专利名称：一种微功率无线网络组网方法
技术领域：
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种为微功率无线网络组网方法。
背景技术：
目前，住户对住宅环境、物业管理水平的要求日益提高，对电、水、气、部门和用户来说，传统上门抄表方式越来越不满足住户和管理部门的需求。无线抄表不用上门，方便了住户；不需要固定线路的铺设，安装方便；可以随时实时抄取，提高了效率。但是，当前国内无线模块的使用，大多以点对点直接传输和人工指定路径的路由方法。点对点直接传输只能组成星状网络，其传输范围受限于模块的有效通信范围之内，距离比较有限；人工指定路径的路由方法虽然距离较广，但在无线信号的衰减或者节点损坏的情况下路径不能及时的更新，其通信效果在稳定性和可靠性方面存在明显不足，为了配合人工指定路径，不得不反复调试其放置位置；如果某个无线模块损坏，没有办法发现和定位，其安装和维护都较为不便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的缺陷，提供一种可以根据无线信号的变化进行路径更新，通信稳定，方便安装和维护的微功率无线自组网方案。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明一种微功率无线网络组网方法，依次包括网络主节点建网和从节点入网两大步骤，其具体的流程如下所述 主节点建网步骤
a)在集中器上电之后，集中器首先给主节点分配地址、网络编号和备选的N个信道(其中N为整数，N>=4);
b)在设置成功后，集中器向主节点发送开始创建网络命令；
c)主节点通过信道能量扫描，选择最干净的信道；
d)主节点进行主动扫描，判断预设的网络编号是否存在冲突，如果有冲突，则主节点随机生成一个网络编号，再进行判断；若没有冲突，则建网成功；
从节点的入网步骤
a)待入网的从节点初始化，设定M*N个信道(其中M为整数，M>=3)；
b)待入网的从节点读取数据采集设备的固定地址，作为自己的固定地址，申请入网时， 使用该固定地址；
c)待入网的从节点在设定的M*N个信道分别发送信标请求，搜索已经入网的从节点或者主节点；
d)已入网的从节点或者主节点，收到信标请求之后，回复一个信标，告诉待入网的从节点自己已经入网；
e)待入网的从节点记录在各个信道上收到的信标；f)待入网的从节点选择一个已经入网的从节点或者主节点作为自己的上级节点，发送入网请求，申请加入网络；
g)被选择作为上级的从节点收到入网请求之后，将待入网的从节点的固定地址发送给主节点；
h)主节点收到待入网的从节点信息后，如果验证通过，则记录该点的信息，分配一个入网地址并返回同意入网信息；否则，则不记录该信息，返回拒绝入网信息；
i)待入网的从节点收到主节点的回复信息后，判断如果是同意入网，则成功加入网络； 如果不同意入网，则重新进行搜索，重复步骤c)到步骤i)的过程，直到加入网络。本发明一种微功率无线网络组网方法，还包括信道分配机制，该方法是网络主节点从控制中心获取M组之一的N个可使用的信道，在创建网络时，根据条件，从这N个备选信道中选择P个信道作为主节点的接收信道，其中P为整数，且N能被P整除；从节点在加入网络时，如果判断允许该从节点入网，则从剩下的N-P个信道中选择P个信道和允许入网信息一起发送给从节点。从节点收到信息后，进入入网状态，将这P个信道设置为自己的接收信道。本发明的一种微功率无线网络组网方法，还包括自动跳频机制，该方法是如因噪声干扰等原因，导致一定时间内没有接收到本网络数据时，则节点在P个接收信道中，顺次切换到P个接收信道中的下一个，如果已经处于最后一个信道，则切换为第1个信道。具体流程是节点切换到一个接收信道，同时启动一个时间为T的定时器。如果在时间T内，节点能够收到一个本网络内发送给自己的数据包，则该节点将定时器的时间增加τ/2;而当定时器超时，说明节点可能遇到噪声干扰，需要自动切换到下一个接收信道。本发明一种微功率无线网络组网方法，还包括一种节点间的稳健通信机制，该方法是
相邻的节点之间相互通信时，
a)源节点首先将发送信道切换到目的节点的P个接收信道之一；
b)源节点向目的节点发送数据包，然后启动一个定时器，在当前信道等待确认包；
c)如果收到确认包，则本次通信成功，源节点切换回自己的接收信道；
d)如果等待超时，仍有未尝试通信过的目的节点的接收信道，则从未尝试通信过的信道中选择一个信道，重复步骤b)到d)，如果所有信道都已经多次尝试通信过，则通信失败， 源节点切换回自己的接收信道。e)本发明一种无线网络组网方法，还包括一种路径选择机制，该机制是已入网的从节点或者主节点，收到信标请求之后，回复一个信标；在信标中包含有已入网的节点到主节点的路由成本，其中主节点发出的信标数据包中，路由成本的值为0。路由成本值的计算路由成本节点根据收到的数据包的RSSI值计算出来的；通信有效的RSSI值的范围为[Rmin, Rmax]，两个门限值 Qlarge 和 Qsmall (Rmin<Qsmall<Qlarge< Rmax)，当 RSSI>= Qlarge时，路由成本为1 ；当RSSI> =Qsmall，并且RSSI < Qlarge时，路由成本为3; RSSK Qsmall时，路由成本为7 ；如果两个节点之间需要经过多跳到达，则他们之间的路由成本是中间经过的每一跳的路由成本之和。待入网的从节点在收集信标之后，计算自己经过各已入网的节点到达主节点的路径的路由成本，选择路由成本最小的节点作为自己的上级节点。
本发明一种微功率无线网络组网方法，还包括路径确认和修复过程
a)主节点在接受某从节点入网后，按照网络系统设置好的心跳周期，开始心跳计时；
b)计时时间到心跳周期，则向该从节点发送询问命令；
c)该从节点收到询问，进行应答；
d)主节点如果收到应答，确认该从节点通信良好，则定时器重新开始计时，超时次数清
0 ；
e)主节点如果没有收到应答，则超时失败次数加1，定时器从新开始计时；
f)超时失败次数超过规定次数，则认为路径中断，开始路径修复过程；
g)主节点首先广播一个从节点查找数据包，节点查找数据包中包含发出该数据包的节点到主节点的路由成本值和路径信息，主节点发出的节点查找数据包的路由成本值为0 ；
h)从节点收到节点查找包之后，通过数据包中的路由成本以及收包的RSSI值，计算出自己到主节点的路由成本C，等待一段时间即BaseTime^C后(BaseTime为一个数据帧的传输延时的整数倍)，在等待时间即BaSeTime*C内，如果收到新的节点查找包，计算其路由成本C’，如果C’大于C，则直接丢弃新数据包；如果C’等于C，则由1/T的概率用新的数据包替换原来旧的数据包(T表示是第T次收到路由成本相同的数据包);如果C’小于C，则更新等待时间为BaseTime^C’ -已经等待的时间，同时用新的数据包替换旧数据包。i)等待结束之后，节点首先判断目的节点是否是自己，如果是自己，则按照下行的路径回复主节点一个应答，否则转发并且只转发一次该数据包。j)本发明提供一种微功率无线自组网方法，包括对路径的选择，采用路由成本，既考虑了跳数，又考虑了接收能量RSSI值的影响；对路径的自动检测和修复，保证通信的可靠性；采用自动跳频机制，减少了按需跳频时的开销和对正常通信的影响，同一组内使用不相邻的信道，这样既可以保证受到干扰时可以正常通信，也可以保证网络的稳定性。
图1 微功率无线自组网的结构2 微功率无线自组网的逻辑结构3 主节点创建网络流程图
图4 从节点加入网络流程5 从节点加入网络交互流程6 节点跳频流程7 网络组织结果示意图。
具体实施例方式微功率无线自组网的整个系统由集中器、可插无线从节点模块、有固定物理地址的数据采集设备和无线网络系统组成数据采集设备负责信息采集；集中器负责收集数据采集设备的数据。无线网络系统由主节点和从节点组成。主节点是整个网络的中心，它负责建立、维护和管理网络；从节点主动搜索网络加入。无线网络系统负责对集中器或者数据采集设备的数据的透明传输。1.集中器上电之后，配置主节点的固定地址和集中器下面需要入网的数据采集设备的固定地址，然后发送开始创建网络命令。主节点接到创建网络命令后，通过信道能量扫描，在备选的N个信道中选择最干净的P个信道。然后，主节点进行主动扫描，判断预设的网络编号是否存在冲突，如果有冲突，则主节点随机生成一个网络编号，再进行判断 ’若没有冲突，则建网成功；
2.相邻的两个集中器发送创建网络命令时，应该选用不同的信道组，以避免同频干扰。3.数据采集设备上电之后，从节点读取设备的固定地址，作为自己的固定地址，开始扫描信道，即在设定的M*N个信道分别发送信标请求，搜索已经入网的从节点或者主节点。已入网的从节点或者主节点，收到信标请求之后，回复一个信标，告诉待入网的从节点自己已经入网，待入网的从节点记录在各个信道上收到的信标。在扫描结束后，待入网的从节点计算自己经过各已入网的节点到达主节点的路径的路由成本，选择路由成本最小的节点作为自己的上级节点，发送入网请求，申请加入网络。被选择作为上级的从节点收到入网请求之后，将待入网的从节点的固定地址发送给主节点。主节点收到待入网的从节点信息后，如果验证通过，则记录该点的信息，分配一个入网地址并返回同意入网信息；否则，则不记录该信息，返回拒绝入网信息。待入网的从节点收到主节点的信息后，如果是同意入网， 则成功加入网络，开始正常工作；如果不同意入网，则重新开始入网流程，直到加入网络。这里，如图7所示，虚线框内的节点为同一分支上的节点，主节点可以为其分配同样的P个信道，以减少节点间相互通信时存储的信息量；
4.节点在正常工作时，首先切换到一个接收信道，同时启动一个时间为T的定时器。如果在时间T内，节点收到一个属于本网络的数据包，则该节点将定时器的时间增加T/2;当定时器超时，将切换到下一个信道；
5.在网络正常运行过程中，主节点设定心跳周期，向各个从节点发送询问信息，从节点收到询问信息后，进行应答。6.如果主节点连续没有收到从节点应答的次数超过设定的次数，则视为通信中断，开始启动路径修复过程。主节点首先广播一个从节点查找数据包，从节点收到节点查找包之后，首先判断目的节点是否是自己，如果是自己，则按照下行的路径回复主节点一个应答，否则通过数据包中的路由成本以及收包的RSSI值，计算出自己到主节点的路由成本C， 等待一段时间即BaSeTime*C (BaseTime为一个数据帧的传输延时的整数倍)。在等待时间内，如果从节点收到新的节点查找包，计算其路由成本C’，如果C’大于C，则直接丢弃新数据包；如果C’等于C，则有1/N的概率用新的数据包替换原来旧的数据包，N表示是第N次收到路由成本相同的数据包；如果C’小于C，则更新等待时间为BaseTime^C’-已经等待的时间，同时用新的数据包替换旧数据包。等待结束之后，从节点转发并且只转发一次该数据包。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，依次包括网络主节点建网和从节点入网两大步骤主节点建网步骤在集中器上电之后，集中器首先给主节点分配地址、网络编号以及备选的N个信道； 在设置成功后，集中器向主节点发送开始创建网络命令； 主节点通过信道能量扫描，选择最干净的信道；主节点进行主动扫描，判断预设的网络编号是否存在冲突，如果有冲突，则主节点随机生成一个网络编号，再进行判断；若没有冲突，则建网成功； 从节点的入网步骤待入网的从节点初始化，设定需要扫描所有M*N个信道；待入网的从节点读取数据采集设备的固定地址，作为自己的固定地址，申请入网时，使用该固定地址；待入网的从节点在设定的M*N个信道分别发送信标请求，搜索已经入网的从节点或者主节点；已入网的从节点或者主节点，收到信标请求之后，回复一个信标，告诉待入网的从节点自己已经入网；待入网的从节点记录在各个信道上收到的信标；待入网的从节点选择一个已经入网的从节点或者主节点作为自己的上级节点，发送入网请求，申请加入网络；被选择作为上级的从节点收到入网请求之后，将待入网的从节点的固定地址多跳地发送给主节点；主节点收到待入网的从节点信息后，如果验证通过，则记录该点的信息，分配一个入网地址并返回同意入网信息；否则，则不记录该信息，返回拒绝入网信息；待入网的从节点收到主节点的回复信息后，判断如果是同意入网，则成功加入网络；如果不同意入网，则重新进行搜索，重复步骤c)到步骤i)的过程，直到加入网络。
2.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，网络信道预先划分为M个组(M为整数，M>=3)，每组有N个信道(N为整数，N>=4)，网络主节点在M个信道组中，选择一组信道作为本网络的通信信道，相邻的网络主节点使用不同的信道组以避免同频干扰。
3.根据权利要求1、2所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于网络主节点在创建网络时，从N个备选信道中选择P个信道作为自己的接收信道，其中 P为整数，且N能被P整除；主节点收到待入网的节点信息，判断准许入网后，主节点将从剩下的N-P个信道中选择P个信道分配给从节点，作为其接收信道，与同意入网信息一起发送给待入网的从节点。
4.根据权利要求1、2、3所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，已经加入网的节点在自己的P个接收信道中，以时间T为周期进行信道切换，当节点在某一信道收到一个发给自己的数据包时，该节点将在此信道多停留T/2的时间。
5.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，相邻节点之间通信过程的具体步骤为源节点首先切换到目的节点的一个接收信道；源节点向目的节点发送数据包，然后启动一个定时器，在当前信道等待确认包；如果收到确认包，则本次通信成功，源节点切换回自己的接收信道；如果等待超时，目的节点仍有未尝试通信过的信道，则从未尝试通信过的信道中选择一个信道，重复步骤b)到d)，如果所有信道都已经多次尝试通信过，则本次通信失败，源节点切换回自己的接收信道。
6.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，待入网的从节点在收集信标之后，计算并记录自己经过各已入网的节点到达主节点的路径的路由成本， 选择路由成本最小的节点作为自己的上级节点。
7.根据权利要求1所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，还包括路径确认和修复过程主节点在接受某从节点入网后，按照网络系统设置好的心跳周期，开始心跳计时；计时时间到心跳周期，则向该从节点发送询问命令；该从节点收到询问，进行应答；主节点如果收到应答，确认该从节点通信良好，则定时器重新开始计时，超时次数清0 ；主节点如果没有收到应答，则超时失败次数加1，定时器从新开始计时；超时失败次数超过规定次数，则认为路径中断，开始路径修复过程；主节点首先广播一个从节点查找数据包；从节点收到节点查找包之后，首先判断目的节点是否是自己，如果是自己，则按照下行的路径回复主节点一个应答，否则转发并且只转发一次该数据包。
8.根据权利要求7所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，从节点在转发节点查找包前，通过数据包中的路由成本以及收包的RSSI值，计算出自己到主节点的路由成本C，等待一段时间即BaSeTime*C后(BaseTime为一个数据帧的传输延时的整数倍)，更新路由成本和路径信息，转发节点查找包。
9.根据权利要求7、8所述的一种微功率无线网络组网方法，其特征在于，从节点在等待时间即BaSeTime*C内，如果收到新的节点查找包，计算其路由成本C’，如果C’大于C，则直接丢弃新数据包；如果C’等于C，则由1/T的概率用新的数据包替换原来旧的数据包(T表示是第T次收到路由成本相同的数据包)；如果C’小于C，则更新等待时间为 BaseTime^C'-已经等待的时间，同时用新的数据包替换旧数据包。
全文摘要
本发明公布了一种微功率无线网络组网方法，属于网络组网的技术领域。本发明方法包括网络主节点建网和从节点入网方法，集中器负责收集数据采集设备的数据。主节点是整个网络的中心，它负责建立、维护和管理网络，并执行多频点的分配；从节点主动搜索网络加入，按所加入父节点的不同，被分配为相异的频点。无线网络系统负责对集中器或者数据采集设备的数据的透明传输，传输本身是在多个频点上切换进行的。本发明的优点是简单易用，稳定可靠，抗干扰性强。
文档编号H04W84/20GK102548038SQ20121002645
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者侯佩琳, 卫飞, 李绪立, 王东林, 薛开平, 陈行锦 申请人:江苏麦希通讯技术有限公司