一種低功耗無線組網通信的方法和系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種無線組網通信系統，特別適用于對數據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、低速數據無線采集等領域。
【背景技術】
[0002]在一些無線通信網絡中，對數據量和通信延時的要求不高，但對節點的功耗要求苛刻，一般要求用一節鋰電池供電，連續工作數年。由于成本限制，其節點一般采用簡單的無線半雙工收發芯片。比如在無線水表、氣表、熱表的集中抄表系統中，通常在一個協調器管理數百甚至數千個節點，而這些節點位置較為分散，需要多級中轉才能覆蓋。
[0003]一般的，對于起中轉作用的節點，需要一直保持無線監聽，以準備隨時轉發數據，這使得其功耗大增。一種常用的做法是用有市電供電的節點作為中轉節點，其他節點不提供中轉功能的方式。但是這對現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點并為其供電。
[0004]另一種方法是采用所有節點同步開啟的方式，每個節點都可以提供中轉功能，當在需要通信的時間內，所有處于節點間隔監聽狀態，當RSSI大于閾值時，節點持續監聽一段時間以接收數據，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。但此方法通常只能用于節點數量較少的場合，當網絡中有大量節點時，協調器遍歷完所有的節點需要很長的時間，造成較高級的中轉節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。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種低功耗的無線組網通信系統，使各級中轉節點都能以很低的功耗工作，以降低網絡的復雜度和施工難度。
[0006]為達到上述目的，本發明采用以下技術方案:
本發明的組網無線網絡系統由一個協調器和多個節點組成，每個節點都具有中轉功能(下文中節點和中轉節點者都指同一種節點，中轉節點的描述只是側重其中轉功能)，可以為不能直接與協調器通信的節點提供數據中轉。
[0007]在這個無線組網通信網絡中，所有節點時鐘保持與協調器時鐘同步，通信指令由協調器開始發出。在協調器通信直接覆蓋范圍的節點成為第一級中轉節點，由第一級中轉節點覆蓋的遠離協調器的節點組成第二級中轉節點，通過第一級中轉節點與協調器通信。以此類推，多級中轉節點覆蓋整個無線網絡。
[0008]根據網絡的規模和功耗的要求，設定一個通信周期(一般來說網絡中轉級數越多，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。為每級中轉節點分配一個監聽時間片，即同時只有同一級中轉節點打開無線監聽，這樣當發生通信時只有少數需要通信的節點被喚醒。更進一步，可以為同一級中轉節點分配不同的監聽頻道以減少每次通信時喚醒的節點數，進一步降低功耗。同時由于第一級中轉節點都在協調器的信號覆蓋之下，每次協調器發送數據時都將喚醒第一級中轉節點，為降低第一級中轉節點的功耗，采用為第一級中轉節點分配多個時間片，以減少第一級中轉節點被多余喚醒的次數。同理也可以為第二級及以下的節點分配多個時間片，但一般第二級及以下的節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]無線通信數據包由協調器選擇好路徑后，在下一級中轉節點開啟監聽的時間片內發出，下級中轉節點收到數據后又在更一下級中轉節點開啟監聽的時間片內轉發，最后到達最終的節點；最終的節點在處理完數據后，在上一級中轉節點又一次開啟監聽的時間片內發送的返回數據包，上一級中轉節點又在更上一級中轉節點又一次開啟監聽的時間片內轉發上行數據包，最終數據包到達協調器，完成一次協調器與節點的通信。
[0010]監聽時間片的分配方法為:下行數據時為第一級中轉節點分配m個時間片，為第2至第η級中轉節點依次各分配一個時間片。另為最終收到數據包的節點分配t個時間片用于處理數據和準備返回數據包。上行數據時，為第η至第I級中轉節點依次分配一個時間片，另為協調器處理和準備數據分配I個時間片，可見總的時間片數量N=m+2n+t。
[0011]所有要中轉的數據包中至少包括如下內容:路徑信息、時間信標；接收到數據包的節點根據路徑信息判斷是否是發給自己或是要求通過自己轉發的數據，若是則在指定的時間片返回相應的數據包或轉發數據包；每個收到數據包的節點，都應根據收到的時間信標，同步自己的時間；并根據節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；每個節點都根據自己未收到數據包以同步時鐘的時間長度，來提前和延長監聽的時間長度，即未同步時鐘的時間越長，則提前和延長監聽的時間也越長，以防止由于時鐘誤差造成數據丟失。
[0012]監聽無線通信時，通過RSSI值判斷是否繼續監聽，當讀出的RSSI值大于一定的閾值時，則持續監聽一段時間，以接收數據包，否則直接關閉監聽，以保證最小的監聽時間，從而降低功率；閾值可根據現場的無線噪聲大小動態調整，其方法為:當觸發接續監聽一段時間后，沒有收到數據包，則認為閾值過低，調高閾值；當監聽時RSSI值遠小于閾值時，則認為閾值過高，調低閾值。
[0013]本發明具有的有益的效果是:
本發明簡化了網絡結構，只由協調器和多個節點組成。在不增加硬件成本的前提下，通過為各級中轉節點分配一個或多個監聽時間片的方式，有效的降低了各級中轉節點的功耗，并能保證一定的通信實時性。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的無線網絡拓撲結構圖。
[0015]圖2是本發明中各級中轉節點監聽時間片分配圖。
[0016]圖3是本發明中各級節點收發數據狀態示意圖。
[0017]圖4是本發明中協調器的組成框圖。
[0018]圖5是本發明中節點的組成框圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖本發明作進一步說明
本發明的組網無線網絡的網絡拓撲結構如圖1所示。網絡由一個協調器和多個節點組成，N (O)為協調器，N (η, X)為第η級中轉節點的第X個節點。除了第一級節點N (1，χ)直接與協調器通信，其他各級節點通過上一級中轉節點與協調器通信。
[0020]網絡的組網過程如下:
1)節點在加入網絡前一直在指定的頻道間斷監聽無線信號，間隔時間一般一到數秒，監聽時間一般小于1ms，當讀出的RSSI值大于一定的閾值時，持續監聽一段時間，以接收數據包，否則直接關閉監聽。此閾值可根據現場的無線噪聲大于動態調整，其方法為:當觸發接續監聽一段時間后，沒有收到數據包，則認為閾值過低，調高閾值；當監聽時RSSI值遠小于閾值時，則認為閾值過高，調低閾值。節點加入網絡后，只在指定的時間片內開啟無線監聽，同樣也采用間斷監聽的方式，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，上下級的中轉節點能夠通信完成；