一種可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)關(guān)結(jié)點設(shè)計的制作方法
【專利摘要】受到發(fā)射功率和部署環(huán)境限制，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常被分割為多個較小子網(wǎng)。電力線路已成為現(xiàn)代生活中一項普遍存在的基礎(chǔ)設(shè)施。本發(fā)明針對以上現(xiàn)實，利用電力線路載波，提出一種低成本、免布線的多物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)匯聚結(jié)點的管理及數(shù)據(jù)雙向通信方法。物聯(lián)網(wǎng)對系統(tǒng)成本與復(fù)雜度比較敏感，本發(fā)明使用簡單的RS232多機通信協(xié)議，基于動態(tài)二叉樹可編址技術(shù)以較高的效率管理結(jié)點、請求子網(wǎng)數(shù)據(jù)，和獲取子網(wǎng)中的事件報警信息。
【專利說明】一種可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)關(guān)結(jié)點設(shè)計
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算機【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多子網(wǎng)結(jié)點的管理與數(shù)據(jù)交互，具體而言就是借助電力載波鏈路管理由多個無線子網(wǎng)組成的無線傳感器子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議及管理方法。
二、技術(shù)背景
[0002]基于射頻技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信范圍受到發(fā)射功率和部署環(huán)境限制，通常被分割為較小的子網(wǎng)，每個子網(wǎng)通過匯聚結(jié)點與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)交互。
[0003]通常每個子網(wǎng)要經(jīng)過網(wǎng)關(guān)結(jié)點連接到互聯(lián)網(wǎng)，但這種方法需要在每個子網(wǎng)匯聚結(jié)點處有互聯(lián)網(wǎng)接入點，無論是組網(wǎng)成本還是運行費用相對較高。即使使用成本很低的串行總線，也需要相應(yīng)的布線工程，造成物聯(lián)網(wǎng)結(jié)點部署成本過高。
[0004]電力線路已成為當(dāng)今世界一項普遍存在的基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)實生活中具有豐富電力線路的資源，為連接不同無線傳感器子網(wǎng)提供了一種低成本、免布線機會。受限于單個結(jié)點成本，在簡單物理總線上構(gòu)建高效的物聯(lián)網(wǎng)通信是一項挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)基于串行總線的多機通信一般為主從模式，對從機的主動通信支持不夠，不能滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中“關(guān)注事件”主動報警的實際需求。
[0005]本發(fā)明基于電力載波串行總結(jié)，采用三時槽分時及地址動態(tài)平衡二叉樹技術(shù)，建立一種支持多個物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)點的管理及數(shù)據(jù)雙向通信的多物聯(lián)網(wǎng)子網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]1.可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)關(guān)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與多機通信模式，本發(fā)明利用電力供電線路建立通信載波鏈路，在多個無線自組子網(wǎng)間構(gòu)建如附圖1所示的多機網(wǎng)絡(luò)。各子網(wǎng)匯聚結(jié)點通過該鏈路與管理結(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。鏈路底層基于RS232協(xié)議，使用MCU主從多機通信模式構(gòu)建多子網(wǎng)匯聚結(jié)點可尋址通信網(wǎng)絡(luò)。
[0007]在多機通信模式中，管理結(jié)點可發(fā)送地址幀與數(shù)據(jù)幀兩種數(shù)據(jù)。地址幀為11位:I位起始位、8位數(shù)據(jù)位、I位停止位、I位數(shù)據(jù)/地址標(biāo)志位。其中最后一位用于區(qū)分幀類型，該位為“O”表示數(shù)據(jù)幀，為“ I”表示地址幀。
[0008]所有子網(wǎng)匯聚結(jié)點平時處于地址幀偵聽狀態(tài)，等待接收管理結(jié)點發(fā)來的地址，當(dāng)接收到一幀信息的最后一位為“ I”時，表示管理結(jié)點發(fā)送來的是地址幀，此時所有子網(wǎng)匯聚結(jié)點發(fā)生接收中斷。而對于最后一位為“O”的數(shù)據(jù)幀則不予理睬。
[0009]子網(wǎng)匯聚結(jié)點進入相應(yīng)的串口中斷服務(wù)程序后，把接收到的地址和本結(jié)點物理地址進行比較，如果符合“指定規(guī)則”(具體規(guī)則參照本發(fā)明具體協(xié)議規(guī)定)，表示該結(jié)點被選中。選中結(jié)點退出多機地址偵聽模式，切換到數(shù)據(jù)通信模式，與管理結(jié)點共享數(shù)據(jù)總線，并以數(shù)據(jù)幀通信模式進行進一步交互，而其它未被選中子網(wǎng)匯聚結(jié)點繼續(xù)保持偵聽地址狀態(tài)。通信完成后，該被選中子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)結(jié)點重新回到地址偵聽狀態(tài)。
[0010]2.主從網(wǎng)絡(luò)分時訪問機制[0011]為完成對無線子網(wǎng)的主動訪問及獲得無線子網(wǎng)中事件信息，提出如附圖2所示的主從網(wǎng)絡(luò)分時訪問機制。如圖2所示，管理結(jié)點與子網(wǎng)匯聚結(jié)點分時使用基于電力載波的串行總線。首先本發(fā)明借助主機地址幀作為通信周期同步時標(biāo)，按時間軸劃分基本通信周期。每個通信周期被劃分為三個時槽，時槽I為管理結(jié)點發(fā)送主控信令階段。主控信令受限于MCU主從多機通信模式只能是單字節(jié)地址幀，信令具體內(nèi)容隱含在后續(xù)時槽3的通信中，管理結(jié)點主控信令主要有如下幾種:
[0012]①管理結(jié)點發(fā)送信令發(fā)現(xiàn)新結(jié)點(由上層應(yīng)用提出，或響應(yīng)新結(jié)點請求)
[0013]②管理結(jié)點請求子網(wǎng)數(shù)據(jù)(由上層應(yīng)用或協(xié)議本身提出)
[0014]③管理結(jié)點尋找事件結(jié)點(收到子網(wǎng)匯聚結(jié)點事件信息由管理結(jié)點發(fā)起)
[0015]由于子網(wǎng)匯聚結(jié)點為多個，因此其匯報事件時(時槽2)，可能發(fā)生通信沖突。管理結(jié)點在時槽2收到信息后，如不能正常解碼，表示檢測到?jīng)_突。管理結(jié)點則會在下一通信周期使用管理信令③去尋找事件源(參見本申請其它部分)。
[0016]3.無線子網(wǎng)匯聚結(jié)點地址平衡二叉樹動態(tài)分配方案
[0017]如附圖3所示，本發(fā)明使用地址平衡二叉樹對子網(wǎng)匯聚結(jié)點進行編址。所有子網(wǎng)匯聚結(jié)點在二叉樹中屬于終端葉子結(jié)點，并擁有唯一的物理地址。二叉樹的非終端結(jié)點擁有虛擬地址。
[0018]終端結(jié)點與非終端結(jié)點按照其在完全二叉樹廣度優(yōu)先遍歷順序取得O-N的地址號，使用這種地址分配方案是為了能夠根據(jù)地址編號通過簡單計算獲得結(jié)點在樹中的“父子與兄弟”關(guān)系。當(dāng)管理結(jié)點要與指定物理結(jié)點通信時，直接使用其物理地址；當(dāng)管理結(jié)點使用地址幀格式發(fā)送虛擬地址時，該虛擬地址結(jié)點的所有孩子物理結(jié)點都會在通信中斷中通過地址模式匹配并進入下一步相應(yīng)功能，而其它非孩子終端結(jié)點，則對該信令不予理睬。
[0019]4.無線子網(wǎng)匯聚結(jié)點物理地址二叉樹動態(tài)分配，新增無線子網(wǎng)匯聚結(jié)點時，匯聚結(jié)點通過本發(fā)明的平衡二叉樹動態(tài)地址分配方案從管理結(jié)點動態(tài)得到網(wǎng)絡(luò)結(jié)點物理地址，為進一步的網(wǎng)絡(luò)管理奠定基礎(chǔ)。本發(fā)明限定每次只能新加入一個子網(wǎng)匯聚結(jié)點，也即子網(wǎng)匯聚結(jié)點只能依次加入。
[0020]新加入的子網(wǎng)匯聚結(jié)點，在沒有得到地址前，會被初始化一個固定的初始物理地址255。管理結(jié)點通過這個地址碼與新結(jié)點通信協(xié)商，并為之分配最終的物理地址。
[0021]有兩種方式來啟動新結(jié)點加入:⑴上層應(yīng)用要求管理結(jié)點發(fā)送信令①尋找新結(jié)點。⑵新結(jié)點在時槽2，發(fā)出“加入網(wǎng)絡(luò)”事件信息。如果此信息沒有發(fā)生沖突，則可與管理結(jié)點在時槽3直接協(xié)商分配新地址。如果發(fā)生沖突，則隨后由管理結(jié)點在下一通信周期發(fā)送信令③，來定位事件源(詳細(xì)步驟見
【發(fā)明內(nèi)容】
6，7)，然后與管理結(jié)點協(xié)商分配新地址。
[0022]5.管理結(jié)點向子網(wǎng)匯聚結(jié)點請求數(shù)據(jù)的請求/響應(yīng)模式，子網(wǎng)匯聚結(jié)點一旦分配得到物理地址，管理結(jié)點即可在時槽I通過信令②向子網(wǎng)匯聚結(jié)點請求數(shù)據(jù)。被訪問的子網(wǎng)匯聚結(jié)點在隨后的時槽3與管理結(jié)點建立基于數(shù)據(jù)幀的通信，完成數(shù)據(jù)交互。
[0023]6.管理結(jié)點發(fā)現(xiàn)事件源，管理結(jié)點除使用請求/響應(yīng)模式來向子網(wǎng)“詢問”子網(wǎng)數(shù)據(jù)外，無線物聯(lián)網(wǎng)另一種重要信息是事件報警。本發(fā)明針對MCU主從多機通信模式，提出一種基于地址平衡二叉樹的事件源快速定位方法，使得管理結(jié)點能通過簡單的電力載波串行總線快速獲取子網(wǎng)事件信息。
[0024]監(jiān)測到“受關(guān)注事件”子網(wǎng)匯聚結(jié)點在時槽2向管理結(jié)點發(fā)出“發(fā)現(xiàn)事件”信息包。如果管理結(jié)點能夠按協(xié)議解碼，則可直接獲知發(fā)送信息包的源結(jié)點。管理結(jié)點會在隨后的下一個時槽I使用請求/響應(yīng)模式向該結(jié)點確認(rèn)事件信息。
[0025]但由于多個子網(wǎng)匯聚結(jié)點共享時槽2，因此信息包可能發(fā)生沖突，如果管理結(jié)點不能解析時槽2的信息，說明發(fā)生沖突。管理結(jié)點會在隨后的下一個時槽I使用本
【發(fā)明內(nèi)容】
7中所述的基于平衡二叉樹的事件源快速定位方法來定位事件源，并獲取相關(guān)事件信息。
[0026]7.管理結(jié)點基于平衡二叉樹快速發(fā)現(xiàn)事件源，當(dāng)有多個子網(wǎng)發(fā)現(xiàn)“受關(guān)注事件”時，時槽2會發(fā)生沖突。管理結(jié)點會在隨后通信周期時槽I發(fā)送信令③，以快速發(fā)現(xiàn)事件源。
[0027]在地址平衡二叉樹中，樹的終端結(jié)點是真正子網(wǎng)匯聚結(jié)點；中間結(jié)點為虛擬結(jié)點，管理結(jié)點發(fā)送虛擬地址時，其終端孩子結(jié)點如果有指定事件發(fā)生則都會在中斷程序中通過地址匹配并回復(fù)。
[0028]如附圖3所示，如果子網(wǎng)匯聚結(jié)點5，6，7同時在時槽2發(fā)出“發(fā)現(xiàn)事件”信息包，在下一個時槽1，管理結(jié)點即開始分別發(fā)送虛擬地址I和2來查詢平衡二叉樹的左右子樹是否有事件源。
[0029]因為在左子樹中只有一個事件源，因此管理結(jié)點向虛擬地址I發(fā)送信令③，則只有7號結(jié)點會回復(fù)，因此可以直接定位事件源。而但當(dāng)管理結(jié)點向虛擬地址2發(fā)送信令③時，因為右子樹中有兩個事件源，因此會有兩個事件源響應(yīng)信令③，繼而發(fā)生沖突。管理結(jié)點只有繼續(xù)向下檢查虛擬結(jié)點2的左右子樹來發(fā)現(xiàn)事件源，直至沒有沖突為止。
[0030]使用本方法可以讓管理結(jié)點在I?log2N的時間復(fù)雜度下定位事件源，相對于線性查詢事件源，效率大大提高，節(jié)省了對基于簡單通信協(xié)議的電力載波線路的資源占用。
四、【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1:可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)關(guān)結(jié)點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，圖1顯示了可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。通過使用電力載波鏈路將管理結(jié)點與多個子網(wǎng)的匯聚結(jié)點建立鏈接。
[0033]圖2:三時槽分時通信機制，圖2顯示本發(fā)明由管理結(jié)點發(fā)起通信請求，并開始一個通信周期。每個通信周期被劃分為三個時槽，在時槽I管理結(jié)點可使用鏈路發(fā)送主控信令(地址幀)，申請與從機結(jié)點在時槽3建立雙向通信。受限于MCU主從多機通信模式只能是單字節(jié)地址幀，信令具體內(nèi)容隱含在后續(xù)時槽3的通信中；在時槽2子網(wǎng)結(jié)點可使用鏈路發(fā)送數(shù)據(jù)幀，申請與主機結(jié)點在下一通信周期與主機建立雙向通信。
[0034]圖3:地址平衡二叉樹，圖3顯示本發(fā)明的地址分配方案，及幫助理解基于地址平衡二叉樹的事件源快速發(fā)現(xiàn)定位機制。
[0035]五、實施方式
[0036]使用KQ-130485K485電力線快速載波模塊(本模塊支持485通信，但在實施中我們僅使用了其對RS232的支持)作為RS232到電力載波線路的調(diào)制/解調(diào)器。使用基于CC2530的無線結(jié)點及MSP430+CC2520的異構(gòu)無線結(jié)點作為不同子網(wǎng)的匯聚結(jié)點。CC2530集成8051MCU，8051與MSP430均支持MCU RS232主從多機通信，基于以上機制實現(xiàn)了本發(fā)明的相關(guān)協(xié)議。
【權(quán)利要求】
1.由可編址電力載波物聯(lián)網(wǎng)多網(wǎng)關(guān)結(jié)點構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與多機通信模式，是指多個無線自組子網(wǎng)網(wǎng)關(guān)利用電力供電線路建立如附圖1所示的多機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及相應(yīng)雙向通信模式?；诔杀九c復(fù)雜度很低的RS232協(xié)議，各子網(wǎng)匯聚結(jié)點使用MCU(Micrc) ControllerUnit)主從多機通信模式，基于電力載波線路完成管理結(jié)點與子網(wǎng)匯聚結(jié)點的可尋址雙向網(wǎng)絡(luò)通信。
2.主從網(wǎng)絡(luò)分時訪問機制與平衡二叉樹地址分配方案，是指為克服傳統(tǒng)主從多機網(wǎng)絡(luò)中從機無法向主機主動發(fā)起通信，根據(jù)權(quán)利要求1所述網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提出的一種雙向通信機制。本發(fā)明借助主機地址幀作為通信周期同步時標(biāo)，通過將一個通信周期劃分為三個時槽的分時機制使從機可向主機提出通信請求。為解決由此產(chǎn)生的多從機間通信沖突，本發(fā)明基于平衡二叉樹對網(wǎng)關(guān)結(jié)點進行編址，并引入虛擬結(jié)點地址用于主機對請求通信從機結(jié)點的快速定位。
3.管理結(jié)點向子網(wǎng)匯聚結(jié)點請求數(shù)據(jù)及管理結(jié)點快速定位從機事件源方法，是指基于權(quán)利要求1，2，本發(fā)明中管理結(jié)點一方面可直接向物理結(jié)點申請指定數(shù)據(jù)，另一方面管理結(jié)點主機根據(jù)通信沖突情況可在I?log2N的時間復(fù)雜度下快速定位從機事件源。相對于線性查詢事件源，提高了對基于簡單通信協(xié)議的電力載波線路利用率。
【文檔編號】H04B3/54GK103795784SQ201410018079
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年1月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月15日
【發(fā)明者】馮國富, 林何磊, 陳明, 郭慶娟 申請人:上海海洋大學(xué)