基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议

摘要

基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，属于物联网以及无线传感技术领域。该固定结构的网络分为工作站、数据汇聚终端和数据采集节点三层，其中数据汇聚终端采用直流供电方式，不考虑能源消耗，数据采集节点采用电池供电，系统层次分明结构简单。根据这种网络结构设计的超轻量级无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，能够完成自动组网、信道选择、数据的实时采集、系统的休眠和自动唤醒、链路自愈、数据汇聚终端和数据采集节点的动态加入。实现系统低成本、低功耗的运行。

主权项

一种基于固定网络结构的超轻量级无线通信协议，该固定网络结构包括数据汇聚终端、数据采集节点和工作站，数据采集节点散布于各工作场所，以采集温度、湿度或某种气体浓度的参数数据；其中工作站为PC机；数据汇聚终端主要包括单片机、无线收发芯片、天线、MAX485芯片、外部存储器24C08以及电压转换芯片，利用直流电源供电；数据采集节点主要包括单片机、无线收发芯片、天线、传感器和电池，其中工作站经过485转232模块后，通过232线与数据汇聚终端相连；数据汇聚终端和数据采集节点通过无线通信进行联系并传送信息；无线通信协议包括组网、时间调整、正常工作三个阶段，该协议工作过程如下： (1)组网阶段工作站配置数据汇聚终端，将对应的数据采集节点的个数和地址信息传给数据汇聚终端；在完成对数据汇聚终端的配置后，数据汇聚终端开始发送广播命令，时间长度为数据采集节点扫描一遍信道的时间，然后按地址依次和数据采集节点通信；数据汇聚终端先判断此数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若为1，表示已经完成组网，则跳过该数据采集节点，与下一数据采集节点通信；根据实际需要，为了减少通信次数，并没有设计单独的组网命令，而是数据汇聚终端直接发送修改定时器命令，若收不到数据采集节点返回的ACK确认信号，则认为此数据采集节点未安装，然后数据汇聚终端与下一个数据采集节点通信；数据汇聚终端若收到确认信号，则发送休眠命令，并修改数据采集节点定时休眠时间为30分钟，数据采集节点休眠，并将其通信状态标志位Flag[N]置1；这样数据汇聚终端查询完所有的数据节点后，即找到所有的数据采集节点；数据采集节点上电完成对单片机和无线收发芯片的初始化后，配置接收地址为广播地址，首先匹配信道，数据采集节点一遍遍扫描信道查找数据汇聚终端发送的广播信号，当收到广播信号后，将地址改为自身地址，并从广播命令中提取对应的数据汇聚终端的地址并写入发送地址，数据采集节点等待数据汇聚终端发送的修改定时器命令和休眠命令之后，发送应答信号，将正在组网标志位Prime置1，然后进入休眠；完成组网后的数据采集节点每次醒来后等待数据汇聚终端的命令，如果在一定时间内未收到数据汇聚终端的命令，则对组网标志位Prime进行判断，若其为1就继续休眠；Prime在完成组网进入调整阶段后会被置0；此阶段完成后，所有的数据采集节点会集中在三十分钟内醒来；（2）时间调整阶段数据汇聚终端按照地址表中的顺序依次与数据采集节点通讯，当与第一个数据采集节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第N个，调整其定时时间为，同时数据汇聚终端开启定时器1，定时时间30分钟；当于第二个节点通信上时，查询它在地址表中的位置为第M个，此时，定时器累计的时间为X，则调整其定时时间为，这样在30分钟内，就会将时间间隔依次调整为50mS的所有的数据采集节点相继醒来；（3）正常工作阶段此阶段包括采集数据阶段和休眠阶段；采集数据阶段：定时到时后，数据汇聚终端每隔50mS与一个数据采集节点通信，采集数据并保存到外部存储器中，然后数据汇聚终端判断定时时间是否变化，若变化，则发送修改定时器命令，并发送定时时间，然后发送休眠命令；若没有变化则直接发送休眠命令；休眠阶段：在采集数据阶段，若不能与第N个数据采集节点通信上，则数据汇聚终端将其工作标志位Flag[N]置0，同时此数据采集节点修改其地址为广播地址，以便再次完成组网，定时醒来的时间为1分钟；在休眠阶段，数据汇聚终端先发送一定时间的广播信号，有两个方面的作用，一是达到占据信道的目的，二是让采集数据阶段通信失败的节点能够收到，然后数据汇聚终端查询数据采集节点的通信状态标志位Flag[N]，若值为1，则跳过；若值为0，则发送修改定时器信号，等待应答信号；若能通信上，则将数据采集节点定时时间调整为，其中T为定时间隔，X为数据汇聚终端定时器已计时的时间，N为数据汇聚终端地址表中未通信上的数据采集节点的编号，然后数据汇聚终端发送休眠命令；数据采集节点收到广播信号后，修改其接收地址为自身地址，等待接收修改定时器命令和休眠命令，若多次未通信上，则数据汇聚终端在与工作站通信时向其报错，认为此数据采集节点死掉，请求人为处理；数据采集节点的整体的工作方式：数据采集节点定时醒来后，射频芯片为接收模式等待数据汇聚终端的命令，同时开启短定时，如果在定时时间内收到数据汇聚终端的命令，则根据命令工作，然后短定时重新开始，等待下一个命令；若到时后收不到命令则进入休眠。