一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，包括構建無線通信網絡系統、確定各級“點-多點”系統中主機和從機使用的跳頻圖案，以及實現各級“點-多點”系統中主機和從機的跳頻同步；所述跳頻同步包括主機同步管理和從機同步管理。其能使構建在樓棟間的低功耗的無線通信網絡系統能實現戶表集抄，同時節省電能。
【專利說明】一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于短距離無線通信【技術領域】，具體涉及一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法。
【背景技術】
[0002]在短距離無線通信領域，有多種通信技術，如藍牙、Wi_F1、ZigBee、UWB、IrDA等，它們各有各的特點和優勢，分別被相關領域采用。但在戶表集抄領域，應用短距離無線通信技術實現樓棟間通信，要求通信距離100?500m、每個終端設備數據量2—3Kbytes、抄表總時延明確可控、每個戶表終端每天至少抄讀一次、電池供電使用壽命達10年以上，上述技術難以同時滿足這些要求。而目前市場上的一些低功耗自組網技術，比如CN101977429B公開的一種微功耗無線通信網絡系統及其實現方法，其雖然在組網性能上有優勢，可以在一定程度上提高系統的抗干擾和生存能力，但其能量消耗較大、多級中繼后的通信時延不確定、抗同信道干擾性能差，難以勝任戶表集抄任務。
【發明內容】
[0003]本發明的目的是提供一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，以使構建在樓棟間的低功耗的無線通信網絡系統能實現戶表集抄，同時節省電能。
[0004]本發明所述的用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，包括
(O構建無線通信網絡系統:所述無線通信網絡系統由多級通信路徑固定的“點-多點”系統構成，包括主無線終端、多個中繼節點以及多個與戶表終端連接的從無線終端，所述中繼節點由無線終端A和無線終端B通過有線連接構成；所述主無線終端、從無線終端、無線終端A和無線終端B都包括MPU以及與MPU連接的實時時鐘、主從開關、低功耗存儲器、入網按鍵、無線收發模塊和終端接口 ；第一級“點-多點”系統由作為主機的主無線終端與作為從機的至少一個從無線終端和作為從機的至少一個無線終端A構成，后續的各級“點-多點”系統由作為主機的無線終端B與作為從機的至少一個從無線終端和/或作為從機的至少一個無線終端A構成。
[0005](2)確定各級“點-多點”系統中主機和從機使用的跳頻圖案:首先，將預先設定好的由跳頻圖案組號和跳頻圖案構成的正交跳頻表(具有良好的自相關特性和互相關特性)存儲在主無線終端、各個中繼節點和各個從無線終端的低功耗存儲器內(供MPU讀取)，將各級“點-多點”系統中主機的ID用作該“點-多點”系統的系統ID，無論主機、從機均采用該系統ID確定跳頻圖案；其次，將可用頻段分成交錯的N組信道，根據系統ID，選擇其中一個信道組 group_num = sys_ID % N,并確定跳頻圖案組號 schedule_num = sys_ID/N %(31+1);然后，根據計算確定的跳頻圖案組號，從正交跳頻表中選擇與跳頻圖案組號對應的一組跳頻圖案；最后，判斷上次保存的屬于該組跳頻圖案中的某一個跳頻圖案號是否有效，如果有效，則讀取該跳頻圖案號作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號，如果無效，則產生初始跳頻圖案號RF_frq_ptr=SyS_ID%31作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號。
[0006](3)實現各級“點-多點”系統中主機和從機的跳頻同步:其包括主機同步管理和從機同步管理；所述主機同步管理的過程為:設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)，待定時時間到喚醒后，則發送包括時鐘以及使用的跳頻圖案號的同步信息給從機，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息);如果主機收到其它“點-多點”系統的信息喚醒后，則按照跳頻圖案中的跳頻序列再跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，并向從機發送“跳頻圖案加I”指令，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)；所述從機同步管理的過程為:設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T*l.1+隨機數，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)，在定時時間內如果接收到主機發送的同步信息喚醒，則更新時鐘并停止定時器，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)，在定時時間到喚醒后如果未接收主機發送的同步信息，則按跳頻圖案中的跳頻序列搜尋主機，直至接收到主機發送的同步信息，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息);如果從機接收到主機發送的“跳頻圖案加I”指令，則根據指令內容，按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)。
[0007]撥動主從開關能設定主無線終端、從無線終端、無線終端A和無線終端B的主機、從機屬性；如果需要在某級“點-多點”系統中增加一個從無線終端作為從機，則先按下該從無線終端的入網按鍵，再按下該“點-多點”系統中主機的入網按鍵，此時該從無線終端與主機在同一個指定的頻點上，主機發送“主機ID”、“當前使用的跳頻圖案號”、“實時時間”信息給該從無線終端，該從無線終端接收到“主機ID”作為系統ID，接收到“當前使用的跳頻圖案號”作為初始跳頻圖案號，接收到“實時時間”校準本機時鐘。
[0008]為了避免單信道機制中從機發送數據信息時將對應的該級“點-多點”系統內其它從機喚醒，節約從機的電池能量，所述的各級“點-多點”系統采用雙信道工作機制，主機的發送信道與從機的接收信道相同，從機的發送信道與主機的接收信道相同。
[0009]所述無線收發模塊采用APC240無線收發模塊，每I秒喚醒一次檢測空中的無線信號；所述MPU采用內核為Cortex-MO+的KL15系列微處理器，具有nA級的停止工作模式；所述實時時鐘采用針對低功耗而優化的CMOS實時時鐘/日歷芯片PCA85163，它具有開漏的報警和定時中斷信號輸出功能；所述終端接口為集電極開路的RS232接口，中繼節點的無線終端A與無線終端B通過終端接口采用有線方式連接。
[0010]本發明具有如下效果:
(I)采用通信路徑固定(即人工干預組網)的多級“點-多點”系統在樓棟間構建無線通信網絡系統，用于戶表集抄，結構簡單、易于實現，多級中繼后通信時延確定，用于網絡自身管理和維護的電能消耗小，在滿足通信可靠性、實時性前提下，最大限度地節約了能源。
[0011](2)采用跳頻方式，避免了信道重復帶來的同頻干擾，保證了網絡的正常通信；通過主機、從機同步管理機制，使主機、從機失步后能盡快恢復同步，從而使網絡具有了自維護能力。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明中構建的無線通信網絡系統圖。
[0013]圖2為本發明中主無線終端、從無線終端、無線終端A和無線終端B的電路結構框圖。
[0014]圖3為本發明中確定各級“點-多點”系統中主機和從機使用的跳頻圖案的流程圖。
[0015]圖4為本發明中的主機同步管理流程圖。
[0016]圖5為本發明中的從機同步管理流程圖。
[0017]圖6為本發明中雙信道工作機制示意圖。
[0018]圖7為本發明中的正交跳頻表。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明作詳細說明。
[0020]如圖1至圖7所示，用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，包括
(I)構建無線通信網絡系統(參見圖1、圖2):無線通信網絡系統由三級通信路徑固定的“點-多點”系統構成，包括主無線終端1、四個中繼節點2以及六個從無線終端3，中繼節點2由無線終端A和無線終端B通過有線連接構成，主無線終端1、從無線終端3、無線終端A和無線終端B都包括MPU 5以及與MPU 5連接的實時時鐘6、主從開關7、低功耗存儲器8、入網按鍵9、無線收發模塊10和終端接口 11。
[0021]MPU 5采用內核為Cortex-MO+的KL15系列微處理器，具有nA級的停止工作模式，在無任務處理時自動進入低功耗睡眠，此時電流消耗約為0.8uA。無線收發模塊10采用APC240無線收發模塊，每I秒自動喚醒一次檢測空中的無線信號，其平均電流為(4.5ms/(1000ms+4.5ms)) *3.2mA+ 0.0015mA ^ 0.016mA=16uA。低功耗存儲器 8 的電源受 MPU 5 控制，當MPU 5需要存儲或讀取數據時，才接通低功耗存儲器8的電源執行讀寫操作，讀寫操作完成后隨即斷開其電源，這樣可省去低功耗存儲器8的靜態電流消耗。實時時鐘6采用針對低功耗而優化的CMOS實時時鐘/日歷芯片PCA85163，它具有開漏的報警和定時中斷信號輸出功能，通常情況下電流消耗0.25uA。終端接口 11為集電極開路的RS232接口，使得與戶表終端在電源消耗上相互獨立，減少能源的不必要開銷。撥動主從開關7能設定主無線終端1、從無線終端3、無線終端A和無線終端B的主機、從機屬性；通過先后按下從機、主機的入網按鍵9，可使從機加入由主機管理的該級“點-多點”系統。主無線終端1、從無線終端3、無線終端A和無線終端B的靜態平均電流約為17uA。
[0022]如圖1所示，第一級“點-多點”系統由作為主機的主無線終端I (即O)與作為從機的一個從無線終端3 (即02)和作為從機的兩個無線終端A構成，該系統中兩個無線終端A分別屬于兩個中繼節點2(即01、03)。第二級“點-多點”系統有兩個，一個是由作為主機的無線終端B與作為從機的一個無線終端A和作為從機的一個從無線終端3(即012)構成，該系統中無線終端B屬于前述的一個中繼節點2 (即01)，無線終端A屬于一個中繼節點2(即011);另一個是由作為主機的無線終端B與作為從機的一個無線終端A構成，該系統中無線終端B屬于前述的一個中繼節點2 (即03)，無線終端A屬于一個中繼節點2 (即031)。第三級“點-多點”系統也有兩個，一個是由作為主機的無線終端B與作為從機的三個從無線終端3 (即0111、0112、0113)構成，該系統中無線終端B屬于前述的一個中繼節點2 (即011);另一個是由作為主機的無線終端B與作為從機的一個從無線終端3 (即0311)構成，該系統中無線終端B屬于前述的一個中繼節點2 (即031)。六個從無線終端3 (即02、012、0111、0112、0113、0311)各連接一個戶表終端4。各級“點-多點”系統采用雙信道工作機制，主機的發送信道與從機的接收信道相同，從機的發送信道與主機的接收信道相同(參見圖6)。
[0023](2)確定各級“點-多點”系統中主機和從機使用的跳頻圖案(參見圖3):
首先，將預先設定好的由32個跳頻圖案組號和32組跳頻圖案構成的正交跳頻表(參見圖7)存儲在主無線終端1、各個中繼節點2和各個從無線終端3的低功耗存儲器內(供MPU讀取)，每組跳頻圖案由31個跳頻圖案號按照跳頻序列構成，一個跳頻圖案號對應一個頻點；將各級“點-多點”系統中主機的ID用作該“點-多點”系統的系統ID，無論主機、從機均采用該系統ID確定跳頻圖案。
[0024]其次，將可用頻段分成交錯的N組信道，根據系統ID，選擇其中一個信道組 group—num = sys_ID % N ；
根據系統ID，確定跳頻圖案組號 schedule_num = sys_ID/N % (31+1)。
[0025]然后，根據計算確定的跳頻圖案組號，從正交跳頻表中選擇與跳頻圖案組號對應的一組跳頻圖案。
[0026]最后，判斷上次保存的屬于該組跳頻圖案中的某一個跳頻圖案號是否有效，如果有效，則讀取該跳頻圖案號作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號，如果無效，則產生初始跳頻圖案號RF_frq_ptr=SyS_ID%31，作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號。
[0027](3)實現各級“點-多點”系統中主機和從機的跳頻同步:其包括主機同步管理和從機同步管理；
所述主機同步管理的過程(參見圖4)為:
設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)；待定時時間到喚醒后，則發送包括時鐘以及使用的跳頻圖案號的同步信息給從機，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)；如果主機收到其它“點-多點”系統的信息喚醒后，則按照跳頻圖案中的跳頻序列再跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，并向從機發送“跳頻圖案加I”指令，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)。
[0028]所述從機同步管理的過程(參見圖5)為:
設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T*l.1+隨機數(選擇I?39分鐘)，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)，在定時時間內如果接收到主機發送的同步信息喚醒，則更新時鐘并停止定時器，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)，在定時時間到喚醒后如果未接收主機發送的同步信息，則按跳頻圖案中的跳頻序列搜尋主機，直至接收到主機發送的同步信息，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息);如果從機接收到主機發送的“跳頻圖案加I”指令，則根據指令內容，按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，而后進入低功耗睡眠(能間歇接收信息)。
[0029]如果需要在由屬于中繼節點2 (即031)的無線終端B與從無線終端3 (即0311)構成的第三級“點-多點”系統中增加一個從無線終端3作為從機，則先按下該從無線終端
3的入網按鍵9，再按下該“點-多點”系統中主機(即無線終端B)的入網按鍵9，此時該從無線終端3與主機在同一個指定的頻點上，主機發送“主機ID”、“當前使用的跳頻圖案號(屬于正常工作時使用的跳頻圖案號，不是入網按鍵9按下后的指定的頻點)”、“實時時間”信息給該從無線終端，該從無線終端接收到“主機ID”作為系統ID，接收到“當前使用的跳頻圖案號”作為初始跳頻圖案號，接收到“實時時間”校準本機時鐘。
[0030]結合說明書附圖對本發明的實施例做了詳細的說明與描述，但是本領域技術人員應該理解，以上實施例僅為本發明的優選實施方案，詳盡的說明只是為了幫助讀者更好地理解本發明精神，而非對本發明保護范圍的限制。
【權利要求】
1.一種用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，其特征在于:包括 構建無線通信網絡系統:所述無線通信網絡系統由多級通信路徑固定的“點-多點”系統構成，包括主無線終端(I)、多個中繼節點(2)以及多個與戶表終端(4)連接的從無線終端(3)，所述中繼節點(2)由無線終端A和無線終端B通過有線連接構成；所述主無線終端(I)、從無線終端(3)、無線終端A和無線終端B都包括MPU (5)以及與MPU連接的實時時鐘(6)、主從開關(7)、低功耗存儲器(8)、入網按鍵(9)、無線收發模塊(10)和終端接口(11)；第一級“點-多點”系統由作為主機的主無線終端(I)與作為從機的至少一個從無線終端(3)和作為從機的至少一個無線終端A構成，后續的各級“點-多點”系統由作為主機的無線終端B與作為從機的至少一個從無線終端(3)和/或作為從機的至少一個無線終端A構成； 確定各級“點-多點”系統中主機和從機使用的跳頻圖案:首先，將預先設定好的由跳頻圖案組號和跳頻圖案構成的正交跳頻表存儲在主無線終端、各個中繼節點和各個從無線終端的低功耗存儲器內，將各級“點-多點”系統中主機的ID用作該“點-多點”系統的系統ID，無論主機、從機均采用該系統ID確定跳頻圖案；其次，將可用頻段分成交錯的N組信道，根據系統ID,選擇其中一個信道組group_num = sys_ID % N,并確定跳頻圖案組號schedule_num = sys_ID/N % (31+1);然后,根據計算確定的跳頻圖案組號,從正交跳頻表中選擇與跳頻圖案組號對應的一組跳頻圖案；最后，判斷上次保存的屬于該組跳頻圖案中的某一個跳頻圖案號是否有效，如果有效，則讀取該跳頻圖案號作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號，如果無效，則產生初始跳頻圖案號RF_frq_ptr=SyS_ID%31作為該“點-多點”系統中主機、從機使用的跳頻圖案號； 實現各級“點-多點”系統中主機和從機的跳頻同步:其包括主機同步管理和從機同步管理；所述主機同步管理的過程為:設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T，而后進入低功耗睡眠，待定時時間到喚醒后，則發送包括時鐘以及使用的跳頻圖案號的同步信息給從機，而后進入低功耗睡眠；如果主機收到其它“點-多點”系統的信息喚醒后，則按照跳頻圖案中的跳頻序列再跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為主機使用的跳頻圖案號，并向從機發送“跳頻圖案加I”指令，而后進入低功耗睡眠；所述從機同步管理的過程為:設定24小時一次的實時時鐘報警，待報警喚醒后，先按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，然后啟動定時器計時T*l.1+隨機數，而后進入低功耗睡目民，在定時時間內如果接收到主機發送的同步信息喚醒，則更新時鐘并停止定時器，而后進入低功耗睡眠，在定時時間到喚醒后如果未接收主機發送的同步信息，則按跳頻圖案中的跳頻序列搜尋主機，直至接收到主機發送的同步信息，而后進入低功耗睡眠；如果從機接收到主機發送的“跳頻圖案加I”指令，則根據指令內容，按照跳頻圖案中的跳頻序列跳至下一個跳頻圖案號，將該下一個跳頻圖案號作為從機使用的跳頻圖案號，而后進入低功耗睡眠。
2.根據權利要求1所述的用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，其特征在于: 撥動主從開關(7)設定主無線終端(I )、從無線終端(3)、無線終端A和無線終端B的主機、從機屬性；如果需要在某級“點-多點”系統中增加一個從無線終端作為從機，則先按下該從無線終端的入網按鍵，再按下該“點-多點”系統中主機的入網按鍵，此時該從無線終端與主機在同一個指定的頻點上，主機發送“主機ID”、“當前使用的跳頻圖案號”、“實時時間”信息給該從無線終端，該從無線終端接收到“主機ID”作為系統ID，接收到“當前使用的跳頻圖案號”作為初始跳頻圖案號，接收到“實時時間”校準本機時鐘。
3.根據權利要求1或2所述的用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，其特征在于:所述的各級“點-多點”系統采用雙信道工作機制，主機的發送信道與從機的接收信道相同，從機的發送信道與主機的接收信道相同。
4.根據權利要求3所述的用于戶表集抄的低功耗無線通信網絡系統的實現方法，其特征在于:所述無線收發模塊(10)采用APC240無線收發模塊，所述MPU (5)采用內核為Cortex-MO+的KL15系列微處理器，所述實時時鐘(6)采用CMOS實時時鐘/日歷芯片PCA85163,所述終端接口(11)為集電極開路的RS232接口。
【文檔編號】H04W52/02GK104320838SQ201410709999
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月27日 優先權日:2014年11月27日
【發明者】唐保壽, 向方云, 魏慶華 申請人:重慶智能水表集團有限公司