CN106060871A - 一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法 - Google Patents

一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于低功耗微功率无线的组网和数据转发方法，其特征在于它包括低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读策略。1)具有组网功能：结合良好的射频性能可以大大增加无线传输距离，解决了目前无线表计通信死角的问题；2)通信实时性好：可以由主站主动发起通信，子节点在数秒内响应，用户体验良好；3)通过本发明描述的唤醒方案，表计可以超低功耗运行；综合考虑现场环境，使用电池供电的情况下水表可以使用8年以上。

Description

一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法
技术领域
本发明属于低功耗微功率无线自组网通信领域，具体是一种带休眠模式的低功耗微功率无线集抄方法。本发明用于解决四表集抄***中，电池供电设备的功耗问题和设备的远距离组网通讯问题。
背景技术
近年来，随着无线通讯、集成电路、控制***等技术的飞速发展，使得低成本、低功耗、多功能的无线传感设备大量生产和使用成为可能。在四表集抄、智能家居、物联网等领域，与无线传感设备相关的低功耗微功率无线自组网通信技术的应用前景也更加广阔。在四表集抄领域，低功耗微功率无线通讯自组网络是实现水、电、气、热用户数据信息汇集、传输和交互的通信网络。发射功率受到国家无线电管理的严格限制，子节点位置固定，通信链路相对稳定。
由于水、气、热表无法取电，需要使用低功耗微功率无线通讯技术进行数据信息汇集和传输。
低功耗微功率无线自组织网络包括三种通信设备，一种是集成在接口转换器的中心节点模块，以下简称中心节点；一种是参与组网，并可以进行用户数据转发的中继设备，以下简称中继节点；另一种是集成在水气热表中的子节点模块，以下简称子节点。中心节点与中继节点、子节点之间可以通信。但中继节点、子节点之间相互不能直接通信。子节点只能进行数据应答。
在四表集抄领域，水、气、热表是无电源供电的。表计数据信息传输等所消耗能量的多少，对于表计运行的持久性有着决定性的影响。因此基于低功耗唤醒和数据传输的无线通讯技术是本文描述的重点。
发明内容
本发明针对低功耗微功率无线自组织网的通信特点，提出一种采用唤醒方式的组网和通信方式。
技术方案：一种基于低功耗微功率无线的组网和数据转发方法，它包括低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读策略。
通过低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读等方式，将水、气、热表数据信息汇聚到中心节点端，再通过上行规约发送给集中器和主站。
优选的，所述所述低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发流程为：
a.中心节点发送唤醒包，之后发送组网信标帧，组网信标帧中包含中继节点时隙个数和子节点时隙个数，工作信道号等信息；
b.中继节点在自唤醒休眠间隔内，自唤醒并接收到唤醒包，等待N个唤醒包周期后接收组网信标帧，按照组网信标帧的中继节点时隙个数或子节点时隙个数与自身短地址的模，得到相应的转发时隙，并获取组网信标帧中的工作信道，在工作信道和维护信道进行跳频接收，跳频接收的最大超时时间为4轮信标轮次时间；其中，中继节点或子节点转发的组网信标帧称之为再生信标帧；
中继节点转发时隙＝中继节点短地址％中继节点时隙个数；
子节点转发时隙＝子节点短地址％子节点时隙个数；
c.中继节点等待中继节点发送时隙，发送唤醒包和数据包，唤醒周围未被唤醒的中继节点和子节点，并在信标轮次内，继续跳频接收；
d.子节点在自唤醒休眠间隔内，接收到唤醒包，之后接收到组网信标帧，按照组网信标帧子节点时隙个数与自身短地址的模，得到转发时隙，并休眠等待发送；
e.子节点再生信标帧转发时隙是按照子节点转发时隙计算得到的，子节点只发送再生信标帧，不发送唤醒包；
f.中心节点或周围的未休眠中继节点接收到其他中继节点或子节点发出的再生信标帧后，记录邻居关系和场强值；
g.子节点收到信标帧后，使用子节点地址作为组网信标帧的源地址进行信标转发，所述信标帧包括中心节点发出的组网信标帧和中继节点转发的再生信标帧。
低功率休眠唤醒过程中，中心节点选择用超帧的结构，按照中继节点和子节点的数量，对其信道的时间划出范围；超帧中规定了中继节点和子节点的转发时隙间隔和时隙数量；超帧是以组网信标帧的传输作为边界的。
优选的，中继节点接收到组网信标帧之后，会进入跳频接收状态，同时监听工作信道和维护信道，跳频时长为组网信标帧转发总轮次时长。
优选的，所述节点信息收集、网络配置管理流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送节点信息收集帧，节点信息收集帧仅针对中继节点进行，如果没有中继节点，则直接进行节点配置；
c.中继节点需要对节点信息收集帧进行应答：告知中心节点当前中继节点周围的邻居关系和场强值；
d.中心节点进行完节点信息收集后，进入网络配置；
e.配置中继节点或子节点之前，先唤醒需要配置的子节点或者到达该子节点的中继节点；
f.唤醒后，中心节点发送网络配置帧，中继节点或子节点发送配置应答帧。
优选的，组网过程中，节点信息收集仅针对中继节点进行，且中继节点需要记录子节点组网信标帧转发的信道号，并从该信道进行场强收集。
优选的，组网过程中，网络配置管理会对所有节点进行；中继节点和子节点在接收到网络配置帧以后，需要进行信道切换，进入在网状态。
优选的，所述基于休眠唤醒的数据转发抄读流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送数据抄读帧；
c.如果下一级是子节点，则进行数据解帧和组帧，并应答该数据抄读；
如果下一级为中继节点，则中继节点需要启动发送唤醒包序列，同时计算出该转发帧到达子节点的时长和子节点应答并转发给当前中继节点的时长，设置休眠时间；
d.循环步骤c；
e.直到该数据抄读的应答帧被中心节点接收到，转发流程结束。
更优的，数据抄读帧使用唤醒包唤醒方式，唤醒包包含了当前唤醒包序号和需要唤醒的目的节点地址。
优选的，步骤c带中继数据转发流程，应答过程经过的中继节点使用自动唤醒机制等待接收应答帧并转发。
本发明的有益效果
相对于现有低功耗无线通信，该方案具有如下优点：
1)具有组网功能：结合良好的射频性能可以大大增加无线传输距离，解决了目前无线表计通信死角的问题；
2)通信实时性好：可以由主站主动发起通信，子节点在数秒内响应，用户体验良好；
3)通过本发明描述的唤醒方案，表计可以超低功耗运行；综合考虑现场环境，使用电池供电的情况下水表可以使用8年以上。
附图说明
图1为组网信标帧广播收发时隙图
A:唤醒包发送时隙
B:自唤醒时隙
D:数据包发送时隙
R:数据包接收时隙
NA:唤醒包等待时隙
ND:数据包等待时隙
图2为数据抄读帧转发流程图
图3为数据应答帧转发流程图
图4为数据抄读与应答转发时隙图
具体实施方式
下面结合图1-图4对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
实施例1：一种基于低功耗微功率无线的组网和数据转发方法，它包括低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读策略。
该实施例通过低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读等方式，将水、气、热表数据信息汇聚到中心节点端，再通过上行规约发送给集中器和主站。
实施例2：如实施例1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，所述低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发流程为：
a.中心节点发送唤醒包，之后发送组网信标帧，组网信标帧中包含中继节点时隙个数和子节点时隙个数，工作信道号等信息；
b.中继节点在自唤醒休眠间隔内，自唤醒并接收到唤醒包，等待N个唤醒包周期后接收组网信标帧，按照组网信标帧的中继节点时隙个数或子节点时隙个数与自身短地址的模，得到相应的转发时隙，并获取组网信标帧中的工作信道，在工作信道和维护信道进行跳频接收，跳频接收的最大超时时间为4轮信标轮次时间；其中，中继节点或子节点转发的组网信标帧称之为再生信标帧；
中继节点转发时隙＝中继节点短地址％中继节点时隙个数；
子节点转发时隙＝子节点短地址％子节点时隙个数；
c.中继节点等待中继节点发送时隙，发送唤醒包和数据包，唤醒周围未被唤醒的中继节点和子节点，并在信标轮次内，继续跳频接收；
d.子节点在自唤醒休眠间隔内，接收到唤醒包，之后接收到组网信标帧，按照组网信标帧子节点时隙个数与自身短地址的模，得到转发时隙，并休眠等待发送；
e.子节点再生信标帧转发时隙是按照子节点转发时隙计算得到的，子节点只发送再生信标帧，不发送唤醒包；
f.中心节点或周围的未休眠中继节点接收到其他中继节点或子节点发出的再生信标帧后，记录邻居关系和场强值；
g.子节点收到信标帧后，使用子节点地址作为组网信标帧的源地址进行信标转发，所述信标帧包括中心节点发出的组网信标帧和中继节点转发的再生信标帧。
实施例3：如实施例2所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，低功率休眠唤醒过程中，中心节点选择用超帧的结构，按照中继节点和子节点的数量，对其信道的时间划出范围；超帧中规定了中继节点和子节点的转发时隙间隔和时隙数量；超帧是以组网信标帧的传输作为边界的。
实施例4：如实施例2所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，中继节点接收到组网信标帧之后，会进入跳频接收状态，同时监听工作信道和维护信道，跳频时长为组网信标帧转发总轮次时长。
实施例5：如实施例1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，所述节点信息收集、网络配置管理流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送节点信息收集帧，节点信息收集帧仅针对中继节点进行，如果没有中继节点，则直接进行节点配置；
c.中继节点需要对节点信息收集帧进行应答：告知中心节点当前中继节点周围的邻居关系和场强值；
d.中心节点进行完节点信息收集后，进入网络配置；
e.配置中继节点或子节点之前，先唤醒需要配置的子节点或者到达该子节点的中继节点；
f.唤醒后，中心节点发送网络配置帧，中继节点或子节点发送配置应答帧。
实施例6：如实施例5所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，组网过程中，节点信息收集仅针对中继节点进行，且中继节点需要记录子节点组网信标帧转发的信道号，并从该信道进行场强收集。
实施例7：如实施例5所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，组网过程中，网络配置管理会对所有节点进行；中继节点和子节点在接收到网络配置帧以后，需要进行信道切换，进入在网状态。
实施例8：结合图2，如实施例1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，所述基于休眠唤醒的数据转发抄读流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送数据抄读帧；
c.如果下一级是子节点，则进行数据解帧和组帧，并应答该数据抄读；
如果下一级为中继节点，则中继节点需要启动发送唤醒包序列，同时计算出该转发帧到达子节点的时长和子节点应答并转发给当前中继节点的时长，设置休眠时间；
d.循环步骤c；
e.直到该数据抄读的应答帧被中心节点接收到，转发流程结束。
优选的实施例中：子节点不在网，中心节点会在维护信道尝试唤醒子节点，然后进行直接抄读尝试；子节点在网后，中心节点仅在工作信道唤醒路径列表中的下一层在网中继节点或子节点，然后进行抄读，路径列表中的后续在网中继节点也遵循这一规则。
优选的实施例中：因为唤醒包唤醒过程是需要花费时间的，时间过长，会影响用户体验，降低抄表效率，且考虑到子节点对功耗的要求，为了节省功耗，子节点发送应答帧数据报文，不会发起唤醒包来唤醒它的上一层中继节点，而是通过中继节点自唤醒的方式来转发应答帧报文。
实施例9：如实施例8所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，数据抄读帧使用唤醒包唤醒方式，唤醒包包含了当前唤醒包序号和需要唤醒的目的节点地址。
实施例10：如实施例8所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，步骤c带中继数据转发流程，应答过程经过的中继节点使用自动唤醒机制等待接收应答帧并转发。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神做举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种基于低功耗微功率无线的组网和数据转发方法，其特征在于它包括低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发、节点信息收集、网络配置管理以及基于休眠唤醒的数据转发抄读策略。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于所述低功耗休眠唤醒、组网信标帧转发流程为：
a.中心节点发送唤醒包，之后发送组网信标帧，组网信标帧中包含中继节点时隙个数和子节点时隙个数，工作信道号等信息；
b.中继节点在自唤醒休眠间隔内，自唤醒并接收到唤醒包，等待N个唤醒包周期后接收组网信标帧，按照组网信标帧的中继节点时隙个数或子节点时隙个数与自身短地址的模，得到相应的转发时隙，并获取组网信标帧中的工作信道，在工作信道和维护信道进行跳频接收，跳频接收的最大超时时间为4轮信标轮次时间；其中，中继节点或子节点转发的组网信标帧称之为再生信标帧；
c.中继节点等待中继节点发送时隙，发送唤醒包和数据包，唤醒周围未被唤醒的中继节点和子节点，并在信标轮次内，继续跳频接收；
d.子节点在自唤醒休眠间隔内，接收到唤醒包，之后接收到组网信标帧，按照组网信标帧子节点时隙个数与自身短地址的模，得到转发时隙，并休眠等待发送；
e.子节点再生信标帧转发时隙是按照子节点转发时隙计算得到的，子节点只发送再生信标帧，不发送唤醒包；
f.中心节点或周围的未休眠中继节点接收到其他中继节点或子节点发出的再生信标帧后，记录邻居关系和场强值；
g.子节点收到信标帧后，使用子节点地址作为组网信标帧的源地址进行信标转发，所述信标帧包括中心节点发出的组网信标帧和中继节点转发的再生信标帧。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于低功率休眠唤醒过程中，中心节点选择用超帧的结构，按照中继节点和子节点的数量，对其信道的时间划出范围；超帧中规定了中继节点和子节点的转发时隙间隔和时隙数量；超帧是以组网信标帧的传输作为边界的。
4.根据权利要求2所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于中继节点接收到组网信标帧之后，会进入跳频接收状态，同时监听工作信道和维护信道，跳频时长为组网信标帧转发总轮次时长。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于所述节点信息收集、网络配置管理流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送节点信息收集帧，节点信息收集帧仅针对中继节点进行，如果没有中继节点，则直接进行节点配置；
c.中继节点需要对节点信息收集帧进行应答：告知中心节点当前中继节点周围的邻居关系和场强值；
d.中心节点进行完节点信息收集后，进入网络配置；
e.配置中继节点或子节点之前，先唤醒需要配置的子节点或者到达该子节点的中继节点；
f.唤醒后，中心节点发送网络配置帧，中继节点或子节点发送配置应答帧。
6.根据权利要求5所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于组网过程中，节点信息收集仅针对中继节点进行，且中继节点需要记录子节点组网信标帧转发的信道号，并从该信道进行场强收集。
7.根据权利要求5所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于组网过程中，网络配置管理会对所有节点进行；中继节点和子节点在接收到网络配置帧以后，需要进行信道切换，进入在网状态。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于所述基于休眠唤醒的数据转发抄读流程包括：
a.中心节点发出唤醒包序列，唤醒需要收集的子节点或者的到达该子节点的中继节点；
b.唤醒后，中心节点发送数据抄读帧；
c.如果下一级是子节点，则进行数据解帧和组帧，并应答该数据抄读；
如果下一级为中继节点，则中继节点需要启动发送唤醒包序列，同时计算出该转发帧到达子节点的时长和子节点应答并转发给当前中继节点的时长，设置休眠时间；
d.循环步骤c；
e.直到该数据抄读的应答帧被中心节点接收到，转发流程结束。
9.根据权利要求8所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于数据抄读帧使用唤醒包唤醒方式，唤醒包包含了当前唤醒包序号和需要唤醒的目的节点地址。
10.根据权利要求8所述的一种低功耗微功率无线组网和数据转发方法，其特征在于步骤c带中继数据转发流程，应答过程经过的中继节点使用自动唤醒机制等待接收应答帧并转发。
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