一种低功耗无线组网通信的方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无线组网通信的方法和系统，系统中所有节点时钟保持与协调器时钟同步，设定一个通信周期，将此周期分为多个时间片，并由协调器为每级中转节点分配一个监听时间片和监听频道，且可以为第一级中转节点分配多个时间片；以进一步降低第一级中转节点的功耗，每个节点仅在自己的监听时间片内监听无线通信，其他时间则关闭无线通信；无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据包后又在更一下级的开启监听的时间片转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成－次协调器与节点的通信。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种无线组网通信系统，特别适用于对数据量和通信延时要求不高，但对功耗要求苛刻的无线通信应用，比如无线抄表、低速数据无线采集等领域。
技术介绍
在一些无线通信网络中，对数据量和通信延时的要求不高，但对节点的功耗要求苛刻，一般要求用一节锂电池供电，连续工作数年。由于成本限制，其节点一般采用简单的无线半双工收发芯片。比如在无线水表、气表、热表的集中抄表系统中，通常在一个协调器管理数百甚至数千个节点，而这些节点位置较为分散，需要多级中转才能覆盖。一般的，对于起中转作用的节点，需要一直保持无线监听，以准备随时转发数据，这使得其功耗大增。一种常用的做法是用有市电供电的节点作为中转节点，其他节点不提供中转功能的方式。但是这对现场施工造成很大的麻烦，因为很难选择地点安装这些中转节点并为其供电。另一种方法是采用所有节点同步开启的方式，每个节点都可以提供中转功能，当在需要通信的时间内，所有处于节点间隔监听状态，当RSSI大于阈值时，节点持续监听一段时间以接收数据，否则进入休眠。而在不需要通信的时间内一直保持休眠状态。但此方法通常只能用于节点数量较少的场合，当网络中有大量节点时，协调器遍历完所有的节点需要很长的时间，造成较高级的中转节点无法进入低功耗模式。此时只能将无线通信的频率降到很低，比如每月一次，用于抄表应用。但由于通信频率太低，一些对实时性要求较高的应用将无法实现。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种低功耗的无线组网通信系统，使各级中转节点都能以很低的功耗工作，以降低网络的复杂度和施工难度。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案: 本专利技术的组网无线网络系统由一个协调器和多个节点组成，每个节点都具有中转功能(下文中节点和中转节点者都指同一种节点，中转节点的描述只是侧重其中转功能)，可以为不能直接与协调器通信的节点提供数据中转。在这个无线组网通信网络中，所有节点时钟保持与协调器时钟同步，通信指令由协调器开始发出。在协调器通信直接覆盖范围的节点成为第一级中转节点，由第一级中转节点覆盖的远离协调器的节点组成第二级中转节点，通过第一级中转节点与协调器通信。以此类推，多级中转节点覆盖整个无线网络。根据网络的规模和功耗的要求，设定一个通信周期(一般来说网络中转级数越多，功耗要求越高则通信周期越长)将这个通信周期分为多个时间片。为每级中转节点分配一个监听时间片，即同时只有同一级中转节点打开无线监听，这样当发生通信时只有少数需要通信的节点被唤醒。更进一步，可以为同一级中转节点分配不同的监听频道以减少每次通信时唤醒的节点数，进一步降低功耗。同时由于第一级中转节点都在协调器的信号覆盖之下，每次协调器发送数据时都将唤醒第一级中转节点，为降低第一级中转节点的功耗，采用为第一级中转节点分配多个时间片，以减少第一级中转节点被多余唤醒的次数。同理也可以为第二级及以下的节点分配多个时间片，但一般第二级及以下的节点被一个无线信号同时覆盖的可能小，所以一般只要分配一个时间片即可。无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据后又在更一下级中转节点开启监听的时间片内转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成一次协调器与节点的通信。监听时间片的分配方法为:下行数据时为第一级中转节点分配m个时间片，为第2至第η级中转节点依次各分配一个时间片。另为最终收到数据包的节点分配t个时间片用于处理数据和准备返回数据包。上行数据时，为第η至第I级中转节点依次分配一个时间片，另为协调器处理和准备数据分配I个时间片，可见总的时间片数量N=m+2n+t。所有要中转的数据包中至少包括如下内容:路径信息、时间信标；接收到数据包的节点根据路径信息判断是否是发给自己或是要求通过自己转发的数据，若是则在指定的时间片返回相应的数据包或转发数据包；每个收到数据包的节点，都应根据收到的时间信标，同步自己的时间；并根据节点自身的时间误差调整时钟频率，以保证时钟的同步；其方法为:若收到包的时间提前则说明本身的时钟过慢，则调快时钟，反之若收到的包的时间推后则调慢时钟；每个节点都根据自己未收到数据包以同步时钟的时间长度，来提前和延长监听的时间长度，即未同步时钟的时间越长，则提前和延长监听的时间也越长，以防止由于时钟误差造成数据丢失。监听无线通信时，通过RSSI值判断是否继续监听，当读出的RSSI值大于一定的阈值时，则持续监听一段时间，以接收数据包，否则直接关闭监听，以保证最小的监听时间，从而降低功率；阈值可根据现场的无线噪声大小动态调整，其方法为:当触发接续监听一段时间后，没有收到数据包，则认为阈值过低，调高阈值；当监听时RSSI值远小于阈值时，则认为阈值过高，调低阈值。本专利技术具有的有益的效果是: 本专利技术简化了网络结构，只由协调器和多个节点组成。在不增加硬件成本的前提下，通过为各级中转节点分配一个或多个监听时间片的方式，有效的降低了各级中转节点的功耗，并能保证一定的通信实时性。【附图说明】图1是本专利技术的无线网络拓扑结构图。图2是本专利技术中各级中转节点监听时间片分配图。图3是本专利技术中各级节点收发数据状态示意图。图4是本专利技术中协调器的组成框图。图5是本专利技术中节点的组成框图。【具体实施方式】下面结合附图本专利技术作进一步说明 本专利技术的组网无线网络的网络拓扑结构如图1所示。网络由一个协调器和多个节点组成，N (O)为协调器，N (η, X)为第η级中转节点的第X个节点。除了第一级节点N (1，χ)直接与协调器通信，其他各级节点通过上一级中转节点与协调器通信。网络的组网过程如下: 1)节点在加入网络前一直在指定的频道间断监听无线信号，间隔时间一般一到数秒，监听时间一般小于1ms，当读出的RSSI值大于一定的阈值时，持续监听一段时间，以接收数据包，否则直接关闭监听。此阈值可根据现场的无线噪声大于动态调整，其方法为:当触发接续监听一段时间后，没有收到数据包，则认为阈值过低，调高阈值；当监听时RSSI值远小于阈值时，则认为阈值过高，调低阈值。节点加入网络后，只在指定的时间片内开启无线监听，同样也采用间断监听的方式，但是间断的时间间隔较短，一般几十mS。以保证在小于一个时间片内，上下级的中转节点能够通信完成；...

【技术保护点】
一种无线组网通信的方法，其特征在于无线网络由一个协调器和多个节点组成，每个节点都具有数据中转的功能，并采用如下工作模式以降低功耗：1)所有节点时钟保持与协调器时钟同步，设定一个通信周期，将此周期分为多个时间片，并由协调器为每级中转节点分配一个监听时间片和监听频道，且可以为第一级中转节点分配多个时间片；2)无线通信数据包由协调器选择好路径后，在下一级中转节点开启监听的时间片内发出，下级中转节点收到数据包后又在更一下级的开启监听的时间片转发，最后到达最终的节点；最终的节点在处理完数据后，在上一级中转节点又一次开启监听的时间片内发送的返回数据包，上一级中转节点又在更上一级中转节点又一次开启监听的时间片内转发上行数据包，最终数据包到达协调器，完成一次协调器与节点的通信；3)监听时间片的分配方法为：下行数据时为第一级中转节点分配m时间片，为第2至第n级中转节点依次各分配一个时间片；另为最终收到数据包的节点分配t个时间片用于处理数据和准备返回数据包；上行数据时，为第n至第1级中转节点依次分配一个时间片，另为协调器处理和准备数据分配1个时间片，可见总的时间片数量N=m+2n+t；4)所有要中转的数据包中至少包括如下内容：路径信息、时间信标；接收到数据包的节点根据路径信息判断是否是发给自己的数据或是要求通过自己转发的数据，若是则在指定的时间片返回相应的数据包或转发数据包；每个收到数据包的节点，都应根据收到的时间信标，同步自己的时间；并根据节点自身的时间误差调整时钟频率，以保证时钟的同步；其方法为：若收到包的时间提前则说明本身的时钟过慢，调快时钟，反之若收到的包的时间推后则调慢时钟；每个节点都根据自己未收到数据包以同步时钟的时间长度，来提前和延长监听的时间长度，即未同步时钟的时间越长，则提前和延长监听的时间也越长，以防止由于时钟误差造成数据丢失。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李雄，
申请(专利权)人：李雄，
类型：发明
国别省市：四川;51