專利名稱：一種基于ieee 802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通信技術(shù)，特別涉及一種基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
背景技術(shù)：
工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)目前主要采用基于IEEE 802. 15. 4的Zigbee協(xié)議，該協(xié)議具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組網(wǎng)能力強(qiáng)、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在各領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但由于各芯片及協(xié)議棧提供商對(duì)于IEEE 802. 15. 4及Zigbee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)不同，因此相互間往往不能實(shí)現(xiàn)互通和互聯(lián)。即使是同一提供商，根據(jù)應(yīng)用的不同，在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)收發(fā)模式上也不盡相同。由于IEEE 802. 15. 4及Zigbee協(xié)議的這些不確定性，使得其網(wǎng)絡(luò)性能有很大差異，最終導(dǎo)致在可靠性、包傳輸率、傳輸延時(shí)、功耗、網(wǎng)絡(luò)大小等方面不盡如人意。如果網(wǎng)絡(luò)設(shè)置不合理，將使得包傳輸率低、可靠性差，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)無(wú)法正常工作，或部分節(jié)點(diǎn)丟失等異常。此外由于IEEE 802. 15. 4及Zigbee不是專門針對(duì)工業(yè)而制定的無(wú)線協(xié)議，因此其在工業(yè)應(yīng)用方面受到了一定的制約。國(guó)際上目前出現(xiàn)了如WirelessHART、WIA-PA, ISA-100等的工業(yè)用短程無(wú)線通信協(xié)議，也都是基于IEEE 802. 15. 4，但在MAC及以上各層都采用了不同的技術(shù)，因此在可靠性、包傳輸率等方面得到了加強(qiáng)。但這些協(xié)議本身較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)較困難，并將導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)成本的增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)在工業(yè)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，提出了一種基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量固定、有低功耗、高可靠性、高實(shí)時(shí)性及雙向傳輸需求的工業(yè)短程無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括中心協(xié)調(diào)器與至少一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳與中心協(xié)調(diào)器建立連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，中心協(xié)調(diào)器同時(shí)作為無(wú)線局域網(wǎng)的對(duì)外網(wǎng)關(guān)，通過(guò)有線或無(wú)線接口與上層網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器根據(jù)通信協(xié)議，通信的超幀中包含數(shù)個(gè)設(shè)定時(shí)間相等的時(shí)隙，其中超幀開始的第一個(gè)時(shí)隙為中心協(xié)調(diào)器向外廣播開始的信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，此后各終端節(jié)點(diǎn)按時(shí)間順序，在預(yù)先分配的兩個(gè)相鄰時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)與中心協(xié)調(diào)器的雙向通信，通信后終端節(jié)點(diǎn)處于休眠等待狀態(tài)，等待中心協(xié)調(diào)器的開始信標(biāo)幀喚醒，所述兩個(gè)相鄰時(shí)隙時(shí)間內(nèi)首先由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，中心協(xié)調(diào)器接收并轉(zhuǎn)發(fā)；其后由中心協(xié)調(diào)器應(yīng)答，終端節(jié)點(diǎn)接收，在應(yīng)答中包含中心協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。所述終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配可采用靜態(tài)方式，即網(wǎng)絡(luò)建立前通過(guò)編程或有線組態(tài)的方式將其分配給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)；或采用動(dòng)態(tài)方式，即在終端節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器同步后自動(dòng)查詢空閑時(shí)隙，并在該時(shí)隙發(fā)出加入請(qǐng)求，由中心協(xié)調(diào)器給出具體的通信時(shí)隙。所述中心協(xié)調(diào)器采用IEEE 802. 15. 4-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的信標(biāo)幀格式廣播信標(biāo)幀；終端在預(yù)設(shè)的slot時(shí)隙內(nèi)采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，協(xié)調(diào)器在其后的slot時(shí)隙采用確認(rèn)幀發(fā)送應(yīng)答，或在有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀作為應(yīng)答，所有幀均采用16-bit短地址格式。本發(fā)明的有益效果在于本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)雙向傳輸、包傳輸率高、節(jié)點(diǎn)功耗低、可靠性高、通信時(shí)間確定等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議超幀結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相鄰時(shí)隙的數(shù)據(jù)收發(fā)示意
圖4為本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議一個(gè)實(shí)施例超幀時(shí)隙圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示為基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，本發(fā)明所涉及的一個(gè)PAN無(wú)線短程局域網(wǎng)10中，包括中心協(xié)調(diào)器100和終端節(jié)點(diǎn)101 IOn兩類設(shè)備，其中中心協(xié)調(diào)器100負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立，并作為時(shí)鐘源發(fā)出Beacon信標(biāo)幀。終端節(jié)點(diǎn)101 IOn與中心協(xié)調(diào)器100間構(gòu)成星形網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)單跳與中心協(xié)調(diào)器100建立連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。終端節(jié)點(diǎn)101 IOn間無(wú)法直接建立連接。中心協(xié)調(diào)器100同時(shí)作為無(wú)線局域網(wǎng)10的對(duì)外網(wǎng)關(guān)，通過(guò)有線或無(wú)線接口 110與上層網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)111實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這樣，來(lái)自于終端101 IOn的無(wú)線數(shù)據(jù)，經(jīng)由中心協(xié)調(diào)器100處理后，通過(guò)110網(wǎng)絡(luò)傳送到上層系統(tǒng)111 ；反之，來(lái)自上層系統(tǒng)111的數(shù)據(jù)，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)110和中心協(xié)調(diào)器100后， 最終轉(zhuǎn)發(fā)到對(duì)應(yīng)的終端101 10η。這樣既實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳輸。圖2所示為本發(fā)明的超幀結(jié)構(gòu)圖。超幀20包含若干個(gè)時(shí)間相等的slot時(shí)隙200 20η，其中超幀開始的第一個(gè)時(shí)隙200用于中心協(xié)調(diào)器向外廣播Beacon信標(biāo)幀。該信標(biāo)幀表示了超幀的開始，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步。此外信標(biāo)幀中包含的數(shù)據(jù)表示了超幀的長(zhǎng)度等信息。此后各節(jié)點(diǎn)按時(shí)間順序，在預(yù)先分配的兩個(gè)相鄰slot時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)與中心協(xié)調(diào)器的雙向通信。兩個(gè)相鄰時(shí)隙時(shí)間內(nèi)首先由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求(中心協(xié)調(diào)器接收并轉(zhuǎn)發(fā))；其后由中心協(xié)調(diào)器應(yīng)答(終端節(jié)點(diǎn)接收)，在該應(yīng)答中可能包含中心協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。在整個(gè)超幀20周期時(shí)間內(nèi)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)僅在預(yù)先規(guī)定的slot時(shí)隙內(nèi)處于發(fā)送狀態(tài)211，并在其后相鄰時(shí)隙及超幀開始的信標(biāo)時(shí)隙200內(nèi)處于接收狀態(tài)210， 其他時(shí)間均處于休眠狀態(tài)212，因此可以有效降低功耗。同時(shí)由于時(shí)間同步機(jī)制避免了碰撞的發(fā)生，因此提高了網(wǎng)絡(luò)包傳輸率和可靠性，并使得通信的確定性和實(shí)時(shí)性得到了保證。此外利用相鄰時(shí)隙的應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的雙向數(shù)據(jù)通信過(guò)程。節(jié)點(diǎn)的slot時(shí)隙分配可采用靜態(tài)方式，即網(wǎng)絡(luò)建立前通過(guò)編程或有線組態(tài)的方式將其分配給每個(gè)節(jié)點(diǎn)；或采用動(dòng)態(tài)方式，即在節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器同步后自動(dòng)查詢空閑時(shí)隙，并在該時(shí)隙發(fā)出加入請(qǐng)求，由協(xié)調(diào)器給出具體的通信時(shí)隙。
圖3所示為本發(fā)明的相鄰時(shí)隙數(shù)據(jù)收發(fā)示意圖。在slot_n時(shí)隙30時(shí)間內(nèi)，終端節(jié)點(diǎn)η負(fù)責(zé)將報(bào)文發(fā)送到中心協(xié)調(diào)器終端節(jié)點(diǎn)η首先進(jìn)行MartInit初始化操作301，包括喚醒等動(dòng)作，其后Txhit使能RF發(fā)送功能302，緊接著是Tx發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程303，發(fā)送完成后TxEnd禁止RF發(fā)送并直至?xí)r隙時(shí)間結(jié)束304 ；在此同時(shí)，中心協(xié)調(diào)器從時(shí)隙開始便處于Rx接收狀態(tài)305，并在接收完成后RxEnd并等待時(shí)隙結(jié)束306。數(shù)據(jù)由終端向中心協(xié)調(diào)器傳送完成后，在下一個(gè)slot_n+l時(shí)隙31時(shí)間內(nèi)，中心協(xié)調(diào)器給出應(yīng)答，并同時(shí)將可能存在的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端。其操作步驟與Slot_n時(shí)隙30 相同，僅是發(fā)送和接收方的角色互換中心協(xié)調(diào)器經(jīng)過(guò)MartInit 311->TxInit 312->Tx 313->TxEnd 314階段完成應(yīng)答數(shù)據(jù)的發(fā)送，終端經(jīng)過(guò)Rx 315_> RxEnd 316階段完成數(shù)據(jù)的接收。圖4是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例超幀時(shí)隙圖。該實(shí)施例采用TI的2530 SOC芯片， 利用TIMAC協(xié)議棧進(jìn)行代碼實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)的BO (Beacon Order)及SO (Superframe Order) 參數(shù)均設(shè)為5，即超幀時(shí)長(zhǎng)41為491. 52ms，平均分為了 32個(gè)slot時(shí)隙42，每個(gè)時(shí)隙時(shí)長(zhǎng) 43為15. 36ms?？紤]到信標(biāo)幀需要占用一個(gè)獨(dú)立的時(shí)隙，因此網(wǎng)絡(luò)中可以同時(shí)存在15個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。采用靜態(tài)分配的方式為每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分配好slot，編號(hào)從1 15，則終端η的發(fā)送時(shí)隙時(shí)間為2*n*15. 36ms，接收時(shí)隙為(2*η+1) *15· 36ms。實(shí)施例中，中心協(xié)調(diào)器采用IEEE 802. 15. 4-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的信標(biāo)幀格式 (Beacon Frame i^ormat)廣播信標(biāo)幀；終端在預(yù)設(shè)的slot時(shí)隙內(nèi)采用數(shù)據(jù)幀(Data Frame Format)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，協(xié)調(diào)器在其后的slot時(shí)隙采用確認(rèn)幀(Acknowledgment Frame format)發(fā)送應(yīng)答，或在有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀(Data Frame format)作為應(yīng)答。所有幀均采用16-bit短地址格式，不進(jìn)行MAC層加密，發(fā)送報(bào)文無(wú)需確認(rèn)。
權(quán)利要求
1.一種基于IEEE 802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，包括中心協(xié)調(diào)器與至少一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳與中心協(xié)調(diào)器建立連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，中心協(xié)調(diào)器同時(shí)作為無(wú)線局域網(wǎng)的對(duì)外網(wǎng)關(guān)，通過(guò)有線或無(wú)線接口與上層網(wǎng)絡(luò)或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器根據(jù)通信協(xié)議，通信的超幀中包含數(shù)個(gè)設(shè)定時(shí)間相等的時(shí)隙，其中超幀開始的第一個(gè)時(shí)隙為中心協(xié)調(diào)器向外廣播開始的信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，此后各終端節(jié)點(diǎn)按時(shí)間順序，在預(yù)先分配的兩個(gè)相鄰時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)與中心協(xié)調(diào)器的雙向通信，通信后終端節(jié)點(diǎn)處于休眠等待狀態(tài)，等待中心協(xié)調(diào)器的開始信標(biāo)幀喚醒，其特征在于，所述兩個(gè)相鄰時(shí)隙時(shí)間內(nèi)首先由終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，中心協(xié)調(diào)器接收并轉(zhuǎn)發(fā)；其后由中心協(xié)調(diào)器應(yīng)答，終端節(jié)點(diǎn)接收，在應(yīng)答中包含中心協(xié)調(diào)器向終端節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于IEEE802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其特征在于，所述終端節(jié)點(diǎn)的時(shí)隙分配可采用靜態(tài)方式，即網(wǎng)絡(luò)建立前通過(guò)編程或有線組態(tài)的方式將其分配給每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)；或采用動(dòng)態(tài)方式，即在終端節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器同步后自動(dòng)查詢空閑時(shí)隙， 并在該時(shí)隙發(fā)出加入請(qǐng)求，由中心協(xié)調(diào)器給出具體的通信時(shí)隙。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于IEEE802. 15. 4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其特征在于，所述中心協(xié)調(diào)器采用IEEE 802. 15. 4-2006標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的信標(biāo)幀格式廣播信標(biāo)幀；終端在預(yù)設(shè)的slot時(shí)隙內(nèi)采用數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文，協(xié)調(diào)器在其后的slot時(shí)隙采用確認(rèn)幀發(fā)送應(yīng)答， 或在有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀作為應(yīng)答，所有幀均采用16-bit短地址格式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于IEEE802.15.4的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，中心協(xié)調(diào)器與至少一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的星形網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)單跳與中心協(xié)調(diào)器建立連接，實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，所述每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與中心協(xié)調(diào)器根據(jù)通信協(xié)議，通信的超幀中包含數(shù)個(gè)設(shè)定時(shí)間相等的時(shí)隙，其中超幀開始的第一個(gè)時(shí)隙為中心協(xié)調(diào)器向外廣播開始的信標(biāo)幀，網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)偵聽信標(biāo)幀實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，此后各終端節(jié)點(diǎn)按時(shí)間順序，在預(yù)先分配的兩個(gè)相鄰時(shí)隙內(nèi)實(shí)現(xiàn)與中心協(xié)調(diào)器的雙向通信，通信后終端節(jié)點(diǎn)處于休眠等待狀態(tài)，等待中心協(xié)調(diào)器的開始信標(biāo)幀喚醒。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)雙向傳輸、包傳輸率高、節(jié)點(diǎn)功耗低、可靠性高、通信時(shí)間確定等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04W72/04GK102404855SQ201110393930
公開日2012年4月4日 申請(qǐng)日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者王駿 申請(qǐng)人:上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院