一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，包括构建无线通信网络系统、确定各级“点-多点”系统中主机和从机使用的跳频图案，以及实现各级“点-多点”系统中主机和从机的跳频同步；所述跳频同步包括主机同步管理和从机同步管理。其能使构建在楼栋间的低功耗的无线通信网络系统能实现户表集抄，同时节省电能。
【专利说明】一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明属于短距离无线通信【技术领域】，具体涉及一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法。
【背景技术】
[0002]在短距离无线通信领域，有多种通信技术，如蓝牙、Wi_F1、ZigBee、UWB、IrDA等，它们各有各的特点和优势，分别被相关领域采用。但在户表集抄领域，应用短距离无线通信技术实现楼栋间通信，要求通信距离100?500m、每个终端设备数据量2—3Kbytes、抄表总时延明确可控、每个户表终端每天至少抄读一次、电池供电使用寿命达10年以上，上述技术难以同时满足这些要求。而目前市场上的一些低功耗自组网技术，比如CN101977429B公开的一种微功耗无线通信网络系统及其实现方法，其虽然在组网性能上有优势，可以在一定程度上提高系统的抗干扰和生存能力，但其能量消耗较大、多级中继后的通信时延不确定、抗同信道干扰性能差，难以胜任户表集抄任务。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，以使构建在楼栋间的低功耗的无线通信网络系统能实现户表集抄，同时节省电能。
[0004]本发明所述的用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，包括
(O构建无线通信网络系统:所述无线通信网络系统由多级通信路径固定的“点-多点”系统构成，包括主无线终端、多个中继节点以及多个与户表终端连接的从无线终端，所述中继节点由无线终端A和无线终端B通过有线连接构成；所述主无线终端、从无线终端、无线终端A和无线终端B都包括MPU以及与MPU连接的实时时钟、主从开关、低功耗存储器、入网按键、无线收发模块和终端接口 ；第一级“点-多点”系统由作为主机的主无线终端与作为从机的至少一个从无线终端和作为从机的至少一个无线终端A构成，后续的各级“点-多点”系统由作为主机的无线终端B与作为从机的至少一个从无线终端和/或作为从机的至少一个无线终端A构成。
[0005](2)确定各级“点-多点”系统中主机和从机使用的跳频图案:首先，将预先设定好的由跳频图案组号和跳频图案构成的正交跳频表(具有良好的自相关特性和互相关特性)存储在主无线终端、各个中继节点和各个从无线终端的低功耗存储器内(供MPU读取)，将各级“点-多点”系统中主机的ID用作该“点-多点”系统的系统ID，无论主机、从机均采用该系统ID确定跳频图案；其次，将可用频段分成交错的N组信道，根据系统ID，选择其中一个信道组 group_num = sys_ID % N,并确定跳频图案组号 schedule_num = sys_ID/N %(31+1);然后，根据计算确定的跳频图案组号，从正交跳频表中选择与跳频图案组号对应的一组跳频图案；最后，判断上次保存的属于该组跳频图案中的某一个跳频图案号是否有效，如果有效，则读取该跳频图案号作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号，如果无效，则产生初始跳频图案号RF_frq_ptr=SyS_ID%31作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号。
[0006](3)实现各级“点-多点”系统中主机和从机的跳频同步:其包括主机同步管理和从机同步管理；所述主机同步管理的过程为:设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)，待定时时间到唤醒后，则发送包括时钟以及使用的跳频图案号的同步信息给从机，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息);如果主机收到其它“点-多点”系统的信息唤醒后，则按照跳频图案中的跳频序列再跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，并向从机发送“跳频图案加I”指令，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)；所述从机同步管理的过程为:设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T*l.1+随机数，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)，在定时时间内如果接收到主机发送的同步信息唤醒，则更新时钟并停止定时器，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)，在定时时间到唤醒后如果未接收主机发送的同步信息，则按跳频图案中的跳频序列搜寻主机，直至接收到主机发送的同步信息，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息);如果从机接收到主机发送的“跳频图案加I”指令，则根据指令内容，按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)。
[0007]拨动主从开关能设定主无线终端、从无线终端、无线终端A和无线终端B的主机、从机属性；如果需要在某级“点-多点”系统中增加一个从无线终端作为从机，则先按下该从无线终端的入网按键，再按下该“点-多点”系统中主机的入网按键，此时该从无线终端与主机在同一个指定的频点上，主机发送“主机ID”、“当前使用的跳频图案号”、“实时时间”信息给该从无线终端，该从无线终端接收到“主机ID”作为系统ID，接收到“当前使用的跳频图案号”作为初始跳频图案号，接收到“实时时间”校准本机时钟。
[0008]为了避免单信道机制中从机发送数据信息时将对应的该级“点-多点”系统内其它从机唤醒，节约从机的电池能量，所述的各级“点-多点”系统采用双信道工作机制，主机的发送信道与从机的接收信道相同，从机的发送信道与主机的接收信道相同。
[0009]所述无线收发模块采用APC240无线收发模块，每I秒唤醒一次检测空中的无线信号；所述MPU采用内核为Cortex-MO+的KL15系列微处理器，具有nA级的停止工作模式；所述实时时钟采用针对低功耗而优化的CMOS实时时钟/日历芯片PCA85163，它具有开漏的报警和定时中断信号输出功能；所述终端接口为集电极开路的RS232接口，中继节点的无线终端A与无线终端B通过终端接口采用有线方式连接。
[0010]本发明具有如下效果:
(I)采用通信路径固定(即人工干预组网)的多级“点-多点”系统在楼栋间构建无线通信网络系统，用于户表集抄，结构简单、易于实现，多级中继后通信时延确定，用于网络自身管理和维护的电能消耗小，在满足通信可靠性、实时性前提下，最大限度地节约了能源。
[0011](2)采用跳频方式，避免了信道重复带来的同频干扰，保证了网络的正常通信；通过主机、从机同步管理机制，使主机、从机失步后能尽快恢复同步，从而使网络具有了自维护能力。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为本发明中构建的无线通信网络系统图。
[0013]图2为本发明中主无线终端、从无线终端、无线终端A和无线终端B的电路结构框图。
[0014]图3为本发明中确定各级“点-多点”系统中主机和从机使用的跳频图案的流程图。
[0015]图4为本发明中的主机同步管理流程图。
[0016]图5为本发明中的从机同步管理流程图。
[0017]图6为本发明中双信道工作机制示意图。
[0018]图7为本发明中的正交跳频表。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明作详细说明。
[0020]如图1至图7所示，用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，包括
(I)构建无线通信网络系统(参见图1、图2):无线通信网络系统由三级通信路径固定的“点-多点”系统构成，包括主无线终端1、四个中继节点2以及六个从无线终端3，中继节点2由无线终端A和无线终端B通过有线连接构成，主无线终端1、从无线终端3、无线终端A和无线终端B都包括MPU 5以及与MPU 5连接的实时时钟6、主从开关7、低功耗存储器8、入网按键9、无线收发模块10和终端接口 11。
[0021]MPU 5采用内核为Cortex-MO+的KL15系列微处理器，具有nA级的停止工作模式，在无任务处理时自动进入低功耗睡眠，此时电流消耗约为0.8uA。无线收发模块10采用APC240无线收发模块，每I秒自动唤醒一次检测空中的无线信号，其平均电流为(4.5ms/(1000ms+4.5ms)) *3.2mA+ 0.0015mA ^ 0.016mA=16uA。低功耗存储器 8 的电源受 MPU 5 控制，当MPU 5需要存储或读取数据时，才接通低功耗存储器8的电源执行读写操作，读写操作完成后随即断开其电源，这样可省去低功耗存储器8的静态电流消耗。实时时钟6采用针对低功耗而优化的CMOS实时时钟/日历芯片PCA85163，它具有开漏的报警和定时中断信号输出功能，通常情况下电流消耗0.25uA。终端接口 11为集电极开路的RS232接口，使得与户表终端在电源消耗上相互独立，减少能源的不必要开销。拨动主从开关7能设定主无线终端1、从无线终端3、无线终端A和无线终端B的主机、从机属性；通过先后按下从机、主机的入网按键9，可使从机加入由主机管理的该级“点-多点”系统。主无线终端1、从无线终端3、无线终端A和无线终端B的静态平均电流约为17uA。
[0022]如图1所示，第一级“点-多点”系统由作为主机的主无线终端I (即O)与作为从机的一个从无线终端3 (即02)和作为从机的两个无线终端A构成，该系统中两个无线终端A分别属于两个中继节点2(即01、03)。第二级“点-多点”系统有两个，一个是由作为主机的无线终端B与作为从机的一个无线终端A和作为从机的一个从无线终端3(即012)构成，该系统中无线终端B属于前述的一个中继节点2 (即01)，无线终端A属于一个中继节点2(即011);另一个是由作为主机的无线终端B与作为从机的一个无线终端A构成，该系统中无线终端B属于前述的一个中继节点2 (即03)，无线终端A属于一个中继节点2 (即031)。第三级“点-多点”系统也有两个，一个是由作为主机的无线终端B与作为从机的三个从无线终端3 (即0111、0112、0113)构成，该系统中无线终端B属于前述的一个中继节点2 (即011);另一个是由作为主机的无线终端B与作为从机的一个从无线终端3 (即0311)构成，该系统中无线终端B属于前述的一个中继节点2 (即031)。六个从无线终端3 (即02、012、0111、0112、0113、0311)各连接一个户表终端4。各级“点-多点”系统采用双信道工作机制，主机的发送信道与从机的接收信道相同，从机的发送信道与主机的接收信道相同(参见图6)。
[0023](2)确定各级“点-多点”系统中主机和从机使用的跳频图案(参见图3):
首先，将预先设定好的由32个跳频图案组号和32组跳频图案构成的正交跳频表(参见图7)存储在主无线终端1、各个中继节点2和各个从无线终端3的低功耗存储器内(供MPU读取)，每组跳频图案由31个跳频图案号按照跳频序列构成，一个跳频图案号对应一个频点；将各级“点-多点”系统中主机的ID用作该“点-多点”系统的系统ID，无论主机、从机均采用该系统ID确定跳频图案。
[0024]其次，将可用频段分成交错的N组信道，根据系统ID，选择其中一个信道组 group—num = sys_ID % N ；
根据系统ID，确定跳频图案组号 schedule_num = sys_ID/N % (31+1)。
[0025]然后，根据计算确定的跳频图案组号，从正交跳频表中选择与跳频图案组号对应的一组跳频图案。
[0026]最后，判断上次保存的属于该组跳频图案中的某一个跳频图案号是否有效，如果有效，则读取该跳频图案号作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号，如果无效，则产生初始跳频图案号RF_frq_ptr=SyS_ID%31，作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号。
[0027](3)实现各级“点-多点”系统中主机和从机的跳频同步:其包括主机同步管理和从机同步管理；
所述主机同步管理的过程(参见图4)为:
设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)；待定时时间到唤醒后，则发送包括时钟以及使用的跳频图案号的同步信息给从机，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)；如果主机收到其它“点-多点”系统的信息唤醒后，则按照跳频图案中的跳频序列再跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，并向从机发送“跳频图案加I”指令，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)。
[0028]所述从机同步管理的过程(参见图5)为:
设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T*l.1+随机数(选择I?39分钟)，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)，在定时时间内如果接收到主机发送的同步信息唤醒，则更新时钟并停止定时器，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)，在定时时间到唤醒后如果未接收主机发送的同步信息，则按跳频图案中的跳频序列搜寻主机，直至接收到主机发送的同步信息，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息);如果从机接收到主机发送的“跳频图案加I”指令，则根据指令内容，按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，而后进入低功耗睡眠(能间歇接收信息)。
[0029]如果需要在由属于中继节点2 (即031)的无线终端B与从无线终端3 (即0311)构成的第三级“点-多点”系统中增加一个从无线终端3作为从机，则先按下该从无线终端
3的入网按键9，再按下该“点-多点”系统中主机(即无线终端B)的入网按键9，此时该从无线终端3与主机在同一个指定的频点上，主机发送“主机ID”、“当前使用的跳频图案号(属于正常工作时使用的跳频图案号，不是入网按键9按下后的指定的频点)”、“实时时间”信息给该从无线终端，该从无线终端接收到“主机ID”作为系统ID，接收到“当前使用的跳频图案号”作为初始跳频图案号，接收到“实时时间”校准本机时钟。
[0030]结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而非对本发明保护范围的限制。
【权利要求】
1.一种用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，其特征在于:包括 构建无线通信网络系统:所述无线通信网络系统由多级通信路径固定的“点-多点”系统构成，包括主无线终端(I)、多个中继节点(2)以及多个与户表终端(4)连接的从无线终端(3)，所述中继节点(2)由无线终端A和无线终端B通过有线连接构成；所述主无线终端(I)、从无线终端(3)、无线终端A和无线终端B都包括MPU (5)以及与MPU连接的实时时钟(6)、主从开关(7)、低功耗存储器(8)、入网按键(9)、无线收发模块(10)和终端接口(11)；第一级“点-多点”系统由作为主机的主无线终端(I)与作为从机的至少一个从无线终端(3)和作为从机的至少一个无线终端A构成，后续的各级“点-多点”系统由作为主机的无线终端B与作为从机的至少一个从无线终端(3)和/或作为从机的至少一个无线终端A构成； 确定各级“点-多点”系统中主机和从机使用的跳频图案:首先，将预先设定好的由跳频图案组号和跳频图案构成的正交跳频表存储在主无线终端、各个中继节点和各个从无线终端的低功耗存储器内，将各级“点-多点”系统中主机的ID用作该“点-多点”系统的系统ID，无论主机、从机均采用该系统ID确定跳频图案；其次，将可用频段分成交错的N组信道，根据系统ID,选择其中一个信道组group_num = sys_ID % N,并确定跳频图案组号schedule_num = sys_ID/N % (31+1);然后,根据计算确定的跳频图案组号,从正交跳频表中选择与跳频图案组号对应的一组跳频图案；最后，判断上次保存的属于该组跳频图案中的某一个跳频图案号是否有效，如果有效，则读取该跳频图案号作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号，如果无效，则产生初始跳频图案号RF_frq_ptr=SyS_ID%31作为该“点-多点”系统中主机、从机使用的跳频图案号； 实现各级“点-多点”系统中主机和从机的跳频同步:其包括主机同步管理和从机同步管理；所述主机同步管理的过程为:设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T，而后进入低功耗睡眠，待定时时间到唤醒后，则发送包括时钟以及使用的跳频图案号的同步信息给从机，而后进入低功耗睡眠；如果主机收到其它“点-多点”系统的信息唤醒后，则按照跳频图案中的跳频序列再跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为主机使用的跳频图案号，并向从机发送“跳频图案加I”指令，而后进入低功耗睡眠；所述从机同步管理的过程为:设定24小时一次的实时时钟报警，待报警唤醒后，先按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，然后启动定时器计时T*l.1+随机数，而后进入低功耗睡目民，在定时时间内如果接收到主机发送的同步信息唤醒，则更新时钟并停止定时器，而后进入低功耗睡眠，在定时时间到唤醒后如果未接收主机发送的同步信息，则按跳频图案中的跳频序列搜寻主机，直至接收到主机发送的同步信息，而后进入低功耗睡眠；如果从机接收到主机发送的“跳频图案加I”指令，则根据指令内容，按照跳频图案中的跳频序列跳至下一个跳频图案号，将该下一个跳频图案号作为从机使用的跳频图案号，而后进入低功耗睡眠。
2.根据权利要求1所述的用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，其特征在于: 拨动主从开关(7)设定主无线终端(I )、从无线终端(3)、无线终端A和无线终端B的主机、从机属性；如果需要在某级“点-多点”系统中增加一个从无线终端作为从机，则先按下该从无线终端的入网按键，再按下该“点-多点”系统中主机的入网按键，此时该从无线终端与主机在同一个指定的频点上，主机发送“主机ID”、“当前使用的跳频图案号”、“实时时间”信息给该从无线终端，该从无线终端接收到“主机ID”作为系统ID，接收到“当前使用的跳频图案号”作为初始跳频图案号，接收到“实时时间”校准本机时钟。
3.根据权利要求1或2所述的用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，其特征在于:所述的各级“点-多点”系统采用双信道工作机制，主机的发送信道与从机的接收信道相同，从机的发送信道与主机的接收信道相同。
4.根据权利要求3所述的用于户表集抄的低功耗无线通信网络系统的实现方法，其特征在于:所述无线收发模块(10)采用APC240无线收发模块，所述MPU (5)采用内核为Cortex-MO+的KL15系列微处理器，所述实时时钟(6)采用CMOS实时时钟/日历芯片PCA85163,所述终端接口(11)为集电极开路的RS232接口。
【文档编号】H04W52/02GK104320838SQ201410709999
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年11月27日 优先权日:2014年11月27日
【发明者】唐保寿, 向方云, 魏庆华 申请人:重庆智能水表集团有限公司