本實用新型屬于通信技術領域，具體涉及一種混合型遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。

背景技術：

在搶險救援、戶外探險等野外活動中，經(jīng)常會出現(xiàn)信息傳輸?shù)男枨?。如救援隊員的地理位置信息的傳遞，指揮信息的下達等。目前在該類活動中，通常使用對講機系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。然而對講機方式通常只能實現(xiàn)半雙工通信，且功耗大、中繼架設不便，不能滿足野外活動中對通信設備的電池續(xù)航能力，網(wǎng)絡的快速靈活架設的要求。近年來，隨著通信技術的發(fā)展尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，不同的物聯(lián)網(wǎng)技術尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)開始應用到戶外/野外活動中，用以解決數(shù)據(jù)傳輸問題。

目前戶外/野外場景中常用的WSN技術包括Zigbee技術、RFID技術。其中RFID技術具有終端RFID標簽成本低，數(shù)據(jù)率高的優(yōu)點。但極大地限制了RFID標簽與讀卡器之間的距離，通常小于幾米。且通常只支持單向的數(shù)據(jù)傳輸，終端與終端之間無法通信，不適用于具有遠距離、自組網(wǎng)需求的應用場景，如探險、救援等野外活動中的數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee技術終端功耗低，支持雙向通信。但終端傳輸距離近，主要應用于短距離的無線傳輸場景，對于遠距離的無線傳輸需求，則需要搭建大量中繼，大大提高了通信的成本和通信協(xié)議的復雜性。

近年來，支持低功耗遠距離的無線通信技術開始出現(xiàn)，如Semtech公司的LoRa調制技術，Sigfox技術等。這些技術的出現(xiàn)，使得構建一個低功耗遠距離的WSN成為了可能。目前對于這些技術的應用及研究，大多集中在利用其傳輸距離遠的特點，構建星型網(wǎng)絡，從而大大降低網(wǎng)絡拓撲結構和通信協(xié)議的復雜度，實現(xiàn)對一定分布范圍內的數(shù)量眾多的網(wǎng)絡終端的數(shù)據(jù)傳輸和控制。

中國專利CN105813099A公開了一種基于LoRa自組網(wǎng)的戶外無線通信系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有戶外無線通信系統(tǒng)存在的惡劣環(huán)境移動網(wǎng)絡信號差、傳輸距離近和無信息共享的交互界面的技術問題，其包括中央處理器、定位模塊、藍牙模塊、外圍設備接口、電源模塊、LoRa通信模塊和手機APP終端；中央處理器分別與定位模塊、藍牙模塊、外圍設備接口、電源模塊和LoRa通信模塊連接；LoRa通信模塊與其他系統(tǒng)LoRa通信模塊構建無線Mesh網(wǎng)絡，通過CSMA/CA協(xié)議和AODV路由算法進行可靠的數(shù)據(jù)通信；手機APP終端與藍牙模塊通過藍牙進行數(shù)據(jù)交換。但該專利只對網(wǎng)絡終端系統(tǒng)的構成進行了說明，在網(wǎng)絡本身的構建方面則采用了傳統(tǒng)的MESH網(wǎng)絡和CSMA/CA協(xié)議。在MESH拓撲結構中，網(wǎng)絡各個終端同時承擔終端和中繼路由的功能。在流量非平均分布的網(wǎng)絡結構中，如搶險救援中，其指揮中心通常為信息的主要匯聚點和發(fā)出點，會造成靠近匯聚點的節(jié)點承載的數(shù)據(jù)流量大、耗能多，從而對這些節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力和供電提出了要求。而基于競爭機制的CSMA/CA協(xié)議會導致隨著終端節(jié)點的增多，網(wǎng)絡沖突增多，網(wǎng)絡效率急劇下降。

技術實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術問題是克服上述技術的缺陷和不足，提供一種混合型遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，用于在野外等環(huán)境下，靈活方便地搭建通信網(wǎng)絡，提供避免沖突、傳輸可靠、終端續(xù)航能力強的遠距離無線通信。

本實用新型采用的技術方案是：

一種混合型遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，其包括若干個無線終端、一個以上的中繼和一個網(wǎng)關；

所述無線終端包括第一MCU、第一射頻模塊、傳感器模塊、電源管理模塊和天線，第一射頻模塊、傳感器模塊和電源管理模塊分別與第一MCU連接，第一射頻模塊連接天線；

所述的中繼包括第二MCU、基于低功耗遠距離無線技術的第二射頻模塊和天線，第二射頻模塊分別與第二MCU和天線連接；

所述的網(wǎng)關包括第三MCU、基于低功耗遠距離無線技術的第三射頻模塊和天線，第三射頻模塊分別與第三MCU和天線連接；

所述的無線終端的第一射頻模塊與中繼的第二射頻模塊無線通信連接，無線終端的第一射頻模塊與網(wǎng)關的第三射頻模塊無線通信連接，中繼的第二射頻模塊與網(wǎng)關的第三射頻模塊無線通信連接，所述的無線終端與其上一級節(jié)點即網(wǎng)關或中繼構成星型網(wǎng)絡，網(wǎng)關與中繼構成MESH網(wǎng)絡。

優(yōu)選地，所述的網(wǎng)關還包括Internet接入模塊，Internet接入模塊與第三MCU連接。所述的Internet接入模塊可根據(jù)不同需求提供不同接入方式，如ESP-12F WIFI模塊，ATK-RM04以太網(wǎng)模塊。

優(yōu)選地，所述的第一射頻模塊、第二射頻模塊、第三射頻模塊均為低功耗遠距離通信模塊。再優(yōu)選地，所述的低功耗遠距離通信模塊采用LoRa通信模塊。

優(yōu)選地，所述的傳感器模塊包括低功耗GPS定位模塊和低功耗溫濕度傳感器。比如Ublox NEO系列GPS定位模塊，Sensirion高精度SHT系列溫濕度傳感器。

優(yōu)選地，所述的電源管理模塊采用型號為RT9013的CMOS線性穩(wěn)壓器。

本實用新型的有益效果在于：

1、本實用新型的無線傳感器網(wǎng)絡采用低功耗遠距離無線技術構建，如LoRa調制技術，Sigfox技術，具有功耗低，傳輸距離遠的優(yōu)點；

2、本實用新型的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)采用星型網(wǎng)和MESH網(wǎng)的混合型拓撲結構，將數(shù)據(jù)流量集中到了以中繼構成的MESH網(wǎng)絡中，從而大大降低了無線終端的數(shù)據(jù)負載，簡化了無線終端的協(xié)議設計，滿足了無線終端低功耗的需求；

3、本實用新型的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中繼及網(wǎng)關構成上層的MESH網(wǎng)絡，為數(shù)據(jù)的轉發(fā)提供了備份路由，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

附圖說明

圖1是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)拓撲結構圖；

圖2是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)無線終端的示意圖；

圖3是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中繼的示意圖；

圖4是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)關的示意圖；

圖5A是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)網(wǎng)關的工作流程圖；

圖5B是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)中繼的工作流程圖；

圖5C是本實用新型所提供的遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)無線終端的狀態(tài)轉移圖；

圖6A是本實用新型所提供的網(wǎng)關信標幀格式示意圖；

圖6B是本實用新型所提供的中繼信標格式示意圖；

圖6C是本實用新型所提供的注冊請求幀格式示意圖；

圖6D是本實用新型所提供的注冊確認幀格式示意圖；

圖6E是本實用新型所提供的數(shù)據(jù)幀格式示意圖；

圖6F是本實用新型所提供的中繼轉發(fā)數(shù)據(jù)幀格式示意圖；

圖7是本實用新型所提供的時隙分布示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本實用新型的技術實施方式詳細闡述，但本實用新型的保護范圍并不限于此。

如附圖1所示，一種遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，包括若干個無線終端、一個以上的中繼和一個網(wǎng)關；

所述無線終端包括第一MCU、第一射頻模塊、傳感器模塊、電源管理模塊和天線，第一射頻模塊、傳感器模塊和電源管理模塊分別與第一MCU連接，第一射頻模塊連接天線；

所述的中繼包括第二MCU、基于低功耗遠距離無線技術的第二射頻模塊和天線，第二射頻模塊分別與第二MCU和天線連接；

所述的網(wǎng)關包括第三MCU、基于低功耗遠距離無線技術的第三射頻模塊和天線，第三射頻模塊分別與第三MCU和天線連接；

所述的無線終端的第一射頻模塊與中繼的第二射頻模塊無線通信連接，無線終端的第一射頻模塊與網(wǎng)關的第三射頻模塊無線通信連接，中繼的第二射頻模塊與網(wǎng)關的第三射頻模塊無線通信連接，所述的無線終端與其上一級節(jié)點即網(wǎng)關或中繼構成星型網(wǎng)絡，網(wǎng)關與中繼構成MESH網(wǎng)絡。

其中，無線終端作為網(wǎng)絡的端節(jié)點，為可移動節(jié)點，用于采集用戶信息，并將信息發(fā)送給網(wǎng)關，同時接收來自網(wǎng)關的信息；中繼作為通信的中間節(jié)點，用于轉發(fā)來自終端及網(wǎng)關的信息，并提供其覆蓋范圍內通信的同步機制和數(shù)據(jù)路由的功能；網(wǎng)關作為網(wǎng)絡的匯聚點，接收來自無線終端及中繼轉發(fā)的信息，同時提供無線傳感器網(wǎng)絡的同步機制，并負責管理網(wǎng)絡內的無線終端。

所述的混合型無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結構分為兩層：無線終端與其上層節(jié)點即網(wǎng)關或中繼形成星型網(wǎng)，實現(xiàn)點對點通信，終端與終端之間不進行通信。所述無線傳感器網(wǎng)絡的中繼節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點，形成MESH網(wǎng)絡，為數(shù)據(jù)轉發(fā)提供多條路徑，增強通信的可靠性和網(wǎng)絡的強壯性。

如附圖2所示，所述的無線終端基于低功耗遠距離無線技術，如Semtech公司的LoRa調制技術、Sigfox、LTE-M等，用于將用戶信息如GPS信息發(fā)送給網(wǎng)關。所述第一MCU(處理器)可采用超低功耗單片機如STM8L系列單片機。所述第一射頻模塊可基于低功耗遠距離無線通信芯片構成，如基于Semtech公司SX12x芯片的LoRa模塊。所述電源管理模塊可采用型號為RT9013的CMOS線性穩(wěn)壓器。所述的傳感器模塊包括低功耗GPS定位模塊和低功耗溫濕度傳感器，比如Ublox NEO系列GPS定位模塊，Sensirion高精度SHT系列溫濕度傳感器。

如附圖3所示，所述第二MCU(處理器)可采用超低功耗單片機如STM8L系列單片機。所述第二射頻模塊可基于低功耗遠距離無線通信芯片構成，如Semtech公司SX12x LoRa調制芯片。中繼用于轉發(fā)終端和網(wǎng)關的信息，實現(xiàn)網(wǎng)絡的拓展。所述中繼可采用小型外接電池如充電寶、小型太陽能電板供電。

如附圖4所示，所述第三MCU(處理器)可采用ARM單片機如STM32系列單片機。所述第三射頻模塊可基于低功耗遠距離無線通信芯片構成，如Semtech公司SX12x LoRa調制芯片。網(wǎng)關用于接收無線終端的信息和中繼轉發(fā)的信息，并向無線終端發(fā)送信息。亦可包括Internet接入模塊，如3G、Ethernet模塊，提供WSN向Internet的接入，Internet接入模塊與MCU連接，所述Internet接入模塊可根據(jù)不同需求提供不同接入方式，如ESP-12F WIFI模塊，ATK-RM04以太網(wǎng)模塊。所述網(wǎng)關可采用小型外接電池如充電寶、小型太陽能電板供電。

一種混合型遠距離無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的通信方法，包括如下步驟：

1)所述網(wǎng)關周期性發(fā)送網(wǎng)關信標幀，用以標志網(wǎng)絡同時提供同步機制；所述網(wǎng)關之后進入接收模式，等待接收中繼或無線終端的數(shù)據(jù)；

2)所述中繼上電后，自動搜索網(wǎng)關或其他中繼發(fā)出的信標信息，并構建路由表信息；

3)所述中繼周期性發(fā)送中繼信標幀，為在其覆蓋范圍內的無線終端提供同步機制；所述中繼之后進入接收模式，等待接收其它中繼、無線終端或網(wǎng)關的數(shù)據(jù)，并選擇路由進行轉發(fā)；

4)所述中繼與中繼之間，中繼與網(wǎng)關之間形成MESH網(wǎng)絡；

5)所述的無線終端上電后，自動搜尋網(wǎng)絡，并向網(wǎng)關發(fā)送注冊請求申請加入網(wǎng)絡；成功加入網(wǎng)絡后，所述終端定時或在有發(fā)送請求時同步到網(wǎng)關或中繼所在網(wǎng)絡，選擇時隙進行通信；所述終端與上一級節(jié)點即網(wǎng)關或中繼形成星型網(wǎng)，終端與終端之間不進行通信；

6)所述網(wǎng)關收到終端注冊請求后，根據(jù)網(wǎng)絡狀況決定接受或拒絕該請求；并定期檢測已注冊終端情況，更新并維護網(wǎng)絡終端活躍表；

7)所述節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時，采用同步機制和基于優(yōu)先級的退避機制以避免沖突，網(wǎng)關優(yōu)先級別最高，中繼和終端優(yōu)先級別低。

所述網(wǎng)關的工作過程如圖5A所示，網(wǎng)關在上電后首先偵聽網(wǎng)絡情況，進行信道掃描，并選擇空閑信道建立網(wǎng)絡。網(wǎng)關周期性發(fā)送網(wǎng)關信標幀，用以標志網(wǎng)絡同時給其通信范圍內的終端及中繼提供同步機制。信標幀的格式如附圖6A所示。網(wǎng)關在發(fā)完信標后進入接收模式，等待接收中繼或無線終端的數(shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)后，網(wǎng)關進行相應的處理流程。若收到的是注冊申請幀，網(wǎng)關首先根據(jù)其判斷機制，決定是否接受注冊申請。若接受，則給該節(jié)點分配網(wǎng)絡地址并以注冊確認幀返回，并在下一個信標來臨前更新其網(wǎng)絡終端活躍表。若收到的是數(shù)據(jù)幀，則進行相應的數(shù)據(jù)處理。若網(wǎng)關長時間沒收到某個終端或中繼的信息，則將該節(jié)點從網(wǎng)絡中刪除，并釋放該節(jié)點的網(wǎng)絡地址。

所述中繼的工作過程如圖5B所示。中繼在上電后，首先偵聽網(wǎng)絡情況，并選擇網(wǎng)絡進行注冊。注冊成功后，中繼根據(jù)網(wǎng)關或上一級中繼所示信標周期，周期性發(fā)送中繼信標幀，用以給其覆蓋范圍內的終端和中繼提供同步機制。中繼信標幀格式如圖6B所示。在一個信標周期內，發(fā)送完信標后，中繼進入接收轉發(fā)模式，等待接收并轉發(fā)數(shù)據(jù)。收到數(shù)據(jù)后，中繼根據(jù)路由表信息選擇路由，同時在數(shù)據(jù)的路由字段加上本節(jié)點信息，并更新路由表信息。

所示無線終端的狀態(tài)轉移圖如圖5C所示。終端在上電后，自動搜尋網(wǎng)絡，并向網(wǎng)關發(fā)送注冊請求幀申請加入網(wǎng)絡。注冊請求幀格式如圖6C所示。注冊成功后，若無信息傳送，終端進入休眠狀態(tài)。若有信息傳送，終端開啟退避機制，計算退避時長并開啟定時器進入休眠。定時時間到，終端蘇醒并偵聽網(wǎng)絡。連續(xù)偵聽后若信道空閑則發(fā)送數(shù)據(jù)，否則重新進行一次退避。發(fā)送成功后，終端進入休眠直到下次數(shù)據(jù)采集或發(fā)送請求。

所述通信方法采用同步機制和支持優(yōu)先級別的退避機制以避免沖突。具體包括：

1)所述通信方法的時隙分布圖如附圖7。發(fā)送周期由網(wǎng)關根據(jù)網(wǎng)絡情況確定。每個發(fā)送周期被分為若干個發(fā)送時隙。每個發(fā)送時隙又分為3個競爭時隙。其中1-8發(fā)送時隙為中繼保留時隙，用于中繼發(fā)送信標。

2)網(wǎng)關在選擇信道建立網(wǎng)絡后，周期性發(fā)送網(wǎng)關信標幀，并在信標幀中發(fā)布信標周期長度信息。網(wǎng)關在發(fā)送信標幀時，不偵聽信道，不執(zhí)行退避。

3)中繼在聽到網(wǎng)關或上一級中繼的信標幀后，根據(jù)所包含的信標周期長度，周期性發(fā)送中繼信標幀。中繼聽到信標幀后，隨機選擇一中繼保留時隙嘗試發(fā)送。進入所選發(fā)送時隙后，在3個競爭時隙內隨機選擇競爭時隙。若所選競爭時隙為競爭時隙1，則發(fā)送信標，否則連續(xù)偵聽信道。若在所選競爭時隙之前信道空閑，則在所選競爭時隙發(fā)送信標。

4)終端在發(fā)送之前，首先偵聽信道，進入等待信標狀態(tài)。收到信標后，執(zhí)行退避機制：首先終端在該信標周期內，隨機選擇某一發(fā)送時隙嘗試發(fā)送。在進入所選發(fā)送時隙后，在后2個競爭時隙內隨機選擇競爭時隙并進入偵聽。若在所選競爭時隙之前信道空閑，則在所選競爭時隙發(fā)送數(shù)據(jù)。

5)網(wǎng)關在收到終端或中繼的注冊信息后，若接受該注冊請求，則偵聽信道，等待信道空閑。若信道空閑，則在該發(fā)送時隙的競爭時隙1將注冊確認幀發(fā)送出去。

所述中繼的路由及轉發(fā)過程包括：

1)中繼根據(jù)所聽到的信標幀建立路由表，并周期性更新。

2)中繼在收到數(shù)據(jù)后，根據(jù)數(shù)據(jù)的路由字段判斷是否已經(jīng)轉發(fā)過該數(shù)據(jù)。若已轉發(fā)，則丟棄該數(shù)據(jù)，否則將數(shù)據(jù)的路由字段加上本節(jié)點信息并轉發(fā)。

所述通信方法所定義的幀格式包括：

1)所述網(wǎng)關發(fā)送信標幀格式如圖6A。網(wǎng)關信標幀包括同步信息字段用以同步信標幀，信標標志字段用以標志當前網(wǎng)絡，和網(wǎng)關標志字段用以表明為網(wǎng)關所發(fā)信標幀。

2)所述中繼發(fā)送的信標幀格式如圖6B。中繼信標幀包括同步信息字段用以同步，信標標志字段用以標志當前網(wǎng)絡，中繼標志字段用以表明為中繼所發(fā)信標幀，和路由字段用以指示相鄰節(jié)點情況。

3)所述無線終端發(fā)送的注冊請求幀格式如圖6C，包括注冊標志，設備地址和網(wǎng)絡標識字段。其中注冊標志用以表明幀類型，設備地址用以說明終端設備地址，網(wǎng)絡標識表明注冊請求對象。

4)所述網(wǎng)關發(fā)送的注冊確認幀如圖6D，包括確認標志，網(wǎng)絡標志，設備地址和網(wǎng)絡地址。其中確認標志用以說明幀類型。網(wǎng)絡標志為當前網(wǎng)絡標識。設備地址為確認的請求終端的設備地址，網(wǎng)絡地址為網(wǎng)關為該終端分配的WSN地址。

5)所述終端發(fā)送的數(shù)據(jù)幀格式如圖6E，包括數(shù)據(jù)標志，網(wǎng)絡標志，網(wǎng)絡地址和負載。其中數(shù)據(jù)標志用以說明幀類型，網(wǎng)絡標志為當前網(wǎng)絡標識。網(wǎng)絡地址為終端的WSN地址，負載為終端數(shù)據(jù)。

6)所述中繼轉發(fā)的數(shù)據(jù)幀格式如圖6F，包括轉發(fā)數(shù)據(jù)標志，網(wǎng)絡標志，網(wǎng)絡地址，負載和路由字段。其中轉發(fā)數(shù)據(jù)標志用以說明幀類型，網(wǎng)絡標志為當前網(wǎng)絡標識。網(wǎng)絡地址為終端的WSN地址，負載為終端數(shù)據(jù)，路由字段用以表明該數(shù)據(jù)幀已被某中繼轉發(fā)。