陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，涉及數(shù)字信息的傳輸和管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。本方法采用三層協(xié)議架構(gòu)，從底層到上層依次為：物理射頻層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層；所述物理射頻層將底層的數(shù)據(jù)封裝成幀結(jié)構(gòu)，把CSMA-CA載波監(jiān)聽沖突避免算法植入其中；所述網(wǎng)絡(luò)層通過調(diào)用物理射頻層封裝的軟件接口實(shí)現(xiàn)協(xié)議中數(shù)據(jù)包組建、檢索、輸入輸出控制和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送接收接口函數(shù)；所述應(yīng)用層通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層提供的軟件接口創(chuàng)建能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用層功能的應(yīng)用程序接口函數(shù)。本發(fā)明能高保障通信，可大幅提升陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的工作效率、降低管理成本、保障石油管道運(yùn)輸安全性。
【專利說明】陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，涉及數(shù)字信息的傳輸和管道系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】。
技術(shù)背景
[0002]由于監(jiān)測物理環(huán)境的重要性從來沒有像今天這么突出，物聯(lián)網(wǎng)已被視為環(huán)境監(jiān)測、建筑監(jiān)測、公用事業(yè)、工業(yè)控制、家庭、船舶和運(yùn)輸系統(tǒng)自動化中下一個發(fā)展方向。從實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能來看，由微機(jī)電系統(tǒng)、片上系統(tǒng)、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)推動發(fā)展的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)具有非常好的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新型的傳感器網(wǎng)絡(luò)，由具有感知能力、計算能力和通信能力的大量微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自配置的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)給觀察者。其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)獲取和處理能力使其得到越來越多的關(guān)注。
[0003]在我國，石油管道運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)的五大運(yùn)輸方式之一，為保障其安全性和可靠性需定期采集管道上的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)用以監(jiān)測管道的腐蝕狀況?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)監(jiān)控方式仍基本采用人工進(jìn)行，采集一次數(shù)據(jù)時間很長，同步性非常差。由于管道運(yùn)輸常常需要跨越偏遠(yuǎn)、環(huán)境惡劣的無人區(qū)域，導(dǎo)致人工監(jiān)測數(shù)據(jù)的成本高昂、困難多多。同時，由于管道運(yùn)輸覆蓋范圍非常大，可達(dá)上千公里，導(dǎo)致鋪設(shè)和維護(hù)有線數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的成本和困難難以承擔(dān)。因此，建立基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)是近年來管道運(yùn)輸安全保障系統(tǒng)的發(fā)展方向。
[0004]CN102186258A公開了一種基于線形長距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，該方法設(shè)計了一種基于線形長距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議方法，主要用來實(shí)現(xiàn)拓?fù)浞植紴榫€形長距離的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的保障通信。但在現(xiàn)場應(yīng)用過程中由于傳輸環(huán)境復(fù)雜，干擾較大的影響，丟包率較高，個別節(jié)點(diǎn)訪問時間過長等不足。
[0005]無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)開發(fā)的一個重點(diǎn)和難點(diǎn)。在實(shí)際開發(fā)過程中，現(xiàn)有的無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議都因網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、功耗大、成本高、開發(fā)周期長等特點(diǎn)無法滿足上述管道運(yùn)輸環(huán)境的應(yīng)用需求?；诖宋覀兲岢隽藨?yīng)用于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的、具有能簡化實(shí)施工作，降低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，降低處理器資源占用等特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是發(fā)明一種適用于石油管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境、具有動態(tài)路由選擇、確認(rèn)重傳、大數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送和日志記錄回傳功能的高保障通信、可大幅提升陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的工作效率、降低管理成本、保障石油管道運(yùn)輸安全性的基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法。
[0007]本發(fā)明給出適用于管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計方案。管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境的地理特征基本為線形(直線或曲線，無重疊和交叉)，其所需節(jié)點(diǎn)密度低(一般間隔0.5-lkm)、延伸距離長，且管道運(yùn)輸在后期維護(hù)時根據(jù)實(shí)際情況需要增減節(jié)點(diǎn)或與其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(如星型、網(wǎng)型)融合成混合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。基于管道運(yùn)輸跨度范圍大、傳輸范圍廣、無人值守、無法持續(xù)供電、人工采集和鋪設(shè)有線線路成本高昂且實(shí)施困難巨大等相關(guān)特點(diǎn)，本發(fā)明給出了該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法的整體設(shè)計框架、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計、路由算法和相關(guān)功能性保障算法等的設(shè)計方案。
[0008]本發(fā)明設(shè)計的基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其設(shè)計方案主要包含以下部分:
[0009]本發(fā)明自主設(shè)計了滿足特定應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三層協(xié)議架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間多跳接力式的通信。通信協(xié)議架構(gòu)從底層到上層依次為:物理射頻層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所不。
[0010]物理射頻層將底層的數(shù)據(jù)封裝成巾貞結(jié)構(gòu),把CSMA-CA (Carrier Sense MultipleAccess with Collision Avoidance:載波監(jiān)聽沖突避免)算法植入其中,避免節(jié)點(diǎn)遭遇多路信號同時響應(yīng)的問題；同時物理射頻層將節(jié)點(diǎn)物理地址固化其中，并封裝操作底層硬件的軟件接口，為網(wǎng)絡(luò)層提供直接控制物理射頻層的代碼接口。
[0011]網(wǎng)絡(luò)層通過調(diào)用物理射頻層封裝的軟件接口實(shí)現(xiàn)協(xié)議中數(shù)據(jù)包組建、檢索、輸入輸出(FI FO方式:First Input First Output)控制和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送接收等接口函數(shù)，同時在網(wǎng)絡(luò)層植入動態(tài)路由選擇算法、確認(rèn)重傳算法和大數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送算法保障在最低功耗下的高效、高保障數(shù)據(jù)傳輸。
[0012]應(yīng)用層通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層提供的軟件接口創(chuàng)建能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用層功能的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface:API)函數(shù),完成陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)需求的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)遍歷、日志記錄回傳和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋功能。
[0013]本發(fā)明通過分層的框架設(shè)計完成對數(shù)據(jù)包的分層處理，簡化處理過程、縮減處理器的資源占用以達(dá)到降低開發(fā)成本和節(jié)點(diǎn)功耗的目的。
[0014]本發(fā)明基于狀態(tài)機(jī)的概念在應(yīng)用層自主設(shè)計了一個單線程操作系統(tǒng)用以控制整個協(xié)議正常運(yùn)行，通過搭建注冊表完成每個端口號(PORT)與應(yīng)用層API函數(shù)的一一對應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)之間多跳接力通信的邏輯和時序控制，如圖1所示。節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后通過分析幀結(jié)構(gòu)中攜帶端口號(PORT)來調(diào)用相應(yīng)API函數(shù)，從而達(dá)到對指定節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)特定功能的目的。
[0015]本發(fā)明給出的是一種適用于石油管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，傳輸環(huán)境復(fù)雜，干擾影響大。為保障協(xié)議工作的穩(wěn)定性和健壯性，本發(fā)明自主開發(fā)了靈活的動態(tài)路由選擇算法:其具有寬松的地址布局，允許增減網(wǎng)絡(luò)中鋪設(shè)的節(jié)點(diǎn)；通過升序的地址排列縮減路由表查詢范圍，提高協(xié)議工作效率；可靈活適應(yīng)直線型、星型和網(wǎng)型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，方便后續(xù)管道升級改換時的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。動態(tài)路由選擇算法由以下幾個部分組成:
[0016]a)建立路由表:節(jié)點(diǎn)啟動時以各個發(fā)送功率(按照由小到大的順序)依次發(fā)送廣播包，根據(jù)收到的反饋數(shù)據(jù)包建立路由表，路由表記錄了在不同發(fā)送功率下所有可連接節(jié)點(diǎn)的通信地址；重啟節(jié)點(diǎn)可自動完成路由表更新功能。
[0017]b)查詢路由表:節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包前需查詢路由表，尋找最合適下一跳地址。選擇原則:以最小發(fā)射功率尋找跳數(shù)最低下一跳節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)送失敗時提高發(fā)送功率，在該發(fā)送功率下查詢路由表，再次尋找跳數(shù)最低的下一跳節(jié)點(diǎn)，以此類推，直至將數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后結(jié)束。同時，主節(jié)點(diǎn)具備可查詢?nèi)我夤?jié)點(diǎn)路由表信息的功能。
[0018]c)維護(hù)路由表:在節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時，可通過發(fā)送接收成功或失敗情況完成對路由表的更新。
[0019]本發(fā)明自主設(shè)計了三種算法用以保障通信協(xié)議方法功能的完善性、穩(wěn)定性和健壯性,主要由以下組成:
[0020]a)確認(rèn)重傳算法:節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后向發(fā)送方回傳確認(rèn)信息(Acknowledgement:ACK)。當(dāng)發(fā)送方收到ACK時才可認(rèn)為數(shù)據(jù)包發(fā)送成功；在一定時段中未收到ACK即認(rèn)為發(fā)送失敗，失敗后在特定延時后進(jìn)行數(shù)據(jù)包重傳，用以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?br> [0021]b)數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送算法:用以實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)包傳送。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包過大時，協(xié)議可將大數(shù)據(jù)包切分成若干小數(shù)據(jù)包，并在每個小數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)中設(shè)置總分組包數(shù)、單包序號、單包ACK字段信息。其中單包序號用以標(biāo)記小數(shù)據(jù)包在大數(shù)據(jù)包中的位置；總分組包數(shù)和單包ACK字段用以標(biāo)記大數(shù)據(jù)包中哪個小數(shù)據(jù)包已收到，哪個未收到。當(dāng)接收方接收完大數(shù)據(jù)包的所有分組后即將小數(shù)據(jù)包重組，并檢查單包ACK信息看是否每個小數(shù)據(jù)包都收至IJ，如有未收到的則單獨(dú)請求重傳。
[0022]c)日志記錄回傳算法:實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在工作過程中實(shí)時記錄其正常和異常的工作狀態(tài)作為工作日志，完成AP節(jié)點(diǎn)對特定節(jié)點(diǎn)請求日志信息用以了解當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和其上一跳、下一跳節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。為了用最少的數(shù)據(jù)量表達(dá)最多的節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)，本發(fā)明對節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行編碼，一個字節(jié)對應(yīng)一個工作狀態(tài)，并在接收端進(jìn)行解析，最大限度的提高了日志記錄效率，便于掌握整個網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)。
[0023]基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖如圖3所示。具體是:
[0024]開始；
[0025]判斷目的地址是不是本節(jié)點(diǎn)？若不是，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，判斷轉(zhuǎn)發(fā)成功否？若轉(zhuǎn)發(fā)成功，則記錄日志，切換LED2，若轉(zhuǎn)發(fā)不成功，則進(jìn)入重發(fā)機(jī)制；若目的地址是本節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)
[0026]判斷端口號合法否？若不合法，則錯誤信息寫入日志；若合法，則
[0027]判斷本節(jié)點(diǎn)是AP節(jié)點(diǎn)嗎？若不是，則判斷端口對應(yīng)功能函數(shù)是不是為空？如為空，則錯誤信息寫入日志；如不為空，則調(diào)用端口對應(yīng)功能函數(shù)，判斷幀結(jié)構(gòu)中信息部分不為空？如為空，則錯誤信息寫入日志，如不為空，則組裝輸出數(shù)據(jù)包將信息發(fā)回給發(fā)出命令節(jié)點(diǎn)，發(fā)送成功否？如發(fā)送成功，則切換LED2，記錄日志信息，如發(fā)送不成功，則進(jìn)入重發(fā)機(jī)制；若本節(jié)點(diǎn)是AP節(jié)點(diǎn)，則
[0028]判斷數(shù)據(jù)包是否來自端口？若否，則將數(shù)據(jù)包經(jīng)串口發(fā)給電腦；若是，則
[0029]判斷端口對應(yīng)功能函數(shù)是不是為空？若為空，則錯誤信息寫入日志；若不為空，則調(diào)用端口對應(yīng)功能函數(shù)；
[0030]判斷幀結(jié)構(gòu)中信息部分不為空？若不為空，則組裝輸出數(shù)據(jù)包經(jīng)串口發(fā)給電腦；若為空，則錯誤信息寫入日志。
[0031]本發(fā)明適用于石油管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境，具有動態(tài)路由選擇、確認(rèn)重傳、大數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送和日志記錄回傳功能的高保障通信，可大幅提升陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的工作效率，降低管理成本，保障石油管道運(yùn)輸安全性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法的框架結(jié)構(gòu)圖
[0033]圖2基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖
[0034]圖3基于陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議流程圖
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施例.本例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在運(yùn)輸管道起始位置布置AP節(jié)點(diǎn)。AP節(jié)點(diǎn)具備相對較強(qiáng)的控制和處理能力，其主要有三種功能:第一，用以完成向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)起各種命令來控制各個ED節(jié)點(diǎn)；第二，可實(shí)現(xiàn)匯聚各個ED節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并上傳的功能；第三，可實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)(如以太網(wǎng)、GSM網(wǎng)等)的連接。在運(yùn)輸管道上依次布置ED節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)物理地址以升序排列，相鄰節(jié)點(diǎn)地址間隔可大于1，以便后期增減管道監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，與其它網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)兼容，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性。ED節(jié)點(diǎn)可完成兩種網(wǎng)絡(luò)功能:第一，可作為網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，采集管道陰極保護(hù)數(shù)據(jù)；第二，可作為網(wǎng)絡(luò)的中繼節(jié)點(diǎn)，完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)多跳接力方式的傳送給目的節(jié)點(diǎn)。ED節(jié)點(diǎn)在不收發(fā)數(shù)據(jù)時處于休眠狀態(tài)，功耗極低。
[0036]本例采用芯片CClllO作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理的核心。該芯片是一種真正低成本的無線片上系統(tǒng)(System on Chip, S0C),為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計。其具有增強(qiáng)型8051單片機(jī)(Micro Control Unit，MCU)和無線收發(fā)模塊CC1100。其中8051MCU自帶32K Flash和4K RAM，用于下載和運(yùn)行協(xié)議棧程序，控制節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)的邏輯和時序；無線收發(fā)模塊CCllOO完成信號的收發(fā)。通信協(xié)議主要工作在ISM (Industrial,Scientific and Medical，工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)開放的公共頻段433MHz。
[0037]本例自行設(shè)計了滿足管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)三層協(xié)議架構(gòu)，從底層到上層依次為:物理射頻層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)編程語言為C語言，采用IAR embedded workbench集成開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn),通過RS232串口將協(xié)議棧下載至無線通信模塊中用以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。
[0038]本例設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為AP節(jié)點(diǎn)和ED節(jié)點(diǎn)兩種。其各自的工作流程如下:
[0039]I) AP節(jié)點(diǎn):在網(wǎng)絡(luò)開始工作時，可通過上位機(jī)控制AP節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送命令數(shù)據(jù)包；命令數(shù)據(jù)包主要包含PORT信息(對應(yīng)特定應(yīng)用功能，如請求數(shù)據(jù)、遍歷網(wǎng)絡(luò)、請求日志信息等)，最終目的地址、源地址、上一跳地址、下一跳地址、負(fù)載數(shù)據(jù)包、負(fù)載數(shù)據(jù)包長度、總分組包數(shù)、單包序號和單包ACK字段信息；命令數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后，AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待接收狀態(tài)，當(dāng)有數(shù)據(jù)包到達(dá)AP節(jié)點(diǎn)時，AP節(jié)點(diǎn)將從等待接收狀態(tài)跳出并向發(fā)送方發(fā)送ACK信息，然后開始處理數(shù)據(jù)包，處理完畢后再次進(jìn)入等待數(shù)據(jù)包狀態(tài)；在這里，數(shù)據(jù)包分為兩種:第一種是ED節(jié)點(diǎn)返回的結(jié)果數(shù)據(jù)包，AP節(jié)點(diǎn)會將其通過串口上傳給上位機(jī)；第二種是上位機(jī)通過串口發(fā)送給AP節(jié)點(diǎn)的命令數(shù)據(jù)包，AP節(jié)點(diǎn)根據(jù)其攜帶信息決定做何種處理，過程如圖3所不；
[0040]2)ED節(jié)點(diǎn):ED節(jié)點(diǎn)缺省狀態(tài)為等待接收狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)時ED節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)包處理狀態(tài)，它會查看數(shù)據(jù)包攜帶的目的地址是否指向自己；當(dāng)目的地址指向自己時，則判斷該數(shù)據(jù)包攜帶端口號及端口號對應(yīng)API函數(shù)是否合法:若合法，則調(diào)用對應(yīng)API函數(shù)，在數(shù)據(jù)包負(fù)載中寫入需要返回的信息；若不是，則將錯誤信息寫入節(jié)點(diǎn)日志。當(dāng)節(jié)點(diǎn)地址不是指向自己時，則根據(jù)動態(tài)路由選擇算法生成下一跳地址轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。若轉(zhuǎn)發(fā)成功則記錄信息并通過LED燈標(biāo)示狀態(tài),若轉(zhuǎn)發(fā)失敗則進(jìn)入重傳機(jī)制,如圖3所示。
[0041]本例經(jīng)試驗(yàn)，適用于石油管道運(yùn)輸應(yīng)用環(huán)境，具有動態(tài)路由選擇、確認(rèn)重傳、大數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送和日志記錄回傳功能的高保障通信，可大幅提升陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)的工作效率，降低管理成本，保障石油管道運(yùn)輸安全性。
【權(quán)利要求】
1.一種陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用三層協(xié)議架構(gòu)，從底層到上層依次為:物理射頻層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層； 所述物理射頻層將底層的數(shù)據(jù)封裝成幀結(jié)構(gòu)，把CSMA-CA載波監(jiān)聽沖突避免算法植入其中；同時物理射頻層將節(jié)點(diǎn)物理地址固化其中，并封裝操作底層硬件的軟件接口，為網(wǎng)絡(luò)層提供直接控制物理射頻層的代碼接口； 所述網(wǎng)絡(luò)層通過調(diào)用物理射頻層封裝的軟件接口實(shí)現(xiàn)協(xié)議中數(shù)據(jù)包組建、檢索、輸入輸出控制和網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送接收接口函數(shù)，同時在網(wǎng)絡(luò)層植入動態(tài)路由選擇算法、確認(rèn)重傳算法和大數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送算法保障在最低功耗下的高效、高保障數(shù)據(jù)傳輸； 所述應(yīng)用層通過調(diào)用網(wǎng)絡(luò)層提供的軟件接口創(chuàng)建能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用層功能的應(yīng)用程序接口函數(shù)，完成陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)需求的節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)遍歷、日志記錄回傳和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)反饋功能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是所述動態(tài)路由選擇算法由以下幾個部分組成: a)建立路由表:節(jié)點(diǎn)啟動時以各個發(fā)送功率按照由小到大的順序依次發(fā)送廣播包，根據(jù)收到的反饋數(shù)據(jù)包建立路由表，路由表記錄了在不同發(fā)送功率下所有可連接節(jié)點(diǎn)的通信地址；重啟節(jié)點(diǎn)可自動完成路由表更新功能； b)查詢路由表:節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包前需查詢路由表，尋找最合適下一跳地址；選擇原則:以最小發(fā)射功率尋找跳數(shù)最低下一跳節(jié)點(diǎn)，當(dāng)發(fā)送失敗時提高發(fā)送功率，在該發(fā)送功率下查詢路由表，再次尋找跳數(shù)最低的下一跳節(jié)點(diǎn)，以此類推，直至將數(shù)據(jù)包發(fā)送成功后結(jié)束；同時，主節(jié)點(diǎn)具備可查詢?nèi)我夤?jié)點(diǎn)路由表信息的功能； c)維護(hù)路由表:在節(jié)點(diǎn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包時，可通過發(fā)送接收成功或失敗情況完成對路由表的更新。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是所述確認(rèn)重傳算法為:節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)包后向發(fā)送方回傳確認(rèn)信息；當(dāng)發(fā)送方收到ACK時才可認(rèn)為數(shù)據(jù)包發(fā)送成功；在一定時段中未收到ACK即認(rèn)為發(fā)送失敗，失敗后在特定延時后進(jìn)行數(shù)據(jù)包重傳，用以保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是所述數(shù)據(jù)包拆分發(fā)送算法為:當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)包過大時，協(xié)議可將大數(shù)據(jù)包切分成若干小數(shù)據(jù)包，并在每個小數(shù)據(jù)包幀結(jié)構(gòu)中設(shè)置總分組包數(shù)、單包序號、單包ACK字段信息；其中單包序號用以標(biāo)記小數(shù)據(jù)包在大數(shù)據(jù)包中的位置；總分組包數(shù)和單包ACK字段用以標(biāo)記大數(shù)據(jù)包中哪個小數(shù)據(jù)包已收到，哪個未收到；當(dāng)接收方接收完大數(shù)據(jù)包的所有分組后即將小數(shù)據(jù)包重組，并檢查單包ACK信息看是否每個小數(shù)據(jù)包都收到，如有未收到的則單獨(dú)請求重傳。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是所述日志記錄回傳采用日志記錄回傳算法，該算法為:實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)在工作過程中實(shí)時記錄其正常和異常的工作狀態(tài)作為工作日志，完成AP節(jié)點(diǎn)對特定節(jié)點(diǎn)請求日志信息用以了解當(dāng)前節(jié)點(diǎn)和其上一跳、下一跳節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是對節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)進(jìn)行編碼，一個字節(jié)對應(yīng)一個工作狀態(tài)，并在接收端進(jìn)行解析，最大限度的提高了日志記錄效率，便于掌握整個網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陰極保護(hù)數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議方法，其特征是具體流程為: 開始； 判斷目的地址是不是本節(jié)點(diǎn)？若不是，則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，判斷轉(zhuǎn)發(fā)成功否？若轉(zhuǎn)發(fā)成功，則記錄日志，切換LED2，若轉(zhuǎn)發(fā)不成功，則進(jìn)入重發(fā)機(jī)制；若目的地址是本節(jié)點(diǎn)，則轉(zhuǎn)判斷端口號合法否？若不合法，則錯誤信息寫入日志；若合法，則判斷本節(jié)點(diǎn)是AP節(jié)點(diǎn)嗎？若不是，則判斷端口對應(yīng)功能函數(shù)是不是為空？如為空，則錯誤信息寫入日志；如不為空，則調(diào)用端口對應(yīng)功能函數(shù)，判斷幀結(jié)構(gòu)中信息部分不為空？如為空，則錯誤信息寫入日志，如不為空，則組裝輸出數(shù)據(jù)包將信息發(fā)回給發(fā)出命令節(jié)點(diǎn)，發(fā)送成功否？如發(fā)送成功，則切換LED2，記錄日志信息，如發(fā)送不成功，則進(jìn)入重發(fā)機(jī)制；若本節(jié)點(diǎn)是AP節(jié)點(diǎn)，則 判斷數(shù)據(jù)包是否來自端口？若否，則將數(shù)據(jù)包經(jīng)串口發(fā)給電腦；若是，則判斷端口對應(yīng)功能函數(shù)是不是為空？若為空，則錯誤信息寫入日志；若不為空，則調(diào)用端口對應(yīng)功能函數(shù)； 判斷幀結(jié)構(gòu)中信息部分不為空？若不為空，則組裝輸出數(shù)據(jù)包經(jīng)串口發(fā)給電腦；若為空，則錯誤信息 寫入日志。
【文檔編號】H04W40/02GK103841620SQ201210490646
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月27日
【發(fā)明者】徐承偉, 薛致遠(yuǎn), 陳洪源, 郭正虹, 畢武喜, 王維斌, 林明春, 姜有文, 趙君, 陳振華, 吳長訪, 張豐, 滕延平, 沈光霽, 蔣先堯, 陳新華, 馮展軍, 康葉偉, 李明菲, 王禹欽, 王學(xué)一, 高山卜 申請人:中國石油天然氣股份有限公司