[發明專利]一種超低功耗無線數據傳輸網絡設計方法

有效

• 申請號: 201610099496.1
• 申請日: 2016-02-24
• 公開（公告）號: CN105792305B
• 公開（公告）日: 2019-03-08
• 發明（設計）人: 焦杰;劉志
• 申請（專利權）人: 長春思拓電子科技有限責任公司;焦杰
• 主分類號: H04W40/02
• 分類號: H04W40/02;H04W52/02;G08C17/02
• 代理公司: 北京華識知識產權代理有限公司 11530
• 代理人: 趙永強

1.一種超低功耗無線數據傳輸網絡設計方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：

步驟1，設計數據傳輸網絡，該網絡由集中器和節點兩種設備組成，集中器下發指令遙控和匯總抄表數據，每個節點均受到集中器的控制，也能上報抄表數據，并且，每個節點均是無線通信的中繼器，能把無線數據級聯接力轉發到下一級；

步驟2，建立低功耗的通迅，采用FSK調制方式，通信的波特率采用25Kbps，最大數據有效負載不少于180字節，為保證在任意7毫秒之內均可以收到可識別的數據，將數據包按幀做分割，每幀均加上同步識別碼，并且保證每幀的傳輸時間均小于7毫秒；

步驟3，設計路由通信過程，路由通信協議的數據包格式由1Byte的包類型、3Byte的包信息和長度不定的包數據構成，所述包信息包含分幀總數、后面數據校驗和及后面字節數；

包類型定義了以下幾種：

0x00表示普通單向數據包，并要求最終目標節點應答；

0x01表示單向數據包，不要求最終目標節點應答；

0x02表示節點主動上報單向數據包，要求集中器應答；

0x81表示節點發出的廣播注冊包，用于向集中器注冊；

0x82表示節點代理其它節點的注冊包，代其向集中器注冊；

包信息用于檢查數據是否有錯，

包數據的具體格式由不同種類的數據包決定，

單向數據包的包數據格式由2Byte的路由頭、最大不超過36字節的路由表、1Byte的數據長度和數據組成，所述路由頭包含節點數和已跳數，所述路由表包含所有路由節點標識數組，所述路由表的字節長度為節點數*4Byte；

每個節點有一個唯一的四字節標識ID，規定集中器的ID是零，其它節點非零，在路由頭中，節點數標明整個路徑中，數據共經歷了幾個節點，最短的路由也需要有一個源地址加上一個目標地址共兩個節點，已跳數就是路由跳數，從1開始，每經過一跳就加1，當已跳數等于節點數時，就表明數據已經抵達了最終目標，路由表就是把那些所有路由經歷節點的ID按跳順序進行排列，設計最大支持9跳；

步驟4，節點注冊過程

一個節點剛上電時，處于未注冊的狀態，集中器的節點圖里沒有它的相關信息，剛上電的節點隨機在某一時刻發起廣播注冊包，所述廣播注冊包由4Byte的發起者、1Byte的功能碼、1Byte的周邊節點數和最多53個周邊節點組成；所述發起者包含注冊節點標識；所述功能碼包含代理級別或完成注冊；所述周邊節點包含周邊鄰居節點標識數組；

發起廣播注冊的節點把自身ID廣播出去向周邊的鄰居節點或集中器宣告自身存在；

功能碼分為兩種情況：

代理級別從0到7，表示廣播節點希望到達路由的跳數，0表示廣播節點希望直接注冊到達集中器，1表示廣播節點希望能一次代理轉發后到達集中器，只有那些到達集中器實際跳數低于或等于請求級別的已注冊節點才會執行代理注冊，以減少低價值的注冊信息占用信道，節點注冊廣播會依次累加廣播注冊包中的代理級別，縮短路由；

完成注冊，一個節點注冊成功以后，發射信號通知正準備代理注冊上報的鄰居節點，讓鄰居節點取消關于這個節點的代理上報，減少冗余的代理注冊；

如果一個未注冊節點收到了其它未注冊鄰居的注冊廣播，那么就把這個鄰居節點的信息收集起來，等到該節點注冊時，能捎帶上周圍的鄰居；

一個已注冊的節點收到請求級別大于自身跳數級別的節點注冊廣播時，把這個廣播注冊包轉換成代理注冊包，擇機發射出去；所述代理注冊包由2Byte的路由頭、路由表、1Byte的數據長度、4Byte的注冊節點標識、1Byte的周邊節點數和周邊節點數組組成，所述路由頭包含節點數和已跳數；所述路由表包含所有路由節點標識數組；

代理注冊包是一種單向數據包，因為代理注冊包比原來那條廣播注冊包里多出了路由部分，會占用一些的空間，因此，若包長度發生了溢出，那就丟棄周邊節點數組中的一部分信息；

集中器無論是收到廣播注冊包，還是收到這種代理注冊包，都要向要注冊的節點發送一個不要求應答的單向數據包，來通知這個節點已注冊成功，收到注冊成功信息的那個節點保存這個命令中的路由表反轉信息，作為可能需要發起主動上報的路由，從此，除非在需要主動上報時，已注冊的節點基本處于靜寂狀態不再主動發射信號，其它被捎帶到集中器的周邊鄰居節點信息，只用于設置節點圖中各節點的相鄰關系；

集中器根據注冊廣播和主動上報的代理注冊，得到整個網絡的節點拓撲圖，節點拓撲圖是一個表格，其規模是節點數量平方的一半，下表描述了一個包含有A、B、C、D四個節點的一個節點拓撲圖；

	A	B	C	D
A	-	X	X	X
B	Y	-	X	X
C	Y	Y	-	X
D	Y	Y	Y	-

在X和Y區域保存兩個節點是否相鄰，這是一個三角形矩陣，即以所述節點拓撲圖的對角線為界限，包括三角形的X區域和包括三角形的Y區域，只需要保存X區域；集中器每當收到有新節點注冊時，在矩陣中添加這個新節點，再設置各節點的相鄰關系，如果集中器要查詢某個節點，從節點拓撲圖中運用最優路由算法，按照取得的最短路徑設置查詢命令中的路由表，發射出去即可實現指定節點的查詢抄表功能；

步驟5，網絡故障自動維護

如果一個中繼節點發生故障，會導致路由表中后續的所有節點都失控，由于每個節點附近都會有其它鄰居節點存在，當孤立節點發生故障時，其它鄰居節點代替它實現中繼轉發功能；

集中器通過抄表查詢命令超時發現節點故障并自動重建路由，集中器在查詢某節點時，若命令超時未得到應答數據，根據路由表，先用二分法向各路由節點發出查詢命令，最終找到故障節點，之后把故障節點從節點拓撲圖中清除，重新計算路由，再次發射指定節點的查詢命令即可完成路由重建過程；

節點利用主動上報發現中繼故障并自動重建路由，如果節點進行主動上報，而最終并沒有得到集中器的應答，那么重新發出注冊廣播，要求周邊的鄰居節點再次進行代理注冊，如果這些鄰居的上級節點有故障，那么就因代理注冊不成功，引發故障節點下級的所有節點重新注冊，最終由故障節點同級的其它節點代理完成這些重新注冊，重建新的有效上報路由。