基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议

摘要

基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，属嵌入式无线测控技术领域。IEEE802.15.4g是近两年IEEE协会制定的名为SUN的物理层标准，它在IEEE802.15.4标准基础上对物理层进行了补充，特别适用于超低功耗、远距离传输和上佳的抗噪声性能的电池驱动供电的基础设施类传感器网络。尽管目前IEEE802还在推进标准化工作，但草案规格已基本确定，因此有必要及时对这套标准进行跟踪与研究，并基于该底层标准设计研发一套应用于智能电网测控领域的具有超低功耗无线上层通信协议。本发明协议针对星型网络拓扑结构，对网络协调器节点和传感器节点的工作方法步骤分别进行设计，具有低速率、超低功耗、低复杂度等特点。

主权项

一种基于IEEE802.15.4g标准的无线测控通信协议，采用星型拓扑网络对无线传感器网络中的节点进行监测与控制，无线传感器网络包括PC上位机、网络协调器节点和传感器节点，其中所有的传感器节点均与网络协调器节点通过无线射频来传递信号；网络协调器节点与PC上位机相连接；网络协调器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口和USB接口，其中CC1120射频通信模块、USB转串口模块、电源管理模块、Jtag接口分别与微处理器相连接，USB转串口模块和电源管理模块分别与USB接口相连接，USB接口通过数据线与PC上位机相连接；传感器节点包括微处理器、CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器，其中CC1120射频通信模块、Jtag接口、供电模块、温度传感器分别与微处理器相连接。网络协调器节点负责网络的建立、管理和维护工作，同时还负责与PC上位机进行数据通信，能够接收处理来自PC上位机的命令或者将从传感器节点采集的传感数据上传至PC上位机，从而方便管理人员实时掌握被监测地区的各项环境指标；而大量的传感器节点广泛分布在被监测地区的不同地点，负责采集监测地点的各类传感数据，通过传感器节点中的CC1120射频通信模块将数据发送给网络协调器节点进行处理；网络协调器节点的工作方法分为初始化及组网阶段和正常工作阶段两步，其中网络协调器节点的初始化及组网阶段的步骤如下：(1).上电自启动，网络协调器节点进行初始化，包括进行初始化系统硬件资源、初始化SPI总线、配置寄存器的操作；(2).网络协调器节点初始化阶段完成以后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送来的组网命令，此时网络协调器节点会向所有传感器节点发送广播命令，传感器节点收到此命令后会将统一的广播地址0x00改为自身标识地址；(3).完成上述过程后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的调整功率命令，网络协调器节点会依次与每个传感器节点进入动态调整功率阶段，其中通信双方在初始化阶段均设定为最大输出功率；(4).上述阶段完成后，网络协调器节点会收到PC上位机软件发送的修改定时器命令，此命令中包含休眠时间间隔，此时网络协调器节点将依次向每个传感器节点发送修改定时器的命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的确认信号，则认为此节点仍在星型网络中；若没有收到确认信号，则网络协调器节点会再次发送同样的命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该节点；(5)．网络协调器节点在与每个传感器节点通信完成后，将会以上述接收到的休眠时间间隔启动定时器，开始定时，网络协调器节点随即进入低功耗休眠模式，等待串口中断或定时中断的到来；至此，网络协调器节点的初始化及组网阶段完毕，然后进入正常工作阶段，此阶段具体工作步骤如下：a.当有中断到来时，网络协调器节点会从低功耗休眠模式下唤醒，此时会判断是何种中断到来，若为串口中断则网络协调器进入步骤b；若为定时中断，则进入步骤d；b.若为串口中断到来，网络协调器节点将对PC上位机命令进行解析处理，判断是何种命令，进而执行相应的处理程序；若网络协调器节点接收到修改定时时间命令，则网络协调器节点会根据接收到的定时时间修改定时器，然后在下次发送休眠命令时将新的定时时间发送给传感器节点，传感器节点也会相应的修改它的定时时间，此后网络协调器节点和传感器节点将都能够以新的采集间隔时间进行休眠，双方的定时器也将以新的定时时间开始计时；若网络协调器节点接收到增加节点命令，则网络协调器节点根据增加的节点个数，多分配相应的存储空间，来存放新增加传感器节点的地址；若网络协调器节点接收到删除节点命令，则网络协调器节点根据删除的节点个数，来 删除相应的地址存储空间；c.当网络协调器节点处理PC上位机命令完成以后，判断定时中断标志位是否置位，若定时中断标志位没有置位，则表明定时时间还没有来临，则网络协调器节点进入步骤h；若该标志位已经置位，表明在网络协调器节点对PC上位机命令处理过程中，定时中断来临将此标志位置位，等待将串口命令处理完成后，网络协调器节点将进入步骤d；d.若定时中断来临，则网络协调器节点进入正常的采集数据阶段，此时网络协调器节点会首先关闭串口中断，然后网络协调器节点将依次与每个传感器节点进行通信；e.首先判断该传感器节点是否在线；若该传感器节点在线，网络协调器节点将向其发送采集命令，若网络协调器节点收到传感器节点发送回的传感数据，则将传感数据上传至PC上位机进行显示；若网络协调器节点没有收到传感器节点发送回的传感数据，则网络协调器节点再次发送同样的采集命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的传感数据，若重复发送三次同样命令后仍没收到传感器节点发回的传感数据则直接跳过该传感器节点的上传数据阶段并认为该传感器节点失去连接；若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的采集上传过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送采集命令、接收传感数据、上传数据阶段，进入步骤f；f.当网络协调器节点采集上传完某个传感器节点的数据后，网络协调器节点将向该传感器节点发送休眠命令，在发送休眠命令前，网络协调器节点首先判断该传感器节点是否在线：若该传感器节点在线，则网络协调器节点将向其发送休眠命令，若网络协调器节点收到传感器节点发回的确认信号，则认为该传感器节点在线；若没收到发送回的确认信号，则再次发送同样的休眠命令，直至网络协调器节点接收到传感器节点发回的确认信号，若网络协调器节点重复发送三次同样命令后仍没收到确认信号则认为该传感器节点失去连接并直接跳过该传感器节点；若该传感器节点不在线，则网络协调器节点将尝试与其进行连接，若能与该传感器节点通信上，则网络协调器节点和传感器节点进入动态调整功率阶段，功率调整完成以后，网络协调器节点将该传感器节点加入至星型网络，此时认为该传感器节点在线，此后网络协调器节点将重复上述在线节点的过程；若尝试连接时仍然无法与该传感器节点进行通信，则直接跳过发送休眠命令、接收确认信号阶段；当网络协调器节点与该传感器节点通信完成以后，其中通信完成包括采集上传完成和发送休眠命令完成这两个阶段，也包括两阶段中任一阶段通信失败的情况，网络协调器节点会判断是否与所有传感器节点都通信过，若没有，则网络协调器节点将与下一个传感器节点进行通信，网络协调器节点重新进入步骤e；若网络协调器节点与所有传感器节点都通信完成，则网络协调器节点进入步骤g；g.网络协调器节点将定时中断标志位清零，然后以预先设置的定时时间启动定时器，定时开始，同时开启之前已经关闭的串口接收中断；h.网络协调器节点重新进入低功耗休眠模式，等待下一个定时中断或串口中断的到来，此后，网络协调器节点将一直循环上述过程。