一种基于RF433无线通讯的主从式智能设备组网方案

一种基于rf433无线通讯的主从式智能设备组网方案
技术领域
1.本发明涉及微型网络无线通讯技术领域，特别涉及一种基于rf433无线通讯的主从式智能设备组网方案。


背景技术：

2.随着物联网(iot,internet-of-things)技术在智能家居、智慧场馆等领域的快速发展，对适用于微型规模网络，具备“低成本”、“低速率”、“短距离”、“高稳定”四项特点的无线通信与组网方案成为人工智能、物联网等技术领域关注的焦点。
3.目前，微型无线网络组网主要采用以下四种技术:
4.1)载波为2.4g hz的zigbee/802.15.4无线通讯网络。在实际应用中，大多数开发人员可运用802.15.4物理层的无线网络调度与路由能力。对于数据可靠性和完整性要求较高的应用，开发人员可调用类似z-stack的zigbee高层协议栈来解决。
5.2)wi-fi标准无线通讯网络。wi-fi被广泛用于众多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器链路。然而，它通常被用于要求“高速率”和“中距离”为主要特点的无线通讯。流行的802.11n速度可达300mb/s，而更新的、工作在5ghz ism频段的802.11ac，速度甚至可以超过1.3gb/s。
6.3)蓝牙无线通讯网络。相比于wi-fi，利用蓝牙技术的无线组网在协议的延续性和向下兼容性下更好。蓝牙无线传输技术理论上能够在最远100米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有10米。
7.4)433mhz无线透传网络。这类无线模块完成了射频部分的电路设计，解决了网络收发的自动转换，以及主机接口的命令解析。rf433通讯模块等效于一个无线串口，非常适合于点对点的数据通讯。
8.目前，适用于微型无线网络组网的四种解决通讯技术也存在部分缺点。
9.1)载波为2.4g hz的zigbee/802.15.4无线通讯网络。这类解决方案的优点是芯片功耗低、组网方案成熟，但是2.4g hz的载波波长短，穿透能力弱，在短距离内非空旷应用场景下，数据通讯稳定性不足。
10.2)wi-fi标准无线通讯网络。由于wi-fi是专门为笔记本、pc等设备上网而设计的无线网络方案，其在通讯环境、接口方式、穿透能力、电流消耗、移动漫游、制造成本等多方面，并没有针对低价位的无线数据采集设备进行优化，导致其在微型网络组网方案中并不常见。
11.3)蓝牙无线通讯网络。蓝牙除了传输距离受限之外，它还存在一个显著的缺陷，即一个蓝牙设备同时只能存在一个蓝牙数据交互。当一个蓝牙设备在连接了多个蓝牙设备时，往往在一连接上时就分配好资源。当不同的蓝牙设备在不同时期需要的资源不一样的时候，网络通讯协议并不能灵活调度设备通信所需要的资源。
12.4)433mhz无线透传网络。这类无线功耗低，而且非常适合于点对点的数据通讯。但是，对于“主-从”多点分布式数据采集系统，一般需要开发人员自定义高层的通讯协议来保
证网络的稳定性和数据包的完整性。


技术实现要素：

13.本发明要解决的技术问题在于，针对上述现有技术中存在的缺陷，提供一种基于rf433无线通讯的主从式智能设备组网方案，提升rf433无线通讯技术在人工智能、物联网领域中的应用能力。
14.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：
15.一种基于rf433无线通讯的主从式智能设备组网方案，包括“主设备自检”工作模式及“从设备注册”工作模式：
16.在所述“主设备自检”工作模式中，主设备按照以下步骤进行：a 1)主设备上电初始化，并配置主设备的rf模块状态为发射模式，准备即将发送的数据；a2)调用算法，生成唯一从设备终端guid，计算发送数据的crc校验，并发送数据；a3)判断发射端是否收到应答信号，如果收到应答信号，则在终端注册总表中增加终端guid，表示从设备终端注册，重复步骤a2)；否则，则切换到下个频率再次发送数据；a4)重复步骤a3)；a5)如果在30秒之内，仍没有收到应答信号，说明从设备已经注册完毕或处于严重干扰状态，此时主设备发射端停止发送数据；a6)若从设备终端注册已经完成，主设备可关机停止操作；
17.从设备按照以下步骤进行：b1)取任意从设备上电初始化，并配置从设备的rf模块为接收模式，准备接收数据；b2)检测载波信号；判断是否存在当前频点的载波信号；b3)如果收到数据包，判断crc校验是否正确。如正确，则解析并保存终端guid，从设备终端自动关机；否则，应答为crc校验失败，请重发；b4)如果没有收到数据包，则跳到下一个频点，重复步骤b2)；b5)若从设备终端注册未完成，重复步骤b1)。
18.在所述“从设备注册”工作模式中，主设备按照以下步骤进行：c 1)主设备上电初始化，根据rom存储器中的终端注册总表，配置ram存储器中终端监控总表；c2)并配置主设备的rf模块状态为发射模式，组网指针指向监控总表表头，准备即将发送的数据；c3)组网指针指向监控总表的下一条记录，获取从设备终端guid，计算发送数据的crc校验，并发送数据；c4)判断发射端是否收到应答信号，如果收到应答信号，则在终端监控总表中更新终端编号、终端状态，表示从设备终端加入网络，重复步骤c3)；否则，则切换到下个频率再次发送数据；c5)如果在10秒之内，仍没有收到应答信号，说明从设备为非激活状态无法加入网络或处于严重干扰状态，此时主设备发射端停止发送数据；c6)若组网指针指向监控总表的表尾，则组网结束；
19.从设备按照以下步骤进行：d1)从设备上电初始化，并配置从设备的rf模块为接收模式，准备接收数据；d2)检测载波信号；判断是否存在当前频点的载波信号；d3)如果收到数据包，判断crc校验是否正确。如正确，则解析并判断终端rom保存的guid与数据包中的guid是否一致，如一致，则应答从设备加入网络成功；否则，应答为crc校验失败，请重发；d4)如果没有收到数据包，则跳到下一个频点，重复步骤d2)。
20.优选地，所述主设备包括集中采集器，所述从设备包括若干个终端，所述集中采集器通过433m无线通讯方式采集终端信息，并通过2g网络上报给物联网云后台。
21.与现有技术相比，本发明具有以下两方面的优点：
22.1)本发明的组网方案基于rf433无线通讯技术，与zigbee、wi-fi和蓝牙相比，
rf433具有功耗低、收发一体、性价比高、稳定可靠等众多优点。
23.2)本发明的组网方案沿用rf433的透传通信方式，避免在智能设备的数据传输过程中使用复杂的高层协议(如contiki,openwsn,riot,lorawan等)，因此智能设备的数据通讯程序实现简单，不依赖第三方协议。
附图说明
24.图1为本发明中“从设备注册”工作模式的主从设备组网操作步骤流程示意图；
25.图2为本发明中“主设备自检”工作模式的操作步骤流程示意图；
26.图3为本发明中“从设备注册”工作模式的主设备组网操作步骤流程示意图；
27.图4为本发明中“从设备注册”工作模式的从设备组网操作步骤流程示意图；
28.图5为本发明中“主设备自检”工作模式的主设备组网操作步骤流程示意图；
29.图6为本发明中“主设备自检”工作模式的从设备组网操作步骤流程示意图。
具体实施方式
30.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.本发明公开的一种基于rf433无线通讯的主从式智能设备组网方案，其硬件部分由主设备(集中采集器)和多个从设备(终端)组成。集中采集器通过433m无线通讯方式采集终端信息，并通过2g网络上报给物联网云后台。
32.具体地，无线组网方案由两种工作模式构成，即”主设备自检“工作模式、”从设备注册“工作模式，分别对应主、从设备在出厂时和在使用过程中组网方案的技术实现步骤。可以理解的，采用树形拓扑结构，主设备为树根，从设备为树叶。主从设备之间使用半双工工作模式。以一个通信周期t为例，在前半个通信周期内，主设备先作为服务器发送数据包，从设备作为客户端监听数据包；在后半个通信周期内，从设备先作为服务器发送数据包，主设备作为客户端监听数据包。主从设备间一个完整的半双工通信周期为t
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n，其中，n为从设备的终端数量。因此，本发明只适用于微型无线通讯网络，在实际应用中，建议从设备的终端数量不超过150个。
33.a)智能设备在出厂时，无线组网方案只需要执行”从设备注册“工作模式。该工作模式的目的是，由主设备为下属的从设备动态分配一个自定义的“mac地址”。本发明公开的方案采用的是全局唯一标识符(guid，globally unique identifier)。其中，guid是由主设备控制程序，调用相应的算法自动生成的、二进制长度为128位的数字标识符。所有注册的从设备将保存在主控制器rom存储器中，其数据结构如表一所示。
34.表一：终端注册总表
35.终端idguidguid....guid
36.初始状态下，主设备终端注册总表中的数据为空。在执行”从设备注册“工作模式之后，终端注册总表记录了主设备下属的所有从设备的“mac地址”。执行注册操作之前，主、从设备均处于关机状态，“从设备注册”阶段的执行步骤如图1所示，结合图1、图3及图4阐述如下：
37.主设备：a1)主设备上电初始化，并配置主设备的rf模块状态为发射模式，准备即将发送的数据；a2)调用算法，生成唯一从设备终端guid，计算发送数据的crc校验，并发送数据；a3)判断发射端是否收到应答信号，如果收到应答信号，则在终端注册总表中增加终端id，表示从设备终端注册，重复步骤a2)；否则，则切换到下个频率再次发送数据；a4)重复步骤a3)；a5)如果在30秒之内，仍没有收到应答信号，说明从设备已经注册完毕或处于严重干扰状态，此时主设备发射端停止发送数据；a6)若从设备终端注册已经完成，主设备可关机停止操作。
38.从设备：b1)取任意从设备上电初始化，并配置从设备的rf模块为接收模式，准备接收数据；b2)检测载波信号；判断是否存在当前频点的载波信号；b3)如果收到数据包，判断crc校验是否正确。如正确，则解析并保存终端guid，从设备终端自动关机；否则，应答为crc校验失败，请重发；b4)如果没有收到数据包，则跳到下一个频点，重复步骤b2)；b5)若从设备终端注册未完成，重复步骤b1)。
39.b)智能设备在使用过程中，无线组网方案只需要执行“主设备自检”工作模式。该工作模式的目的是，由主设备自动将所有处于激活状态下的从设备终端自动加入微型网路。为了方便主设备记录组网状态，主设备的主控制器在ram存储器中使用如表二所示的终端监控总表。
40.表二：终端监控总表数据结构
41.终端id终端编号(上电开机默认值为0)终端状态(上电开机默认值为0)guid01guid01............guid00
42.执行主设备自检操作之前，主、从设备均处于开机状态，“主设备自检”阶段的执行步骤如图2所示，结合图2、图5及图6阐述如下：
43.主设备：c1)主设备上电初始化，根据rom存储器中的终端注册总表，配置ram存储器中终端监控总表；c2)并配置主设备的rf模块状态为发射模式，组网指针指向监控总表表头，准备即将发送的数据；c3)组网指针指向监控总表的下一条记录，获取从设备终端guid，计算发送数据的crc校验，并发送数据；c4)判断发射端是否收到应答信号，如果收到应答信号，则在终端监控总表中更新终端编号、终端状态，表示从设备终端加入网络，重复步骤3；否则，则切换到下个频率再次发送数据；c5)如果在10秒之内，仍没有收到应答信号，说明从设备为非激活状态无法加入网络或处于严重干扰状态，此时主设备发射端停止发送数据；c6)若组网指针指向监控总表的表尾，则组网结束。
44.从设备：d1)从设备上电初始化，并配置从设备的rf模块为接收模式，准备接收数据；d2)检测载波信号；判断是否存在当前频点的载波信号；d3)如果收到数据包，判断crc校验是否正确。如正确，则解析并判断终端rom保存的guid与数据包中的guid是否一致，如一
致，则应答从设备加入网络成功；否则，应答为crc校验失败，请重发；d4)如果没有收到数据包，则跳到下一个频点，重复步骤d2)。
45.可以理解的，本发明公开的一种基于rf433通讯技术的主从智能设备组网方案，组网设备包括一个集中采集器为主设备，以不超过150个终端为从设备，主、从智能设备之间组网构成智能设备物联私有网。利用本发明提供的组网方案，主、从设备在设定的通讯距离范围内，可以固定放置，也可自由移动，“主-从”、“从-从”之间可快速实现端到端数据通信。主设备可以集成nb-iot通信模组，将下属从设备的数据在采集周期内进行缓存，并利用mqtt协议，与云端物联网后台进行数据通信。本发明适用于机器人/无人机集群控制、可穿戴智能设备、智能家居，智慧养老以及智慧场馆等应用场景；该主从智能设备组网方案操作原理简单，编程容易，尤其适合小规模智能设备集群构建私有微型物联网络，可实现数据稳定收发及快速透传，避免了在分布式智能设备集群的数据传输过程中使用复杂的高层协议(如contiki,openwsn,riot,lorawan等)。
46.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。