基于4?20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法技術

本發明專利技術涉及一種基于4?20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，包括以下步驟：無線設備回路取電；構建面向超低能耗應用的無線網絡；無線設備實現基于上述無線網絡的單向時間同步；基于上述時間同步的基礎上完成鄰居發現；無線設備同無線網絡交互；上述過程隨著儲能監測模塊監測電量的結果進行暫停。本發明專利技術通過不停地切換信道來檢測報文實現快速節能的單向時間同步，在時間同步的基礎上通過監聽普通報文代替傳統的監聽信標幀，改進鄰居發現的監聽次序，僅在信標幀可能出現的時隙打開監聽，其余時間休眠，既節省了信道搜索的時間，又降低了鄰居發現所產生的能耗，進而降低整個網絡組建的時間和能耗。

【技術實現步驟摘要】
基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法
本專利技術涉及無線傳感器網絡組網技術，具體地說明是一種基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法。
技術介紹
4-20mA電流回路信號常用于工業環境，實現遠距測量數據傳輸，Hart協議就是在這個信號上進行傳輸的。這種信號傳輸方式之所以成為人們的首選，因為它簡單便捷、抗噪、安全，并且可以在沒有數據損壞的情況下實現遠距離傳輸。4-20mA分為2線制和3線制兩種規格。2線制情況下，信號和電源使用相同電纜，可以為無線設備提供電源供應。而這些取電設備的功耗必須非常低，因為來自4-20mA電流回路的能源相當有限，其正常工作時的最小電流僅為4mA，而在報警或錯誤的情況下，電流值最低可達0mA。在回路取電量有限的情況下，需要對網絡中的電能消耗進行控制，保證單位周期內的耗電量小于或等于取電量，維持無線設備長期穩定的工作。目前，工業應用對無線設備的要求除了高可靠性、高實時性之外，低功耗也是工業應用的一大迫切需求。工業無線取代有線，能量問題是實際應用中關注的熱點，而通信協議的改進又是提高能效的重要措施。在WSN協議棧中,MAC層決定著信道分配與使用方法,在協議棧能耗中有舉足輕重的地位。為此，TG4e（IEEE802.15.4e）工作組于2008年正式成立，其目的是在MAC層提高和增加IEEE802.15.4-2006對于工業領域無線應用以及TG4c的支持，增強并增加MAC的功能性。IEEE802.15.4e網絡與其他自組織網絡一樣，網絡組建包括時間同步、鄰居發現和組網交互的過程。其中，鄰居發現是網絡組建的一個非常重要的步驟，是MAC協議、路由發現、拓撲管理算法的基礎，快速的鄰居發現對于提高網絡性能具有重要意義。近年來，關于鄰居發現方面的研究引起了很大關注，但多集中在CSMA單信道網絡，由于IEEE802.15.4e網絡采用了多信道通信，無法直接使用單信道的各種鄰居發現方法。因為多信道的特性，使得搜索空間直接擴展了一個維度，不確定性增加，組網的問題也就變成了信道搜索和鄰居發現兩個問題，實際完成時間也大大增加。例如IEEE802.15.4網絡中一種被動鄰居發現方法PSV(PassiveDiscovery,被動發現)，通過輪流在所有可用信道上進行鄰居發現，每個信道上持續監聽信標間隔時間，直到某個信道上監聽到信標幀。該方法簡單實用，但是在無法確定信標間隔的情況下，將消耗大量的時間和能量。針對信道搜索時間過長的問題，有文獻充分利用了IEEE802.15.4e中使用時隙通信的特點，使用線性規劃的方法對問題進行了優化，并提出了OPT策略，降低了信道搜索過程中的第一次、平均和最長搜索時間。然而，該策略僅僅針對搜索時間進行了優化，并沒有針對能量消耗進行優化，無法應用于一些面向超低能耗的網絡中；同時該策略監聽的目標是信標幀，而沒有考慮到普通報文的監聽；此外，該策略實現的前提是設備已經完成時間同步并按時隙運行，然而，在實際工程中，新設備入網前尚未同步，在這種情況下，不存在時隙結構，因此該策略無法直接應用在實際工程中。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種基于4-20mA回路取電的802.15.4e（與IEEE802.15.4e表示的是同一種網絡，此處為簡寫）無線設備低功耗組網方法。本專利技術的目的通過下述技術方案實現：一種基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，包括以下步驟：S1、無線設備回路取電；S2、構建面向超低能耗應用的無線網絡；S3、無線設備實現基于上述無線網絡的單向時間同步；S4、基于上述時間同步的基礎上完成鄰居發現；S5、無線設備同無線網絡交互；上述各個步驟切換前要進行電量檢測，如果剩余電量不能滿足后續步驟消耗，則會暫停直至儲存足夠電量為止再繼續后續步驟。其中，無線設備回路取電的步驟為：S11、無線設備接入到4-20mA回路中；S12、無線設備通過取電電路為儲能電容充電，充電的速度由回路電流決定；S13、當儲能電容電壓達到能夠完成單向時間同步所需的電量時，儲能電容通過供電電路開始為無線收發模塊供電；S14、無線收發模塊的耗電量大于儲能電容的充電量時，儲能電容電壓降低，當儲能監測模塊監測到儲能電容的剩余電量小于完成鄰居發現所需電量時，無線收發模塊處于休眠狀態。所述無線網絡是一種基于IEEE802.15.4e標準的全時隙無線網絡，其中協調器發送信標幀，在一個超幀周期內至少有一個信標幀出現；所述的一個超幀包括信標部分、管理時隙部分、上行時隙部分和雙向通信時隙部分，其中：（1）每個信標部分只有一個時隙，在這個時隙中，協調器發送信標幀；（2）管理時隙包括上行鏈路和下行鏈路，主要用于網絡管理報文收發；（3）上行時隙，主要用于報文重傳；（4）雙向通信時隙，用于網絡中其他報文的收發或應答。所述的單向時間同步通過以下方法實現：S31、快速的信道搜索，即不停地切換實際可用信道來獲取網絡中的報文；S32、無線設備一旦檢測到報文，則持續檢測到報文發送結束，并記錄結束時間；S33、根據報文的結束時間推測報文發送開始的時隙范圍，實現單向時間同步。文中所述檢測的報文包括一條完整報文、部分報文或者信標幀中的一種；若檢測到一條完整的報文則可以實現高精度的單向時間同步；若檢測到部分報文則實現較低精度的時間同步；若檢測到信標幀則直接完成鄰居發現。所述鄰居發現通過以下方法實現：S41、單向時間同步后，設計報文監聽算法，選擇任意時隙為起始點，開始監聽報文，監聽的時隙和信道完全按照設計的報文監聽算法執行；S42、當監聽到第一條報文后，記錄報文類型和報文檢測消耗的時間，根據報文是否包含幀計數來記錄和估算當前的絕對時隙號ASNcurrent的值和范圍，通過這些信息來計算信標幀可能出現的最近一個時隙T；S43、休眠至時隙T，在時隙T監聽報文監聽算法指定的信道，若未監聽到信標幀，則排除當前時隙T，返回S2，若監聽到信標幀，則停止監聽，完成鄰居發現。設計報文監聽算法包括以下步驟：S411、分析無線網絡鄰居發現模型，獲取完成鄰居發現需滿足的條件包括：每個信道上監聽時間不小于一個超幀長度；同一時隙只能搜索單個信道；保證所有可能的時隙和信道組合均被搜索；S412、計算某一時刻監聽到報文并且是第一條報文的概率；S413、假設報文分布的時隙和信道是隨機的，優化報文檢測消耗的時間，使報文平均檢測時間最小，進而設計出一個報文監聽序列。報文檢測消耗的時間是指無線設備從開始監聽到檢測到第一條報文所消耗的時隙數目；所述報文的幀計數在帶有至少5字節輔助安全頭的報文中才能獲得，其數值為當前的絕對時隙號ASNcurrent，若報文中不含幀計數，則估算當前絕對時隙號ASNcurrent的范圍；所述信標幀可能出現的一個最近時隙T，通過以下公式計算獲悉：T-tcurrent=ASNBeacon-ASNcurrent，其中，tcurrent為當前時隙，ASNcurrent為當前絕對時隙號，ASNBeacon為信標幀的絕對時隙號。所述的無線設備包括從4-20mA回路取電的無線適配器以及其他類型的需要從外界補充能量的無線設備；所述的無線適配器由取電電路、儲能電容、儲能監測模塊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于4?20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、無線設備回路取電；S2、構建面向超低能耗應用的無線網絡；S3、無線設備實現基于上述無線網絡的單向時間同步；S4、基于上述時間同步的基礎上完成鄰居發現；S5、無線設備同無線網絡交互；上述各個步驟切換前要進行電量檢測，如果剩余電量不能滿足后續步驟消耗，則會暫停直至儲存足夠電量為止再繼續后續步驟。

【技術特征摘要】
1.一種基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，其特征在于，包括以下步驟：S1、無線設備回路取電；S2、構建面向超低能耗應用的無線網絡；S3、無線設備實現基于上述無線網絡的單向時間同步；S4、基于上述時間同步的基礎上完成鄰居發現；S5、無線設備同無線網絡交互；上述各個步驟切換前要進行電量檢測，如果剩余電量不能滿足后續步驟消耗，則會暫停直至儲存足夠電量為止再繼續后續步驟；所述步驟S1中，無線設備回路取電的步驟為：S11、無線設備接入到4-20mA回路中；S12、無線設備通過取電電路為儲能電容充電，充電的速度由回路電流決定；S13、當儲能電容電壓達到能夠完成單向時間同步所需的電量時，儲能電容通過供電電路開始為無線收發模塊供電；S14、無線收發模塊的耗電量大于儲能電容的充電量時，儲能電容電壓降低，當儲能監測模塊監測到儲能電容的剩余電量小于完成鄰居發現所需電量時，無線收發模塊處于休眠狀態；步驟S3中，所述的單向時間同步通過以下方法實現：S31、快速的信道搜索，即不停地切換實際可用信道來獲取網絡中的報文；S32、無線設備一旦檢測到報文，則持續檢測到報文發送結束，并記錄結束時間；S33、根據報文的結束時間推測報文發送開始的時隙范圍，實現單向時間同步。2.根據權利要求1所述的基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，其特征在于，步驟S2中，所述無線網絡是一種基于IEEE802.15.4e標準的全時隙無線網絡，其中協調器發送信標幀，在一個超幀周期內至少有一個信標幀出現；所述的一個超幀包括信標部分、管理時隙部分、上行時隙部分和雙向通信時隙部分，其中：(1)每個信標部分只有一個時隙，在這個時隙中，協調器發送信標幀；(2)管理時隙包括上行鏈路和下行鏈路，主要用于網絡管理報文收發；(3)上行時隙，主要用于報文重傳；(4)雙向通信時隙，用于網絡中其他報文的收發或應答。3.根據權利要求1所述的基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，其特征在于，步驟S32中，檢測的報文包括一條完整的報文、部分報文或者信標幀中的一種；若檢測到一條完整的報文則可以實現高精度的單向時間同步；若檢測到部分報文則實現較低精度的時間同步；若檢測到信標幀則直接完成鄰居發現。4.根據權利要求1所述的基于4-20mA回路取電的802.15.4e無線設備低功耗組網方法，其特征在于，步驟S4中，所述鄰居發現通過以下方法實現：S41、單向時間同步后，設計報文監聽算法，選擇任意時隙為起始點，開始監聽報文，監聽的時隙和信道完全按照設計的...

【專利技術屬性】
技術研發人員：曾鵬，肖金超，于海斌，臧傳治，李忠文，
申請(專利權)人：中國科學院沈陽自動化研究所，廣州中國科學院沈陽自動化研究所分所，
類型：發明
國別省市：