一種低功耗無線組網(wǎng)通信的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無線組網(wǎng)通信系統(tǒng)，特別適用于對數(shù)據(jù)量和通信延時要求不高，但對功耗要求苛刻的無線通信應用，比如無線抄表、低速數(shù)據(jù)無線采集等領域。
【背景技術】
[0002]在一些無線通信網(wǎng)絡中，對數(shù)據(jù)量和通信延時的要求不高，但對節(jié)點的功耗要求苛刻，一般要求用一節(jié)鋰電池供電，連續(xù)工作數(shù)年。由于成本限制，其節(jié)點一般采用簡單的無線半雙工收發(fā)芯片。比如在無線水表、氣表、熱表的集中抄表系統(tǒng)中，通常在一個協(xié)調器管理數(shù)百甚至數(shù)千個節(jié)點，而這些節(jié)點位置較為分散，需要多級中轉才能覆蓋。
[0003]一般的，對于起中轉作用的節(jié)點，需要一直保持無線監(jiān)聽，以準備隨時轉發(fā)數(shù)據(jù)，這使得其功耗大增。一種常用的做法是用有市電供電的節(jié)點作為中轉節(jié)點，其他節(jié)點不提供中轉功能的方式。但是這對現(xiàn)場施工造成很大的麻煩，因為很難選擇地點安裝這些中轉節(jié)點并為其供電。
[0004]另一種方法是采用所有節(jié)點同步開啟的方式，每個節(jié)點都可以提供中轉功能，當在需要通信的時間內，所有處于節(jié)點間隔監(jiān)聽狀態(tài)，當RSSI大于閾值時，節(jié)點持續(xù)監(jiān)聽一段時間以接收數(shù)據(jù)，否則進入休眠。而在不需要通信的時間內一直保持休眠狀態(tài)。但此方法通常只能用于節(jié)點數(shù)量較少的場合，當網(wǎng)絡中有大量節(jié)點時，協(xié)調器遍歷完所有的節(jié)點需要很長的時間，造成較高級的中轉節(jié)點無法進入低功耗模式。此時只能將無線通信的頻率降到很低，比如每月一次，用于抄表應用。但由于通信頻率太低，一些對實時性要求較高的應用將無法實現(xiàn)。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種低功耗的無線組網(wǎng)通信系統(tǒng)，使各級中轉節(jié)點都能以很低的功耗工作，以降低網(wǎng)絡的復雜度和施工難度。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案:
本發(fā)明的組網(wǎng)無線網(wǎng)絡系統(tǒng)由一個協(xié)調器和多個節(jié)點組成，每個節(jié)點都具有中轉功能(下文中節(jié)點和中轉節(jié)點者都指同一種節(jié)點，中轉節(jié)點的描述只是側重其中轉功能)，可以為不能直接與協(xié)調器通信的節(jié)點提供數(shù)據(jù)中轉。
[0007]在這個無線組網(wǎng)通信網(wǎng)絡中，所有節(jié)點時鐘保持與協(xié)調器時鐘同步，通信指令由協(xié)調器開始發(fā)出。在協(xié)調器通信直接覆蓋范圍的節(jié)點成為第一級中轉節(jié)點，由第一級中轉節(jié)點覆蓋的遠離協(xié)調器的節(jié)點組成第二級中轉節(jié)點，通過第一級中轉節(jié)點與協(xié)調器通信。以此類推，多級中轉節(jié)點覆蓋整個無線網(wǎng)絡。
[0008]根據(jù)網(wǎng)絡的規(guī)模和功耗的要求，設定一個通信周期(一般來說網(wǎng)絡中轉級數(shù)越多，功耗要求越高則通信周期越長)將這個通信周期分為多個時間片。為每級中轉節(jié)點分配一個監(jiān)聽時間片，即同時只有同一級中轉節(jié)點打開無線監(jiān)聽，這樣當發(fā)生通信時只有少數(shù)需要通信的節(jié)點被喚醒。更進一步，可以為同一級中轉節(jié)點分配不同的監(jiān)聽頻道以減少每次通信時喚醒的節(jié)點數(shù)，進一步降低功耗。同時由于第一級中轉節(jié)點都在協(xié)調器的信號覆蓋之下，每次協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)時都將喚醒第一級中轉節(jié)點，為降低第一級中轉節(jié)點的功耗，采用為第一級中轉節(jié)點分配多個時間片，以減少第一級中轉節(jié)點被多余喚醒的次數(shù)。同理也可以為第二級及以下的節(jié)點分配多個時間片，但一般第二級及以下的節(jié)點被一個無線信號同時覆蓋的可能小，所以一般只要分配一個時間片即可。
[0009]無線通信數(shù)據(jù)包由協(xié)調器選擇好路徑后，在下一級中轉節(jié)點開啟監(jiān)聽的時間片內發(fā)出，下級中轉節(jié)點收到數(shù)據(jù)后又在更一下級中轉節(jié)點開啟監(jiān)聽的時間片內轉發(fā)，最后到達最終的節(jié)點；最終的節(jié)點在處理完數(shù)據(jù)后，在上一級中轉節(jié)點又一次開啟監(jiān)聽的時間片內發(fā)送的返回數(shù)據(jù)包，上一級中轉節(jié)點又在更上一級中轉節(jié)點又一次開啟監(jiān)聽的時間片內轉發(fā)上行數(shù)據(jù)包，最終數(shù)據(jù)包到達協(xié)調器，完成一次協(xié)調器與節(jié)點的通信。
[0010]監(jiān)聽時間片的分配方法為:下行數(shù)據(jù)時為第一級中轉節(jié)點分配m個時間片，為第2至第η級中轉節(jié)點依次各分配一個時間片。另為最終收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點分配t個時間片用于處理數(shù)據(jù)和準備返回數(shù)據(jù)包。上行數(shù)據(jù)時，為第η至第I級中轉節(jié)點依次分配一個時間片，另為協(xié)調器處理和準備數(shù)據(jù)分配I個時間片，可見總的時間片數(shù)量N=m+2n+t。
[0011]所有要中轉的數(shù)據(jù)包中至少包括如下內容:路徑信息、時間信標；接收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點根據(jù)路徑信息判斷是否是發(fā)給自己或是要求通過自己轉發(fā)的數(shù)據(jù)，若是則在指定的時間片返回相應的數(shù)據(jù)包或轉發(fā)數(shù)據(jù)包；每個收到數(shù)據(jù)包的節(jié)點，都應根據(jù)收到的時間信標，同步自己的時間；并根據(jù)節(jié)點自身的時間誤差調整時鐘頻率，以保證時鐘的同步；其方法為:若收到包的時間提前則說明本身的時鐘過慢，則調快時鐘，反之若收到的包的時間推后則調慢時鐘；每個節(jié)點都根據(jù)自己未收到數(shù)據(jù)包以同步時鐘的時間長度，來提前和延長監(jiān)聽的時間長度，即未同步時鐘的時間越長，則提前和延長監(jiān)聽的時間也越長，以防止由于時鐘誤差造成數(shù)據(jù)丟失。
[0012]監(jiān)聽無線通信時，通過RSSI值判斷是否繼續(xù)監(jiān)聽，當讀出的RSSI值大于一定的閾值時，則持續(xù)監(jiān)聽一段時間，以接收數(shù)據(jù)包，否則直接關閉監(jiān)聽，以保證最小的監(jiān)聽時間，從而降低功率；閾值可根據(jù)現(xiàn)場的無線噪聲大小動態(tài)調整，其方法為:當觸發(fā)接續(xù)監(jiān)聽一段時間后，沒有收到數(shù)據(jù)包，則認為閾值過低，調高閾值；當監(jiān)聽時RSSI值遠小于閾值時，則認為閾值過高，調低閾值。
[0013]本發(fā)明具有的有益的效果是:
本發(fā)明簡化了網(wǎng)絡結構，只由協(xié)調器和多個節(jié)點組成。在不增加硬件成本的前提下，通過為各級中轉節(jié)點分配一個或多個監(jiān)聽時間片的方式，有效的降低了各級中轉節(jié)點的功耗，并能保證一定的通信實時性。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的無線網(wǎng)絡拓撲結構圖。
[0015]圖2是本發(fā)明中各級中轉節(jié)點監(jiān)聽時間片分配圖。
[0016]圖3是本發(fā)明中各級節(jié)點收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)示意圖。
[0017]圖4是本發(fā)明中協(xié)調器的組成框圖。
[0018]圖5是本發(fā)明中節(jié)點的組成框圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖本發(fā)明作進一步說明
本發(fā)明的組網(wǎng)無線網(wǎng)絡的網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。網(wǎng)絡由一個協(xié)調器和多個節(jié)點組成，N (O)為協(xié)調器，N (η, X)為第η級中轉節(jié)點的第X個節(jié)點。除了第一級節(jié)點N (1，χ)直接與協(xié)調器通信，其他各級節(jié)點通過上一級中轉節(jié)點與協(xié)調器通信。
[0020]網(wǎng)絡的組網(wǎng)過程如下:
1)節(jié)點在加入網(wǎng)絡前一直在指定的頻道間斷監(jiān)聽無線信號，間隔時間一般一到數(shù)秒，監(jiān)聽時間一般小于1ms，當讀出的RSSI值大于一定的閾值時，持續(xù)監(jiān)聽一段時間，以接收數(shù)據(jù)包，否則直接關閉監(jiān)聽。此閾值可根據(jù)現(xiàn)場的無線噪聲大于動態(tài)調整，其方法為:當觸發(fā)接續(xù)監(jiān)聽一段時間后，沒有收到數(shù)據(jù)包，則認為閾值過低，調高閾值；當監(jiān)聽時RSSI值遠小于閾值時，則認為閾值過高，調低閾值。節(jié)點加入網(wǎng)絡后，只在指定的時間片內開啟無線監(jiān)聽，同樣也采用間斷監(jiān)聽的方式，但是間斷的時間間隔較短，一般幾十mS。以保證在小于一個時間片內，上下級的中轉節(jié)點能夠通信完成；