CN116249122A - 一种近地无线组网模块通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近地无线组网模块通信方法，属于自组网通信技术领域，包括对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计，无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点，对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络，探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息，模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式，完成无线自组网，本发明能实现了野外、空旷无人区、山区、丛林、交通枢纽等区域快速建立通讯网络，同时能节省能量开销，还能保证网络的稳定性。

Description

一种近地无线组网模块通信方法

技术领域

本发明属于自组网通信技术领域，具体地说，涉及一种近地无线组网模块通信方法。

背景技术

目前无线组网模块技术中的MAC协议可以分为两类：同步协议和异步协议，同步MAC协议如：S-MAC、T_MAC、R-MAC、SCP-MAC和DW-MAC，节点同步唤醒，然后交换数据，在完成通信数据之后，节点将休眠。这种方法减少了空闲侦听，同步占空比MAC协议需要同步邻居节点，引入了额外的开销和设计复杂性。此外，如果邻居节点有不同的时刻表，节点可能在一个工作周期内多次唤醒。对无线传感器网络中存在冗余节点部署的情况，提出了冗余节点休眠和分阶段唤醒相结合的方法减少数据采集和传输的冗余，进而节省节点能量。将监测区域内相邻部分冗余节点休眠，其它节点正常工作，当节点剩余能量不足以维持节点正常工作时，分阶段唤醒其邻居节点替代工作，直至网络无法正常进行数据采集和传输。该休眠策略可以改善网络性能，延长网络的生命周期，但是可能产生感知盲区并且需要布置大量冗余节点造成资源浪费。

异步占空比MAC协议无需进行节点间的任何同步，每一个节点独立决定其唤醒时间。异步占空比MAC协议又可分为“发送方发起”和“接收方发起”两种类型。如B_MAC、WiseMAC和X_MAC等属于发送方发起；接收方发起的MAC协议有RI_MAC，PW_MAC和REA-MAC，在发送方发起MAC协议中，发送节点在发送数据包之前，先发送一个前同步码通知有数据通信。在接收方发起MAC协议中，当一个节点需要发送一个数据包，其由休眠状态转换到监听状态，先进行信道监听，当目的节点醒来之后，它发送一个beacon通知邻居节点，自己已经准备好接收数据，此时，发送节点向目的节点发送数据，REA-MAC协议是一种加强型路由异步占空比协议。REA-MAC协议根据跨层路由信息决定一个节点在操作周期内何时唤醒，从而减少多跳路径中数据包交付延迟，同时让节点根据数据包到达的时间和下一跳节点的唤醒时间之间的关系按需决定自身的唤醒时间，以减少发送节点的空闲侦听时间，从而减少各个节点的能量消耗，为了充分利用传感器节点的电池电量，有文献提出了一种基于传感器节点检测电量的异步休眠方法。该方法在无线传感器网络组网完成之后，根据预先确定的休眠周期安排节点休眠；并且对传感器节点电池的电量进行实时检测，如果检测到电量低于设定的闽值，则减少传感节点工作时间，从而降低能耗，保护低电量节点的能量。该方法考虑了低电量节点的能量保护，但未考虑在实际情况下数据传输与休眠的协调。从上述研究现状来看，人们对无线传感器网络休眠算法的研究、设计和改进工作一直都在进行，在休眠期的设置、不同类型节点休眠策略的设计和多级休眠等方面取得一定进展，但对于本项目的实际应用仍有些问题需要进一步研究解决：如现有的无线传感器网络休眠算法在工作周期内休眠时间的确定和结合逻辑地位的不同考虑休眠策略等方面存在不足，这将影响到采用异步休眠算法的无线传感器网络的节点能耗、寿命和网络性能。

发明内容

要解决的问题

针对现有现有的无线传感器网络休眠算法在工作周期内休眠时间的确定和结合逻辑地位的不同考虑休眠策略等方面存在不足，这将影响到采用异步休眠算法的无线传感器网络的节点能耗、寿命和网络性能的问题，本发明提供一种近地无线组网模块通信方法。

技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种近地无线组网模块通信方法，采用以下步骤：

步骤1：对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计；

步骤2：无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点；

步骤3：对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络；

步骤4：探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息；

步骤5：模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式。

优选地，所述步骤1中模块内部的各个组件和通信协议包括：MCU实现应用层、无线传感器网协议、MAC层协议、基带单元、数据链路层协议、接口芯片、射频单元和中频单元。

进一步地，所述基带单元采用软件无线电技术实现CSS扩频调制和FSK调制模式，所述CSS扩频技术利用频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，采用DM直接调制的方式。

进一步地，DM调制方式是在DPSK和DQPSK调制后的信号上乘以一个Chirp信号，进行扩频，扩频后Chirp信号相当于DSSS的PN序列，具体流程如下：先将输入的二进制流分成I和Q两个流，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I流，则第二个比特输入到Q流；串并变换(S/P)处理，将输入的I、Q两个子流中的二进制数据以3个比特为单位分别转化为符号流；然后进行一次数据符号到双正交码字的变换；最后进行Chirp扩频，也就是进行QPSK到QCSK的调制。

更进一步地，一个Chirp符号由4个Chirp脉冲构成，每个Chirp脉冲调制一个上述的QPSK码，因此一个Chirp符号可以编码4个QPSK码字，定义4种Chirp符号，占用两个相邻的子频带，Chirp信号可以表示为如下形式：

其中，n＝0,1,2,...，n是Chirp符号流中Chirp符号的编号；k＝0,1,2,3，k是一个Chirp符号中Chirp脉冲的编号；m＝1,2,3,4，m是4种Chirp符号的定义；f_k,m为第m种Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率；T_n,k,m为第n个Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率点的时间；t为时间值；μ是常数值，定义Chirp脉冲信号的特性；ξ_k,m指示一个Chirp脉冲周期内频率变化方向的参数，频率随时间增加为+1，随时间减少为-1；T_sub为一个Chirp脉冲的持续时间；T_chirp为一个Chirp符号的持续时间。

优选地，所述射频单元接收信号后，会将信号中的上变频经过滤波和匹配后，再进行高频功放，再次进行匹配，传输至射频开关，信号中的下变频经过滤波和匹配后，再经过低噪放大器，然后进行带通滤波，传输至射频开关，射频开关结结合传输，再进行滤波匹配，再将信号发送出去。

优选地，所述无线传感器网协议中的物理层定义数据传输的无线物理信道与MAC层间的接口，提供的功能服务包括PHY层数据服务和PHY层管理服务，其中PHY层数据服务主要实现PHY层协议栈的数据结构单元通过无线信道进行收发；PHY层管理服务负责维护PHY层相关参数构成的数据库；

物理层中的数据帧为物理层协议数据单元，其中每帧由同步头、PHY层帧头和PHY帧负载三部分组成，同步头包括前导码和帧定界符，其中前导码占4个字节，收发器会在接收前导码时，根据前导码序列特征完成码片同步和符号同步，帧定界符占1个字节，标志同步域的结束和物理帧开始，PHY帧头由帧长度域和保留位组成，帧长度域指示PHY帧负载域的长度，PHY帧负载，即PHY层服务数据单元PSDU，长度可变，携带PHY层数据帧的数据，用来承载MAC帧。

优选地，所述无线传感器网协议中的MAC层采用低功耗无线传感器网络的MAC技术，MAC协议采用异步协议，具体为一种基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法。

进一步地，基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法中的令牌方式是一种异步控制方式，通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用，令牌环上的每个节点都有自己的前继节点和后续节点，当节点收到前继节点发送的令牌后，开始在规定的时间内发送数据，然后再将令牌传向它的后续节点，每当节点发送数据的时间超出规定时长，就会被迫停止发送，将令牌传向后续节点，同一个令牌环上的所有节点按照接收令牌的次序，轮流享用同一个无线媒介；

令牌环允许节点动态地加入和离开，在转交令牌的过程中，每个节点对令牌的循环时间和令牌环上的节点数量进行检测，如果令牌环上存在着多余资源，节点就会向外面的节点发出邀请，想要加入令牌环的节点根据对条件的判断决定是否加入，对邀请做出响应，通过四握手机制，完成节点加入令牌环的过程；当节点要离开令牌环时，就会分别通知它的后续节点和前继节点，前继节点与其后续节点建立连接，如果不能成功的话，前继节点就会在连接表中寻找下一个连接节点，与其连接，再次闭合令牌环，如果令牌环上的节点在传递令牌时检测到它的后续节点失效，无法到达，就会在连接表中寻找下一个连接节点，建立新的连接；

每个令牌中都包含控制信息，令牌由帧控制(FC)、令牌环地址(RA)、源地址(SA)、目的地址(DA)、序列号(Seq)和生成序列号(GenSeq)字段构成，其中帧控制字段(FC)用来标识分组的类型；令牌环地址(RA)是指令牌所属的令牌环的地址，令牌环的地址是该环上其中一个节点的MAC地址；序列号(Seq)的初始值为零，每经过一个传递的节点，就会进行逐次的递加；生成序列号(GenSeq)是一个初始为零的值，每完成一轮令牌传递，就由令牌生成器进行一次递加。

优选地，所述无线传感器网协议中路由算法分为传输节点和探测节点：

传输节点呼叫规则：传输节点广播呼叫所有节点，如果在一次周期内信息收集完毕，则传输节点提前发送进入休眠指令，系统进入休眠，如果一次呼叫信息收集未完成，则呼叫二次，传输节点可随时发送休眠指令，只要传输节点检测到所有节点的信息都收集完毕，就可在下一层发送休眠指令；

探测节点发送规则：每一个探测节点收到其他探测节点的信息后，都会在本探测节点保存其他探测节点的信息，如果探测节点收到传输节点发送的休眠指令，则优先转发该指令，然后进入休眠。

一种近地无线组网模块通信方法，通过对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计，无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点，对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络，探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息，模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式，完成无线自组网，实现了野外、空旷无人区、山区、丛林、交通枢纽等区域快速建立通讯网络，方便人员携带及地面布设，可实现快速通讯和免维护应用，实现8小时到数天的通信，同时研发基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法，无需采用系统时统实现节点间的时间同步，就能节省能量开销，还能保证网络的稳定性。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明研发了一种基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法，采用令牌环的控制方式，无需采用系统时统实现节点间的时间同步，节省能量开销；同时也避免集中控制方式中，中心节点AP失效导致整个网络的瘫痪，具有较好的鲁棒性；

(2)本发明采用DM直接调制方式，在其他方式调制(如DPSK、DQPSK等)后的信号上乘以一个Chirp信号，以达到扩频的目的，这种调制方式结构简单，易于实现，而且整个系统可以只用一种Chirp信号，接收处理也方便，DM调制流程中采用双正交码字可以减少互相干扰和多径效应的影响；

(3)本发明通过将路由算法分为传输节点和探测节点，可节省工作时间，系统提高节电；还可以在不能预估系统有多少层的复杂环境时，设置冗余层数，而实际中心可根据收集信息的情况及时休眠系统，而不至于因为多设置层数而浪费系统工作时间从而浪费电池电量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或示例性中的技术方案，下面将对实施例或示例性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申请的一些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以按照这些附图示出的获得其他的附图。

图1为本发明的步骤示意图；

图2为本发明的模块总体框图；

图3为本发明的DM基本编码流程图；

图4为本发明的符号转化表1；

图5为本发明的符号转化表2；

图6为本发明的频率随时间变化图；

图7为本发明的射频单元原理图；

图8为本发明的物理层帧结构图；

图9为本发明的令牌帧结构图；

图10为本发明的传感器自组网络路由具体实现图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

实施例1

如图1所示，一种近地无线组网模块通信方法，包括以下流程：

对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计，无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点，对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络，探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息，模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式。

模块内部的各个组件和通信协议包括：MCU实现应用层、无线传感器网协议、MAC层协议、基带单元、数据链路层协议、接口芯片、射频单元和中频单元。

所述基带单元采用软件无线电技术实现CSS扩频调制和FSK调制模式，所述CSS扩频技术利用频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，采用DM直接调制的方式。

DM调制方式是在DPSK和DQPSK调制后的信号上乘以一个Chirp信号，进行扩频，扩频后Chirp信号相当于DSSS的PN序列，具体流程如下：先将输入的二进制流分成I和Q两个流，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I流，则第二个比特输入到Q流；串并变换(S/P)处理，将输入的I、Q两个子流中的二进制数据以3个比特为单位分别转化为符号流；然后进行一次数据符号到双正交码字的变换；最后进行Chirp扩频，也就是进行QPSK到QCSK的调制。

一个Chirp符号由4个Chirp脉冲构成，每个Chirp脉冲调制一个上述的QPSK码，因此一个Chirp符号可以编码4个QPSK码字，定义4种Chirp符号，占用两个相邻的子频带，Chirp信号可以表示为如下形式：

/>

其中，n＝0,1,2,...，n是Chirp符号流中Chirp符号的编号；k＝0,1,2,3，k是一个Chirp符号中Chirp脉冲的编号；m＝1,2,3,4，m是4种Chirp符号的定义；f_k,m为第m种Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率；T_n,k,m为第n个Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率点的时间；t为时间值；μ是常数值，定义Chirp脉冲信号的特性；ξ_k,m指示一个Chirp脉冲周期内频率变化方向的参数，频率随时间增加为+1，随时间减少为-1；T_sub为一个Chirp脉冲的持续时间；T_chirp为一个Chirp符号的持续时间。

所述射频单元接收信号后，会将信号中的上变频经过滤波和匹配后，再进行高频功放，再次进行匹配，传输至射频开关，信号中的下变频经过滤波和匹配后，再经过低噪放大器，然后进行带通滤波，传输至射频开关，射频开关结结合传输，再进行滤波匹配，再将信号发送出去。

所述无线传感器网协议中的物理层定义数据传输的无线物理信道与MAC层间的接口，提供的功能服务包括PHY层数据服务和PHY层管理服务，其中PHY层数据服务主要实现PHY层协议栈的数据结构单元通过无线信道进行收发；PHY层管理服务负责维护PHY层相关参数构成的数据库；

物理层中的数据帧为物理层协议数据单元，其中每帧由同步头、PHY层帧头和PHY帧负载三部分组成，同步头包括前导码和帧定界符，其中前导码占4个字节，收发器会在接收前导码时，根据前导码序列特征完成码片同步和符号同步，帧定界符占1个字节，标志同步域的结束和物理帧开始，PHY帧头由帧长度域和保留位组成，帧长度域指示PHY帧负载域的长度，PHY帧负载，即PHY层服务数据单元PSDU，长度可变，携带PHY层数据帧的数据，用来承载MAC帧。

所述无线传感器网协议中的MAC层采用低功耗无线传感器网络的MAC技术，MAC协议采用异步协议，具体为一种基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法。

基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法中的令牌方式是一种异步控制方式，通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用，令牌环上的每个节点都有自己的前继节点和后续节点，当节点收到前继节点发送的令牌后，开始在规定的时间内发送数据，然后再将令牌传向它的后续节点，每当节点发送数据的时间超出规定时长，就会被迫停止发送，将令牌传向后续节点，同一个令牌环上的所有节点按照接收令牌的次序，轮流享用同一个无线媒介；

令牌环允许节点动态地加入和离开，在转交令牌的过程中，每个节点对令牌的循环时间和令牌环上的节点数量进行检测，如果令牌环上存在着多余资源，节点就会向外面的节点发出邀请，想要加入令牌环的节点根据对条件的判断决定是否加入，对邀请做出响应，通过四握手机制，完成节点加入令牌环的过程；当节点要离开令牌环时，就会分别通知它的后续节点和前继节点，前继节点与其后续节点建立连接，如果不能成功的话，前继节点就会在连接表中寻找下一个连接节点，与其连接，再次闭合令牌环，如果令牌环上的节点在传递令牌时检测到它的后续节点失效，无法到达，就会在连接表中寻找下一个连接节点，建立新的连接；

每个令牌中都包含控制信息，令牌由帧控制(FC)、令牌环地址(RA)、源地址(SA)、目的地址(DA)、序列号(Seq)和生成序列号(GenSeq)字段构成，其中帧控制字段(FC)用来标识分组的类型；令牌环地址(RA)是指令牌所属的令牌环的地址，令牌环的地址是该环上其中一个节点的MAC地址；序列号(Seq)的初始值为零，每经过一个传递的节点，就会进行逐次的递加；生成序列号(GenSeq)是一个初始为零的值，每完成一轮令牌传递，就由令牌生成器进行一次递加。

所述无线传感器网协议中路由算法分为传输节点和探测节点：

传输节点呼叫规则：传输节点广播呼叫所有节点，如果在一次周期内信息收集完毕，则传输节点提前发送进入休眠指令，系统进入休眠，如果一次呼叫信息收集未完成，则呼叫二次，传输节点可随时发送休眠指令，只要传输节点检测到所有节点的信息都收集完毕，就可在下一层发送休眠指令；

探测节点发送规则：每一个探测节点收到其他探测节点的信息后，都会在本探测节点保存其他探测节点的信息，如果探测节点收到传输节点发送的休眠指令，则优先转发该指令，然后进入休眠。

通过上述描述可知，在本实例中，通过对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计，无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点，对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络，探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息，模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式，完成无线自组网，实现了野外、空旷无人区、山区、丛林、交通枢纽等区域快速建立通讯网络，方便人员携带及地面布设，可实现快速通讯和免维护应用，实现8小时到数天的通信。

实施例2

一种近地无线组网模块通信方法，包括以下流程：

对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计，无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点，对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络，探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息，模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式。

模块指标如下：

通讯频段为UV波段；

组网、中继与多跳能力：终端节点根据控制指令优先向中继节点发送信息，当被阻断时可通过附近其它终端中转向中继发送信息，即具备多跳能力，不少于3次；

系统建立网络时间20秒；工作温度为-40-+85℃；

低功耗模式：不进行数据传输时，网络进入低功耗模式，仅维护网络；

接入能力：当节点靠近时，自动联系成自组网网络；

接口：以太网；RS232串口，电源输入口；

终端节点重量：100g，仅包括电路板和天线，不包含电池，不需要壳体，但可以包括必要的电磁屏蔽罩；

尺寸：≤70×70mm；输入电压2.7V-4.4V；通讯功耗：≤2W；待机功耗：0.01W；通讯距离：

探测节点与传输节点之间：通视条件≥5km；非通视条件下≥1km；传输节点与传输节点之间：通视条件≥10km；非通视条件下≥2km；

通讯速率：10-56kbps，透传。

模块内部的各个组件和通信协议包括：MCU实现应用层、无线传感器网协议、MAC层协议、基带单元、数据链路层协议、接口芯片、射频单元和中频单元，晶振TCXO要求精度为1PPM。LAN接口芯片也是低功耗设计，具有休眠和唤醒功能。射频和中频单元选用极低功耗的SX1255实现，模块总体框图如图2所示。

详细技术指标如下：

工作频段：UV波段；发射功率：30dBm；最高接收灵敏度：-142dbm；中频信号形式：I/Q正交信号；中频频率：零中频；数据率：10～50Kbps可编程；调制方式：CSS、FSK；扩频系数：6～12；供电电压：+4.0V(±5％)；消耗电流：工作时小于0.8A，休眠时小于100uA；纠错编码：FEC 1/3、1/2；自检功能：开机自检、本地回环，远端回环；工作温度：-40～+700C。

基带单元是总体实现的关键，采用软件无线电技术实现CSS扩频调制和FSK调制模式，通过不同的调制波形设计，实现了不同通信速率、不同接收灵敏度指标，从而能适应环境的大范围、大动态变化和数据传输不同要求，另外，考虑到设备的体积和功耗。系统对基带处理单元总体技术要求是具有快速、宽范围的信号捕获与跟踪能力，体积小、功耗低、抗干扰能力强。

CSS扩频技术利用频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，因此不需要任何伪随机序列。Chirp扩频由于抗多普勒频移能力强，一般应用于雷达和水声通信中。由于不需要时间同步，因此也被一些低功耗的无线网络系统所采用。802.15.4a标准定义了一种基于CSS的物理层，而且LoraWAN也是采用基于CSS的专用物理层。

采用DM直接调制的方式，DM调制方式是在DPSK和DQPSK调制后的信号上乘以一个Chirp信号，进行扩频，扩频后Chirp信号相当于DSSS的PN序列，这种调制方式结构简单，易于实现，而且整个系统可以只用一种Chirp信号，接收处理也方便。802.15.4a定义的Chirp扩频就是采用了DM的方式。DM的基本编码流程如图3所示。

具体流程如下：先将输入的二进制流分成I和Q两个流，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I流，则第二个比特输入到Q流；串并变换(S/P)处理，将输入的I、Q两个子流中的二进制数据以3个比特为单位分别转化为符号流；然后进行一次数据符号到双正交码字的变换，采用双正交码字可以减少互相干扰和多径效应的影响，在802.15.4a中为数据速率1Mb/s的传输定义了图4和图5中的符号转化表；

最后进行Chirp扩频，也就是进行QPSK到QCSK的调制。

在802.15.4a中，一个Chirp符号由4个Chirp脉冲构成，每个Chirp脉冲调制一个上述的QPSK码，因此一个Chirp符号可以编码4个QPSK码字，在802.15.4a标准定义4种Chirp符号，占用两个相邻的子频带，频率随时间变化如图6所示，Chirp信号可以表示为如下形式：

/>

其中，n＝0,1,2,...，n是Chirp符号流中Chirp符号的编号；k＝0,1,2,3，k是一个Chirp符号中Chirp脉冲的编号；m＝1,2,3,4，m是4种Chirp符号的定义；f_k,m为第m种Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率；T_n,k,m为第n个Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率点的时间；t为时间值；μ是常数值，定义Chirp脉冲信号的特性；ξ_k,m指示一个Chirp脉冲周期内频率变化方向的参数，频率随时间增加为+1，随时间减少为-1；T_sub为一个Chirp脉冲的持续时间；T_chirp为一个Chirp符号的持续时间。

FSK调制是传统调制技术，简单而易于实现。用于固定速率的数据传输，最高通信速率为50Kbps。

射频单元原理如图7所示，所述射频单元接收信号后，会将信号中的上变频经过滤波和匹配后，再进行高频功放，再次进行匹配，传输至射频开关，信号中的下变频经过滤波和匹配后，再经过低噪放大器，然后进行带通滤波，传输至射频开关，射频开关结结合传输，再进行滤波匹配，再将信号发送出去。

射频单元属性如下：

1)输出功率(天线口)30dBm，发射杂散及谐波抑制：优于55dB；

2)接收灵敏度：-142dBm(最大)

3)频率稳定度：3ppm；

4)信道选择：控制锁相环分频比和DDS频率控制字；

5)中频频率：零中频；

6)AGC和接收电平指示功能RSSI；

7)输出本振失锁指示用于自检。

无线自组网的特点如下：

无中心组网模式：无线自组网采用无中心结构，所有节点的地位平等，组成一个对等式网络，节点可以随时加入或离开网络，任意节点的故障不会影响整个网络的运行。与有中心网络相比，无线自组网具有很强的抗毁性。

自组织：无线自组网没有严格的控制中心，所有节点通过分层的网络协议和分布式算法协调各自的行为。无中心和自组织特点使得无线自组网可以实现快速自动组网。

多跳路由：与普通网络中的多跳不同，网络中的多跳路由是由普通节点共同协作完成的，而不是由专用的路由设备(如路由器)完成的。反过来，如果可以使用多跳路由，节点的发送功率可以很低，从而达到节省电能、延长电池工作时间的目的。

动态拓扑：网络中，移动终端能够以任意可能的速度和移动模式移动，并且可以随时关闭电台，加上无线发送装置的无线类型多种多样、发送速率的变化、无线信道间的互相干扰、地形和天气等综合因素的影响，移动终端间通过无线信道形成的网络拓扑随时可能发生变化，而且变化的方式和速度都难以预测。

特殊的无线信道特征：网络采用无线传输技术，由于无线信道本身的特性，它所能提供的网络带宽相对于有线信道要低得多，并且无线信道的质量较差。考虑到竞争共享无线信道产生的冲突、信号衰减、噪音和信道之间的干扰等因素，移动终端获得的实际带宽远远小于理论上的最大带宽，并且会随时动态的发生变化。在无线自组网网络中，节点的发送功率也是受限的，一个节点的发送，只有其一跳相邻节点可以听到，而此范围之外的其他节点察觉不到。

无线自组网采用的网络构架有如下几种：

一种是平面网络结构。这种结构的特点是比较简单，所有节点在网络控制、路由选择和流量管理上都是平等的，因此又称为对等式结构。节点覆盖范围小，相对安全。不足之处在于控制开销很大，并且可扩充性很差。平面结构通常适用于中小规模的无线自组网网络；

一种是单频分集网络结构：在分级结构中，网络被划分成多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，簇头形成高一级的网络。分级结构可以分成单频分级结构和多频分级结构。在单频分级结构中，所有节点使用同一个频率通信。簇头和网关节点形成高一级的网络，称为虚拟骨干网络；

一种是多频分集网络结构：在多频分级结构中，不同级采用不同的通信频率。低级节点的通信范围较小，而高级节点要覆盖较大的范围。高级的节点同时处于多个级中，使用多个频率，用不同的频率实现不同级的通信。

分级结构的优点是簇成员的功能简单；易扩充，可以简单地通过增加簇的个数和网络的级数来增加网络规模；簇头可以选举产生，具抗毁性；缺点是需簇头选举算法和簇维护机制；增加了簇头的复杂性，簇头可能会成为瓶颈；簇头的路由不一定是最佳路由。

所述无线传感器网协议中的物理层定义数据传输的无线物理信道与MAC层间的接口，提供的功能服务包括PHY层数据服务和PHY层管理服务，其中PHY层数据服务主要实现PHY层协议栈的数据结构单元通过无线信道进行收发；PHY层管理服务负责维护PHY层相关参数构成的数据库；

PHY层主要实现以下几个功能：开关无线收发设备、为带有冲突避免载波侦听多路访问(CSMA/CA)进行空闲信道评估(ClearChannel Assessment,CCA)、接收信号强度指示(RSSI)、链路信噪比指示(SNR)、信道频率选择和数据接收发送。

物理层中的数据帧为物理层协议数据单元，其中(PHY Protocol Data Unit，PPDU)，其中每帧由同步头、PHY层帧头和PHY帧负载三部分组成。同步头包括前导码和帧定界符，其中前导码占4个字节，收发器会在接收前导码时，根据前导码序列特征完成码片同步和符号同步。帧定界符占1个字节，标志同步域的结束和物理帧开始。PHY帧头由帧长度域(7bit)和保留位(lbit)组成，帧长度域指示PHY帧负载域的长度。PHY帧负载，即PHY层服务数据单元PSDU，长度可变，携带PHY层数据帧的数据，通常用来承载MAC帧。物理层帧结构如图8所示。

所述无线传感器网协议中的MAC层采用低功耗无线传感器网络的MAC技术，MAC协议采用异步协议，具体为一种基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法，基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法中的令牌方式是一种异步控制方式，通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用，令牌环上的每个节点都有自己的前继节点和后续节点，当节点收到前继节点发送的令牌后，开始在规定的时间内发送数据，然后再将令牌传向它的后续节点，每当节点发送数据的时间超出规定时长，就会被迫停止发送，将令牌传向后续节点，同一个令牌环上的所有节点按照接收令牌的次序，轮流享用同一个无线媒介；

令牌环允许节点动态地加入和离开，在转交令牌的过程中，每个节点对令牌的循环时间和令牌环上的节点数量进行检测，如果令牌环上存在着多余资源，节点就会向外面的节点发出邀请，想要加入令牌环的节点根据对条件的判断决定是否加入，对邀请做出响应，通过四握手机制，完成节点加入令牌环的过程；当节点要离开令牌环时，就会分别通知它的后续节点和前继节点，前继节点与其后续节点建立连接，如果不能成功的话，前继节点就会在连接表中寻找下一个连接节点，与其连接，再次闭合令牌环，如果令牌环上的节点在传递令牌时检测到它的后续节点失效，无法到达，就会在连接表中寻找下一个连接节点，建立新的连接；

令牌帧结构如图9所示，每个令牌中都包含控制信息，令牌由帧控制(FC)、令牌环地址(RA)、源地址(SA)、目的地址(DA)、序列号(Seq)和生成序列号(GenSeq)字段构成，其中帧控制字段(FC)用来标识分组的类型；令牌环地址(RA)是指令牌所属的令牌环的地址，令牌环的地址是该环上其中一个节点的MAC地址；序列号(Seq)的初始值为零，每经过一个传递的节点，就会进行逐次的递加；生成序列号(GenSeq)是一个初始为零的值，每完成一轮令牌传递，就由令牌生成器进行一次递加。

所述无线传感器网协议中路由算法中的网络互连路由协议MANET自组网路由的特征如下：

无中心、分布式操作；提供无环路由；泛洪业务量较小，具备维护备份路由的能力；具有优越的节能策略；提供安全机制；具备支持不同性能节点的能力，如车载、便携节点；支持组播功能，具有QoS管理能力。传感器自组网络路由具体实现如图10所示

路由算法分为传输节点和探测节点：

传输节点呼叫规则：传输节点广播呼叫所有节点，如果在一次周期内信息收集完毕，则传输节点提前发送进入休眠指令，系统进入休眠，如果一次呼叫信息收集未完成，则呼叫二次，传输节点可随时发送休眠指令，只要传输节点检测到所有节点的信息都收集完毕，就可在下一层发送休眠指令；

探测节点发送规则：每一个探测节点收到其他探测节点的信息后，都会在本探测节点保存其他探测节点的信息，如果探测节点收到传输节点发送的休眠指令，则优先转发该指令，然后进入休眠。

以上所述实施例仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于，采用以下步骤：

步骤1：对无线自组网模块内部的各个组件和通信协议进行设计；

步骤2：无线自组网模块设计完成后，将模块节点分为数据探测节点和数据传输节点；

步骤3：对探测节点和传输节点进行布设，模块节点与通信范围内的其它模块节点建立通信连接，组建成自组网网络；

步骤4：探测节点根据控制指令向传输节点发送信息，当被阻断时通过附近其它探测节点中转，向传输节点发送信息；

步骤5：模块节点不进行数据传输时，进入低功耗模式。

2.根据权利要求1所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述步骤1中模块内部的各个组件和通信协议包括：MCU实现应用层、无线传感器网协议、MAC层协议、基带单元、数据链路层协议、接口芯片、射频单元和中频单元。

3.根据权利要求2所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述基带单元采用软件无线电技术实现CSS扩频调制和FSK调制模式，所述CSS扩频技术利用频率在整个带宽上线性变化的正弦脉冲信号来传输信息，采用DM直接调制的方式。

4.根据权利要求3所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：DM调制方式是在DPSK和DQPSK调制后的信号上乘以一个Chirp信号，进行扩频，扩频后Chirp信号相当于DSSS的PN序列，具体流程如下：先将输入的二进制流分成I和Q两个流，按照逐位交错分配：第一个比特输入到I流，则第二个比特输入到Q流；串并变换(S/P)处理，将输入的I、Q两个子流中的二进制数据以3个比特为单位分别转化为符号流；然后进行一次数据符号到双正交码字的变换；最后进行Chirp扩频，也就是进行QPSK到QCSK的调制。

5.根据权利要求4所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：一个Chirp符号由4个Chirp脉冲构成，每个Chirp脉冲调制一个上述的QPSK码，因此一个Chirp符号可以编码4个QPSK码字，定义4种Chirp符号，占用两个相邻的子频带，Chirp信号可以表示为如下形式：

其中，n＝0,1,2,...，n是Chirp符号流中Chirp符号的编号；k＝0,1,2,3，k是一个Chirp符号中Chirp脉冲的编号；m＝1,2,3,4，m是4种Chirp符号的定义；f_k,m为第m种Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率；T_n,k,m为第n个Chirp符号的第k个Chirp脉冲的中心频率点的时间；t为时间值；μ是常数值，定义Chirp脉冲信号的特性；ξ_k,m指示一个Chirp脉冲周期内频率变化方向的参数，频率随时间增加为+1，随时间减少为-1；T_sub为一个Chirp脉冲的持续时间；T_chirp为一个Chirp符号的持续时间。

6.根据权利要求2所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述射频单元接收信号后，会将信号中的上变频经过滤波和匹配后，再进行高频功放，再次进行匹配，传输至射频开关，信号中的下变频经过滤波和匹配后，再经过低噪放大器，然后进行带通滤波，传输至射频开关，射频开关结结合传输，再进行滤波匹配，再将信号发送出去。

7.根据权利要求2所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述无线传感器网协议中的物理层定义数据传输的无线物理信道与MAC层间的接口，提供的功能服务包括PHY层数据服务和PHY层管理服务，其中PHY层数据服务主要实现PHY层协议栈的数据结构单元通过无线信道进行收发；PHY层管理服务负责维护PHY层相关参数构成的数据库；

物理层中的数据帧为物理层协议数据单元，其中每帧由同步头、PHY层帧头和PHY帧负载三部分组成，同步头包括前导码和帧定界符，其中前导码占4个字节，收发器会在接收前导码时，根据前导码序列特征完成码片同步和符号同步，帧定界符占1个字节，标志同步域的结束和物理帧开始，PHY帧头由帧长度域和保留位组成，帧长度域指示PHY帧负载域的长度，PHY帧负载，即PHY层服务数据单元PSDU，长度可变，携带PHY层数据帧的数据，用来承载MAC帧。

8.根据权利要求2所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述无线传感器网协议中的MAC层采用低功耗无线传感器网络的MAC技术，MAC协议采用异步协议，具体为一种基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法。

9.根据权利要求8所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：基于令牌环的无线传感器网络异步休眠算法中的令牌方式是一种异步控制方式，通过建立逻辑令牌环实现对无线信道资源的管理和应用，令牌环上的每个节点都有自己的前继节点和后续节点，当节点收到前继节点发送的令牌后，开始在规定的时间内发送数据，然后再将令牌传向它的后续节点，每当节点发送数据的时间超出规定时长，就会被迫停止发送，将令牌传向后续节点，同一个令牌环上的所有节点按照接收令牌的次序，轮流享用同一个无线媒介；

令牌环允许节点动态地加入和离开，在转交令牌的过程中，每个节点对令牌的循环时间和令牌环上的节点数量进行检测，如果令牌环上存在着多余资源，节点就会向外面的节点发出邀请，想要加入令牌环的节点根据对条件的判断决定是否加入，对邀请做出响应，通过四握手机制，完成节点加入令牌环的过程；当节点要离开令牌环时，就会分别通知它的后续节点和前继节点，前继节点与其后续节点建立连接，如果不能成功的话，前继节点就会在连接表中寻找下一个连接节点，与其连接，再次闭合令牌环，如果令牌环上的节点在传递令牌时检测到它的后续节点失效，无法到达，就会在连接表中寻找下一个连接节点，建立新的连接；

每个令牌中都包含控制信息，令牌由帧控制(FC)、令牌环地址(RA)、源地址(SA)、目的地址(DA)、序列号(Seq)和生成序列号(GenSeq)字段构成，其中帧控制字段(FC)用来标识分组的类型；令牌环地址(RA)是指令牌所属的令牌环的地址，令牌环的地址是该环上其中一个节点的MAC地址；序列号(Seq)的初始值为零，每经过一个传递的节点，就会进行逐次的递加；生成序列号(GenSeq)是一个初始为零的值，每完成一轮令牌传递，就由令牌生成器进行一次递加。

10.根据权利要求2所述的一种近地无线组网模块通信方法，其特征在于：所述无线传感器网协议中路由算法分为传输节点和探测节点：

传输节点呼叫规则：传输节点广播呼叫所有节点，如果在一次周期内信息收集完毕，则传输节点提前发送进入休眠指令，系统进入休眠，如果一次呼叫信息收集未完成，则呼叫二次，传输节点可随时发送休眠指令，只要传输节点检测到所有节点的信息都收集完毕，就可在下一层发送休眠指令；

探测节点发送规则：每一个探测节点收到其他探测节点的信息后，都会在本探测节点保存其他探测节点的信息，如果探测节点收到传输节点发送的休眠指令，则优先转发该指令，然后进入休眠。

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