CN108617005A - 一种低功耗远距离组网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗远距离组网方法，基于CSMA/CA信道接入机制，网络节点侦听当前信道是否被占用；若当前信道繁忙，通过随机算法计算延时退避时间一，等待延时退避时间一结束后，再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，则重复前述步骤，直到网络节点侦听当前信道空闲；然后通过随机算法计算延时退避时间二，等待延时退避时间二结束后再次侦听当前信道；网络节点侦听当前信道繁忙，则重复前述步骤；若两次侦听当前信道均空闲，立即通过当前信道向主机发送当前节点数据。本发明提供的技术方案降低了节点通讯延迟，保证了通讯成功率和可靠性，降低了整体节点平均功耗，提高了***抗干扰能力和通讯距离。

Description

一种低功耗远距离组网方法
技术领域
本发明属于无线通讯技术领域，具体涉及一种低功耗远距离组网方法。
背景技术
无线通讯技术在近年来得到飞速发展，传统点对点通讯已无法满足当下物联网时代复杂的网络应用，但目前市面上大多数组网模块都是基于ISM频段，该频段信道占用量大，使得同频抗干扰能力差，同时，这系列模块在实际应用中存在以下弊端：
1、节点通讯延迟大；
2、节点通讯距离近；
3、节点功耗高。
当下组网技术多采用从机分时或者主机轮询两种方式实现多个节点并发数据。
从机分时方式要求网络中各节点必须时间同步，且各节点的数据通讯过程必须在各自的时间片内完成。该网络中节点数据发送时间不可预知，对应的时间片长度也随之不同，通常的解决办法是以网络中可能出现的最大时间片分作为做大时间，这样网内全部节点都能有足够的通讯时间，但由于节点的数据发送过程是随机的，大多数节点时间片内并没有真正需要通讯的数据，导致该节点时间片被白白浪费，整个网络通讯效率和实时性得不到保障。
主机轮询方式要求给网络中每个节点编号，主机依次不停的去询问网络中的每个节点是否有数据发送，这种方式要求节点即使没有数据发送也要不停的应答主机询问，且最坏的情况是，主机刚询问过某节点，它必须等到主机下个轮询周期才能将数据发出，这种方式从机功耗较高且通讯效率依然得不到改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低功耗远距离组网方法，降低节点通讯延迟，保证通讯成功率和可靠性，降低整体节点平均功耗，提高***抗干扰能力和通讯距离。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种低功耗远距离组网方法，基于CSMA/CA信道接入机制，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：网络节点侦听当前信道是否被占用；若当前信道繁忙，通过随机算法计算延时退避时间一，等待延时退避时间一结束后，再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，重复步骤1，直到网络节点侦听当前信道空闲；
步骤2：通过随机算法计算延时退避时间二，等待延时退避时间二结束后再次侦听当前信道；
步骤3：若步骤2中网络节点侦听当前信道繁忙，则回到步骤1；若步骤1和步骤2中侦听当前信道均空闲，立即通过当前信道向主机发送当前节点数据。
优选的，随机算法为二进制指数类型退避算法，包括以下步骤：
步骤101：定义基本退避时间2t为当前节点数据在从机和主机间往返一次的时间，定义冲突参数k＝Min[冲突次数，10]，其中，冲突次数为侦听到当前信道繁忙的次数；
步骤102：计算延时退避时间T，计算公式为：T＝r*2t；
其中，随机退避指数r为从离散的整数集合[0,1,2，……，2^k-1]中随机取出的一个数字。
优选的，当冲突次数为16次时，随机退避指数r取1023*2t。
优选的，当冲突次数超过16次后，网络节点丢弃当前节点数据。
优选的，延时退避时间T的范围为(0～52377.6)微秒。
优选的，网络节点在入网时采用跳频机制，所述的跳频机制包括以下步骤：：
步骤201：终端节点公用信道请求加入网络；
步骤202：网关设备根据当前节点的MAC地址分配当前节点工作信道序列；
步骤203：当前节点在终端节点公用信道询问邻节点工作信道序列，若邻节点工作信道与当前节点工作信道序列相同，当前节点重新请求网关设备分配信道序列，网关设备根据当前节点的MAC地址为其分配一个伪随机信道序列。
优选的，网关设备在为当前节点分配信道的同时告知当前节点下一个公共信道的停留时间和停留周期，且在每个停留周期中更新自己的下一个停留周期间隔；当前节点在自己的信道发送数据时，根据网关设备告知的停留时间和停留周期向终端节点公用信道接收网关设备同步信息和其它正在请求入网的节点的询问信息。
优选的，组网方法的调制方式为高斯频移键控(GFSK)+直接序列展频技术(DSSS)，接收和发送数据的设备均使用硬件向前纠错算法(FEC)。
优选的，当前节点在延时退避时间一和延时退避时间二内，设备接收机和外部设备均处于关闭状态。
优选的，步骤3中网络节点向主机发送当前节点数据前，先向主机发送请求传送报文(RTS)，等待主机回应允许发送报文(CTS)后再开始发送当前节点数据。
本发明的有益效果是：
本发明即时侦听当前信道状态，优化了传统方式等待主机询问时间，降低了节点通讯延迟。
采用跳频机制，避免不同节点工作在不同信道中产生冲突。
加入ACK机制，两节点间通讯都有应答机制，发送节点没有收到接收节点应答消息将启动重传，保证了通讯的成功率和可靠性。
节点在侦听信道繁忙主动退避期间，关闭了所有外设及射频***，最大程度的降低了节点整体平均功耗。
采用直接序列展频技术(DSSS)，使得***抗干扰能力大大提升。
无线信号采用硬件前向纠错算法(FEC)，进一步强化了运算链路并提高了***接收灵敏度，使得模块在同等发射功率及空中速率的条件下，通讯距离遥遥领先于现目前其他组网模块。
附图说明
图1为本发明的节点通讯流程图。
图2为本发明的节点退避流程示意图。
图3为本发明的节点跳频信道示意图。
图4为本发明的协调器广播信道图。
具体实施方式
参照附图1-4，对本发明的实施方式做具体的说明。
实施例1：本方案硬件主芯片是一款集成Cortex-M3内核的微控制单元(MCU)，同时集成Cortex-M0核心的射频(RF)***为一体的片上***(SOC)方案，即该芯片集成了RF与MCU硬件电路，所以，该方案省去了RF与MCU之间的硬件设计，在一定程度上提高了***的稳定性及可靠性。
一种低功耗远距离组网方法，基于CSMA/CA信道接入机制，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：网络节点侦听当前信道是否被占用；若当前信道繁忙，通过随机算法计算延时退避时间一，等待延时退避时间一结束后，再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，重复步骤1，直到网络节点侦听当前信道空闲；
步骤2：通过随机算法计算延时退避时间二，等待延时退避时间二结束后再次侦听当前信道；
步骤3：若步骤2中网络节点侦听当前信道繁忙，则回到步骤1；若步骤1和步骤2中侦听当前信道均空闲，立即通过当前信道向主机发送当前节点数据。
其中，侦听两次的目的是：
1、防止其他节点数据刚发送完毕等待主机应答消息(ACK),这期间本节点发送数据将会使其他节点ACK及自己的有效数据通讯失败。
2、防止两个节点同一时刻发送数据，同时侦测信道空闲启动发送导致通讯失败。
优选的，随机算法为二进制指数类型退避算法，包括以下步骤：
步骤101：定义基本退避时间2t为当前节点数据在从机和主机间往返一次的时间，定义冲突参数k＝Min[冲突次数，10]，其中，冲突次数为侦听到当前信道繁忙的次数；
步骤102：计算延时退避时间T，计算公式为：T＝r*2t；
其中，随机退避指数r为从离散的整数集合[0,1,2，……，2^k-1]中随机取出的一个数字。
优选的，当冲突次数为16次时，随机退避指数r取1023*2t。
优选的，当冲突次数超过16次后，网络节点丢弃当前节点数据，此时不会向主机报告，上一次发送的数据将被丢弃，模块通过引脚电平指示应用层，本次传输失败。
优选的，延时退避时间T的范围为(0～52377.6)微秒。
优选的，网络节点在入网时采用跳频机制，所述的跳频机制包括以下步骤：：
步骤201：终端节点公用信道请求加入网络；
步骤202：网关设备根据当前节点的MAC地址分配当前节点工作信道序列；
步骤203：当前节点在终端节点公用信道询问邻节点工作信道序列，若邻节点工作信道与当前节点工作信道序列相同，当前节点重新请求网关设备分配信道序列，网关设备根据当前节点的MAC地址为其分配一个伪随机信道序列。
优选的，网关设备在为当前节点分配信道的同时告知当前节点下一个公共信道的停留时间和停留周期，且在每个停留周期中更新自己的下一个停留周期间隔；当前节点在自己的信道发送数据时，根据网关设备告知的停留时间和停留周期向终端节点公用信道接收网关设备同步信息和其它正在请求入网的节点的询问信息。
优选的，组网方法的调制方式为高斯频移键控(GFSK)+直接序列展频技术(DSSS)，接收和发送数据的设备均使用硬件向前纠错算法(FEC)。
优选的，当前节点在延时退避时间一和延时退避时间二内，设备接收机和外部设备均处于关闭状态。
优选的，步骤3中网络节点向主机发送当前节点数据前，先向主机发送请求传送报文(RTS)，等待主机回应允许发送报文(CTS)后再开始发送当前节点数据。由于RTS-CTS封包都很小，所以传送的无效开销可忽略。
实施例2：本方案硬件主芯片是一款集成Cortex-M3内核的微控制单元(MCU)，同时集成Cortex-M0核心的射频(RF)***为一体的片上***(SOC)方案，即该芯片集成了RF与MCU硬件电路，所以，该方案省去了RF与MCU之间的硬件设计，在一定程度上提高了***的稳定性及可靠性。
一种低功耗远距离组网方法，基于CSMA/CA信道接入机制，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：网络节点侦听当前信道是否被占用；若当前信道繁忙，通过随机算法计算延时退避时间一，等待延时退避时间一结束后，再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，重复步骤1，直到网络节点侦听当前信道空闲；
步骤2：通过随机算法计算延时退避时间二，等待延时退避时间二结束后再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，重复步骤2，直到网络节点侦听当前信道空闲；
步骤3：网络节点通过当前信道向主机发送当前节点数据。
优选的，随机算法为二进制指数类型退避算法，包括以下步骤：
步骤101：定义基本退避时间2t为当前节点数据在从机和主机间往返一次的时间，定义冲突参数k＝Min[冲突次数，10]，其中，冲突次数为侦听到当前信道繁忙的次数；
步骤102：计算延时退避时间T，计算公式为：T＝r*2t；
其中，随机退避指数r为从离散的整数集合[0,1,2，……，2^k-1]中随机取出的一个数字。
优选的，当冲突次数为16次时，随机退避指数r取1023*2t。
优选的，当冲突次数超过16次后，网络节点丢弃当前节点数据，此时不会向主机报告，上一次发送的数据将被丢弃，模块通过引脚电平指示应用层，本次传输失败。
优选的，延时退避时间T的范围为(0～52377.6)微秒。
优选的，网络节点在入网时采用跳频机制，所述的跳频机制包括以下步骤：：
步骤201：终端节点公用信道请求加入网络；
步骤202：网关设备根据当前节点的MAC地址分配当前节点工作信道序列；
步骤203：当前节点在终端节点公用信道询问邻节点工作信道序列，若邻节点工作信道与当前节点工作信道序列相同，当前节点重新请求网关设备分配信道序列，网关设备根据当前节点的MAC地址为其分配一个伪随机信道序列。
优选的，网关设备在为当前节点分配信道的同时告知当前节点下一个公共信道的停留时间和停留周期，且在每个停留周期中更新自己的下一个停留周期间隔；当前节点在自己的信道发送数据时，根据网关设备告知的停留时间和停留周期向终端节点公用信道接收网关设备同步信息和其它正在请求入网的节点的询问信息。
优选的，组网方法的调制方式为高斯频移键控(GFSK)+直接序列展频技术(DSSS)，接收和发送数据的设备均使用硬件向前纠错算法(FEC)。
优选的，当前节点在延时退避时间一和延时退避时间二内，设备接收机和外部设备均处于关闭状态。
优选的，步骤3中网络节点向主机发送当前节点数据前，先向主机发送请求传送报文(RTS)，等待主机回应允许发送报文(CTS)后再开始发送当前节点数据。由于RTS-CTS封包都很小，所以传送的无效开销可忽略。

Claims (9)

1.一种低功耗远距离组网方法，基于CSMA/CA信道接入机制，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：网络节点侦听当前信道是否被占用；若当前信道繁忙，通过随机算法计算延时退避时间一，等待延时退避时间一结束后，再次侦听当前信道，若当前信道繁忙，重复步骤1，直到网络节点侦听当前信道空闲；
步骤2：通过随机算法计算延时退避时间二，等待延时退避时间二结束后再次侦听当前信道；
步骤3：若步骤2中网络节点侦听当前信道繁忙，则回到步骤1；若步骤1和步骤2中侦听当前信道均空闲，立即通过当前信道向主机发送当前节点数据。
2.根据权利要求1所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于：所述的随机算法为二进制指数类型退避算法，所述的二进制指数类型退避算法包括以下步骤：
步骤101：定义基本退避时间2t为当前节点数据在从机和主机间往返一次的时间，定义冲突参数k＝Min[冲突次数，10]，其中，冲突次数为侦听到当前信道繁忙的次数；
步骤102：计算延时退避时间T，计算公式为：T＝r*2t；
其中，随机退避指数r为从离散的整数集合[0,1,2，……，2^k-1]中随机取出的一个数字。
3.根据权利要求2所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于：当冲突次数超过16次后，丢弃当前节点数据。
4.根据权利要求2所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于：所述的延时退避时间T的范围为(0～52377.6)微秒。
5.根据权利要求1所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于网络节点在入网时采用跳频机制，所述的跳频机制包括以下步骤：
步骤201：终端节点公用信道请求加入网络；
步骤202：网关设备根据当前节点的MAC地址分配当前节点工作信道序列；
步骤203：当前节点在终端节点公用信道询问邻节点工作信道序列，若邻节点工作信道与当前节点工作信道序列相同，当前节点重新请求网关设备分配信道序列，网关设备根据当前节点的MAC地址为其分配一个伪随机信道序列。
6.根据权利要求6所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于网关设备在为当前节点分配信道的同时告知当前节点下一个公共信道的停留时间和停留周期，且在每个停留周期中更新自己的下一个停留周期间隔；当前节点在自己的信道发送数据时，根据网关设备告知的停留时间和停留周期向终端节点公用信道接收网关设备同步信息和其它正在请求入网的节点的询问信息。
7.根据权利要求1所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于所述的组网方法的调制方式为高斯频移键控(GFSK)+直接序列展频技术(DSSS)，接收和发送数据的设备均使用硬件向前纠错算法(FEC)。
8.根据权利要求1所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于当前节点在延时退避时间一和延时退避时间二内，设备接收机和外部设备均处于关闭状态。
9.根据权利要求1所述的一种低功耗远距离组网方法，其特征在于步骤3中网络节点向主机发送当前节点数据前，先向主机发送请求传送报文(RTS)，等待主机回应允许发送报文(CTS)后再开始发送当前节点数据。
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Assignor: CHENGDU EBYTE ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

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Denomination of invention: A Low Power Long Distance Networking Method

Granted publication date: 20201016

License type: Common License

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