无线网络基于前导包的低功耗通讯方法技术

本发明专利技术公开了一种基于前导包的无线低功耗通讯方法，包括步骤：网络内包含主控节点和低功耗节点，上电后主控节点通过重复发送不定向广播包F0的方式同步网络号给网络内的低功耗节点；当网络应用拓扑发生变化时，主控节点通过重复发送定向广播包F1给网络内已经被配置过的低功耗节点，低功耗节点执行重新绑定主控节点的方法改变节点网络号并重新加入新网络；主控节点开始按照向外重复发送数据包P0，在随机时间TS内等待低功耗节点回复的确认包ACK1的方法实现和多个低功耗节点通信；当低功耗节点存在需要上报的数据时，会唤醒自身并且将需要上报的数据构造成一个上行数据包并发送给主控节点，并等待确认包的方式完成数据低功耗模式下的数据上报功能。本发明专利技术的方案显著提高了低功耗通信环境下的传输效率并有效降低节点的运行功耗。低节点的运行功耗。低节点的运行功耗。

【技术实现步骤摘要】
无线网络基于前导包的低功耗通讯方法


[0001]本专利技术涉及无线网络领域，特别涉及无线物联网行业应用领域，具体给出一种基于前导包的无线低功耗通讯方法。

技术介绍

[0002]在目前快速发展的物联网(IoT)应用系统中，越来越多的无线节点需要接入物联网。很多时候无线节点由于现场限制或者设备自身限制无法提供一个常供电的环境，这些无线节点一般需要采用电池供电且其电池容量有限，分布在实际的应用环境后电池难以更换或者更换成本很高，但是应用系统往往需要无线节点持续工作数年。这些低功耗无线节点需要和主控节点进行双向通信，及时响应主控节点的发送的指令要求，同时自身有数据的时候也需要及时上报。通常让节点处于长期休眠状态实现低功耗的方式，无法满足这种双向低功耗通信需求。所以能量效率以及低功耗交互通信是物联网无线通信协议设计的重点。
[0003]但是在实际的无线传感器网络应用进行双向低功耗数据通讯过程中，往往存在许多难点问题需要解决：（1）低功耗节点唤醒并向主控节点请求数据，保证能够与主控节点进行一次数据交互的同时又能够快速地回到低功耗状态，当该时间过长时，会直接导致低功耗模块的耗电增加，使用寿命减少，当该时间设计过短时，会造成低功耗节点没有及时收到主控节点的交互消息导致接收数据失败。（2）当网络中节点进行双向低功耗通信交互时，如果环境中低功耗节点数量增加，以及邀请包发送间隔减小的时候，都会增加邀请包的撞包概率以及持续性的造成网络信道的拥堵。（3）当存在多个低功耗节点且只有一个用于和低功耗节点交互的主控节点时，多个低功耗节点和主控节点的顺序交互逻辑难以明确，导致出现数据错误发送多次的情况。这些存在的问题严重影响了无线传感器网络在智能建筑、工业控制、安全检测、火灾安防等需要低功耗双向无线通信的众多领域的广泛应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供一种基于前导包的无线低功耗通讯方法，基本思想是能让网络中的低功耗节点独立进行唤醒侦听和睡眠调度，在进行数据通信的时候能够采用多节点预约和单周期批量传输的方式提高网络传输性能和降低功耗，相关技术方案如下：1）网络内包含主控节点和低功耗节点，上电后主控节点通过重复发送不定向广播包F0的方式同步网络号给网络内的低功耗节点，低功耗节点唤醒后根据收到的广播包获取网络信息并设置自身的网络号，回复确认包ACK1给主控节点，加入主控节点管理的网络中;2）当网络应用拓扑发生变化时，主控节点通过重复发送定向广播包F1给网络内已经被配置过的低功耗节点，低功耗节点执行重新绑定主控节点的方法改变节点网络号并重新加入新网络;3）主控节点运行在常唤醒状态，当接收到需要传输给低功耗节点的数据时，先构造出一个下行数据包P0，其中包括有效数据和一个或多个目标低功耗节点的编号字段和待
回复字段，并在待回复字段设置待回复标记;4）主控节点开始按照向外重复发送数据包P0，在随机时间TS内等待低功耗节点回复的确认包ACK1。如果收到低功耗节点的确认包ACK1，则取消数据包P0中对应的回复标记。每次发送数据包P0前判断其中低功耗节点的回复标记字段，如果所有的低功耗节点回复标记都已经取消，则立即停止发送；否则等到发送持续时间超过T1之后停止发送;5）低功耗节点在完成初始化之后会运行在时间周期为（T2+T3+T4）的周期性唤醒睡眠模式下，节点唤醒后开启无线并监听T3时间，当接收到完整的主控节点下发的数据包P0时，低功耗节点会保持唤醒并解析数据包，如果是发给自己的数据包则回复确认包ACK1，否则进入休眠状态降低能耗;6）当低功耗节点存在需要上报的数据时，会唤醒自身并且将需要上报的数据构造成一个上行数据包P1发送给主控节点，当主控节点接收到数据进行解析判断为本网络内的低功耗节点，则回复确认包ACK2，低功耗节点接收到确认包ACK2后回到低功耗状态，完成数据低功耗模式下的数据上报功能。
[0005]进一步地，方法中所述的时间信息包括，T0为主控节点发送数据的持续时间，T1为主控节点发送前导包的总时间，T2为低功耗节点的睡眠时间，T3为低功耗节点唤醒后监听数据包的时间，T4为低功耗节点的睡眠时间附加的随机数时间，TS为发送广播包F0或者数据包P0后的随机延迟时间。
[0006]进一步地，步骤1）中重复发送不定向广播包F0的方式具体为，主控节点按照时间间隔T0+TS开始向外重复发送广播包F0。低功耗节点唤醒后根据收到的广播包获取网络信息和设置自身的网络号方法为，节点检查自身网络号，如果为0xFFFF则提取广播包F0中的网络号和主控节点编号字段，以此设置自身所属的网络号和主控节点编号。
[0007]进一步地，步骤2）中低功耗节点执行重新绑定主控节点的方法为，主控节点设置定向广播包F1内目标节点的编号，当目标节点收到广播包F1后获取编号并和自身编号比较，如果相同从广播包F1中进一步获取网络号和主控节点编号，并设置自身网络号和所属主控节点编号，回复确认包ACK1给主控节点。
[0008]进一步地，步骤4）中取消数据包P0中对应的回复标记方法为，根据收到确认包ACK1获取对应低功耗设备的编号，并获取在数据包P0对应的位号，然后取消这个位号对应的回复标记。
[0009]进一步地，步骤5）中低功耗节点会保持唤醒并解析数据包方法为，当发现数据包是自己绑定的主控节点发送的并且存在发送给本节点的标记位时，立即回复一个确认包ACK1给主控节点，通知主控节点本模块已经收到了下发的数据包P0，对收到的数据进行处理并且在处理完成后立刻回到周期性的低功耗休眠唤醒状态。如果在唤醒的T3时间内没有完成一个数据包的完整接收，则模块立刻回到休眠并在（T2+T4）时间后再次唤醒并监听数据。
附图说明
[0010]图1为本专利技术中协议运行的网络拓扑图。
[0011]图2为本专利技术中广播包F0的格式图。
[0012]图3为本专利技术中确认包ACK1的格式图。
[0013]图4为本专利技术中主控节点和低功耗节点的广播包交互图。
[0014]图5为本专利技术中定向广播包F1的格式图。
[0015]图6为本专利技术中数据包P0的格式图。
[0016]图7为本专利技术中主控节点和低功耗节点数据交互图。
[0017]图8为本专利技术中上行数据包P1的格式图。
[0018]图9为本专利技术中确认包ACK2的格式图。
具体实施方式
[0019]下面将结合附图和具体实例对本专利技术的技术方案进行进一步说明，场景为1个主控节点和3个低功耗节点的网络环境，主控MCU通过串口连接无线模块，使用无线模块作为无线通信协议的运行载体，其中主控节点和低功耗节点都是由主控mcu通过串口和无线模块进行数据通信交互，可以实现下行指令的异步下发和上行指令的实时上传，相应的网络拓扑图如图1所示。
[0020]设备的运行和配置初期阶段，网络内包含主控节点和低功耗节点，在低功耗节点和主控节点刚上电初始化时，还没有设置工作的网络号，此时所有节点均工作在出厂默认的网络号下，主控节点通过发送不定向广播的方式开始创建和配置网络。主控节点开始按本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于前导包的无线低功耗通讯方法，其特征在于包括如下步骤：1）网络内包含主控节点和低功耗节点，上电后主控节点通过重复发送不定向广播包F0的方式同步网络号给网络内的低功耗节点，低功耗节点唤醒后根据收到的广播包获取网络信息并设置自身的网络号，回复确认包ACK1给主控节点，加入主控节点管理的网络中;2）当网络应用拓扑发生变化时，主控节点通过重复发送定向广播包F1给网络内已经被配置过的低功耗节点，低功耗节点执行重新绑定主控节点的方法改变节点网络号并重新加入新网络;3）主控节点运行在常唤醒状态，当接收到需要传输给低功耗节点的数据时，先构造出一个下行数据包P0，其中包括有效数据和一个或多个目标低功耗节点的编号字段和待回复字段，并在待回复字段设置待回复标记;4）主控节点开始按照向外重复发送数据包P0，在随机时间TS内等待低功耗节点回复的确认包ACK1;如果收到低功耗节点的确认包ACK1，则取消数据包P0中对应的回复标记;每次发送数据包P0前判断其中低功耗节点的回复标记字段，如果所有的低功耗节点回复标记都已经取消，则立即停止发送；否则等到发送持续时间超过T1之后停止发送;5）低功耗节点在完成初始化之后会运行在时间周期为（T2+T3+T4）的周期性唤醒睡眠模式下，节点唤醒后开启无线并监听T3时间，当接收到完整的主控节点下发的数据包P0时，低功耗节点会保持唤醒并解析数据包，如果是发给自己的数据包则回复确认包ACK1，否则进入休眠状态降低能耗;6）当低功耗节点存在需要上报的数据时，会唤醒自身并且将需要上报的数据构造成一个上行数据包P1发送给主控节点，当主控节点接收到数据进行解析判断为本网络内的低功耗节点，则回复确认包ACK2，低功耗节点接收到确认包ACK2后回到低功耗状态，完成数据低功耗模式下的数据上报功能。2.根据权利要求1所述的一种基于前导包的无线低功耗通讯方法，其特征在于所述方法中的时间信息包括：T0为主控节点发送数据的持续...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚国良，邹志烽，
申请(专利权)人：杭州太浩智能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：