CN101977429B - 微功耗无线通信网络***及其实现方法 - Google Patents

微功耗无线通信网络***及其实现方法 Download PDF

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Abstract

一种微功耗无线通信网络***及其实现方法，所述微功耗无线通信网络***包括至少一个微功耗无线网络终端设备WED、至少一个微功耗无线网络接入点设备WAP和一个网络主监控管理终端LMS_PC。本发明的网络节点容量大、具有网络冗余功能，并且显著地降低了电池供电设备的功耗，使通讯节点设备的电池寿命达到1-2年以上。

Description

微功耗无线通信网络***及其实现方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信网络技术，尤其是一种微功耗无线通信网络***及其实现方法。
背景技术
无线通信网络技术尤其是微功耗无线通信网络技术是构建物联网的重要基础，在物联网***中，由于大量通讯节点不具备布线条件，必须使用电池供电，因而如何有效降低通讯中的能耗就成了物联网通信***中极其重要的问题。在现代物联中，大多数节点设备工作模式都是突发式非连续型的，因而如何降低每次突发通讯时的功耗，成为解决通讯节点功耗问题的一个重要课题。
现有的无线通信技术包括采用ZigBee协议或Bluetooth的产品，虽然也称为微功耗或低功耗产品，但实际功耗仍然较大，采用电池供电时，其电池寿命一般只有几个星期到几个月。
同时，现代物联网需要网络通信技术支持大规模组网能力，即网络必须要有能力容纳大量的接入节点，现有技术无法满足大规模网络运行的要求。
另外，由于物联网网络规模大，节点众多，这就需要网络具有容错和自我修复能力，以及良好的故障诊断能力。
发明内容
本发明提供一种微功耗无线通信网络的***及其实现方法，以解决现有无线通信网络***存在的功耗大、网络节点容量小，并且网络容错、自我修复和故障诊断能力差的问题，可广泛应用于各种现代物联网***中。
为解决上述技术问题，本方案首先提供一种微功耗无线通信网络***，所述微功耗无线通信网络***包括至少一个微功耗无线网络终端设备WED、至少一个微功耗无线网络接入点设备WAP和一个网络主监控管理终端LMS_PC，其中：
    所述微功耗无线网络接入点设备WAP由其内部的有线网络通信模块通过有线网络与网络主监控管理终端LMS_PC进行通信，并且由其内部的WAP微功耗无线网络通信模块创建微功耗无线通信网络，并通过微功耗无线通信网络与微功耗无线网络终端设备WED进行通信；
   所述微功耗无线网络终端设备WED由其内部的WED微功耗无线网络通信模块通过微功耗无线通信网络与微功耗无线网络接入点设备WAP进行通信。
本发明所述微功耗无线通信网络***，其中，所述微功耗无线通信网络***还可包括有至少一个微功耗无线网络桥接设备WNB，用于微功耗无线通信网络通信距离的扩展，所述微功耗无线网络桥接设备WNB，由其内部的WNB微功耗无线网络通信模块通过微功耗无线通信网络与微功耗无线网络接入点设备WAP或微功耗无线通信网络***中的其它微功耗无线网络桥接设备WNB进行通信；另一方面所述的微功耗无线网络桥接设备WNB由其内部的WNB微功耗无线网络通信模块通过微功耗无线通信网络与微功耗无线网络终端设备WED进行通信。
所述微功耗无线网络接入点设备WAP包括： WAP MCU模块、WAP有线网络通信模块、WAP非易失性存储器模块、WAP微功耗无线网络通信模块；
其中，WAP MCU模块用于数据处理；WAP有线网络通信模块与WAP MCU模块相连，用于与网络主监控管理终端LMS_PC进行通信，并把网络主监控管理终端LMS_PC传送来的数据交于WAP MCU处理；WAP非易失性存储器模块与WAP MCU模块相连，用于处理后数据的存储；WAP微功耗无线网络通信模块与WAP MCU模块相连，用于与微功耗无线通信网络***中的其它设备进行通信，并把微功耗无线通信网络***中的其它设备传送来的数据交于WAP MCU处理。
所述微功耗无线网络终端设备WED包括：WED MCU模块、WED微功耗无线网络通信模块、WED非易失性存储器模块、WED输入输出模块；
其中，WED MCU模块用于数据处理；WED微功耗无线网络通信模块与WED MCU模块相连，用于与微功耗无线通信网络***中的其它设备进行通信，并把微功耗无线通信网络***中的其它设备传送来的数据交于WED MCU处理；WED非易失性存储器模块与WED MCU模块相连，用于处理后数据的存储；WED输入输出模块与WED MCU模块相连，用于现场状态信号的输入检测和现场控制信号的输出控制。
所述微功耗无线网络桥接设备WNB包括：WNB MCU模块、WNB微功耗无线网络通信模块、WNB非易失性存储器模块；
其中，WNB MCU模块用于数据处理；WNB微功耗无线网络通信模块与WNB MCU模块相连，用于与微功耗无线通信网络***中的其它设备进行通信，并把微功耗无线通信网络***中的其它设备传送来的数据交于WNB MCU处理；WNB非易失性存储器模块与WNB MCU模块相连，用于处理后数据的存储。
本发明还提供一种微功耗无线通信网络***的自动组网实现方法，无线网络由微功耗无线网络接入点设备WAP创建，WNB设备和WED设备会搜索附近所有WAP设备或WNB设备，对比各个WAP设备或WNB设备的无线信号强弱情况，以信号最佳原则自动选择信号最强的设备作为父设备。
本发明所述的自动组网实现方法，其中，所述方法包括如下步骤：
（1）所述微功耗无线网络接入点设备 WAP，通过有线网络与所述网络主监控管理终端LMS_PC进行通讯；并且自动检测空闲信道，创建微功耗无线通信网络；并通过该微功耗无线网络与微功耗无线网络终端设备WED、及可扩展通信距离的微功耗无线网络桥接设备WNB通信，并且接受这些设备加入其创建的微功耗无线通信网络；
（2）所述微功耗无线网络桥接设备WNB，自动搜索附近的微功耗无线通信网络，并检测所搜索到的微功耗无线网络中各个微功耗无线网络接入点设备WAP和微功耗无线网络桥接设备WNB信号强度，自动接入到信号最强的WAP或者WNB，并把该WAP或者WNB作为自己的父设备；
（3）所述微功耗无线网络桥接设备WNB，在接入到某一WAP或者WNB后，通过微功耗无线网络与其它WED、WNB通信，并接受这些设备的加入申请，接收其作为自己的子设备；
（4）所述微功耗无线网络终端设备WED，自动搜索附近的微功耗无线通信网络，并检测所搜索到的微功耗无线网络中各个微功耗无线网络接入点设备WAP和微功耗无线网络桥接设备WNB信号强度，自动接入到信号最强的WAP或者WNB，并把该WAP或者WNB作为自己的父设备；
（5）所述微功耗无线网络终端设备WED，在接入到某一WAP或者WNB后，马上进入休眠状态，并且每隔一定的时间自动唤醒，同其父设备进行联机通信一次或多次，完成后马上重新进入休眠状态；
（6）微功耗无线网络正常运行后，若其中某几个微功耗无线网络接入点设备 WAP或者微功耗无线网络桥接设备WNB出现故障，那么以其作为父设备的WNB设备或WED设备，将会重新搜索其它WAP或者WNB，对比各个WAP设备或WNB设备的无线信号强弱情况，以信号最佳原则自动选择信号最强的其它WAP设备或WNB设备作为父设备，整个微功耗无线网络具有冗余功能。
进一步地，本发明还提供微功耗无线通信网络***的通信数据传送方法，其中，网络主监控管理终端LMS_PC、微功耗无线网络接入点设备WAP和微功耗无线网络桥接设备WNB中都存有一张实时更新的网络路由表，两个设备之间的通信数据可以通过其它设备进行路由间接传递。
本发明所述通信数据传送方法，其中，所述方法包括如下步骤：
下行数据传递步骤，即LMS_PC将数据发送到某一无线设备：
（A1）LMS_PC通过查询数据库中的路由表，，找出目标地址的下一跳WAP地址，将数据通过有线网络发送给该WAP；
（A2）WAP接收到数据后，通过其内的路由表及相应的路由方法，找出目标地址的下一跳WNB地址，把数据转发到该WNB；
（A3）WNB接收到数据后，通过查询其内部的路由表，找出目标地址的下一跳WNB地址，把数据转发到下一个WNB；
（A4）重复（A3）步骤，如目标设备为在线设备，那么就直到传送到目标设备，如目标设备是休眠设备，那么就直到传送到目标设备的父设备；
（A5）如目标设备是休眠设备，那么目标设备的父设备在收到数据后，先保存，等待目标设备与其联机；
（A6）目标设备定时唤醒后，与其父设备进行联机，其父设备就把数据发送到该目标设备；
上行数据传递步骤，即某一无线设备将数据发送到LMS_PC：
（B1）该无线设备将数据发送给其父设备。
（B2）如父设备是WAP，那么该WAP就把数据直接发送给LMS_PC。如父设备是WNB，那么就通过查询其内部的路由表，找出目标地址的下一跳WNB地址，把数据转发到该WNB；
（B3）重复（B2）步骤，直到最终把数据传送到WAP，再由该WAP把数据发送给LMS_PC。
进一步地，步骤（A6）中，所述目标设备与父设备联机后，如父设备无该目标设备的通信数据，那么就发送无数据传递命令给目标设备，如父设备有该目标设备的通信数据，就马上把数据发送给该目标设备，直到没有数据后再发送无数据传递命令；目标设备收到无数据传递命令后就马上进入休眠状态。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种低功耗无线通信网络***及其实现方法，其网络节点容量大、具有网络冗余功能，并且显著地降低了电池供电设备的功耗，使通讯节点设备的电池寿命达到1-2年以上。
附图说明
图1是本发明网络***实施例的原理框图。
图2是本发明无线网络接入点设备WAP的原理框图。
图3是本发明微功耗无线网络终端设备WED的原理框图。
图4是本发明所述无线网络桥接设备WNB的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，是本发明***实施例的原理框图，在所述微功耗无线网络***中包括四种设备、两种网络。
设备：
(1)  一台安装有管理软件的管理计算机，网络主监控管理终端LMS_PC
(2)  无线网络接入点设备以两台为例，分别是WAP11、WAP21
(3)  无线网络桥接设备以四台为例，分别是WNB12、WNB13、WNB22、WNB23
(4)  无线网络终端设备以三台为例，分别是WED01、WED02、WED03
实际使用时，可以配置上万台如上设备。
网络：
（1）       无线网络接入点设备WAP与网络主监控管理终端LMS_PC之间的有线通信网络，可以是以太网、RS485、CAN等目前通用的网络。目前应用比较广泛、组网比较方便的是使用以太网。
（2）       无线网络接入点设备WAP、无线网络桥接设备WNB、无线网络终端设备WED之间进行通信的微功耗无线网络。
网络组建步骤：
    步骤101：网络主监控管理终端LMS_PC运行，在有线网络上监控下面各个设备的加入申请。
步骤102：无线网络接入点设备WAP11、WAP21运行，在有线网络上搜索主监控管理终端LMS_PC，并申请创建微功耗无线网络。
步骤103：网络主监控管理终端LMS_PC接收到WAP11、WAP21的申请后，根据其已经存在的无线网络情况，分别授权给WAP11、WAP21相应的无线网络频段组，并允许其创建微功耗无线网络。同时创建一张路由表，描述WAP11、WAP21相应的地址。
步骤104：无线网络接入点设备WAP11、WAP21接收到网络主监控管理终端LMS_PC授权命令后，搜索所分配的无线网络频段组，在空闲频段创建各自的微功耗无线网络。
步骤105：无线网络桥接设备WNB12、WNB13、WNB22、WNB23运行，搜索是否存在无线网络。
步骤106：无线网络接入点设备WAP11、WAP21在接收到各个设备WNB12、WNB13、WNB22、WNB23,网络搜索命令后，发送搜索应答命令给各个设备。
步骤107：无线网络桥接设备WNB12、WNB13、WNB22、WNB23收到WAP11、WAP21的搜索应答命令后，比较接收到的WAP11、WAP21信号强度，选择信号最强的作为自己的父设备。这里WNB12选择WAP11作为父设备，WNB22选择WAP21作为父设备，而WNB13、WNB23没有搜索到网络。WNB12给WAP11发申请加入命令，WNB22给WAP21发申请加入命令。而WNB13、WNB13继续搜索网络。
步骤108：WAP11、WAP21在接收到各自的WNB12、WNB22的申请加入命令后，发送允许加入命令给WNB12、WNB22。并发送有新设备加入命令给网络主监控管理终端LMS_PC。同时，WAP11更新路由表，描述WNB12的下一跳地址；WAP21更新路由表，描述WNB22的下一跳地址；WAP11、WAP21同时把更新的路由表信息发送给LMS_PC。
步骤109：WNB12、WNB22收到允许加入命令后，就进入网络已经连接状态，监听本网络通信状态，并且WNB12定时与WAP11，WNB22定时与WAP21进行联机通信。
步骤110：在WNB12、WNB22进入网络已经连接状态后，监听到WNB13、WNB23搜索网络的搜索命令，与步骤105到步骤109相类似步骤，WNB13选择WNB12作为父设备、WNB23选择WNB22作为父设备加入到微功耗无线网络中。同时，WAP11更新路由表，描述WNB13的下一跳地址；WAP21更新路由表，描述WNB23的下一跳地址；WNB12更新路由表，描述WNB13的下一跳地址；WNB22更新路由表，描述WNB23的下一跳地址。WAP11、WAP21同时把更新的路由表信息发送给LMS_PC。
步骤111：WED01、WED02、WED03运行，与步骤105到步骤109相类似步骤，WED01选择WAP11作为父设备、WED02选择WNB22作为父设备、WED03选择WNB13作为父设备,加入到微功耗无线网络。同时各个节点设备更新自己的路由表，并由WAP把更新的路由表信息发送给LMS_PC。但此时WED设备就马上进入到休眠状态，不监听本网络通信状态，只是定时与其父设备联机通信一下，或者有事件发生后与父设备通信。至此，网络环境已经基本创建成功。
冗余处理：
    如果WAP11不能正常工作，那么WNB12、WED01就会重新搜索网络，以就近原则（选择信号强度最强的设备）选择WAP21或者WNB22作为自己的父设备。WNB12所带的子设备状态不变。同时，WAP21或者WNB22会更新路由表信息，并会把更新的路由表信息发送给LMS_PC。
同样，如果WNB12不能正常工作，那么WNB13就会重新搜索网络，以就近原则（选择信号强度最强的设备）选择WNB22或者WNB23作为自己的父设备。WNB13所带的子设备状态不变。同时，WNB22或者WNB23会更新路由表信息，并会把更新的路由表信息发送给LMS_PC。
应用数据传输步骤：
（1）网络主监控管理终端LMS_PC到各个设备的传输方向
A、以LMS_PC到为WNB13为例
步骤201：LMS_PC查询数据库中的路由表，通过有线网络先把数据发送给WAP11。
步骤202：WAP11收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WNB12。
步骤203：WNB12收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WNB13。
步骤204：WNB13收到数据后，得知是发送给自己的数据，执行，并且把命令执行情况返回给父设备WNB12。
步骤205：WNB12收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把命令执行情况数据发送给WAP11。
步骤206：WAP11收到数据后，查询数据库中的路由表，通过有线网络把命令执行情况数据发送给LMS_PC。
B、以LMS_PC到WED03为例
步骤301：LMS_PC查询数据库中的路由表，通过有线网络先把数据发送给WAP11。
步骤302：WAP11收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WNB12。
步骤303：WNB12收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WNB13。
步骤304：WNB13收到数据后，得知是发送给自己子设备的数据，并且该子设备是处在休眠状态，就把数据缓存，等待WED03自动唤醒。
步骤305：WED03唤醒后与父设备WNB13联机，WNB13就把数据发送给WED03。
步骤306：WED03收到数据后，得知是发送给自己的数据，执行，并且把命令执行情况返回给父设备WNB13。
步骤307：WNB13收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把命令执行情况数据发送给WNB12。
步骤308：WNB12收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把命令执行情况数据发送给WAP11。
步骤309：WAP11收到数据后，查询数据库中的主机地址，通过有线网络把命令执行情况数据发送给LMS_PC。
（2）各个设备到网络主监控管理终端LMS_PC的传输方向
以WED03到LMS_PC为例
步骤401：WED01有事件发生后，马上把数据发送给其父设备WNB13，如不能发送成功，就把数据保存入自己的非易失性存储器中。
步骤402：WNB13收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WNB12。
步骤403：WNB12收到数据后，查询数据库中的路由表，通过无线网络把数据发送给WAP11。
步骤404：WAP11收到数据后，查询数据库中的主机地址，通过有线网络把数据发送给LMS_PC。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
本发明所述方案，并不仅仅限于说明书和实施方式中所列应用。对本发明技术所属领域的普通技术人员来说，可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，而所有这些相应的改变和变形都属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种微功耗无线通信网络***的自动组网实现方法，其特征在于无线网络由微功耗无线网络接入点设备WAP创建，WNB设备和WED设备会搜索附近所有WAP设备或WNB设备，对比各个WAP设备或WNB设备的无线信号强弱情况，以信号最佳原则自动选择信号最强的设备作为父设备；所述的自动组网实现方法包括如下步骤：
（1）所述微功耗无线网络接入点设备 WAP，通过有线网络与所述网络主监控管理终端LMS_PC进行通讯；并且自动检测空闲信道，创建微功耗无线通信网络；并通过该微功耗无线网络与微功耗无线网络终端设备WED、及可扩展通信距离的微功耗无线网络桥接设备WNB通信，并且接受这些设备加入其创建的微功耗无线通信网络；
（2）所述微功耗无线网络桥接设备WNB，自动搜索附近的微功耗无线通信网络，并检测所搜索到的微功耗无线网络中各个微功耗无线网络接入点设备WAP和微功耗无线网络桥接设备WNB信号强度，自动接入到信号最强的WAP或者WNB，并把该WAP或者WNB作为自己的父设备；
（3）所述微功耗无线网络桥接设备WNB，在接入到某一WAP或者WNB后，通过微功耗无线网络与其它WED、WNB通信，并接受这些设备的加入申请，接收其作为自己的子设备；
（4）所述微功耗无线网络终端设备WED，自动搜索附近的微功耗无线通信网络，并检测所搜索到的微功耗无线网络中各个微功耗无线网络接入点设备WAP和微功耗无线网络桥接设备WNB信号强度，自动接入到信号最强的WAP或者WNB，并把该WAP或者WNB作为自己的父设备；
（5）所述微功耗无线网络终端设备WED，在接入到某一WAP或者WNB后，马上进入休眠状态，并且每隔一定的时间自动唤醒，同其父设备进行联机通信一次或多次，完成后马上重新进入休眠状态；
（6）微功耗无线网络正常运行后，若其中某几个微功耗无线网络接入点设备 WAP或者微功耗无线网络桥接设备WNB出现故障，那么以其作为父设备的WNB设备或WED设备，将会重新搜索其它WAP或者WNB，对比各个WAP设备或WNB设备的无线信号强弱情况，以信号最佳原则自动选择信号最强的其它WAP设备或WNB设备作为父设备，整个微功耗无线网络具有冗余功能。
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