一種基于低占空比工作模式的無線低功耗傳感網(wǎng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明就是針對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)的缺陷，提出了一種基于固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，和間隙性低占空比工作模式下的低功耗無線傳感網(wǎng)組網(wǎng)和傳輸技術(shù)，在低功耗的前提下實現(xiàn)了組網(wǎng)節(jié)點之間的信息中繼和傳輸，從而解決了水電氣三表遠距離自動集抄，野外電池驅(qū)動的傳感器數(shù)據(jù)低功耗遠距離采集等難題。
【專利說明】
一種基于低占空比工作模式的無線低功耗傳感網(wǎng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉有源RFID，無線傳感網(wǎng)以及低功耗無線通信組網(wǎng)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)主要包括以Zigbee為代表的網(wǎng)狀網(wǎng)(mesh-net)和以有源RFID為代表的星狀網(wǎng)(star-net)兩種。以Zigbee為代表的網(wǎng)狀網(wǎng)，是基于所有參與組網(wǎng)的無線傳輸節(jié)點處于連續(xù)不間斷工作的狀態(tài)下來實現(xiàn)的，ZigBee還考慮了系統(tǒng)組網(wǎng)節(jié)點的動態(tài)變化，因而采用了動態(tài)組網(wǎng)和動態(tài)路由的方式，這種方式必然要浪費大量的網(wǎng)絡(luò)資源，影響網(wǎng)絡(luò)的工作效率。盡管看起來每個Zigbee節(jié)點的功耗都只有幾十毫安，但由于處于連續(xù)工作狀態(tài)，一般電池都只能支持非常有限的時間，因而需要外供電源；在實際應用中，由于傳感器工作節(jié)點往往固定不變，接收和發(fā)射信號的節(jié)點都非常明確，并不需要動態(tài)組網(wǎng)和動態(tài)路，因而，能夠發(fā)揮Zigbee動態(tài)組網(wǎng)，動態(tài)路由優(yōu)勢的地方非常有限，因而這種功能往往變成了網(wǎng)絡(luò)的負擔。一般有源RFID盡管采用了低功耗低占空比工作方式，但每個標簽之間并不能實現(xiàn)組網(wǎng)通信。隨著物聯(lián)網(wǎng)信息革命的向前推進，對無線傳感器信息采集的需要越來越迫切，這就急需一種簡單的非動態(tài)變化的低功耗無線傳感網(wǎng)，來實現(xiàn)傳感器信息的低功耗采集傳輸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明就是針對現(xiàn)有無線傳感網(wǎng)的缺陷，提出了一種基于固定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和低占空比工作方式模式下的無線傳感網(wǎng)技術(shù)，從而在低功耗的前提下實現(xiàn)了組網(wǎng)節(jié)點之間的信息傳輸。
[0004]本發(fā)明中參與組網(wǎng)的所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都有固定的安裝位置；每個節(jié)點都是由至少一個無線收發(fā)機和一個單片機組成的無線收發(fā)單元構(gòu)成。每個節(jié)點都可以與傳感器或其它設(shè)備連接，他們彼此間可以實現(xiàn)無線通信，每個收發(fā)單元中的無線收發(fā)機平常都采用周期性睡眠，蘇醒后在預先指定的頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的低占空比的工作方式，這一瞬間的監(jiān)聽時間非常短，但足以通過所接收到信號的射頻特征，包括頻率，調(diào)制方式，編碼方式等來判定是否監(jiān)聽到可能有可以與之實現(xiàn)無線通信的信號，例如可以代表數(shù)字通信中的一個或兩個“O”或者“I”比特位信號。只有在監(jiān)聽到這種信號時，節(jié)點中的無線收發(fā)機才會延長監(jiān)聽時間，直到接收到一個完整的指令信號包。而無線收發(fā)機完成這樣初始判斷性監(jiān)聽所需的時間非常短，往往只有100微妙左右的時間，因而非常省電。具體工作方式可參見專利文獻《智能電子標簽CN 101236611A》。當然在條件許可的情況下，參與組網(wǎng)的部分節(jié)點或所有節(jié)點也可采用外供電源供電。每一個節(jié)點都可以通過有線或無線的方式與計算機連接，并作為信號發(fā)射節(jié)點，發(fā)起一個通信過程。由于每個節(jié)點蘇醒后監(jiān)聽信號的時間非常短，因而，在保持同樣地占空比，例如〈1:1000，的情況下，每個節(jié)點的睡眠蘇醒周期可以很短，例如0.5-1秒，甚至更短，這將大大加快信號在整個網(wǎng)路內(nèi)的傳輸過程。
[0005]網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間信息傳輸?shù)姆绞绞?信息發(fā)射節(jié)點直接將信息發(fā)射給其信號覆蓋范圍內(nèi)的目標節(jié)點，或通過一個或多個中繼節(jié)點，將信息逐級傳輸?shù)讲辉谄湫盘柛采w范圍內(nèi)的目標節(jié)點。具體做法是:發(fā)射節(jié)點通過連續(xù)在一段時間內(nèi)不間斷地在公用喚醒頻道上(協(xié)調(diào)頻道)向外廣播指令信號包的方式，喚醒處于周期性睡眠蘇醒后在公用喚醒頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的第一個中繼節(jié)點，并按照指令信號包的要求建立雙方的通信聯(lián)系，并將需要傳輸?shù)男畔鬏斀o該中繼節(jié)點。在完成信息傳輸后，發(fā)射節(jié)點將回到周期性睡眠蘇醒后在公共頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的狀態(tài)；而第一中繼節(jié)點將按照發(fā)射節(jié)點一樣的方式，連續(xù)在喚醒頻道上，向第二中繼節(jié)點發(fā)送信息，向第二個中繼節(jié)點發(fā)射的信息也能為發(fā)射節(jié)點所接收到，發(fā)射節(jié)點接收到這個信息后，就知道它向第一中繼節(jié)點發(fā)送的信息，以為第一中繼節(jié)點成功接收，否則發(fā)射節(jié)點將重新向第一中繼節(jié)點發(fā)送信息。第一個中繼節(jié)點在向第二個中繼節(jié)點發(fā)送完信息后，也將回到周期性睡眠蘇醒后在公用頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的低功耗狀態(tài)。以此類推，直到信息被傳送到目標節(jié)點。參見附圖一
這里的發(fā)射節(jié)點往往是與計算機連接的信息采集中心，例如有源電子標簽讀寫器；而目標節(jié)點和中繼節(jié)點往往是任意一個傳感器信息采集點；在所有傳感器采集節(jié)點中，包括中繼節(jié)點和目標節(jié)點，如果采用外供電時，它們平常將處于連續(xù)而不是間隙性地在公用喚醒頻道上監(jiān)聽信號的狀態(tài)，任何發(fā)射節(jié)點在向他們發(fā)射信息時，則不再需要采用在一段時間內(nèi)連續(xù)不間斷重復發(fā)射相同喚醒指令信號的方式，而只需要采用單包信號發(fā)射的方式。這樣不僅將加快信息傳輸，而且也將節(jié)省其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗。因而，在有條件的地方，盡可能的利用外供電源為網(wǎng)絡(luò)中的傳感器供電。
[0006]發(fā)射節(jié)點發(fā)送給中繼節(jié)點的信息中，包括整個中繼鏈路中每個中繼節(jié)點的地址。這個中繼鏈路是按如下方式形成的:
假如在一個傳感器信息采集區(qū)中有200個節(jié)點，而且所有節(jié)點之間并不能完全實現(xiàn)直接通信，許多節(jié)點間的通信都需要中繼才能完成。為了尋找任意兩個節(jié)點之間路徑最短(中繼節(jié)點最少)，信號傳輸效果最好(接收信號強度最高)的通信鏈路，系統(tǒng)需要找出每一個節(jié)點周圍能夠與該節(jié)點進行直接通信的其它節(jié)點ID，以及與該節(jié)點實現(xiàn)通信時的通信質(zhì)量(以該節(jié)點接收到這些節(jié)點發(fā)來ID時的信號強度表示)信號強度越高，我們就認為通信信道質(zhì)量越好。能夠與其通信的所有節(jié)點，由于可能建筑物的遮擋以及復雜的信號傳輸環(huán)境，并不一定分布在以該節(jié)點為中心的一個圓形區(qū)域內(nèi)，而是一個相對復雜的形狀，我們這里用一個簡單的橢圓形來表示，如附圖二所示。與此同時，在所有這些節(jié)點中，并不是離開該中心節(jié)點物理距離更近的節(jié)點一定就有更好的信號強度或通信質(zhì)量。我們可用一個箭頭來表示兩個節(jié)點之間的通信鏈接，用兩個節(jié)點的ID號來代表這個鏈接，用R來代表連接時的信號強度(接收ID時的RSSI值)，表示鏈路連接的質(zhì)量。R值越高，表示通信鏈路質(zhì)量越好。例如IDa-1Db-R，代表節(jié)點IDa發(fā)射信號，節(jié)點IDb接收信號，R代表兩個節(jié)點間通信時的信號強度。
[0007]系統(tǒng)將要求這兩百個節(jié)點中的每個節(jié)點都需要向外廣播一次盤點命令，采集該節(jié)點周圍可能采集到的節(jié)點ID，以及對應的信號強度。從而得到所有可直接通信的節(jié)點兩兩之間的通信鏈接及鏈路質(zhì)量。這實際上反映了整個傳感器網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)節(jié)點之間的基本通信條件，包括各種建筑物對通信的影響等因素。只要節(jié)點位置不變，這個條件就不會發(fā)生大的變化，除非區(qū)域內(nèi)發(fā)生影響信號傳輸?shù)闹卮蟓h(huán)境條件變化，此時，則需要我們重新采集一次這樣的信息。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點間最佳通信鏈路的確定就是基于這樣一個固定不變的通信環(huán)境，以及所獲得的這些資料來確定的。利用這個資料，計算機將給出任意兩個節(jié)點之間的所有鏈路連接信息，包括最短的鏈路連接信息，以及考慮鏈路質(zhì)量(整個鏈路的每一個鏈接接收信號強度高于一定值)時的鏈路鏈接信息。當需要在兩個節(jié)點之間，或讀寫器與網(wǎng)絡(luò)中任意一個節(jié)點之間傳輸信息時，發(fā)射節(jié)點或讀寫器將在向外廣播的信息指令中，列入鏈路中從第一中繼節(jié)點到最后目標節(jié)點的地址信息，按照前述的方法進行數(shù)據(jù)傳輸。附圖三是發(fā)射端發(fā)射信號包中應該包括所涉及的所有鏈路節(jié)點的ID信息。
[0008]【附圖說明】:
圖一，節(jié)點間信息傳輸方式圖二，通信鏈路的建立
圖三，發(fā)射節(jié)點發(fā)射信號應該包括的鏈路內(nèi)容【具體實施方式】:
網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都有一個ID號，將我們的讀寫器始終當著為發(fā)射節(jié)點，通過連接讀寫器的計算機，按照前述的信息傳輸方式，首先通過讀寫器，逐一向讀寫器可以與之直接通信的節(jié)點，下發(fā)要求每個節(jié)點采集其周圍可以與之通信的所有節(jié)點ID，以及接收信號強度(RSSI)的指令。其次再通過前述通信的方法，通過中繼節(jié)點，對其余的節(jié)點逐一下發(fā)同樣的指令，獲取整個區(qū)域內(nèi)所有節(jié)點之間通信的鏈路通信狀況信息。
[0009]然后通過計算機，按照首尾匹配的方式，搜尋出作為網(wǎng)絡(luò)發(fā)射節(jié)點的讀寫器到所有其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的鏈路鏈接信息，或任意一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點到其它網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的鏈路連接信息。當讀寫器需要向像某個目標節(jié)點傳遞信息時，則按照讀寫器到該節(jié)點的鏈路信息將其中所涉及的所有中繼節(jié)點ID，作為指令信號包的發(fā)射地址，包括在發(fā)射節(jié)點的指令信號包中。按照前述的方法進行信息傳遞。當讀寫器要求采集目標節(jié)點的信息時，目標節(jié)點將根據(jù)這個鏈路信息進行反向信息傳輸。
[0010]當網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點需要相互通信時，將采取同樣的方式進行。
【主權(quán)項】
1.一種基于低占空比工作模式的無線低功耗傳感網(wǎng)，其特征在于，該網(wǎng)絡(luò)由已知的若干個可以連接傳感器或其它工作單元的無線收發(fā)單元節(jié)點，一個控制計算機以及相應的應用軟件組成；計算機和軟件用于按照應用需要對整個傳感器網(wǎng)絡(luò)進行管理；每個節(jié)點都有固定的安裝位置，彼此間可以實現(xiàn)無線通信；每個節(jié)點中的無線收發(fā)機平常都采用周期性睡眠，蘇醒后在預先指定的頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的低占空比的工作方式，這一瞬間的監(jiān)聽時間非常短，但足以通過所接收到信號的射頻特征來判定是否監(jiān)聽到可能有可以與之實現(xiàn)無線通信的信號，只有在監(jiān)聽到這種信號時，收發(fā)單元中的無線收發(fā)機才會延長監(jiān)聽時間，直到接收到一個完整的指令信號包；參與組網(wǎng)的部分節(jié)點或所有節(jié)點也可采用外供電源供電，采用外供電源的節(jié)點，則可處于且每一個節(jié)點都可以通過有線或無線的方式與計算機連接，并作為信號發(fā)射節(jié)點，發(fā)起一個通信過程。2.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間信息傳輸?shù)姆绞绞?發(fā)射節(jié)點通過連續(xù)在一段不小于節(jié)點睡眠蘇醒周期的時間內(nèi)，不間斷重復地在公用喚醒頻道上向第一個中繼節(jié)點發(fā)射指令信號包的方式，喚醒處于周期性睡眠蘇醒后在公用喚醒頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的第一個中繼節(jié)點，建立雙方的通信聯(lián)系并進行信息交流；在完成信息交流后，發(fā)射節(jié)點將回到周期性睡眠蘇醒后在公共頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的狀態(tài)；而第一中繼節(jié)點將按照發(fā)射節(jié)點同樣的方式，在在喚醒頻道上，向前述的發(fā)射節(jié)點和第二中繼節(jié)點發(fā)送信息，第一個中繼節(jié)點在向第二個中繼節(jié)點發(fā)送完信息后，也將回到周期性睡眠蘇醒后在公用頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的低功耗狀態(tài)；以此類推，直到信息被傳送到目標節(jié)點。3.根據(jù)權(quán)利要求2，其特征在于，所述中繼節(jié)點鏈路是按如下方法確定的:首先系統(tǒng)通過每個節(jié)點逐一盤點的方式，獲取每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點周圍能夠與之建立通信的節(jié)點ID及對應的信號強度值，從而確定整個傳感網(wǎng)絡(luò)方位內(nèi)節(jié)點間的通信環(huán)境條件；其次，按照確定的發(fā)射節(jié)點和目標節(jié)點的ID，根據(jù)鏈路節(jié)點ID首尾匹配的方法，利用計算機找出所有發(fā)射節(jié)點和目標接收節(jié)點之間所有具有實際使用價值的通信鏈路，包括每條鏈路所涉及的節(jié)點ID和連接信號強度；最后按照給定信號發(fā)射節(jié)點和信號接收節(jié)點的ID，按照每個鏈路的長短，鏈路通信信號優(yōu)劣，每個鏈路中包含的具有外供電源的中繼節(jié)點數(shù)量的多少，和實際應用需要，找出最佳的一條或幾條通信鏈路，并將鏈路信息嵌入到節(jié)點間的通信信號包中。4.根據(jù)權(quán)利要求2，其特征在于，每個中繼節(jié)點在向下一個中繼節(jié)點連續(xù)發(fā)射信號時，該中繼節(jié)點的前一個發(fā)射節(jié)點，也能接受到這個信息，并將根據(jù)是否接收到這個信號來判別它先前向該中繼節(jié)點所發(fā)射的信號是否已成功被該中繼節(jié)點接收。5.根據(jù)權(quán)利要求1，其特征在于，當其中的一個節(jié)點作為有源電子標簽讀寫器與計算機連接時，整個系統(tǒng)就變成一個標簽與標簽之間可以實現(xiàn)通信，所有標簽都具有中繼功能，傳感器數(shù)據(jù)采集功能，以及設(shè)備控制功能的有源電子標簽系統(tǒng)；此時所有鏈路的發(fā)射節(jié)點就是讀寫器節(jié)點。6.一種具有固定位置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的組網(wǎng)方法，其特征在于，系統(tǒng)首先通過每個組網(wǎng)節(jié)點與其周圍信號覆蓋范圍內(nèi)的其它節(jié)點的通信結(jié)果，獲取整個網(wǎng)絡(luò)范圍在現(xiàn)有固定通信環(huán)境條件下，各個節(jié)點之間的通信狀況；再按照確定的發(fā)射節(jié)點和目標節(jié)點的ID，根據(jù)鏈路節(jié)點ID首尾匹配的方法，利用計算機找出所有發(fā)射節(jié)點和目標接收節(jié)點之間具有實際使用價值的所有固定通信鏈路；最后再根據(jù)選擇的鏈路進行通信。7.一種采用低占空比工作方式的若干個無線收發(fā)單元之間的信息傳遞方法，其特征在于，所有收發(fā)單元平常都采用周期性睡眠，蘇醒后在預先指定的公用頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的工作方式；發(fā)射節(jié)點通過連續(xù)在一段不小于節(jié)點睡眠蘇醒周期的時間內(nèi)，不間斷重復地在公用喚醒頻道上向第一個中繼節(jié)點發(fā)射指令信號包的方式，喚醒處于周期性睡眠蘇醒后在公用喚醒頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的第一個中繼節(jié)點，建立雙方的通信聯(lián)系并進行信息交流；在完成信息交流后，發(fā)射節(jié)點將回到周期性睡眠蘇醒后在公共頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的狀態(tài)；而第一中繼節(jié)點將按照發(fā)射節(jié)點同樣的方式，在在喚醒頻道上，向前述的發(fā)射節(jié)點和第二中繼節(jié)點發(fā)送信息，第一個中繼節(jié)點在向第二個中繼節(jié)點發(fā)送完信息后，也將回到周期性睡眠蘇醒后在公用頻道上監(jiān)聽信號一瞬間的低功耗狀態(tài)；以此類推，直到信息被傳送到目標節(jié)點。
【文檔編號】H04W52/02GK105992315SQ201510049036
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年1月30日
【發(fā)明人】廖應成
【申請人】成都西谷曙光數(shù)字技術(shù)有限公司