一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法技术

一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，首先对WiFi的时序进行重新定义，减少消息类型和节点状态，简化无线通信协议流程。其次优化了WiFi的MAC帧格式，分配更多字段给Payload Type，同时将Modbus协议嵌入WiFi协议中，充分扩展WiFi数据帧容量，构建了一个新的涵盖数据链路层和应用层的通信协议。最后在大型水电站对所设计的无线传感网络协议进行了应用测试，测试结果表明分散数据源无线传输能力强、通信可靠性高，根据应用实际情况选择不同的频域有效信道带宽可最大程度满足大型水电站的数据采集和设备监测需求，在出现信道占用的情况下，采取提高TTL延拓设定策略，可以有效减少丢包率，保证数据的完整性。保证数据的完整性。保证数据的完整性。

【技术实现步骤摘要】
一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法


[0001]本专利技术属于信息自动化领域，具体为一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，涉及一种新的适用于大型复杂工业设备监测场景的分散设备监测系统，包含节点交互流程、状态数据无线组网、传输协议、数据封装与解析等。

技术介绍

[0002]随着现代测量和信息技术的飞速发展，传统工业的运行和管理正向信息化、智能化全面提升。类似大型水电站等大工业场景，占地面积大、设备种类多，传统监测方式容易引起施工及布线复杂等问题，因此亟需提升电站设备的监测和管理水平。无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)融合分布式信息处理技术，具有多重监测、数据全面、组网灵活、互动友好等优势，能简化测量设备和通信网络、节约施工材料与人力成本，是提升设备监测和管理水平的优势技术。
[0003]然而在已有的通信协议设计中，通信场景复杂多变、网络覆盖情况不同，没有考虑不同应用场景应针对性地进行设计，不能完全用一套协议来应付所有场景。另一方面，目前大多数设计考虑的是大量数据的传输，而忽视了时效、丢包等影响。若能设计一种适用于大型工业场景分布式的、无线自组网的关键辅机设备的在线监测系统通信协议，将能进一步提高数据传输的效率，减少丢包和误码的状况。
[0004]现有技术如下：
[0005]与专利CN107920051A“一种互联网中无线传感器网络协议构建方法”的技术对比，区别如下；
[0006]1、专利CN107920051A中无线传感网络协议的基础是于IEEE802.15.4，而我们采用的是IEEE802.11b协议。
[0007]2、专利CN107920051A中，扩展payload的方式是通过IPv6报文头部的压缩实现的，而我们采用的是简化WiFi的帧头和帧尾，从而达到拓展payload的目的。
[0008]与专利CN103068071A“无线传感网中的有偏向低代价生成树的构建方法”的技术对比，区别如下；
[0009]1、与专利CN103068071A中无线传感器网络优先选择可充电节点组成有偏向低代价生成树,从而尽量减少不可充电节点的工作量以减少其能量消耗,达到延长网络生命期的目的。而我们采用减少节点间的交互流程，提高节点的响应速度，从而达到减少节点能耗、提高节点寿命的目的。
[0010]2、与专利CN103068071A中对无线传感网络的节点路径采用了有偏向低代价生成树计算方法，而我们直接采用了WiFi路由自带的路径生成算法。
[0011]3、专利CN103068071A中并未对数据包的封装格式做改进，也未改变节点的交互方式。
[0012]与专利CN103037468A“无线传感网中的有偏向最短路径生成树构建方法”的技术对比，区别如下；
[0013]1、与专利CN103037468A中无线传感器网络采用有偏向最短路径生成树算法，在节点类别等同的条件下,优先选择能够扩展更多新节点加入到生成树上的节点,从而尽量减少不可充电节点的工作量以减少其能量消耗,达到延长网络生命期的目的。而我们采用减少节点间的交互流程，提高节点的响应速度，从而达到减少节点能耗、提高节点寿命的目的。
[0014]2、专利CN103037468A中对无线传感网络的节点路径采用了有偏向低代价生成树计算方法，而我们直接采用了WiFi路由自带的路径生成算法。
[0015]3、专利CN103037468A中并未对数据包的封装格式做改进，也未改变节点的交互方式。

技术实现思路

[0016]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，包含节点交互流程、状态数据无线组网、传输协议、数据封装与解析等，对目前丢包、拥塞等状况得到修正。
[0017]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案是：
[0018]一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，包括如下步骤：
[0019]WiFi承载Modbus协议；
[0020]对WiFi的时序进行重新定义；
[0021]无线组网与数据传输流程；
[0022]优化了WiFi的MAC帧格式，分配更多字段给PayloadType，同时将Modbus协议嵌入WiFi协议中，充分扩展WiFi数据帧容量。
[0023]作为本专利技术进一步改进，所述步骤1)包括；
[0024]1.1)协议流程设计；
[0025]制定MAC层的协议，MAC层定义了数据在网络中的传输和封装格式，约束了信道的访问和使用方式，其中WSN采用多节点协同工作的分布式网络，MAC层的协议遵循分布式结构；
[0026]对MAC协议流程的消息类型和节点状态进行定义；
[0027]对于任意一组节点，假设A节点为信源节点，B节点为信宿节点；
[0028]1.2)数据帧设计；
[0029]对于MAC数据帧的封装格式，首先将原有数据帧进行简化，将多余字节分配给数据内容字段，再将Modbus帧嵌入WiFi数据帧中，利用WiFi协议来承载Modbus协议。
[0030]作为本专利技术进一步改进，所述步骤1.1)中MAC协议流程的消息类型和节点状态进行定义如下：
[0031]包括消息类型和节点类型。
[0032]作为本专利技术进一步改进，所述消息类型包括；RS含义如下信源节点准备发送数据，探测信道是否空闲；CS含义如下信宿节点收到RS消息后，回复此条消息，表明当前信道空闲，可以接收数据；ACK含义如下信宿节点回应数据被成功接收且准确；DA含义如下等待发送的数据。
[0033]作为本专利技术进一步改进，所述步骤1.1)中节点的协议流程如下；
[0034]Step1.假设网络中某个数据采集传感器为节点A，网络协调器为节点B，当两个节点没有数据需要收发时，均处于静止状态Q；
[0035]Step2.节点A需要向节点B发送数据，A向B发送RS(1011)消息，表明自己当前有一组数据需要发送，探测信道是否空闲，此时A从Q状态跳转到WCS状态；
[0036]Step3.B收到A发出的RS消息后，首先判断该消息目的地址是否为自己，若地址正确，则向A回复CS1100消息，表明当前信道空闲，可以向自己发送数据，此时B从Q状态跳转到WDA状态；
[0037]Step4.A收到B回复的CS消息后，表明目前可以进行数据传输，A将数据封装到数据包内，在帧控制位表明为DA0000消息，封装完成后发送至B节点，此时A由WCS状态跳转至WACK状态；
[0038]Step5.B收到DA消息后，对数据进行FCS校验，若校验错误则丢弃该数据并向上位机反馈错误消息，若检验正确则接收该条数据，向A回复ACK1101消息；
[0039]Step6.A成功接收到ACK消息后，表明本次数据传输完成，A、B均跳转回Q状态，等待下一次数据传输。
[0040]作为本专利技术进一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：包括如下步骤：1)WiFi承载Modbus协议；对WiFi的时序进行重新定义；2)无线组网与数据传输流程；优化了WiFi的MAC帧格式，分配更多字段给Payload Type，同时将Modbus协议嵌入WiFi协议中，充分扩展WiFi数据帧容量。2.根据权利要求1所述的一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：所述步骤1)包括；1.1)协议流程设计；制定MAC层的协议，MAC层定义了数据在网络中的传输和封装格式，约束了信道的访问和使用方式，其中WSN采用多节点协同工作的分布式网络，MAC层的协议遵循分布式结构；对MAC协议流程的消息类型和节点状态进行定义；对于任意一组节点，假设A节点为信源节点，B节点为信宿节点；1.2)数据帧设计；对于MAC数据帧的封装格式，首先将原有数据帧进行简化，将多余字节分配给数据内容字段，再将Modbus帧嵌入WiFi数据帧中，利用WiFi协议来承载Modbus协议。3.根据权利要求2所述的一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：所述步骤1.1)中MAC协议流程的消息类型和节点状态进行定义如下：包括消息类型和节点类型。4.根据权利要求3所述的一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：所述消息类型包括；RS含义如下信源节点准备发送数据，探测信道是否空闲；CS含义如下信宿节点收到RS消息后，回复此条消息，表明当前信道空闲，可以接收数据；ACK含义如下信宿节点回应数据被成功接收且准确；DA含义如下等待发送的数据。5.根据权利要求2所述的一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：所述步骤1.1)中节点的协议流程如下；Step1.假设网络中某个数据采集传感器为节点A，网络协调器为节点B，当两个节点没有数据需要收发时，均处于静止状态Q；Step2.节点A需要向节点B发送数据，A向B发送RS(1011)消息，表明自己当前有一组数据需要发送，探测信道是否空闲，此时A从Q状态跳转到WCS状态；Step3.B收到A发出的RS消息后，首先判断该消息目的地址是否为自己，若地址正确，则向A回复CS1100消息，表明当前信道空闲，可以向自己发送数据，此时B从Q状态跳转到WDA状态；Step4.A收到B回复的CS消息后，表明目前可以进行数据传输，A将数据封装到数据包内，在帧控制位表明为DA0000消息，封装完成后发送至B节点，此时A由WCS状态跳转至WACK状态；Step5.B收到DA消息后，对数据进行FCS校验，若校验错误则丢弃该数据并向上位机反馈错误消息，若检验正确则接收该条数据，向A回复ACK1101消息；Step6.A成功接收到ACK消息后，表明本次数据传输完成，A、B均跳转回Q状态，等待下一次数据传输。
6.根据权利要求2所述的一种WiFi承载Modbus的无线传感网络协议构建方法，其特征在于：所述步骤1.2)利用WiFi协议来承载Modbus协议，改造后的数据帧格式如下；(1)、帧控制位：2字节，用于指示四种消息类型：RS、CS、ACK、DA，代码分别为：1011、1100、1101、0000；(2)Duration/ID位：2字节，用作WiFi数据帧的NAV设置；(3)目的地址位：6字节，用于指示信宿节点的位置；(4)源地址位：6字节，用于指示信源节点的位置；(5)时间间隔：4字节，由于Modbus数据帧没有起始和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张治忠，付彦伟，颜佳，解勒，张鑫瑶，
申请(专利权)人：国能大渡河枕头坝发电有限公司，
类型：发明
国别省市：