一種無(wú)線傳感器組件及tdma自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種無(wú)線傳感器組件及基于無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)中配置該無(wú)線傳感器組件，TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法包括：步驟1、確定TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙，每個(gè)無(wú)線傳感器組件配置一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含三個(gè)節(jié)拍；步驟2、確定TDMA組網(wǎng)發(fā)起節(jié)點(diǎn)；步驟3、對(duì)TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)隙同步。本發(fā)明采用互同步方法，時(shí)隙同步從幀同步的發(fā)起節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，各節(jié)點(diǎn)的幀起始時(shí)刻向其對(duì)齊，直到網(wǎng)內(nèi)所有可達(dá)節(jié)點(diǎn)的幀起始時(shí)刻和發(fā)起站對(duì)齊，從而完成對(duì)齊過(guò)程。所組建網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步進(jìn)度高，可達(dá)5微秒，并且采用互同步方法，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相互控制，不依賴(lài)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗毀性，可適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】—種無(wú)線傳感器組件及TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是TDMA組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，具體涉及一種無(wú)線傳感器組件及基于無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在無(wú)線自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)中，除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的，它們通常運(yùn)行在人無(wú)法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中。TDMA機(jī)制的特點(diǎn)非常適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的需求=TDMA機(jī)制沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制的碰撞重傳問(wèn)題；數(shù)據(jù)傳輸時(shí)不需要過(guò)多的控制信息；節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)隙能夠及時(shí)地進(jìn)入睡眠狀態(tài)。TDMA機(jī)制需要節(jié)點(diǎn)之間比較嚴(yán)格的時(shí)間同步，時(shí)間同步是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求。
[0003]TDMA協(xié)議將時(shí)間軸劃分成一定長(zhǎng)的時(shí)隙，而每個(gè)時(shí)隙又劃分成多個(gè)節(jié)拍，在每個(gè)時(shí)隙內(nèi)給每個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)分配一定的節(jié)拍以發(fā)射信號(hào)，而在不發(fā)射信號(hào)的時(shí)隙中則接收其它站點(diǎn)所發(fā)射的信號(hào)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均有準(zhǔn)確的時(shí)鐘，為了實(shí)現(xiàn)時(shí)分多址工作，要以一指定節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘為基準(zhǔn)，其它節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘則與之同步，形成統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘。TDMA網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙的劃分方法應(yīng)根據(jù)實(shí)際的通信需要來(lái)決定。網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙劃分必須滿(mǎn)足通信的實(shí)時(shí)性需要，同時(shí)也應(yīng)考慮網(wǎng)絡(luò)的效率，時(shí)隙太小網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性好但效率太低，時(shí)隙太長(zhǎng)又不能保證通信的實(shí)時(shí)性。TDMA協(xié)議應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性要求比較高的數(shù)據(jù)通信中，性能比較穩(wěn)定。
[0004]自組織網(wǎng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)晶振的工作頻率都會(huì)存在一定的偏差，工作一段時(shí)間后，這些偏差會(huì)積累到一定的程度，導(dǎo)致各節(jié)點(diǎn)無(wú)法保持時(shí)隙同步，會(huì)影響到時(shí)隙分配的進(jìn)行，造成網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常通信。所以必須隔一段時(shí)間調(diào)整全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差，保證全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙同步。
[0005]由于無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)是沒(méi)有基礎(chǔ)設(shè)施的，沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間基準(zhǔn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步。為保證發(fā)送的分組不會(huì)產(chǎn)生沖突，并且在指定的時(shí)隙中準(zhǔn)確的接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)過(guò)來(lái)的信號(hào)，必須有精確的定時(shí)和同步。
[0006]在多跳分組無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中采用基于TDMA的信道接入?yún)f(xié)議，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵之一是網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)必須保持時(shí)隙同步。由于無(wú)線自組織網(wǎng)是無(wú)基礎(chǔ)設(shè)施、沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)的多跳分組網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的精確時(shí)隙同步比較困難。目前，自組織網(wǎng)同步分為四種:外同步、準(zhǔn)同步、主從同步、互同步四種。
[0007]a)準(zhǔn)同步方法
[0008]各節(jié)點(diǎn)分別采用高精度的獨(dú)立時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)同步。如采用銫(Cs, Cesium)時(shí)鐘,這些時(shí)鐘產(chǎn)生的定時(shí)信號(hào)以同一標(biāo)速率出現(xiàn)，而速率的變化在規(guī)定范圍內(nèi)，誤差是可以接受的。準(zhǔn)同步系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)之間沒(méi)有定時(shí)信號(hào)的傳輸鏈路，以及校準(zhǔn)時(shí)鐘的控制信號(hào)。
[0009]b)外同步方法
[0010]采用外部時(shí)鐘源為基準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的同步。一般采用全球定位系統(tǒng)的時(shí)標(biāo)作為時(shí)間基準(zhǔn)，如美國(guó)的全球定位系統(tǒng)、俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)或者我國(guó)的北斗雙星授時(shí)。[0011]c)主從同步方法
[0012]主從同步是目前廣泛應(yīng)用的一種同步方式，它基于網(wǎng)路的等級(jí)制結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步信息來(lái)自上級(jí)節(jié)點(diǎn)。
[0013]在自組織網(wǎng)絡(luò)中采用“臨時(shí)群首”作為時(shí)間主控節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的同步。最高一級(jí)時(shí)鐘稱(chēng)為基準(zhǔn)時(shí)鐘，通過(guò)傳輸鏈路把此基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)送到網(wǎng)絡(luò)的各從節(jié)點(diǎn)，各從節(jié)點(diǎn)將本地時(shí)鐘頻率鎖定在基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)之間的同步。主從同步易實(shí)施，無(wú)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定問(wèn)題，但因有依賴(lài)性，故可靠性稍低，同時(shí)要求從節(jié)點(diǎn)中的時(shí)鐘應(yīng)有相當(dāng)高的穩(wěn)定度，能在主節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘故障期間維持工作。
[0014]d)互同步方法
[0015]網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相互控制。網(wǎng)絡(luò)中不設(shè)主時(shí)鐘，由網(wǎng)內(nèi)各交換節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相互控制，最后都調(diào)整到一個(gè)穩(wěn)定的、統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)上，這樣可以防止網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)時(shí)鐘隨節(jié)點(diǎn)之間傳輸時(shí)延的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的時(shí)隙同步。互同步可靠性相對(duì)于主從同步有所改善，但系統(tǒng)同步算法較為復(fù)雜。互同步方式適用于任何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。
[0016]假定節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘漂移遵循線性變化，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的時(shí)間偏移也是線性的，通過(guò)交換時(shí)標(biāo)分組來(lái)估計(jì)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最優(yōu)匹配偏移量。近年來(lái)，出現(xiàn)了一些利用鄰居節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙偏差來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整本地參考節(jié)點(diǎn)的研究，但是這些研究都沒(méi)有考慮到信號(hào)傳輸時(shí)延的影響，因此調(diào)整后的時(shí)隙基準(zhǔn)帶有一定的誤差。在此基礎(chǔ)上的研究工作在實(shí)現(xiàn)互同步的過(guò)程中考慮了時(shí)延傳播的影響，但是計(jì)算調(diào)整量的過(guò)程中沒(méi)有考慮到異常節(jié)點(diǎn)的影響。
[0017]在以上四種同步方式中，外同步方式網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行必須依賴(lài)于GPS時(shí)標(biāo)信號(hào)，具體實(shí)現(xiàn)的成本很高。軍事通信網(wǎng)絡(luò)為提高網(wǎng)同步的抗毀能力，避免節(jié)點(diǎn)之間的從屬與牽制，有時(shí)也采用準(zhǔn)同步方式，但是受到時(shí)鐘精度限制，同步性能不能得到保障。因此在很多應(yīng)用中經(jīng)常采用后兩種方法。
[0018]主從同步方法利用“臨時(shí)群首”作為主控節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的同步，雖然同步實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但卻存在兩方面的問(wèn)題:一是網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中“臨時(shí)群首”的選取非常困難，在組網(wǎng)后主控節(jié)點(diǎn)可能因移動(dòng)或損毀而脫離網(wǎng)絡(luò)，為了保證TDMA網(wǎng)絡(luò)正常工作和時(shí)間同步的健壯性，需要?jiǎng)討B(tài)地選取主控節(jié)點(diǎn)和主控備份節(jié)點(diǎn)，并且在網(wǎng)絡(luò)工作過(guò)程中允許主控節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移和切換；另一個(gè)是，節(jié)點(diǎn)的故障或者干擾都會(huì)影響同步信息的正確傳輸，產(chǎn)生的擾動(dòng)會(huì)沿傳輸途徑逐段累積，這種等級(jí)同步方式用于網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)時(shí)，有時(shí)會(huì)造成環(huán)路。
[0019]在互同步系統(tǒng)中沒(méi)有主時(shí)鐘，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘均影響網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘。某一節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘發(fā)生故障或連接中斷時(shí)，網(wǎng)絡(luò)時(shí)鐘可以只受其它節(jié)點(diǎn)的控制而與有故障的節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘無(wú)關(guān)，這就排除了該節(jié)點(diǎn)有故障而致使其它節(jié)點(diǎn)不同步的現(xiàn)象?；ネ椒绞竭m用于任何結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，并且交換節(jié)點(diǎn)愈多，全網(wǎng)時(shí)鐘的穩(wěn)定度愈高。各節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間基準(zhǔn)仍然存在一定的偏差，但是相鄰節(jié)點(diǎn)間的最大同步偏差只取決于單跳的最大傳輸距離。對(duì)于節(jié)點(diǎn)規(guī)模不大的網(wǎng)絡(luò)，采用互同步方式性能比較優(yōu)越。
[0020]考慮到同步精度和系統(tǒng)復(fù)雜性等因素，目前常用的是后面兩種。采用主從同步方法主要基于網(wǎng)路的等級(jí)制結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)同步信息來(lái)自上級(jí)節(jié)點(diǎn)。主從同步的優(yōu)點(diǎn)是不增加硬件成本，但可靠性不高，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)其受控節(jié)點(diǎn)都將失去時(shí)鐘。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0021]本發(fā)明目的在于提供一種無(wú)線傳感器組件以及基于該無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，所組建網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步進(jìn)度高，可達(dá)5微秒，并且采用互同步方法，使得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘相互控制，不依賴(lài)于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的抗毀性，可適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0022]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0023]一種無(wú)線傳感器組件，包括微處理器以及分別與微處理器連接的信號(hào)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、地址編碼模塊、串口模塊，其中:
[0024]所述信號(hào)采集模塊包括至少一個(gè)傳感器，用于采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至微處理器；
[0025]所述無(wú)線傳輸模塊包括一無(wú)線收發(fā)芯片nRF905和一增益用天線，該無(wú)線收發(fā)芯片nRF905通過(guò)SPI總線與微處理器之間通信，并發(fā)送數(shù)據(jù)接收完成信號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)送完成信號(hào)給微處理器的外部中斷引腳以提供中斷信號(hào)；
[0026]所述地址編碼模塊與微處理器的I/O腳連接，用于提供地址編碼；
[0027]所述串口模塊的一端與微處理器的TXD腳和RXD腳相連，另一端與外部PC連接，用于輸入輸出信號(hào)的雙向電平轉(zhuǎn)換。
[0028]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述微控制器為C8051R)20單片機(jī)。
[0029]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述串口模塊包括一 MAX232接口芯片，用于提供RS232標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)與TTL電平信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。
[0030]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述地址編碼模塊為一 DIP開(kāi)關(guān)。
[0031]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述信號(hào)采集模塊至少包括一 DS18B20溫度傳感器。
[0032]根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)，本發(fā)明的另一方面還提出一種基于上述無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)中配置上述無(wú)線傳感器組件，該方法包括以下步驟:
[0033]步驟1、確定TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙，其中:每個(gè)無(wú)線傳感器組件配置一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含三個(gè)節(jié)拍，首先在時(shí)隙的第一節(jié)拍完成無(wú)線傳輸模塊從接收到發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；然后在第二節(jié)拍到來(lái)時(shí)立即啟動(dòng)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送，并在該第二節(jié)拍內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送；最后在第三節(jié)拍再把發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，且接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在此節(jié)拍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0034]步驟2、確定TDMA組網(wǎng)發(fā)起節(jié)點(diǎn)，其包括以下過(guò)程:
[0035]步驟2-1、一節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器組件在啟動(dòng)后偵聽(tīng)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步信息，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到同步信息，則認(rèn)為附近沒(méi)有可以與其通信的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)起組網(wǎng)，按下述步驟3-1周期性地向外發(fā)同步信息；
[0036]步驟2-2、如果步驟2-1的節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)到同步信息，則按下述步驟3-2進(jìn)行時(shí)隙同步，完成初始同步組網(wǎng)；
[0037]步驟2-3、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完同步信息后，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)情況，如果沒(méi)有統(tǒng)計(jì)到任何網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，則應(yīng)認(rèn)為同步失敗，退回步驟2-1，重新開(kāi)始同步過(guò)程；
[0038]步驟3、對(duì)TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)隙同步，其包括以下過(guò)程:
[0039]步驟3-1、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在其第二節(jié)拍的起始時(shí)刻TO啟動(dòng)同步信息發(fā)送，在第二節(jié)拍尚未結(jié)束的Tl時(shí)刻同步信息發(fā)送完成；[0040]步驟3-2、接收節(jié)點(diǎn)在前述Tl時(shí)刻完成同步信息的接收，同時(shí)產(chǎn)生接收中斷；
[0041]步驟3-3、計(jì)算出發(fā)起節(jié)點(diǎn)的第二節(jié)拍的剩余時(shí)間AT，Λ T=T-(Tl-TO),其中T為節(jié)拍周期；
[0042]步驟3-4、接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為Τ+ΛΤ，在下一個(gè)定時(shí)器中斷到來(lái)的時(shí)刻Τ3與發(fā)起節(jié)點(diǎn)的節(jié)拍同步。
[0043]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括以下步驟:
[0044]步驟4、對(duì)運(yùn)行中TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步維持，其實(shí)現(xiàn)包括以下過(guò)程:
[0045]步驟4-1、在每個(gè)TDMA時(shí)隙周期內(nèi)，采用步驟3的方法對(duì)網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)維持同步一次，使得各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙均與發(fā)起節(jié)點(diǎn)維持同步；
[0046]步驟4-2、如果步驟4-1中發(fā)起節(jié)點(diǎn)失效，則選取下一節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟4-1。
[0047]進(jìn)一步的實(shí)施例中，所述TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括以下步驟:
[0048]步驟5、在所述時(shí)隙同步維持過(guò)程中，如果有新節(jié)點(diǎn)加入TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)，則首先采用上述步驟3的方法將其時(shí)鐘節(jié)拍調(diào)整至與發(fā)起節(jié)點(diǎn)同步，然后更新網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息。
[0049]由以上本發(fā)明的技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供的無(wú)線傳感器組件以及基于該無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，采用單片射頻芯片nRF905實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器組件的構(gòu)造，其電流消耗很低，且性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉；利用本發(fā)明所提供TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行可靠，時(shí)隙同步精度可達(dá)5微秒以?xún)?nèi)，具有廣泛的應(yīng)用范圍。而且本發(fā)明的時(shí)隙同步采用的是互同步，各個(gè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)鐘信號(hào)相互控制，不依賴(lài)于某節(jié)點(diǎn)，因此具有更強(qiáng)的抗毀性，可適應(yīng)與動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而且新的節(jié)點(diǎn)可隨遇地加入到網(wǎng)絡(luò)中。
【專(zhuān)利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0050]圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式無(wú)線傳感器組件的示例性結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]圖2為基于圖1實(shí)施方式的無(wú)線傳感器組件實(shí)現(xiàn)的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
[0052]圖3為時(shí)隙配置的一個(gè)示例性示意圖。
[0053]圖4為時(shí)隙同步方法一個(gè)實(shí)施方式的流程示意圖。
[0054]圖5為時(shí)隙同步的一個(gè)示例性示意圖。
[0055]圖6為同步維持與隨遇接入的一個(gè)示例性流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0056]為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說(shuō)明如下。
[0057]圖1所示為本發(fā)明一實(shí)施方式無(wú)線傳感器組件的示例性結(jié)構(gòu)示意圖，其中，一種無(wú)線傳感器組件，包括微處理器I以及分別與微處理器I連接的信號(hào)采集模塊2、無(wú)線傳輸模塊3、地址編碼模塊4、串口模塊5。
[0058]作為優(yōu)選的實(shí)施方式，微處理器I選用美國(guó)CYGNAL公司的C8051F020單片機(jī)，其性能參數(shù)如下:
[0059]a)速度快，高達(dá)25MIPS的速度，比標(biāo)準(zhǔn)8051快20倍以上。
[0060]b)強(qiáng)大的模擬信號(hào)處理功能，有多達(dá)8路12位ADC (最大IOOksps轉(zhuǎn)換速率)和兩路12位DAC。[0061]c)先進(jìn)的JTAG調(diào)試功能，支持在系統(tǒng)、全速、非插入式調(diào)試和編程，不占用任何片內(nèi)資源。
[0062]d)強(qiáng)大的控制功能，具有數(shù)字開(kāi)關(guān)陣列，可以靈活配置內(nèi)部資源P0、P1和P2端口。
[0063]e)豐富的串行接口，具有兩路UART、I2C和SPI串行總線。
[0064]f)多達(dá)64KB的FLASH存儲(chǔ)器和4KB的RAM存儲(chǔ)器。
[0065]信號(hào)采集模塊2包括至少一個(gè)傳感器，用于采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至微處理器。
[0066]在一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)米集模塊2包括一 DS18B20溫度傳感器,米集溫度信號(hào)并將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)微處理器的I/O腳傳輸至微處理器1，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的采集。
[0067]本實(shí)施例中，作為優(yōu)選的實(shí)施方式，無(wú)線傳輸模塊3包括一無(wú)線收發(fā)芯片nRF905和一增益用天線，該無(wú)線收發(fā)芯片nRF905通過(guò)SPI總線與微處理器I之間通信，并發(fā)送數(shù)據(jù)接收完成信號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)送完成信號(hào)給微處理器的外部中斷引腳以提供中斷信號(hào)。由于采用中斷形式，從而可提高微控制器I的響應(yīng)速度。
[0068]無(wú)線收發(fā)芯片nRF905是挪威Nordic公司的單片無(wú)線收發(fā)器，由一個(gè)完全集成的頻率調(diào)制器、一個(gè)帶解調(diào)器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體震蕩器和一個(gè)調(diào)節(jié)器組。ShockBurst工作模式的特點(diǎn)是自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC，可以很容易通過(guò)SPI接口進(jìn)行編程配置。而且，該無(wú)線收發(fā)芯片的電流消耗很低，進(jìn)入POWERDOWN模式可以很容易實(shí)現(xiàn)節(jié)電功能。無(wú)線收發(fā)芯片nRF905的性能特點(diǎn)如下:
[0069]a) 433/868/915MHZ開(kāi)放ISM頻段免許可證使用。
[0070]b)最高工作速率50kbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。
[0071]c) 125頻道,滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。
[0072]d)內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制。
[0073]e)收發(fā)模式切換時(shí)間<650us。
[0074]f)模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)(提供中斷指示)，可連接各種單片機(jī)使用，軟件編程非常方便。
[0075]g) TX Mode:在+IOdBm情況下，電流為30mA ；RX Mode:電流為12.2mA ;在待機(jī)模式下僅為2.5uA。
[0076]h)外置天線，直線可視通訊距離可達(dá)200-300米。如果配備高增益天線，則可以達(dá)到更遠(yuǎn)。
[0077]因此，利用本實(shí)施例提供的增益用天線，可擴(kuò)大無(wú)線收發(fā)芯片nRF905的通訊距離。
[0078]地址編碼模塊3與微處理器I的1/0腳連接，用于提供地址編碼。
[0079]作為可選的實(shí)施例，地址編碼模塊3為一個(gè)DIP開(kāi)關(guān)，例如平撥型DIP開(kāi)關(guān)、直角型DIP開(kāi)關(guān)、貼片撥碼開(kāi)關(guān)、旋轉(zhuǎn)型DIP開(kāi)關(guān)。當(dāng)然，在另外的實(shí)施例中，地址編碼模塊3還可以是其他的地址編碼開(kāi)關(guān)。
[0080]如圖1所示，串口模塊4，其一端與微處理器I的TXD腳和RXD腳相連，另一端與外部PC連接，用于輸入輸出信號(hào)的雙向電平轉(zhuǎn)換。
[0081]作為優(yōu)選的實(shí)施例，串口模塊4包括一 MAX232接口芯片，用于提供RS232標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)與TTL電平信號(hào)之間的雙向轉(zhuǎn)換。[0082]圖2所示為基于圖1實(shí)施例的無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的示意圖，其中，該網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖中示例性地給出了 6個(gè)節(jié)點(diǎn))均配置有圖1實(shí)施例的無(wú)線傳感器組件，各節(jié)點(diǎn)之間的地位是平等的，由此組成一個(gè)無(wú)線TDMA自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器組件通過(guò)串口模塊4與外部PC連接，因此，只要TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)中有一個(gè)節(jié)點(diǎn)與外部PC連接，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息均可以在PC機(jī)上進(jìn)行處理和顯示。
[0083]時(shí)隙同步的實(shí)現(xiàn)是TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的重要部分，因?yàn)樵诨跁r(shí)分復(fù)用的AMC協(xié)議中，時(shí)隙長(zhǎng)度決定了節(jié)點(diǎn)能否順利完成發(fā)送或接受一個(gè)數(shù)據(jù)包，同時(shí)滿(mǎn)足傳感器采集和轉(zhuǎn)換一組數(shù)據(jù)所需要的時(shí)間。因此，如圖3所示，本實(shí)施例的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法中，為每個(gè)節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器組件配置了一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含三個(gè)節(jié)拍。
[0084]由于無(wú)線收發(fā)芯片nRF905接收和發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換均有時(shí)間延遲，因此，當(dāng)無(wú)線傳感器組件在自己的時(shí)隙內(nèi)，首先在時(shí)隙的第一節(jié)拍完成無(wú)線傳輸模塊從接收到發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；然后在第二節(jié)拍到來(lái)時(shí)立即啟動(dòng)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送，并在該第二節(jié)拍內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送，由于發(fā)送的數(shù)據(jù)包是定長(zhǎng)的，接收節(jié)點(diǎn)即可據(jù)此計(jì)算出時(shí)鐘節(jié)拍；最后在第三節(jié)拍再把發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，且接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在此節(jié)拍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0085]每個(gè)無(wú)線傳感器組件的時(shí)鐘節(jié)拍由C8051F020單片機(jī)的定時(shí)器中斷產(chǎn)生。由于使用了硬件中斷，可以達(dá)到很高的時(shí)鐘精度。
[0086]參考圖4所示的時(shí)隙同步方法流程、圖5所示的時(shí)隙同步示意，本實(shí)施例提出的基于上述無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，包括以下步驟:
[0087]步驟1、確定TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙，其中:每個(gè)無(wú)線傳感器組件配置一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含三個(gè)節(jié)拍，首先在時(shí)隙的第一節(jié)拍完成無(wú)線傳輸模塊從接收到發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；然后在第二節(jié)拍到來(lái)時(shí)立即啟動(dòng)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送，并在該第二節(jié)拍內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送；最后在第三節(jié)拍再把發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，且接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在此節(jié)拍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
[0088]步驟2、確定TDMA組網(wǎng)的發(fā)起節(jié)點(diǎn)，如圖4所示的時(shí)隙同步流程，其包括以下過(guò)程:
[0089]步驟2-1、一節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器組件在啟動(dòng)后偵聽(tīng)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步信息，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到同步信息，則認(rèn)為附近沒(méi)有可以與其通信的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)起組網(wǎng)，按下述步驟3-1周期性地向外發(fā)同步信息；
[0090]步驟2-2、如果步驟2-1的節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)到同步信息，則按下述步驟3-2進(jìn)行時(shí)隙同步，完成初始同步組網(wǎng)；
[0091]步驟2-3、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完同步信息后，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)情況，如果沒(méi)有統(tǒng)計(jì)到任何網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，則應(yīng)認(rèn)為同步失敗，退回步驟2-1，重新開(kāi)始同步過(guò)程；
[0092]步驟3、對(duì)TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)隙同步，接收到同步信息的節(jié)點(diǎn)需要根據(jù)接收到同步信息的時(shí)刻來(lái)調(diào)整本地時(shí)隙節(jié)拍，使本地時(shí)隙與同步發(fā)起節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙保持同步,如圖5所示，其包括以下過(guò)程(發(fā)起節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的波形分別以自己的時(shí)鐘節(jié)拍運(yùn)行):
[0093]步驟3-1、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在其第二節(jié)拍的起始時(shí)刻TO啟動(dòng)同步信息發(fā)送，在第二節(jié)拍尚未結(jié)束的Tl時(shí)刻同步信息發(fā)送完成；
[0094]步驟3-2、接收節(jié)點(diǎn)(即待同步節(jié)點(diǎn))在前述Tl時(shí)刻完成同步信息的接收，同時(shí)產(chǎn)生接收中斷；
[0095]步驟3-3、計(jì)算出發(fā)起節(jié)點(diǎn)的第二節(jié)拍的剩余時(shí)間AT，Λ T=T2-T1=(T2-T0)_(Tl-TO)，參考圖 5 所示的時(shí)隙同步圖，Λ Τ=Τ2_Τ1= (Τ2-Τ0) -(Τ1-Τ0)=T- (Τ1-Τ0)，其中T為節(jié)拍周期；
[0096]步驟3-4、接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為(Τ+ΛΤ)，在下一個(gè)定時(shí)器中斷到來(lái)的時(shí)刻T3與發(fā)起節(jié)點(diǎn)的節(jié)拍同步。
[0097]由于設(shè)計(jì)中無(wú)線傳輸模塊所用的晶體的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度存在差異，隨著時(shí)間的推移，各節(jié)點(diǎn)的同步精度會(huì)逐步變差，在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中就需要進(jìn)行同步維持。作為優(yōu)選的實(shí)施方式，本實(shí)施例的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括同步維持步驟，同步維持就是為將TDMA網(wǎng)絡(luò)的同步精度控制在設(shè)計(jì)允許的漂移范圍內(nèi)，系統(tǒng)每工作一段時(shí)間，都需要采取措施將全網(wǎng)的時(shí)鐘漂移消除。因此，參考圖6所示，在本實(shí)施例中，還包括下述步驟4。
[0098]步驟4、對(duì)運(yùn)行中TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步維持，其實(shí)現(xiàn)包括以下過(guò)程:
[0099]步驟4-1、在每個(gè)TDMA時(shí)隙周期內(nèi)，采用步驟3的方法對(duì)網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)維持同步一次，使得各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙均與發(fā)起節(jié)點(diǎn)維持同步，消除時(shí)鐘漂移；
[0100]步驟4-2、如果步驟4-1中發(fā)起節(jié)點(diǎn)失效，則選取下一節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟4-1。
[0101]在同步維持的過(guò)程中，可以隨時(shí)有新的節(jié)點(diǎn)(編號(hào)無(wú)沖突)接入TDMA網(wǎng)絡(luò)中，只要將新的節(jié)點(diǎn)自身的時(shí)鐘調(diào)整到與全網(wǎng)同步即可。因此，參考圖6所示的同步維持與隨遇接入實(shí)現(xiàn)流程，在本實(shí)施例中，TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括以下步驟:
[0102]步驟5、在所述時(shí)隙同步維持過(guò)程中，如果有新節(jié)點(diǎn)加入TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)，則首先采用上述步驟3的方法將其時(shí)鐘節(jié)拍調(diào)整至與發(fā)起節(jié)點(diǎn)同步，然后更新網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息。
[0103]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書(shū)所界定者為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)線傳感器組件，其特征在于，包括微處理器以及分別與微處理器連接的信號(hào)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、地址編碼模塊、串口模塊，其中: 所述信號(hào)采集模塊包括至少一個(gè)傳感器，用于采集數(shù)據(jù)并將所采集的數(shù)據(jù)傳輸至微處理器； 所述無(wú)線傳輸模塊包括一無(wú)線收發(fā)芯片nRF905和一增益用天線，該無(wú)線收發(fā)芯片nRF905通過(guò)SPI總線與微處理器之間通信，并發(fā)送數(shù)據(jù)接收完成信號(hào)和數(shù)據(jù)發(fā)送完成信號(hào)給微處理器的外部中斷引腳以提供中斷信號(hào)； 所述地址編碼模塊與微處理器的I/O腳連接，用于提供地址編碼； 所述串口模塊的一端與微處理器的TXD腳和RXD腳相連，另一端與外部PC連接，用于輸入輸出信號(hào)的雙向電平轉(zhuǎn)換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器組件，其特征在于，所述微控制器為C8051F020單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器組件，其特征在于，所述串口模塊包括一MAX232接口芯片，用于提供RS232標(biāo)準(zhǔn)電平信號(hào)與TTL電平信號(hào)之間的雙向轉(zhuǎn)換。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無(wú)線傳感器組件，其特征在于，所述地址編碼模塊為一DIP開(kāi)關(guān)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1 所述的無(wú)線傳感器組件，其特征在于，所述信號(hào)采集模塊至少包括一 DS18B20溫度傳感器。
6.一種基于權(quán)利要求1所述無(wú)線傳感器組件的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，在網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)中配置所述無(wú)線傳感器組件，其特征在于，該TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法包括以下步驟: 步驟1、確定TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙，其中:每個(gè)無(wú)線傳感器組件配置一個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙包含三個(gè)節(jié)拍，首先在時(shí)隙的第一節(jié)拍完成無(wú)線傳輸模塊從接收到發(fā)送狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，并準(zhǔn)備好要發(fā)送的數(shù)據(jù)；然后在第二節(jié)拍到來(lái)時(shí)立即啟動(dòng)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送，并在該第二節(jié)拍內(nèi)完成數(shù)據(jù)發(fā)送；最后在第三節(jié)拍再把發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，且接收數(shù)據(jù)的節(jié)點(diǎn)在此節(jié)拍進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； 步驟2、確定TDMA組網(wǎng)發(fā)起節(jié)點(diǎn)，其包括以下過(guò)程: 步驟2-1、一節(jié)點(diǎn)的無(wú)線傳感器組件在啟動(dòng)后偵聽(tīng)來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出的同步信息，若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有偵聽(tīng)到同步信息，則認(rèn)為附近沒(méi)有可以與其通信的節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)發(fā)起組網(wǎng)，按下述步驟3-1周期性地向外發(fā)同步信息； 步驟2-2、如果步驟2-1的節(jié)點(diǎn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)偵聽(tīng)到同步信息，則按下述步驟3-2進(jìn)行時(shí)隙同步，完成初始同步組網(wǎng)； 步驟2-3、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在發(fā)送完同步信息后，統(tǒng)計(jì)網(wǎng)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)情況，如果沒(méi)有統(tǒng)計(jì)到任何網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的信息，則應(yīng)認(rèn)為同步失敗，退回步驟2-1，重新開(kāi)始同步過(guò)程； 步驟3、對(duì)TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行時(shí)隙同步，其包括以下過(guò)程: 步驟3-1、發(fā)起節(jié)點(diǎn)在其第二節(jié)拍的起始時(shí)刻TO啟動(dòng)同步信息發(fā)送，在第二節(jié)拍尚未結(jié)束的Tl時(shí)刻同步信息發(fā)送完成； 步驟3-2、接收節(jié)點(diǎn)在前述Tl時(shí)刻完成同步信息的接收，同時(shí)產(chǎn)生接收中斷； 步驟3-3、計(jì)算出發(fā)起節(jié)點(diǎn)的第二節(jié)拍的剩余時(shí)間AT，Λ T=T-(Tl-TO),其中T為節(jié)拍周期； 步驟3-4、接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整自身的定時(shí)器的定時(shí)時(shí)間為Τ+ΛΤ，在下一個(gè)定時(shí)器中斷到來(lái)的時(shí)刻Τ3與發(fā)起節(jié)點(diǎn)的節(jié)拍同步。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括以下步驟: 步驟4、對(duì)運(yùn)行中TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)的時(shí)隙同步維持，其實(shí)現(xiàn)包括以下過(guò)程: 步驟4-1、在每個(gè)TDMA時(shí)隙周期內(nèi)，采用步驟3的方法對(duì)網(wǎng)內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)維持同步一次，使得各節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙均與發(fā)起節(jié)點(diǎn)維持同步； 步驟4-2、如果步驟4-1中發(fā)起節(jié)點(diǎn)失效，則選取下一節(jié)點(diǎn)作為發(fā)起節(jié)點(diǎn)，重復(fù)上述步驟 4-1。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，所述TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法還包括以下步驟: 步驟5、在所述時(shí)隙同步維持過(guò)程中，如果有新節(jié)點(diǎn)加入TDMA自組織網(wǎng)絡(luò)，則首先采用上述步驟3的方法將其時(shí)鐘節(jié)拍調(diào)整至與發(fā)起節(jié)點(diǎn)同步，然后更新網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)信息。
【文檔編號(hào)】H04W84/18GK103796338SQ201410019821
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】何軍, 陸信如, 陳耀忠, 邵凝寧, 王世珠, 楊華 申請(qǐng)人:北方信息控制集團(tuán)有限公司