一种物联网系统中的无线局域网终端设备通信控制方法

本发明属于无线局域网终端，具体涉及到一种物联网系统中的无线局域网终端设备的通信控制管理方法。

背景技术：

1、在物联网领域的无线局域网wlan系统中，星型网络或有中心节点的星型结构较为典型，网络设备中一般分为集中器(以下称为主机)与终端设备(以下称为设备)。主机为了控制并管理网络的设备，一般处于长时间开机的状态，并且由专门的电源来供电，而终端设备可能由电池供电，一般处于休眠状态。在电池供电的设备中一个重要的指标是电池的使用寿命，设计时在硬件软件上都需要采用低功耗的技术方案，以期尽可能延长设备中电池的使用时间。除了软硬件的设计，在系统的通信过程中，通过设计适当的通信控制方法简化通信的流程，缩短主机和设备之间的通信时间，使设备能尽快完成数据上报工作并进入休眠，这样就可以降低电池的耗电量，延长设备电池的使用时间。

2、现有的物联网系统里无线局域网的通信控制方法中，主机和设备在通信时设备多采用固定的通信时隙上报数据，对于常规上报的短数据和不常见的长数据一般采用相同的时隙分配方案，不能动态调整时隙的使用方式；在系统运行中新设备不能自动添加到网络，也缺乏异常设备退出网络的机制；在网络设备数量变化时对所有设备轮询的时间周期也不能灵活调整，使系统轮询设备的时间周期不是系统所能获得的最短时间，降低了实时性；设备苏醒后的通信一般采用三次握手，工作时间较长，耗电量较大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种物联网系统中的无线局域网终端设备通信控制方法，可以简化系统的通信流程，减少主机和设备之间的通信交互时间，提高通信效率，延长设备电池的使用时间。另外能够手动或自动添加设备到网络，或者从系统中删除异常设备，同时综合使用网络中设备的短数据通信时隙和长数据通信时隙，并自动调整网络中所有设备的轮询时间周期，使系统中设备的上报时间得到优化。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种物联网系统中的无线局域网终端设备通信控制方法，其特征在于，物联网领域的无线局域网系统中包含一个集中控制器和多个终端设备，构成星型网络，集中控制器以下称为主机，终端设备以下称为设备；系统中每个设备具有一个不依赖于网络的唯一的mac编号和属于该网络的网内序号，主机内部建立有mac编号和网内序号对应表；每个设备的工作时段由两个时隙构成，一个正常时隙，之后再跟随一个扩展时隙；在正常时隙内，主机和设备之间可以完成两次收发握手过程，扩展时隙完成较复杂的命令和数据收发；系统中每10个设备分为一个群组，由16个工作时段构成一个群组时段，按顺序依次为1个主机信号时段、10个设备工作时段和5个备用时段；设备的工作分为4种工作模式：(1)开机启动模式，该模式用于系统初始启动时设备的手动、自动入网连接和网络配置，使用整个设备工作时段和备用工作时段；(2)定时唤醒常规模式，该模式下主机和设备完成两次收发通信的握手过程，设备只使用其工作时段的正常时隙；(3)定时唤醒扩展模式，该模式下主机需要额外的时间与设备通信，设备工作时段中的正常时隙和扩展时隙均使用；(4)备用扩展模式，该模式用于主机和设备之间需要传输较多数据时的通信处理，除使用设备自己的工作时段外，还使用备用工作时段；

4、所述控制方法包括以下步骤：

5、s1:设备分组；

6、将系统中每10个设备分为一组，每个设备分配一个工作时段，一组设备的工作时段再加1个主机信号时段和5个备用时段共16个工作时段构成一个群组时段；设备在工作时段发送数据或接收命令设置参数，备用时段发送历史数据或其它较长数据；

7、s2：定义三种主机信号类型；

8、a)正常信标信号，表示系统正常运行，并用于新入网设备的启动；

9、b)设备搜索信号，用于搜索添加新设备到网络；

10、c)空信标信号，用于设备的自动入网操作；

11、系统工作时在每个群组中的第一个主机信号时段发送不同的信标信号或设备搜索信号；

12、s3：系统主机和所有设备开机进入初始启动模式，系统所有设备都未入网，采用手动方式使设备较快入网，即在后台控制主机在每个群组的主机信号时段发送设备搜索命令，未入网设备收到该命令后在群组所有时段采用退避算法发送入网请求；

13、s4：在已运行的系统中有新的设备要入网，原有设备休眠并定时上报工作，新设备启动，开始手动入网流程，即在后台控制主机在每个群组的主机信号时段发送设备搜索命令，未入网设备收到该命令后在群组的备用时段采用退避算法发送入网请求；

14、s5：在上述步骤s3和s4中，主机收到入网请求后自动生成一个内部序号发送给设备，设备回发响应，表示加入网络成功，之后设备进入等待状态；

15、s6：对于正在运行的系统，设备也可以自动连接入网；

16、在每个信标信号之后的第一个备用时段，若设备没有侦听到任何信号，说明备用时段空闲，则在第二个备用时段开始采用退避算法发送入网请求；主机收到入网请求后自动生成一个内部序号发送给设备，设备回发响应，表示加入网络成功；之后主机发送的正常信标信号转成空信标信号，空信标信号中上报周期为0，等待其它新设备的申请，已申请的设备则进入等待状态；

17、s7：上述步骤s3、s4或s6中主机经过几次发送搜索信号或空信标信号之后，确认没有未入网设备的请求，则汇总局域网内设备的数量、群组个数、内网序号等参数，计算整个局域网新的数据上报周期，然后在每个群组时段的主机信号时段开始发送正常信标信号，信标信号包含群组号和上报周期，表示网络进入定时唤醒工作模式；

18、s8：上述步骤s5和s6中所有进入等待状态的设备收到正常信标信号之后进入休眠状态；

19、s9：所有已入网且休眠的设备在自己工作时段的第一个正常时隙苏醒并上报数据，主机处理并发响应，设备收到后休眠，第一个时隙结束，扩展时隙不使用，此时工作于定时唤醒常规模式；

20、s10：正在运行的网络添加新入网设备后，其它已入网的设备在自动苏醒之后，由主机在各设备时段的扩展时隙发送新的群组号和上报周期给设备，设备更新自己的唤醒时间后休眠。

21、s11：设备退出网络时，在该设备工作时段的第一个正常工作时隙苏醒并上报数据后，后台管理软件控制主机发送对应的退出设置命令，设备接收之后删除自己的网内序号，完成退出，此后不再定时苏醒和上报数据；主机在最后一个网络序号的设备苏醒上报时调整该设备为退出设备的序号，此后该设备按新的时间苏醒和上报。

22、进一步的，在步骤s1中，每个群组的备用时段除了用于新设备加入网络时与主机通信外，在正常工作时还用于主机对设备的特殊数据通信要求，如对历史数据的读取。

23、进一步的，在步骤s5和s6中，有网内序号的设备为入网设备，将按照序号定时自动唤醒并上报数据；没有设定网内序号的设备不上报数据。

24、进一步的，在步骤s3，s4，s5，s6中，主机发送的搜索信号、正常信标信号、空信标信号、响应信号中都携带时间同步信息，用于设备的同步。

25、进一步的，在步骤s9和s11中，若局域网由于设备的入网或退出导致整个网络数据上报周期改变，则各设备在自己工作时段的第一个正常工作时隙苏醒并上报数据后，主机发送上报周期设置命令，设备接收之后在扩展时隙回复响应并休眠，此后按照新的周期苏醒。

26、进一步的，在步骤s9中，若设备定时唤醒后在第一个正常时隙上报数据，但未收到主机响应，则设备在扩展时隙第二次上报数据，并等待响应，如果仍然不能收到响应，说明系统通信异常，放弃上报，进入休眠，等待下次苏醒上报。

27、进一步的，在步骤s9中，正常工作期间主动重新开机的设备，需等待正常信标信号以获得同步信息，使设备重新同步于系统并进入休眠。

28、进一步的，在步骤s10中，系统初始构建或新设备加入网络时，设备的网络内部序号也可以事先写入设备内部。

29、进一步的，在步骤s1中，一个群组时段的构成可以是除了10个设备时段和5个备用时段之外的其它数字组合。

30、本发明的工作原理是：将网络中的设备每10个一组分成一个个群组，每个群组的通信时段包括1个主机信号时段、10个设备工作时段和5个备用时段共16个时段。每个设备工作时段又分成正常时隙和扩展时隙，用于正常的数据上报和响应，并能够响应命令和参数的设置，备用时段用于长数据的上报处理，这种设计兼顾了常规短数据和特殊情况下长数据的上报；系统对每个设备分配了网络内部序号、定义了数据上报周期等参数，设备根据自己的网络内部序号自动定时唤醒上报数据，大部分情况下经过两次握手即可完成与主机的通信交互，常态下处于休眠模式；系统主机信号时段可以发送搜索信号或者信标信号，用于搜索和启动新设备，结合系统其它功能，实现手动和自动添加新设备到网络和原设备退出网络的功能，并能够自动更新整个网络中的设备编号和上报周期，实现对设备的动态管理。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

32、1、主机和设备之间的通信交互时间短，通信效率高，可延长设备电池的使用时间；2、能够手动添加设备到网络或者从网络中删除设备；3、能够自动添加设备到网络；4、网络中设备数据的上报可以在正常通信时隙和扩展通信时隙及备用时段，可以动态调整，兼顾了通信的短数据和长数据需求；5、能自动调整网络中所有设备的轮询时间周期，使系统中设备的上报时间得到优化；6、特别适合在无线传感器网络系统中使用。7、无线局域网设备的通信管理方法也适用于具有星型结构的有线局域网。