技術(shù)領(lǐng)域：本發(fā)明涉及一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)匯集。

背景技術(shù)：
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近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)等多種領(lǐng)域，被廣泛地應(yīng)用于多種應(yīng)用場景，如農(nóng)業(yè)養(yǎng)殖、生態(tài)監(jiān)測、工業(yè)設(shè)施檢測、自然災(zāi)害預(yù)測、智能交通控制、智能家居及軍事場合等。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用的拓撲結(jié)構(gòu)主要有星型、樹型、網(wǎng)狀等拓撲結(jié)構(gòu)。其中樹型拓撲為分層結(jié)構(gòu)，具有方便分支管理、易于擴展(容易加入新的分支或新的節(jié)點、故障隔離容易等優(yōu)點。對于一些具有固定數(shù)據(jù)采集周期、數(shù)據(jù)傳輸量小頻率低、通訊范圍大且需要分區(qū)域管理的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用領(lǐng)域，使用樹型拓撲相比其他拓撲結(jié)構(gòu)更為合適。但是傳統(tǒng)的樹型傳感器網(wǎng)絡(luò)在組網(wǎng)方面，動態(tài)拓撲能力差，傳感器節(jié)點非常依賴它的上一級節(jié)點，一旦上一級節(jié)點出現(xiàn)故障，其下的傳感器節(jié)點都將從網(wǎng)絡(luò)中脫離。同時傳統(tǒng)的樹型傳感器網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)匯集方面，常使用兩種匯集方法：一是傳感器節(jié)點按照固定時間間隔從低功耗休眠中喚醒，測量環(huán)境參數(shù)完成后隨機等待一段時間，主動發(fā)送數(shù)據(jù)；二是傳感器節(jié)點按照固定時間間隔從休眠中喚醒，測量環(huán)境參數(shù)完成后等待協(xié)調(diào)器發(fā)送的匯集指令，被動發(fā)送數(shù)據(jù)。前者易出現(xiàn)多個節(jié)點數(shù)據(jù)并發(fā)，造成消息碰撞，需多次重發(fā)，浪費多余能耗，后者為了保障節(jié)點能接收到匯集指令，節(jié)點需要提前較長時間喚醒，同樣浪費多余能耗。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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針對以上問題，本發(fā)明是設(shè)計出的一種符合實際需求的樹型傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和低功耗數(shù)據(jù)匯集方法。

一種樹型傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)和低功耗數(shù)據(jù)匯集方法，對應(yīng)的傳感器網(wǎng)絡(luò)為三層樹型拓撲結(jié)構(gòu)，由監(jiān)測服務(wù)器主機、中繼網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點組成。樹型拓撲結(jié)構(gòu)的第一層為監(jiān)測服務(wù)器主機，可連接多個中繼網(wǎng)關(guān)；樹型拓撲結(jié)構(gòu)的第二層為中繼網(wǎng)關(guān)加協(xié)調(diào)器，每個中繼網(wǎng)關(guān)只對應(yīng)一個協(xié)調(diào)器因此在拓撲關(guān)系中兩者可視為一體，中繼網(wǎng)關(guān)負責(zé)與監(jiān)測服務(wù)器主機連接，協(xié)調(diào)器負責(zé)與傳感器節(jié)點連接；樹型拓撲結(jié)構(gòu)的最后一層為傳感器節(jié)點。傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過無線通信，協(xié)調(diào)器與中繼網(wǎng)關(guān)通過串口通訊，傳感器節(jié)點負責(zé)在現(xiàn)場測量各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器一方面通過無線與傳感器節(jié)點進行通訊，負責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，和傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)的采集；另一方面通過串口與中繼網(wǎng)關(guān)進行通訊，負責(zé)向中繼網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)，和接收中繼網(wǎng)關(guān)的指令；中繼網(wǎng)關(guān)的作用是當(dāng)各節(jié)點的測量數(shù)據(jù)在中繼網(wǎng)關(guān)中數(shù)據(jù)匯集后，由網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行融合，最后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測服務(wù)器；

所述傳感器節(jié)點的工作步驟包括節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段、重新接入網(wǎng)絡(luò)階段、數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段；具體步驟如下：

節(jié)點通電后，初始化硬件配置。

讀取控制器片內(nèi)eeprom中的自身節(jié)點地址信息，默認地址為0x0000；

1.節(jié)點地址是否為0x0000，如果是，則判斷自身為未組網(wǎng)的新節(jié)點，進入節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段，即步驟4-7；否則判斷不是新節(jié)點，進入步驟8；

首次接入網(wǎng)絡(luò)階段：

2.在信道0廣播新節(jié)點請求入網(wǎng)指令；

3.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，判斷是否收到協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許新節(jié)點入網(wǎng)指令，如果是，則進入步驟6，否則，返回步驟4；

4.讀取新節(jié)點允許入網(wǎng)指令，記錄協(xié)調(diào)器分配的節(jié)點地址寫入eeprom，記錄使用信道，標記自身狀態(tài)為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)；

5.在信道0向現(xiàn)協(xié)調(diào)器回復(fù)節(jié)點確認入網(wǎng)指令，進入步驟8；

6.判斷自身狀態(tài)是否為故障狀態(tài)，如果是，進入重新接入網(wǎng)絡(luò)階段，即步驟9-18，否則進入數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段，即步驟19-28；

7.重新接入網(wǎng)絡(luò)階段：

8.判斷原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令廣播次數(shù)是否達到規(guī)定次數(shù)，如果是，進入步驟14，否則進入步驟10；

9.在通道0廣播原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令；

10.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，判斷是否收到原協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許原有節(jié)點入網(wǎng)指令，如果是，則進入步驟12，否則，進入步驟13；

11.標記自身為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)，記錄指令中的使用信道，返回步驟8；

12.隨機等待一段時間，返回步驟9；

13.在通道0廣播待托管節(jié)點請求入網(wǎng)指令；

14.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，判斷是否收到協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許待托管節(jié)點入網(wǎng)指令，如果是，則進入步驟16，否則，進入步驟18；

15.讀取指令，記錄使用信道，標記自身狀態(tài)為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)；

16.在信道0向托管協(xié)調(diào)器回復(fù)待托管節(jié)點確認入網(wǎng)指令，返回步驟8；

17.等待30秒，將原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令廣播次數(shù)清零，返回步驟9；

18.數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段：

19.判斷是否剛?cè)刖W(wǎng)，如果是，則進入步驟20，否則進入步驟22；

20.給所有測量數(shù)據(jù)賦值為0；

21.切換至使用信道接收狀態(tài)，一直等待現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令，接收到指令后，進入步驟24；

22.打開傳感器模塊供電電源，測量環(huán)境參數(shù)；

23.關(guān)閉傳感器供電電源，喚醒無線模塊，切換至使用信道接收狀態(tài)，等待協(xié)調(diào)器指令，等待時間為t_wait_collect，判斷是否接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令，如果是，進入步驟24，否則進入步驟28；

24.記錄下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect、故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add，計算下次低功耗處理器喚醒定時時間t_wake＝t_collect-t_measure–(n_error_add*t_wait)，無線模塊喚醒后接收等待時長t_wait_collect＝n_error*t_wait，定時器定時t_wake；

25.在使用信道向協(xié)調(diào)器發(fā)送節(jié)點發(fā)送測量數(shù)據(jù)指令；

26.關(guān)閉所有不用資源，進入休眠；

27.定時時間t_wake到后，定時器中斷喚醒低功耗處理器，返回步驟8；

28.標記自身故障狀態(tài)，返回步驟8；

所述協(xié)調(diào)器工作步驟包括協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段、監(jiān)聽廣播階段和數(shù)據(jù)匯集階段；

具體步驟如下：

協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段：

1.協(xié)調(diào)器通電后，初始化硬件配置；

2.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器請求入網(wǎng)指令；

3.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的批準協(xié)調(diào)器入網(wǎng)指令后，記錄協(xié)調(diào)器地址、原有節(jié)點數(shù)和使用信道，標記所有節(jié)點為故障狀態(tài)；

4.在信道0廣播協(xié)調(diào)器信道選擇指令；

5.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，判斷是否收到其他協(xié)調(diào)器回復(fù)的協(xié)調(diào)器信道占用指令，如果是，判斷該信道被占用，進入步驟6，否則判斷該信道可用，進入步驟9；

6.判斷是否協(xié)調(diào)器選擇信道指令發(fā)送次數(shù)等于信道總數(shù)減1次，如果是，判斷信道選擇失敗，進入步驟7，否則進入步驟8；

7.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇失敗指令，等待一段時間后，清空協(xié)調(diào)器選擇信道指令發(fā)送次數(shù)，返回步驟4；

8.改變協(xié)調(diào)器選擇信道指令中選用信道，返回步驟4；

9.確定使用信道channel_used向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇成功指令；

10.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)網(wǎng)絡(luò)建立成功指令后，更新定時器定時時間t_collect，定時器定時；

11.切換至信道0接收狀態(tài)，監(jiān)聽廣播；

12.判斷定時器定時時間是否達到，如果沒有到達，進入監(jiān)聽廣播階段，即步驟13-27，否則進入數(shù)據(jù)匯集階段，即步驟28-39；

監(jiān)聽廣播階段：

13.判斷是否收到節(jié)點或其他協(xié)調(diào)器廣播的指令，如果是，進入步驟14，否則返回步驟12；

14.讀取指令，判斷指令類別，如果是協(xié)調(diào)器信道選擇指令，進入步驟15，如果是節(jié)點請求入網(wǎng)指令，進入步驟19；

處理其他協(xié)調(diào)器信道選擇指令子流程：

15.判斷協(xié)調(diào)器信道選擇指令中選用信道和自身使用信道是否相同，如果是，判斷信道沖突，進入步驟16，否則進入步驟17；

16.在信道0回復(fù)協(xié)調(diào)器信道占用指令；

17.判斷自身托管節(jié)點中是否有節(jié)點地址首字節(jié)同發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇指令的協(xié)調(diào)器的地址，如果有這樣的節(jié)點，進入步驟18，否則返回步驟11；

18.標記該托管節(jié)點為故障狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送節(jié)點故障指令，返回步驟11；

處理節(jié)點請求入網(wǎng)指令子流程：

19.讀取指令，判斷指令類型，如果是新節(jié)點請求入網(wǎng)指令，進入步驟20；如果是原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令，進入步驟23；如果是原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令，進入步驟21，如果是待托管節(jié)點請求入網(wǎng)指令，進入步驟25；

20.分配節(jié)點地址，在信道0向節(jié)點發(fā)送允許新節(jié)點入網(wǎng)指令；

21.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，如果接收到節(jié)點確認入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)，則進入步驟22，否則，返回步驟11；

22.更新節(jié)點數(shù)目s_node＝s_node+1，標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送新節(jié)點入網(wǎng)指令，返回步驟11；

23.在信道0向節(jié)點發(fā)送允許原有節(jié)點入網(wǎng)指令；

24.標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送原有節(jié)點入網(wǎng)指令，返回步驟11；

25.在信道0向節(jié)點發(fā)送允許待托管節(jié)點入網(wǎng)指令；

26.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，如果接收到待托管節(jié)點確認入網(wǎng)指令，則進入步驟27，否則，返回步驟11；

27.記錄該托管節(jié)點地址，標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送待托管節(jié)點入網(wǎng)指令；返回步驟11；

數(shù)據(jù)匯集階段：

28.定時器定時時間達到后，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送獲取下次采集數(shù)據(jù)時間指令；

29.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的通知下次采集數(shù)據(jù)時間指令后，更新定時器定時時間t_collect，定時器定時；

30.讀取第一個節(jié)點的地址和狀態(tài)，清零故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add；

31.該節(jié)點狀態(tài)是否為正常狀態(tài)，進入步驟32，否則，進入步驟36；

32.在使用信道channel_used上向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令；

33.切換至使用信道channel_used接收狀態(tài)，開始定時t_wait時間，等待回復(fù)，如果定時時間內(nèi)接收到節(jié)點發(fā)送測量數(shù)據(jù)指令，則進入步驟34，否則，進入步驟35；

34.記錄測量數(shù)據(jù)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸指令，等待定時時間到，進入步驟37；

35.標記節(jié)點為故障狀態(tài)，更新故障節(jié)點總數(shù)n_error＝n_error+1，新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add＝n_error_add+1，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送節(jié)點故障指令，進入步驟37；

36.更新故障節(jié)點總數(shù)n_error＝n_error+1；

37.該節(jié)點是否為最后一個節(jié)點，如果是，進入步驟37，否則進入步驟38；

38.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送本輪數(shù)據(jù)采集完畢指令，返回步驟11；

39.讀取下一個節(jié)點的地址和狀態(tài)，返回步驟31。

相比傳統(tǒng)樹形傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明的優(yōu)點有：

1.規(guī)定傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器之間廣播時固定使用信道0，與其他階段的兩者之間網(wǎng)絡(luò)通信信道區(qū)分開。這使得需要廣播的協(xié)調(diào)器選擇信道指令和傳感器節(jié)點入網(wǎng)指令只需在單一信道中廣播，而無需掃描多個信道，在降低協(xié)調(diào)器選擇信道過程和傳感器節(jié)點入網(wǎng)過程的復(fù)雜性的同時，又避免傳感器節(jié)點在入網(wǎng)過程中因掃描多個信道而產(chǎn)生的額外能耗，從而延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

2.當(dāng)協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障，短時間掉線時，其連接的傳感器節(jié)點能自動重新接入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)協(xié)調(diào)器出現(xiàn)故障，長時間掉線時，其連接的傳感器節(jié)點能在保留原本網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)信息的前提下，接入其他協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，這使得用戶得到的傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)因為協(xié)調(diào)器故障而缺失的情況大大減少，優(yōu)化了測量數(shù)據(jù)的完整性。

3.出現(xiàn)故障的協(xié)調(diào)器重新上線重建新網(wǎng)絡(luò)時，原有節(jié)點能快速回歸到該協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)中，包括已經(jīng)接入其他協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點，也能快速退出現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，回歸到原協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。同時傳感器節(jié)點出現(xiàn)故障后重新上線，也能快速回歸到原網(wǎng)絡(luò)。這兩者保證了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)不會因為協(xié)調(diào)器或傳感器節(jié)點故障而遭受破壞。

4.在數(shù)據(jù)匯集過程中采用傳感器節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器指令后被動發(fā)送測量數(shù)據(jù)的方法，避免了多節(jié)點并發(fā)情況。同時使用了一種相對簡單且不需要rtc時鐘的動態(tài)時間同步策略，使傳感器節(jié)點在每次數(shù)據(jù)匯集過程中都會動態(tài)地根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓撲情況和拓撲變化情況，相應(yīng)地調(diào)整下一次傳感器節(jié)點喚醒時間和無線模塊無線接收等待時長，避免了節(jié)點過早喚醒和無線長時間接收等待造成的能耗浪費，從而延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。

附圖說明：

附圖1為傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖。

附圖2為協(xié)調(diào)器硬件結(jié)構(gòu)圖。

附圖3為樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

附圖4為傳感器節(jié)點工作總流程圖。

附圖5為節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段流程圖。

附圖6為節(jié)點重新入網(wǎng)階段流程圖。

附圖7為節(jié)點數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段流程圖。

附圖8為協(xié)調(diào)器工作總流程圖。

附圖9為協(xié)調(diào)器入網(wǎng)流程圖。

附圖10為協(xié)調(diào)器監(jiān)聽廣播階段流程圖。

附圖11為協(xié)調(diào)器處理其他協(xié)調(diào)器信道選擇指令子流程。

附圖12為協(xié)調(diào)器處理節(jié)點請求入網(wǎng)指令子流程圖。

附圖13為協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)匯集階段流程圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合實例和附圖對本發(fā)明實現(xiàn)方法和原理進一步說明。

本發(fā)明的傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器通過433m無線通信，協(xié)調(diào)器與中繼網(wǎng)關(guān)通過串口通訊。

傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)：負責(zé)在現(xiàn)場測量各種環(huán)境數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過433m無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

傳感器節(jié)點由電源模塊、433m無線模塊、低功耗處理器和傳感器模塊構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

其中，電源模塊為其他三個模塊供電，同時低功耗處理器能切斷傳感器模塊供電。低功耗處理器與433m無線模塊之間通過spi總線進行數(shù)據(jù)傳輸，低功耗處理器與傳感器模塊根據(jù)傳感器的不同通過iic總線或adc進行數(shù)據(jù)傳輸。

協(xié)調(diào)器：一方面通過433m無線與傳感器節(jié)點進行通訊，負責(zé)傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立，和傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)的采集。另一方面通過串口與中繼網(wǎng)關(guān)進行通訊，負責(zé)向中繼網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點測量數(shù)據(jù)，和接收中繼網(wǎng)關(guān)的指令。

協(xié)調(diào)器由電源模塊、433m無線模塊、低功耗處理器和傳感器模塊構(gòu)成，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

其中，電源模塊為其他兩個模塊供電。低功耗處理器與433m無線模塊之間通過spi總線進行數(shù)據(jù)傳輸。

中繼網(wǎng)關(guān)(簡稱網(wǎng)關(guān))：當(dāng)各節(jié)點的測量數(shù)據(jù)在中繼網(wǎng)關(guān)中數(shù)據(jù)匯集后，由網(wǎng)關(guān)對數(shù)據(jù)進行融合，最后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)測服務(wù)器。

傳感器、協(xié)調(diào)器、中繼網(wǎng)關(guān)和監(jiān)測服務(wù)器主機構(gòu)成的樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

其中監(jiān)測服務(wù)器主機作為樹型網(wǎng)絡(luò)的第一層，每個中繼網(wǎng)關(guān)對應(yīng)一個協(xié)調(diào)器視為一體作為樹型網(wǎng)絡(luò)的第二層，傳感器節(jié)點作為樹型網(wǎng)絡(luò)的第三層。

名稱解釋：

如果節(jié)點a沒有加入過任何網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點，則稱節(jié)點a為新節(jié)點。當(dāng)新節(jié)點a加入到協(xié)調(diào)器a的網(wǎng)絡(luò)中，則稱節(jié)點a為是協(xié)調(diào)器a的現(xiàn)有節(jié)點，協(xié)調(diào)器a是節(jié)點a的現(xiàn)協(xié)調(diào)器。當(dāng)現(xiàn)有節(jié)點a因為故障而脫離網(wǎng)絡(luò)，則稱節(jié)點a為協(xié)調(diào)器a的原有節(jié)點，協(xié)調(diào)器a是節(jié)點a的原協(xié)調(diào)器。當(dāng)協(xié)調(diào)器a的原有節(jié)點a加入?yún)f(xié)調(diào)器b網(wǎng)絡(luò)，則稱節(jié)點a是協(xié)調(diào)器b的托管節(jié)點，協(xié)調(diào)器b是節(jié)點a的托管協(xié)調(diào)器，節(jié)點a是協(xié)調(diào)器a的被托管節(jié)點(屬于原有節(jié)點范疇)。

將傳感器節(jié)點的運行狀態(tài)分為兩種狀態(tài)：一.未組網(wǎng)或者已組網(wǎng)但與協(xié)調(diào)器斷開連接的狀態(tài)(簡稱故障狀態(tài))；二.已組網(wǎng)并與協(xié)調(diào)器連接正常狀態(tài)(簡稱正常狀態(tài))。

協(xié)調(diào)器和節(jié)點向外發(fā)送數(shù)據(jù)后等待應(yīng)答時間均為t_wait，超時不再等待。等待應(yīng)答時間t_wait根據(jù)實際應(yīng)用中單次應(yīng)答所需時間決定。

節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段、重新接入網(wǎng)絡(luò)階段，無線信道為信道0(廣播信道)，在數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段，無線信道為對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的使用信道。

傳感器節(jié)點工作流程：主要包括節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段、重新接入網(wǎng)絡(luò)階段、數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段。

注1：除了未入網(wǎng)的新節(jié)點接收允許入網(wǎng)指令之外，其余節(jié)點只能接收指令中節(jié)點地址符合自身地址的協(xié)調(diào)器指令。

注2：在監(jiān)聽廣播階段，協(xié)調(diào)器收發(fā)指令都使用信道0(廣播信道)；在數(shù)據(jù)匯集階段，協(xié)調(diào)器收發(fā)指令都使用協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段選擇的使用信道channel_used。

注3：在數(shù)據(jù)匯集階段，協(xié)調(diào)器發(fā)出向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令后，無論是否收到回復(fù)，都需要等待t_wait時間后，才能進入下一步驟。

1.節(jié)點通電后，初始化硬件配置。

2.讀取控制器片內(nèi)eeprom中的自身節(jié)點地址信息(默認地址為0x0000)。

3.節(jié)點地址是否為0x0000？如果是，則判斷自身為未組網(wǎng)的新節(jié)點，進入節(jié)點首次接入網(wǎng)絡(luò)階段(步驟4-7)。否則判斷不是新節(jié)點，進入步驟8。

首次接入網(wǎng)絡(luò)階段(步驟4-7)：

4.在信道0(廣播信道)廣播新節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。

5.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，是否收到協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許新節(jié)點入網(wǎng)指令(包含分配的節(jié)點地址和使用信道)？如果是，則進入步驟6。否則，返回步驟4。

注1：等待時間t_wait根據(jù)實際采用的433m無線模塊單次應(yīng)答所需時間決定。

注2：節(jié)點地址(2字節(jié))由網(wǎng)關(guān)地址(1字節(jié))和入網(wǎng)序號(1字節(jié))構(gòu)成。這樣的好處在于根據(jù)節(jié)點地址就能知道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息，即連接的網(wǎng)關(guān)地址和網(wǎng)絡(luò)序號。

6.讀取新節(jié)點允許入網(wǎng)指令，記錄協(xié)調(diào)器分配的節(jié)點地址寫入eeprom，記錄使用信道。標記自身狀態(tài)為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)。

注1：節(jié)點地址寫入eeprom是為了保證節(jié)點掉電后仍能保持原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息。

注2：使用信道不寫入eeprom是因為協(xié)調(diào)器故障掉電，重新上電需要重新選擇信道建立網(wǎng)絡(luò)，在eeprom中寫入使用信道沒有意義。

7.在信道0向現(xiàn)協(xié)調(diào)器回復(fù)節(jié)點確認入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)。進入步驟8。

8.自身狀態(tài)是否為故障狀態(tài)？如果是，進入重新接入網(wǎng)絡(luò)階段(步驟9-18)，否則進入數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段(步驟19-28)。

重新接入網(wǎng)絡(luò)階段(步驟9-18)：

(嘗試連接原協(xié)調(diào)器)

9.判斷原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)廣播次數(shù)是否達到規(guī)定次數(shù)(可根據(jù)需要設(shè)置)？如果是，進入步驟14，否則進入步驟10。

10.在通道0廣播原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。

11.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，是否收到原協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許原有節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址和使用信道)？如果是，則進入步驟12。否則，進入步驟13。

12.標記自身為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)，記錄指令中的使用信道。返回步驟8。

13.隨機等待一段時間，返回步驟9。

(請求其他協(xié)調(diào)器托管)

14.在通道0廣播待托管節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。

15.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，是否收到協(xié)調(diào)器回復(fù)的允許待托管節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址和使用信道)？如果是，則進入步驟16。否則，進入步驟18。

16.讀取指令，記錄使用信道。標記自身狀態(tài)為正常狀態(tài)，標記剛?cè)刖W(wǎng)。

17.在信道0向托管協(xié)調(diào)器回復(fù)待托管節(jié)點確認入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)。返回步驟8。

18.等待30秒(根據(jù)需要設(shè)置)，將原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令廣播次數(shù)清零。返回步驟9。

數(shù)據(jù)測量發(fā)送階段(步驟19-28)：

19.判斷是否剛?cè)刖W(wǎng)？如果是，則進入步驟20，否則進入步驟22。

20.給所有測量數(shù)據(jù)賦值為0。

注：在接入網(wǎng)絡(luò)后的首次數(shù)據(jù)發(fā)送階段僅為了和協(xié)調(diào)器時間同步，不測量環(huán)境數(shù)據(jù)。

21.切換至使用信道接收狀態(tài)，一直等待現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令(包含節(jié)點地址、下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect、故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add)。接收到指令后，進入步驟24。

注：一直接收狀態(tài)等待是因為節(jié)點剛接入網(wǎng)絡(luò)和協(xié)調(diào)器之間時間還未同步。

22.打開傳感器模塊供電電源，測量環(huán)境參數(shù)。

23.關(guān)閉傳感器供電電源。喚醒無線模塊。切換至使用信道接收狀態(tài)，等待協(xié)調(diào)器指令，等待時間為t_wait_collect，是否接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令？如果是，進入步驟24，否則進入步驟28。

24.記錄下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect、故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add，計算下次低功耗處理器喚醒定時時間t_wake＝t_collect-t_measure-(n_error_add*t_wait)。無線模塊喚醒后接收等待時長t_wait_collect＝t_wait+n_error*t_wait。定時器定時t_wake。

注1：t_measure為節(jié)點上傳感器測量數(shù)據(jù)所需時間總和，由實際節(jié)點所擁有的傳感器類型和數(shù)目決定。計算t_wake時減去t_measure是因為傳感器模塊測量環(huán)境數(shù)據(jù)需要時間t_measure，所以節(jié)點需要提前t_measure喚醒測量。

注2：計算t_wake時減去n_error_add*t_wait是因為下一次數(shù)據(jù)采集比這一次減少了n_error_add個節(jié)點，導(dǎo)致下一次協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)采集指令會比這一次提早到達n_error_add*t_wait時間。

注3：計算t_wait_collect時加上n_error*t_wait是因為在到達下一次數(shù)據(jù)采集之前，最多可能會有n_error個節(jié)點從故障狀態(tài)恢復(fù)正常，導(dǎo)致下一次數(shù)據(jù)采集指令最多晚n_error*t_wait時間到達。

25.在使用信道向協(xié)調(diào)器發(fā)送節(jié)點發(fā)送測量數(shù)據(jù)指令(包含節(jié)點地址和測量數(shù)據(jù))。

26.關(guān)閉所有不用資源，進入休眠。

27.定時時間t_wake到后，定時器中斷喚醒低功耗處理器。返回步驟8。

28.標記自身故障狀態(tài)，返回步驟8。

協(xié)調(diào)器工作流程：主要包括協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段、監(jiān)聽廣播階段和數(shù)據(jù)匯集階段。

注1：在監(jiān)聽廣播階段，協(xié)調(diào)器收發(fā)指令都使用信道0(廣播信道)；在數(shù)據(jù)匯集階段，協(xié)調(diào)器收發(fā)指令都使用協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段選擇的使用信道channel_used。

1.協(xié)調(diào)器通電后，初始化硬件配置。

協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段(步驟2-12)：

2.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器請求入網(wǎng)指令。

3.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的批準協(xié)調(diào)器入網(wǎng)指令(包含分配的協(xié)調(diào)器地址、原有節(jié)點數(shù)s_node和使用信道)后，記錄協(xié)調(diào)器地址、原有節(jié)點數(shù)和使用信道。標記所有節(jié)點為故障狀態(tài)。

注1：因為該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中協(xié)調(diào)器附屬于網(wǎng)關(guān)，是一對一關(guān)系，所以設(shè)定分配的協(xié)調(diào)器地址同網(wǎng)關(guān)地址。

注2：網(wǎng)關(guān)只傳輸原有節(jié)點數(shù)，而不傳輸具體節(jié)點地址是因為節(jié)點地址(2字節(jié))由協(xié)調(diào)器地址(1字節(jié))和入網(wǎng)序號(1字節(jié))構(gòu)成，協(xié)調(diào)器能根據(jù)原有節(jié)點數(shù)目自動生成原有節(jié)點地址。

4.在信道0廣播協(xié)調(diào)器信道選擇指令(包含協(xié)調(diào)器地址和選用信道)。

5.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，是否收到其他協(xié)調(diào)器回復(fù)的協(xié)調(diào)器信道占用指令(包含協(xié)調(diào)器地址和使用信道)？如果是，判斷該信道被占用，進入步驟6，否則判斷該信道可用，進入步驟9。

6.是否協(xié)調(diào)器選擇信道指令發(fā)送次數(shù)等于信道總數(shù)減1次？如果是，判斷信道選擇失敗，進入步驟7，否則進入步驟8。

7.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇失敗指令，等待一段時間后(根據(jù)需要修改)，清空協(xié)調(diào)器選擇信道指令發(fā)送次數(shù)，返回步驟4。

8.改變協(xié)調(diào)器選擇信道指令中選用信道，返回步驟4。

9.確定使用信道channel_used向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇成功指令(包含協(xié)調(diào)器地址和使用信道)。

10.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)網(wǎng)絡(luò)建立成功指令(包含距下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect)后，更新定時器定時時間t_collect，定時器定時。

11.切換至信道0接收狀態(tài)，監(jiān)聽廣播。

12.定時器定時時間是否達到？如果沒有到達，進入監(jiān)聽廣播階段(步驟13-27)，否則進入數(shù)據(jù)匯集階段(步驟28-39)。

監(jiān)聽廣播階段(步驟13-27)：

13.是否收到節(jié)點或其他協(xié)調(diào)器廣播的指令？如果是，進入步驟14，否則返回步驟12。

14.讀取指令，判斷指令類別。如果是協(xié)調(diào)器信道選擇指令(包含協(xié)調(diào)器地址和選用信道)，進入步驟15。如果是節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)，進入步驟19。

處理其他協(xié)調(diào)器信道選擇指令子流程：

15.協(xié)調(diào)器信道選擇指令中選用信道和自身使用信道是否相同？如果是，判斷信道沖突，進入步驟16。否則進入步驟17。

16.在信道0回復(fù)協(xié)調(diào)器信道占用指令(包含協(xié)調(diào)器地址和使用信道)。

17.自身托管節(jié)點中是否有節(jié)點地址首字節(jié)(即協(xié)調(diào)器地址)同發(fā)送協(xié)調(diào)器信道選擇指令的協(xié)調(diào)器的地址？如果有這樣的節(jié)點，進入步驟18，否則返回步驟11。

18.標記該托管節(jié)點為故障狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送節(jié)點故障指令(包含節(jié)點地址)，返回步驟11。

注：標記該托管節(jié)點為故障狀態(tài)后，下次數(shù)據(jù)匯集不會詢問該托管節(jié)點，該托管節(jié)點將判斷自身故障狀態(tài)，啟動重新入網(wǎng)流程，優(yōu)先加入原協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)。從而實現(xiàn)了原協(xié)調(diào)器重新上線后，被托管節(jié)點回歸原協(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)的功能。

處理節(jié)點請求入網(wǎng)指令子流程：

19.讀取指令，判斷指令類型？如果是新節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)，進入步驟20。如果是原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)，進入步驟23。如果是原有節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)，進入步驟21。如果是待托管節(jié)點請求入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)，進入步驟25。

20.分配節(jié)點地址，在信道0向節(jié)點發(fā)送允許新節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)。

注：節(jié)點地址(2字節(jié))由協(xié)調(diào)器地址(1字節(jié))和入網(wǎng)序號n(1字節(jié))構(gòu)成。入網(wǎng)序號n＝原有節(jié)點數(shù)s_node+1。

21.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，如果接收到節(jié)點確認入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)，則進入步驟22。否則，返回步驟11。

注：等待時間t_wait根據(jù)實際采用的433m無線模塊單次應(yīng)答所需時間決定。

22.更新節(jié)點數(shù)目s_node＝s_node+1，標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送新節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。返回步驟11。

23.在信道0向節(jié)點發(fā)送允許原有節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)。

24.標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送原有節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。返回步驟11。

25.在信道0向節(jié)點發(fā)送允許待托管節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址和使用信道)。

26.切換至信道0接收狀態(tài)，等待回復(fù)，等待時間為t_wait，如果接收到待托管節(jié)點確認入網(wǎng)指令(包含節(jié)點地址)，則進入步驟27。否則，返回步驟11。

27.記錄該托管節(jié)點地址，標記節(jié)點為正常狀態(tài)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送待托管節(jié)點入網(wǎng)指令(包含節(jié)點的地址和傳感器類別)。返回步驟11。

注：相比新節(jié)點入網(wǎng)，托管節(jié)點入網(wǎng)時，協(xié)調(diào)器不更新節(jié)點數(shù)目s_node，不分配新地址，使托管節(jié)點能保存原網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)信息。

數(shù)據(jù)匯集階段(步驟28-38)：

28.定時器定時時間達到后，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送獲取下次采集數(shù)據(jù)時間指令。

29.收到網(wǎng)關(guān)回復(fù)的通知下次采集數(shù)據(jù)時間指令(包含距下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect)后，更新定時器定時時間t_collect，定時器定時。

30.讀取第一個節(jié)點的地址和狀態(tài)，清零故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add。

31.該節(jié)點狀態(tài)是否為正常狀態(tài)，進入步驟32。否則，進入步驟36。

32.在使用信道channel_used(協(xié)調(diào)器入網(wǎng)階段確定的使用信道)上向節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集指令(包含節(jié)點地址、下次采集數(shù)據(jù)時間間隔t_collect、故障節(jié)點總數(shù)n_error和新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add)。

33.切換至使用信道channel_used接收狀態(tài)，開始定時t_wait，等待回復(fù)，如果定時時間內(nèi)接收到節(jié)點發(fā)送測量數(shù)據(jù)指令(包含節(jié)點地址和測量數(shù)據(jù))，則進入步驟34。否則，進入步驟35。

34.記錄測量數(shù)據(jù)，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)傳輸指令(包含節(jié)點地址和測量數(shù)據(jù))。等待定時時間到，進入步驟37。

注：需等待定時時間到達是為了確保在數(shù)據(jù)匯集階段內(nèi)協(xié)調(diào)器用在每一個節(jié)點上的時間相同，從而保障與節(jié)點的時間同步。

35.標記節(jié)點為故障狀態(tài)，更新故障節(jié)點總數(shù)n_error＝n_error+1，新增故障節(jié)點數(shù)n_error_add＝n_error_add+1，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送節(jié)點故障指令(包含節(jié)點地址)。進入步驟37。

36.更新故障節(jié)點總數(shù)n_error＝n_error+1；

37.該節(jié)點是否為最后一個節(jié)點(包括托管節(jié)點在內(nèi))？如果是，進入步驟37，否則進入步驟38。

38.向網(wǎng)關(guān)發(fā)送本輪數(shù)據(jù)匯集完畢指令，返回步驟11。

39.讀取下一個節(jié)點的地址和狀態(tài)，返回步驟31。