本发明具有如下优点：
本组网方法采用Mesh组网通信协议进行终端设备和集中抄表管理系统之间的通信。Mesh组网通信协议适用于一对多设备，且对采集效率有一定要求的低功耗数据采集类应用组网。该组网通信协议主要分两部分。第一部分：集中器直连集中抄表管理系统，快速与直连终端设备通信，在自己的时间片上行（时分）和采用先前配置专属频段（频分）上传数据；第二部分：集中器与中继节点交互，所有中继独立与终端设备交互，采用时间片竞争上报的方式。以上两种交互模式，可大大提高采集效率，避免碰撞导致的多次重传。
本组网方法适用于有低功耗需求的中继和终端设备，能够提高通信成功率及效率，降低设备频繁通信，来保证电池损耗的可控化；通过频分和时分的方式及中继独立集抄方式，极大降低了在大容量组网环境下，对所有设备遍历的时间和功耗开销。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明作进一步的详细说明。
一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，该方法应用于集中抄表系统，所述集中抄表系统包括集中器、集中抄表管理系统、若干终端设备、若干中继，其中终端设备包括与所述集中器直连的直连终端设备、与所述中继交互的非直连终端设备。
集中器直连集中抄表管理系统，快速与直连终端设备通信，在自己的时间片上行和采用先前配置专属频段上传数据，集中器与中继节点交互，所有中继独立与终端设备交互，采用时间片竞争上报的方式进行抄表数据传输。
其中集中器、中继、终端设备的通信可以有多种不同速率和多种调制方式。
集中抄表采用全网数据群抄为主，点抄为辅的方式进行。采用时分、频分集抄直连终端，对直连终端分组群抄，每组终端节点在不同的信道和时间片上报数据。非直连节点采用竞争上报。本实施例中，时间片分割如下：
| CH | Slot1 | Slot2 | Slot3 | Slot4 | Slot5 | Slot6 | Slot7 | ··· | Slot50 |
| Freq1 | X1 | X7 | X13 | X19 | X25 | X31 | X37 | ··· | X295 |
| Freq2 | X2 | X8 | X14 | X20 | X26 | X32 | X38 | ··· | X296 |
| Freq3 | X3 | X9 | X15 | X21 | X27 | X33 | X39 | ··· | X297 |
| Freq4 | X4 | X10 | X16 | X22 | X28 | X34 | X40 | ··· | X298 |
| Freq5 | X5 | X11 | X17 | X23 | X29 | X35 | X41 | ··· | X299 |
| Freq6 | X6 | X12 | X18 | X24 | X30 | X36 | X42 | ··· | X300 |
从上述用例来看，时间片可以紧密排布，在任意时刻都有数据通信。而在时间片上提供多个频段，每个频段上可以分配一个设备，这样，在同一时刻可以提供多个设备的通信。不仅提高了通信效率，而且避免了通信碰撞，从而降低重发导致的功耗开销。
从上述用例来看，大窗口上报看似更加灵活，在任意时刻都可以上报数据，但却更容易出现数据碰撞，导致两包数据全都丢失；而时间片上报虽然也可能存在碰撞（同一时间片），但可以事先通过对定长数据包的理论计算，避免不同时间片的数据发生碰撞。
因此只要能够解决或降低数据包的碰撞问题，电池供电应用所带来的功耗开销就可以进一步得到优化。
所述组网方法包括：
S1.直连终端设备入网时，按入网情况分配通信的时域和频域，非直连终端依附于中继；
S2.集中器下发集抄指令，随后开启相应长度的接收窗口；
S3.直连终端设备接收集抄指令，在相应时域和频域上上报数据；
S4.集中器接收上报数据，并将对已上报的设备做及时应答，若网络中终端设备数量过多，则进行分组通信；
S5.直连集抄结束，中继独立集抄非直连终端，非直连终端在固定的时间片上竞争上报到各自中继；
S6.各自中继集抄完下属的终端设备，自动与集中器通信，实现数据汇总。
集中器根据白名单依次对直连终端设备进行CAD唤醒并完成数据点抄，集中器点抄一直连终端设备并等待ACK，若ACK失败则继续点抄该直连终端设备设备，若ACK成功则继续点抄下一直连终端设备，直到轮询点抄完所有直连终端设备。
集中器对直连终端设备进行CAD群唤醒并下发广播包进行群抄，随后打开一个固定周期的接收窗口，每个设备通过一个随机延时后进行数据上报；并在下一次广播中告知设备是否成功采集，已上报成功设备在本轮将不再接受应答。集中器根据白名单设备采集数据情况，来选择群抄进行次数。
直连终端设备入网时，所有设备会在时域、和频域上进行二维隔离：未入网的终端节点上电后主动申请入网，集中器收到入网申请帧，对节点在时域和频域上进行分配；分配原则为：优先时域分配，在集中器接收窗口分割时间片，入网节点按序分配，其次频域上分配，在每个时域上，可以分配多个不同频点；每个节点都会分配不同的时域或者频域，实现二维隔离。每个设备可以在各自个二维空间里通信，实现避免多设备通信时，时间和频段的碰撞，从而提高单次通信成功率。
非直连终端设备入网时，在通信指令下发时，会实现时间相对同步。每个设备在时间同步后，随机时间片延时，竞争上报，实现避免多设备在同一时间上的碰撞，从而提高单次通信成功率。
中继具有多备选路径选择：中继上传到集中器没有具体路径上报路径，当默认路径中的设备出现异常，无法支持转发，则选择备选路径，备选路径通过两个途径获取：a.历史成功通信路径；b.当下广播，获取上级父中继应答。
中继采用窗口优化机制：中继对多次竞争上报设备数与窗口比例情况进行拟合，通过不断调节时间片窗口来确保整套网络的工作负载利用率最大化。
本方法在以下两个技术点上可以做灵活变通和修改：
1)终端设备唤醒机制：
集中器对直连终端设备进行数据点抄采用小包唤醒机制，直连终端设备通过唤醒包序号判定该次广播包下发时间，从而进入休眠等待节省功耗开销。该机制可以根据实际应用，做出灵活调整，主要取决于应用对功耗等级与响应等级的侧重点不同。比如调节唤醒包长度、跳频避免设备误唤醒。
2)应答机制优化：
本发明采用时分、频分机制，本质原理是避免设备竞争上报过程中设备之间的相互干扰，导致通信成功率降低，最终导致重发次数和设备重发的功耗提高。每组通信还是会有设备通信失败，从而需要重传。可以根据时间需求，重传应答在每组之后应答，改为所有设备通信结束后再应答，以提供整个网络通信效率。
Mesh组网通信协议适用于一对多设备，且对采集效率有一定要求的低功耗数据采集类应用组网。该组网通信协议主要分两部分。第一部分：集中器直连集中抄表管理系统，快速与直连终端设备通信，在自己的时间片上行（时分）和采用先前配置专属频段（频分）上传数据；第二部分：集中器与中继节点交互，所有中继独立与终端设备交互，采用时间片竞争上报的方式。以上两种交互模式，可大大提高采集效率，避免碰撞导致的多次重传。
该方法适用于有低功耗需求的中继和终端设备，能够提高通信成功率及效率，降低设备频繁通信，来保证电池损耗的可控化；通过频分和时分的方式及中继独立集抄方式，极大降低了在大容量组网环境下，对所有设备遍历的时间和功耗开销。
除上述优选实施例外，本发明还有其他的实施方式，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变和变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求所定义的范围。
Claims (10)
1.一种基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，
该方法应用于集中抄表系统，所述集中抄表系统包括集中器、集中抄表管理系统、若干终端设备、若干中继，其中终端设备包括与所述集中器直连的直连终端设备、与所述中继交互的非直连终端设备，集中器直连集中抄表管理系统，快速与直连终端设备通信，在自己的时间片上行和采用先前配置专属频段上传数据，集中器与中继节点交互，所有中继独立与终端设备交互，采用时间片竞争上报的方式进行抄表数据传输；
所述组网方法包括：
S1.直连终端设备入网时，按入网情况分配通信的时域和频域，非直连终端依附于中继；
S2.集中器下发集抄指令，随后开启相应长度的接收窗口；
S3.直连终端设备接收集抄指令，在相应时域和频域上上报数据；
S4.集中器接收上报数据，并将对已上报的设备做及时应答；
S5.直连集抄结束，中继独立集抄非直连终端，非直连终端在固定的时间片上竞争上报到各自中继；
S6.各自中继集抄完下属的终端设备，自动与集中器通信，实现数据汇总。
2.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，所述组网方法包括：集中器根据白名单依次对直连终端设备进行CAD唤醒并完成数据点抄，集中器点抄一直连终端设备并等待ACK，若ACK失败则继续点抄该直连终端设备设备，若ACK成功则继续点抄下一直连终端设备，直到轮询点抄完所有直连终端设备。
3.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，所述组网方法包括：对直连终端设备进行CAD群唤醒并下发广播包进行群抄，随后打开一个固定周期的接收窗口，每个设备通过一个随机延时后进行数据上报；并在下一次广播中告知设备是否成功采集，已上报成功设备在本轮将不再接受应答。
4.如权利要求3所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，集中器根据白名单设备采集数据情况，来选择群抄进行次数。
5.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，S4中，若网络中终端设备数量过多，则进行分组通信。
6.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，S6中，中继上传到集中器没有具体路径上报路径，当默认路径中的设备出现异常，无法支持转发，则选择备选路径，备选路径通过两个途径获取：a.历史成功通信路径；b.当下广播，获取上级父中继应答。
7.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，中继对多次竞争上报设备数与窗口比例情况进行拟合，通过不断调节时间片窗口来确保整套网络的工作负载利用率最大化。
8.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，S1中，按入网情况分配通信的时域和频域的方法为：
未入网的终端节点上电后主动申请入网，集中器收到入网申请帧，对节点在时域和频域上进行分配；分配原则为：优先时域分配，在集中器接收窗口分割时间片，入网节点按序分配，其次频域上分配，在每个时域上，可以分配多个不同频点；每个节点都会分配不同的时域或者频域，实现二维隔离。
9.如权利要求2所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，集中器对直连终端设备进行数据点抄采用小包唤醒机制，直连终端设备通过唤醒包序号判定该次广播包下发时间。
10.如权利要求1所述的基于主干Mesh组网通信协议的组网方法，其特征在于，若通信失败则进行数据重传，重传应答在所有设备通信结束后再应答。
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