一种基于低占空比工作模式的无线低功耗传感网的制作方法
【专利摘要】本发明就是针对现有无线传感网的缺陷，提出了一种基于固定网络节点，和间隙性低占空比工作模式下的低功耗无线传感网组网和传输技术，在低功耗的前提下实现了组网节点之间的信息中继和传输，从而解决了水电气三表远距离自动集抄，野外电池驱动的传感器数据低功耗远距离采集等难题。
【专利说明】
一种基于低占空比工作模式的无线低功耗传感网
技术领域
[0001]本发明涉有源RFID，无线传感网以及低功耗无线通信组网技术。
【背景技术】
[0002]现有无线传感网主要包括以Zigbee为代表的网状网(mesh-net)和以有源RFID为代表的星状网(star-net)两种。以Zigbee为代表的网状网，是基于所有参与组网的无线传输节点处于连续不间断工作的状态下来实现的，ZigBee还考虑了系统组网节点的动态变化，因而采用了动态组网和动态路由的方式，这种方式必然要浪费大量的网络资源，影响网络的工作效率。尽管看起来每个Zigbee节点的功耗都只有几十毫安，但由于处于连续工作状态，一般电池都只能支持非常有限的时间，因而需要外供电源；在实际应用中，由于传感器工作节点往往固定不变，接收和发射信号的节点都非常明确，并不需要动态组网和动态路，因而，能够发挥Zigbee动态组网，动态路由优势的地方非常有限，因而这种功能往往变成了网络的负担。一般有源RFID尽管采用了低功耗低占空比工作方式，但每个标签之间并不能实现组网通信。随着物联网信息革命的向前推进，对无线传感器信息采集的需要越来越迫切，这就急需一种简单的非动态变化的低功耗无线传感网，来实现传感器信息的低功耗采集传输。
【发明内容】
[0003]本发明就是针对现有无线传感网的缺陷，提出了一种基于固定网络节点和低占空比工作方式模式下的无线传感网技术，从而在低功耗的前提下实现了组网节点之间的信息传输。
[0004]本发明中参与组网的所有网络节点都有固定的安装位置；每个节点都是由至少一个无线收发机和一个单片机组成的无线收发单元构成。每个节点都可以与传感器或其它设备连接，他们彼此间可以实现无线通信，每个收发单元中的无线收发机平常都采用周期性睡眠，苏醒后在预先指定的频道上监听信号一瞬间的低占空比的工作方式，这一瞬间的监听时间非常短，但足以通过所接收到信号的射频特征，包括频率，调制方式，编码方式等来判定是否监听到可能有可以与之实现无线通信的信号，例如可以代表数字通信中的一个或两个“O”或者“I”比特位信号。只有在监听到这种信号时，节点中的无线收发机才会延长监听时间，直到接收到一个完整的指令信号包。而无线收发机完成这样初始判断性监听所需的时间非常短，往往只有100微妙左右的时间，因而非常省电。具体工作方式可参见专利文献《智能电子标签CN 101236611A》。当然在条件许可的情况下，参与组网的部分节点或所有节点也可采用外供电源供电。每一个节点都可以通过有线或无线的方式与计算机连接，并作为信号发射节点，发起一个通信过程。由于每个节点苏醒后监听信号的时间非常短，因而，在保持同样地占空比，例如〈1:1000，的情况下，每个节点的睡眠苏醒周期可以很短，例如0.5-1秒，甚至更短，这将大大加快信号在整个网路内的传输过程。
[0005]网络节点间信息传输的方式是:信息发射节点直接将信息发射给其信号覆盖范围内的目标节点，或通过一个或多个中继节点，将信息逐级传输到不在其信号覆盖范围内的目标节点。具体做法是:发射节点通过连续在一段时间内不间断地在公用唤醒频道上(协调频道)向外广播指令信号包的方式，唤醒处于周期性睡眠苏醒后在公用唤醒频道上监听信号一瞬间的第一个中继节点，并按照指令信号包的要求建立双方的通信联系，并将需要传输的信息传输给该中继节点。在完成信息传输后，发射节点将回到周期性睡眠苏醒后在公共频道上监听信号一瞬间的状态；而第一中继节点将按照发射节点一样的方式，连续在唤醒频道上，向第二中继节点发送信息，向第二个中继节点发射的信息也能为发射节点所接收到，发射节点接收到这个信息后，就知道它向第一中继节点发送的信息，以为第一中继节点成功接收，否则发射节点将重新向第一中继节点发送信息。第一个中继节点在向第二个中继节点发送完信息后，也将回到周期性睡眠苏醒后在公用频道上监听信号一瞬间的低功耗状态。以此类推，直到信息被传送到目标节点。参见附图一
这里的发射节点往往是与计算机连接的信息采集中心，例如有源电子标签读写器；而目标节点和中继节点往往是任意一个传感器信息采集点；在所有传感器采集节点中，包括中继节点和目标节点，如果采用外供电时，它们平常将处于连续而不是间隙性地在公用唤醒频道上监听信号的状态，任何发射节点在向他们发射信息时，则不再需要采用在一段时间内连续不间断重复发射相同唤醒指令信号的方式，而只需要采用单包信号发射的方式。这样不仅将加快信息传输，而且也将节省其它网络节点的功耗。因而，在有条件的地方，尽可能的利用外供电源为网络中的传感器供电。
[0006]发射节点发送给中继节点的信息中，包括整个中继链路中每个中继节点的地址。这个中继链路是按如下方式形成的:
假如在一个传感器信息采集区中有200个节点，而且所有节点之间并不能完全实现直接通信，许多节点间的通信都需要中继才能完成。为了寻找任意两个节点之间路径最短(中继节点最少)，信号传输效果最好(接收信号强度最高)的通信链路，系统需要找出每一个节点周围能够与该节点进行直接通信的其它节点ID，以及与该节点实现通信时的通信质量(以该节点接收到这些节点发来ID时的信号强度表示)信号强度越高，我们就认为通信信道质量越好。能够与其通信的所有节点，由于可能建筑物的遮挡以及复杂的信号传输环境，并不一定分布在以该节点为中心的一个圆形区域内，而是一个相对复杂的形状，我们这里用一个简单的椭圆形来表示，如附图二所示。与此同时，在所有这些节点中，并不是离开该中心节点物理距离更近的节点一定就有更好的信号强度或通信质量。我们可用一个箭头来表示两个节点之间的通信链接，用两个节点的ID号来代表这个链接，用R来代表连接时的信号强度(接收ID时的RSSI值)，表示链路连接的质量。R值越高，表示通信链路质量越好。例如IDa-1Db-R，代表节点IDa发射信号，节点IDb接收信号，R代表两个节点间通信时的信号强度。
[0007]系统将要求这两百个节点中的每个节点都需要向外广播一次盘点命令，采集该节点周围可能采集到的节点ID，以及对应的信号强度。从而得到所有可直接通信的节点两两之间的通信链接及链路质量。这实际上反映了整个传感器网络范围内节点之间的基本通信条件，包括各种建筑物对通信的影响等因素。只要节点位置不变，这个条件就不会发生大的变化，除非区域内发生影响信号传输的重大环境条件变化，此时，则需要我们重新采集一次这样的信息。网络内所有节点间最佳通信链路的确定就是基于这样一个固定不变的通信环境，以及所获得的这些资料来确定的。利用这个资料，计算机将给出任意两个节点之间的所有链路连接信息，包括最短的链路连接信息，以及考虑链路质量(整个链路的每一个链接接收信号强度高于一定值)时的链路链接信息。当需要在两个节点之间，或读写器与网络中任意一个节点之间传输信息时，发射节点或读写器将在向外广播的信息指令中，列入链路中从第一中继节点到最后目标节点的地址信息，按照前述的方法进行数据传输。附图三是发射端发射信号包中应该包括所涉及的所有链路节点的ID信息。
[0008]【附图说明】:
图一，节点间信息传输方式图二，通信链路的建立
图三，发射节点发射信号应该包括的链路内容【具体实施方式】:
网络中的每个节点都有一个ID号，将我们的读写器始终当着为发射节点，通过连接读写器的计算机，按照前述的信息传输方式，首先通过读写器，逐一向读写器可以与之直接通信的节点，下发要求每个节点采集其周围可以与之通信的所有节点ID，以及接收信号强度(RSSI)的指令。其次再通过前述通信的方法，通过中继节点，对其余的节点逐一下发同样的指令，获取整个区域内所有节点之间通信的链路通信状况信息。
[0009]然后通过计算机，按照首尾匹配的方式，搜寻出作为网络发射节点的读写器到所有其它网络节点的链路链接信息，或任意一个网络节点到其它网络节点的链路连接信息。当读写器需要向像某个目标节点传递信息时，则按照读写器到该节点的链路信息将其中所涉及的所有中继节点ID，作为指令信号包的发射地址，包括在发射节点的指令信号包中。按照前述的方法进行信息传递。当读写器要求采集目标节点的信息时，目标节点将根据这个链路信息进行反向信息传输。
[0010]当网络中的其它节点需要相互通信时，将采取同样的方式进行。
【主权项】
1.一种基于低占空比工作模式的无线低功耗传感网，其特征在于，该网络由已知的若干个可以连接传感器或其它工作单元的无线收发单元节点，一个控制计算机以及相应的应用软件组成；计算机和软件用于按照应用需要对整个传感器网络进行管理；每个节点都有固定的安装位置，彼此间可以实现无线通信；每个节点中的无线收发机平常都采用周期性睡眠，苏醒后在预先指定的频道上监听信号一瞬间的低占空比的工作方式，这一瞬间的监听时间非常短，但足以通过所接收到信号的射频特征来判定是否监听到可能有可以与之实现无线通信的信号，只有在监听到这种信号时，收发单元中的无线收发机才会延长监听时间，直到接收到一个完整的指令信号包；参与组网的部分节点或所有节点也可采用外供电源供电，采用外供电源的节点，则可处于且每一个节点都可以通过有线或无线的方式与计算机连接，并作为信号发射节点，发起一个通信过程。2.根据权利要求1，其特征在于，网络节点间信息传输的方式是:发射节点通过连续在一段不小于节点睡眠苏醒周期的时间内，不间断重复地在公用唤醒频道上向第一个中继节点发射指令信号包的方式，唤醒处于周期性睡眠苏醒后在公用唤醒频道上监听信号一瞬间的第一个中继节点，建立双方的通信联系并进行信息交流；在完成信息交流后，发射节点将回到周期性睡眠苏醒后在公共频道上监听信号一瞬间的状态；而第一中继节点将按照发射节点同样的方式，在在唤醒频道上，向前述的发射节点和第二中继节点发送信息，第一个中继节点在向第二个中继节点发送完信息后，也将回到周期性睡眠苏醒后在公用频道上监听信号一瞬间的低功耗状态；以此类推，直到信息被传送到目标节点。3.根据权利要求2，其特征在于，所述中继节点链路是按如下方法确定的:首先系统通过每个节点逐一盘点的方式，获取每个网络节点周围能够与之建立通信的节点ID及对应的信号强度值，从而确定整个传感网络方位内节点间的通信环境条件；其次，按照确定的发射节点和目标节点的ID，根据链路节点ID首尾匹配的方法，利用计算机找出所有发射节点和目标接收节点之间所有具有实际使用价值的通信链路，包括每条链路所涉及的节点ID和连接信号强度；最后按照给定信号发射节点和信号接收节点的ID，按照每个链路的长短，链路通信信号优劣，每个链路中包含的具有外供电源的中继节点数量的多少，和实际应用需要，找出最佳的一条或几条通信链路，并将链路信息嵌入到节点间的通信信号包中。4.根据权利要求2，其特征在于，每个中继节点在向下一个中继节点连续发射信号时，该中继节点的前一个发射节点，也能接受到这个信息，并将根据是否接收到这个信号来判别它先前向该中继节点所发射的信号是否已成功被该中继节点接收。5.根据权利要求1，其特征在于，当其中的一个节点作为有源电子标签读写器与计算机连接时，整个系统就变成一个标签与标签之间可以实现通信，所有标签都具有中继功能，传感器数据采集功能，以及设备控制功能的有源电子标签系统；此时所有链路的发射节点就是读写器节点。6.一种具有固定位置网络节点的组网方法，其特征在于，系统首先通过每个组网节点与其周围信号覆盖范围内的其它节点的通信结果，获取整个网络范围在现有固定通信环境条件下，各个节点之间的通信状况；再按照确定的发射节点和目标节点的ID，根据链路节点ID首尾匹配的方法，利用计算机找出所有发射节点和目标接收节点之间具有实际使用价值的所有固定通信链路；最后再根据选择的链路进行通信。7.一种采用低占空比工作方式的若干个无线收发单元之间的信息传递方法，其特征在于，所有收发单元平常都采用周期性睡眠，苏醒后在预先指定的公用频道上监听信号一瞬间的工作方式；发射节点通过连续在一段不小于节点睡眠苏醒周期的时间内，不间断重复地在公用唤醒频道上向第一个中继节点发射指令信号包的方式，唤醒处于周期性睡眠苏醒后在公用唤醒频道上监听信号一瞬间的第一个中继节点，建立双方的通信联系并进行信息交流；在完成信息交流后，发射节点将回到周期性睡眠苏醒后在公共频道上监听信号一瞬间的状态；而第一中继节点将按照发射节点同样的方式，在在唤醒频道上，向前述的发射节点和第二中继节点发送信息，第一个中继节点在向第二个中继节点发送完信息后，也将回到周期性睡眠苏醒后在公用频道上监听信号一瞬间的低功耗状态；以此类推，直到信息被传送到目标节点。
【文档编号】H04W52/02GK105992315SQ201510049036
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月30日
【发明人】廖应成
【申请人】成都西谷曙光数字技术有限公司