基于4-20mA回路取电的802.15.4e无线设备低功耗组网方法

摘要

本发明涉及一种基于4-20mA回路取电的802.15.4e无线设备低功耗组网方法，包括以下步骤：无线设备回路取电；构建面向超低能耗应用的无线网络；无线设备实现基于上述无线网络的单向时间同步；基于上述时间同步的基础上完成邻居发现；无线设备同无线网络交互；上述过程随着储能监测模块监测电量的结果进行暂停。本发明通过不停地切换信道来检测报文实现快速节能的单向时间同步，在时间同步的基础上通过监听普通报文代替传统的监听信标帧，改进邻居发现的监听次序，仅在信标帧可能出现的时隙打开监听，其余时间休眠，既节省了信道搜索的时间，又降低了邻居发现所产生的能耗，进而降低整个网络组建的时间和能耗。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络组网技术，具体地说明是一种基于4-20mA回 路取电的802.15.4e无线设备低功耗组网方法。

背景技术

4-20mA电流回路信号常用于工业环境，实现远距测量数据传输，Hart协 议就是在这个信号上进行传输的。这种信号传输方式之所以成为人们的首选， 因为它简单便捷、抗噪、安全，并且可以在没有数据损坏的情况下实现远距离 传输。4-20mA分为2线制和3线制两种规格。2线制情况下，信号和电源使 用相同电缆，可以为无线设备提供电源供应。而这些取电设备的功耗必须非常 低，因为来自4-20mA电流回路的能源相当有限，其正常工作时的最小电流仅 为4mA，而在报警或错误的情况下，电流值最低可达0mA。在回路取电量有 限的情况下，需要对网络中的电能消耗进行控制，保证单位周期内的耗电量小 于或等于取电量，维持无线设备长期稳定的工作。

目前，工业应用对无线设备的要求除了高可靠性、高实时性之外，低功耗 也是工业应用的一大迫切需求。工业无线取代有线，能量问题是实际应用中关 注的热点，而通信协议的改进又是提高能效的重要措施。在WSN协议栈中,MAC 层决定着信道分配与使用方法,在协议栈能耗中有举足轻重的地位。为此，TG4e （IEEE802.15.4e）工作组于2008年正式成立，其目的是在MAC层提高和增加 IEEE802.15.4-2006对于工业领域无线应用以及TG4c的支持，增强并增加MAC 的功能性。

IEEE802.15.4e网络与其他自组织网络一样，网络组建包括时间同步、邻居 发现和组网交互的过程。其中，邻居发现是网络组建的一个非常重要的步骤， 是MAC协议、路由发现、拓扑管理算法的基础，快速的邻居发现对于提高网络 性能具有重要意义。

近年来，关于邻居发现方面的研究引起了很大关注，但多集中在CSMA 单信道网络，由于IEEE802.15.4e网络采用了多信道通信，无法直接使用单信 道的各种邻居发现方法。因为多信道的特性，使得搜索空间直接扩展了一个维 度，不确定性增加，组网的问题也就变成了信道搜索和邻居发现两个问题，实 际完成时间也大大增加。例如IEEE802.15.4网络中一种被动邻居发现方法 PSV(Passive Discovery,被动发现)，通过轮流在所有可用信道上进行邻居发现， 每个信道上持续监听信标间隔时间，直到某个信道上监听到信标帧。该方法简 单实用，但是在无法确定信标间隔的情况下，将消耗大量的时间和能量。针对 信道搜索时间过长的问题，有文献充分利用了IEEE802.15.4e中使用时隙通信 的特点，使用线性规划的方法对问题进行了优化，并提出了OPT策略，降低 了信道搜索过程中的第一次、平均和最长搜索时间。然而，该策略仅仅针对搜 索时间进行了优化，并没有针对能量消耗进行优化，无法应用于一些面向超低 能耗的网络中；同时该策略监听的目标是信标帧，而没有考虑到普通报文的监 听；此外，该策略实现的前提是设备已经完成时间同步并按时隙运行，然而， 在实际工程中，新设备入网前尚未同步，在这种情况下，不存在时隙结构，因 此该策略无法直接应用在实际工程中。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于4-20mA回路 取电的802.15.4e（与IEEE802.15.4e表示的是同一种网络，此处为简写）无线设 备低功耗组网方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种基于4-20mA回路取电的802.15.4e无线设备低功耗组网方法，包括 以下步骤：

S1、无线设备回路取电；

S2、构建面向超低能耗应用的无线网络；

S3、无线设备实现基于上述无线网络的单向时间同步；

S4、基于上述时间同步的基础上完成邻居发现；

S5、无线设备同无线网络交互；

上述各个步骤切换前要进行电量检测，如果剩余电量不能满足后续步骤消 耗，则会暂停直至储存足够电量为止再继续后续步骤。

其中，无线设备回路取电的步骤为：

S11、无线设备接入到4-20mA回路中；

S12、无线设备通过取电电路为储能电容充电，充电的速度由回路电流决 定；

S13、当储能电容电压达到能够完成单向时间同步所需的电量时，储能电 容通过供电电路开始为无线收发模块供电；

S14、无线收发模块的耗电量大于储能电容的充电量时，储能电容电压降 低，当储能监测模块监测到储能电容的剩余电量小于完成邻居发现所需电量 时，无线收发模块处于休眠状态。

所述无线网络是一种基于IEEE802.15.4e标准的全时隙无线网络，其中协 调器发送信标帧，在一个超帧周期内至少有一个信标帧出现；所述的一个超帧 包括信标部分、管理时隙部分、上行时隙部分和双向通信时隙部分，其中：

（1）每个信标部分只有一个时隙，在这个时隙中，协调器发送信标帧；

（2）管理时隙包括上行链路和下行链路，主要用于网络管理报文收发；

（3）上行时隙，主要用于报文重传；

（4）双向通信时隙，用于网络中其他报文的收发或应答。

所述的单向时间同步通过以下方法实现：

S31、快速的信道搜索，即不停地切换实际可用信道来获取网络中的报文；

S32、无线设备一旦检测到报文，则持续检测到报文发送结束，并记录结 束时间；

S33、根据报文的结束时间推测报文发送开始的时隙范围，实现单向时间 同步。

文中所述检测的报文包括一条完整报文、部分报文或者信标帧中的一种； 若检测到一条完整的报文则可以实现高精度的单向时间同步；若检测到部分报 文则实现较低精度的时间同步；若检测到信标帧则直接完成邻居发现。

所述邻居发现通过以下方法实现：

S41、单向时间同步后，设计报文监听算法，选择任意时隙为起始点，开 始监听报文，监听的时隙和信道完全按照设计的报文监听算法执行；

S42、当监听到第一条报文后，记录报文类型和报文检测消耗的时间，根 据报文是否包含帧计数来记录和估算当前的绝对时隙号ASN_current的值和范围， 通过这些信息来计算信标帧可能出现的最近一个时隙T；

S43、休眠至时隙T，在时隙T监听报文监听算法指定的信道，若未监听 到信标帧，则排除当前时隙T，返回S2，若监听到信标帧，则停止监听，完成 邻居发现。

设计报文监听算法包括以下步骤：

S411、分析无线网络邻居发现模型，获取完成邻居发现需满足的条件包括： 每个信道上监听时间不小于一个超帧长度；同一时隙只能搜索单个信道；保证 所有可能的时隙和信道组合均被搜索；

S412、计算某一时刻监听到报文并且是第一条报文的概率；

S413、假设报文分布的时隙和信道是随机的，优化报文检测消耗的时间， 使报文平均检测时间最小，进而设计出一个报文监听序列。

报文检测消耗的时间是指无线设备从开始监听到检测到第一条报文所消 耗的时隙数目；所述报文的帧计数在带有至少5字节辅助安全头的报文中才能 获得，其数值为当前的绝对时隙号ASN_current，若报文中不含帧计数，则估算当 前绝对时隙号ASN_current的范围；所述信标帧可能出现的一个最近时隙T，通过以 下公式计算获悉：T-t_current=ASN_Beacon-ASN_current，其中，t_current为当前时隙，ASN_current为当前绝对时隙号，ASN_Beacon为信标帧的绝对时隙号。

所述的无线设备包括从4-20mA回路取电的无线适配器以及其他类型的需 要从外界补充能量的无线设备；所述的无线适配器由取电电路、储能电容、储 能监测模块、微处理器、供电电路和无线收发模块组成；所述取电电路与储能 电容和微处理器连接；所述储能电容与储能监测模块和供电电路连接；所述储 能监测模块与微处理器连接；所述微处理器与供电电路和无线收发模块连接； 所述无线收发模块与供电电路和微处理器连接。

所述无线设备同无线网络交互是通过报文交互实现的：交互过程中完成网 络地址的分配、网络路由的分配和网络中安全密钥的管理。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明通过控制组网过程中电量的使用达到4-20mA回路取电和用电的 平衡。由于4-20mA回路取电量有限，不能支持组网过程中的射频连续开启所 需要的用电量，因此，通过适当的休眠控制电量的使用，同时配合电量检测功 能，可以保证组网过程中的平均功耗小于从网络中获取的功耗，实现设备的不 间断工作。

2、本发明通过快速的信道搜索来获取报文，由于在网设备的报文发送是 按照时隙来进行的，如果能够检测到报文，即使是不完整的报文，通过报文的 结束时间，也可推断出时隙开始时间，进而实现单向的时间同步。该方法降低 了搜索过程的平均功率和总功率消耗。

3、本发明利用网络中普通报文与信标帧之间的联系，通过监听普通报文 来预测信标帧的位置，由于普通报文数量较多，容易监听；同时，监听普通报 文所需要的时间更短，从而保证有限次监听即能监听到信标帧，提高了监听效 率，降低盲目监听造成的能源浪费，节省较多的监听能量。

4、本发明考虑了时隙内部休眠，监听到报文后即可进行休眠，休眠时间 变长，节省监听能量，每个时隙都进行射频开关，因此切换信道也不会为系统 带来额外能耗。

5、本发明对储能电容进行实时电量监测，并利用监测结果控制组网过程。 当存储的电量过低时，暂停网络组建过程，等待蓄满能量之后继续。该方法间 接地降低了组网过程的平均功率，避免组网过程中能量耗尽造成组网失败。

附图说明

图1为本发明实施例中无线适配器回路取电示意图；

图2为本发明实施例中构建的星型无线网络示意图；

图3为本发明适用的树型无线网络结构示意图；

图4为本发明适用的网状无线网络结构示意图；

图5为无线网络超帧结构示意图；

图6为本发明基于IEEE802.15.4e标准的报文格式表；

图7为本发明实施例中E-OPT算法设计的报文监听序列；

图8为本发明实施例中邻居发现流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方 式不限于此。

实施例

本发明一种基于4-20mA回路取电的802.15.4e无线设备低功耗组网方法， 包括以下步骤：

无线设备回路取电；

构建面向超低能耗应用的无线网络；

无线设备实现基于上述无线网络的单向时间同步；

基于上述时间同步的基础上完成邻居发现；

无线设备同无线网络交互；

上述步骤切换前要进行电量检测，如果剩余电量不能满足后续步骤消耗， 则会暂停直至储存足够电量为止再继续。

如图1所示，本发明无线适配器回路取电示意图，从图中可以看出，无线 适配器由取电电路、储能电容、储能监测模块、微处理器、供电电路和无线收 发模块组成；其中，取电电路与储能电容和微处理器连接；储能电容与储能监 测模块和供电电路连接；储能监测模块与微处理器连接；微处理器与供电电路 和无线收发模块连接；无线收发模块与供电电路和微处理器连接。

无线适配器接入到4-20mA回路中，其中微处理器监测取电电路电流大小， 回路电流大于4mA时，开始为储能电容充电，充电的速度由回路电流决定； 当储能监测模块监测到储能电容电压达到能够完成单向时间同步所需的电量 时，储能电容通过供电电路开始为无线收发模块供电；当无线收发模块的耗电 量大于储能电容的充电量时，储能电容电压降低，当储能监测模块监测到储能 电容的剩余电量小于完成邻居发现所需电量时，储能监测模块将监测结果发送 微处理器，微处理器发送无线收发模块，模块处于休眠状态。

如图2所示，本发明涉及的技术针对面向超低功耗应用的无线网络是一种 基于IEEE802.15.4e标准的全时隙星型无线网络，包括两类节点：协调器和无 线节点，每个无线节点只与协调器进行通信。图3和图4为基于IEEE802.15.4e 标准的全时隙树型无线网络和网状无线网络，包括三类节点：协调器、路由器 和无线节点。无线网络使用多信道进行通信，具有可用信道集合C={c₁,c₂,…, c_max}，|C|标示集合中的信道个数。

如图5所示，协调器发送信标帧，在一个超帧周期内只有一个信标帧出现， 协调器发送信标的周期称为信标帧间隔，同时也是无线网络的超帧长度，记为 BI，BI=2^b×z，其中b为信标帧次序，b∈B,B={b_min,…,b_max}，|B|表示B中的 元素数目，z为常数。一个超帧包括信标部分、管理时隙部分、上行时隙部分 和双向通信时隙部分。其中：

●每个信标部分只有一个时隙，在这个时隙中，协调器发送信标帧；

●管理时隙包括上行链路和下行链路，主要用于网络管理报文收发；

●上行时隙，主要用于报文重传；

●双向通信时隙，用于网络中其他报文的收发或应答。

本发明基于上述无线网络的单向时间同步是通过以下方法实现的：

S1：快速的信道搜索，即不停地切换实际可用信道来获取网络中的报文； 在IEEE802.15.4e中，2.4G频道上存在16个可用信道，无线设备不停地在16 个信道切换来检测报文，报文格式如图6所示；

S2：无线设备一旦检测到报文，则持续检测到报文发送结束，并记录结束 时间；检测到的报文包括一条完整的报文、部分报文或者信标帧中的一种；若 检测到一条完整的报文则可以实现高精度的单向时间同步；若检测到部分报文 则实现较低精度的时间同步；若检测到信标帧则直接完成邻居发现；

S3：根据报文的结束时间推测报文发送开始的时隙范围，实现单向时间同 步。

本发明所述的邻居发现是通过以下方法实现的，如图8所示：

分析无线网络邻居发现模型，由于进行邻居发现时新无线设备并未在网， 还不存在link，无法对外发送报文进行交互。因此，邻居发现会采用被动监听 的方式来完成。

基于被动监听的邻居发现方法中，每次在某个信道上占用一个时隙，对于 所有的c∈C,t∈T，x_c,t描述监听节点在信道c和时隙t上执行一次发现：

采用被动监听完成邻居发现需满足以下条件：

每个信道上监听时间不小于一个超帧长度，即

同一时隙只能搜索单个信道，即

保证所有可能的时隙和信道组合均被搜索，即 $\forall c\in C,\forall b\in B,\forall \delta \in (0,...,2^b-1){\Sigma }_{i=c0}^{c\max }{x}_c,{2^b}_{\times i+\delta }\ge 1;$

满足以上限制条件的时隙和信道的序列即为监听序列。

选择任意时隙作为起始点，开始监听报文，监听的时隙和信道完全按照图7 所示。

当监听到第一个报文后，计录报文类型和报文检测消耗的时间，同时检测 报文是否含有帧计数，所述报文的帧计数在带有至少5字节辅助安全头的报文 中才可以获得，其数值为当前的绝对时隙号ASN_current，若报文中不含帧计数， 则估算当前绝对时隙号ASN_current的范围；绝对时隙号表示从协调器开始工作到 当前时间经过的时隙数；协调器第一次开始工作就是发送第一个信标帧；信标 帧的绝对时隙号与发送信标帧的时隙满足关系：ASN_Beaconmod2^b=0，其中b为网 络中的信标帧次序。

报文类型包括信标帧、管理报文和数据报文，用于判断当前时隙与信标帧 时隙之间的距离；若为信标帧，则直接完成了邻居发现；若为管理报文，无线 网络中，管理报文的时隙与信标帧之间相差0或1个时隙，即 1≤ASN_currentmod2^b≤2；若为数据报文，数据报文存在的位置较多，与信标帧所 处时隙不重合，即ASN_currentmod2^b≠0；根据报文类型可以缩小优化b的范围。

监听到第一条报文后，同时可实现无线设备的高精度单向时间同步。

报文检测消耗的时间是指无线设备从开始监听到检测到第一条报文所消 耗的时隙数目，可用来缩小b的范围，即排除满足关系式2^b>t₁中b的值。

因此，可以根据报文类型、报文检测消耗的时间和当前绝对时隙号预测信 标帧次序b的范围。根据信标帧次序b的范围中最小的b值来预测信标帧可能 出现的一个最近时隙T：T-t_current=ASN_Beacon-ASN_current，其中，t_current为当前时隙， ASN_current为当前绝对时隙号，ASN_Beacon为信标帧的绝对时隙号；休眠至时隙T， 降低功耗。在时隙T中监听E-OPT指定的信道，如果未监听到信标，则排除 当前b值，做到预测越来越准；若监听到信标，则停止监听，完成邻居发现。

邻居发现完成后，向邻居发送入网请求，入网请求到达协调器后，经过验 证开始进入入网交互阶段，交互过程中完成网络地址的分配、网络路由的分配 和网络中安全密钥的管理，入网交互完成后，无线设备开始正常工作，入网完 成。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实 施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、 替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。