一种基于分布式的嵌入式系统无线通信协议

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议。

背景技术

随着信息化和智能化的发展，越来越多嵌入了各式各样传感器的智能设备需要连接到网络中。大多数智能设备需要传输的数据主要包括传感器数据、模数转换数据和开关状态数据等，因此并不需要太高的传输速率。同时，这类设备通常是由电池供电并放置在一些人们较少触及的地方，所以低功耗、远距离、自组网是这类设备在选择无线通信技术时需要考虑的几个最重要的指标。显然，常见的短距离无线通信技术和蜂窝通信技术都不能同时满足需求， LPWAN主要分为两类，一类工作在免许可的频道，例如Sigfox、LoRa和DASH7等，另一类工作在授权的频道，例如NB-IoT。在中国，LoRa和NB-IoT分别是这两类的典型代表。LoRa 是啁啾扩频(Chirp Spread Spectrum，CSS)调制技术的衍生物，在过去数十年间，由于CSS 调制技术的通信距离远和抗干扰能力强的特点，它被广泛的应用于一些特殊的领域中，例如军队通信和太空通信。LoRa拥有非常强的抗干扰能力，适用于各种恶劣的环境。

目前，将分布式技术和LoRa较强的抗干扰与通信能力相结合，构建出分布式自组网的智能传感器网络成为亟待解决的问题。

发明内容

本申请提供了一种基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，具有抗干扰能力强、通信范围广、智能组网的特点，从而构建出分布式自组网的智能传感器网络。

为解决上述的技术问题，本发明提供的技术方案是一种基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，所述方法包括以下步骤：

步骤一：嵌入式系统上电自检，并对lora通信模块进行功能性检测；

步骤二：嵌入式系统通过周期性的发送同步信号与其他网络节点进行网络同步；

步骤三：多上报周期机制：在完成步骤二的基础上，为确保网络通信的速率，在实际应场景中，对不同应用的节点分配不同的上报周期；

步骤四：同步信号：整个网络以网关上电后发送的第一个同步信号开始计时，计时单位从小到大分别是时隙、同步周期和最大上报周期。每个节点在各自的上报周期中有且仅有一个节点时隙，而在一个最大上报周期内则有一个至多个节点时隙；

步骤五：节点周期同步：正常工作的节点在其节点时隙所在的同步周期开始前，要进入接收模式以等待接收网关发送的同步信号；

步骤六：地址分配：网络中新连接的节点经过周期同步等操作后接收来自网关的一个随机且唯一的地址值用于地址判断；

步骤七：节点异常处理：由于各种原因，正常运行的节点可能会发生异常，异常主要有软件异常、硬件异常以及同步异常；

2、根据权利要求1所述的基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，其特征在于，步骤三中所述多上报周期机制包括以下步骤：

步骤一：其它基于同步TDMA的LoRa通信网络没有实现多上报周期机制和自适应速率机制。因此，每个节点在一个同步周期内拥有一个位置和时间长度都固定的时隙。而在实际的物联网应用场景中，不同应用的节点有不同的上报周期需求。因此，对于一个所有节点的上报周期都是固定且相等的通信网络而言，它的适用范围将会大大受到限制。在嵌入式系统无线通信网络协议中，采用了多个同步周期组成一个上报周期的设计，实现了多上报周期机制。为了更好的实现该机制，每一种上报周期包含的同步周期数目都为2的幂次方，因此，较大的上报周期对较小的上报周期形成了包含的关系；

步骤二：嵌入式无限网络中的最大上报周期包含了2^n个同步周期，这些同步周期按0 至2^n-1排序，那么这个网络一共有N+1种不同时间长度的上报周期，每一种上报周期的时间长度如以下公式所示：

T

对于上报周期为T_n的节点，在一个最大上报周期内，拥有2^(N-n)个节点时隙。因此，上报周期越小的节点，拥有的节点时隙个数就越多。假设最大上报周期包含了8个同步周期，节点1至节点4的上报周期一样，都包含了4个同步周期。那么，在一个最大上报周期内，它们都将分别拥有2个时隙，并且这2个时隙分别所在的同步周期之间的间隔都是3个同步周期。节点的时隙可以在一个同步周期中除同步时隙以外的任何位置，因此，节点每两个相邻时隙之间的实际上报间隔并不一定等于它的上报周期，可能稍大于或稍小于。虽然节点的时隙位置在不同的上报周期中可能不同，但节点的每个时隙位置在不同的最大上报周期中是一一对应的，因此，在一个最大上报周期里，节点所有的时隙中每两个相邻时隙之间的实际上报间隔加起来等于最大上报周期，所以，节点的相邻时隙之间的平均实际上报间隔等于它的上报周期。

3、根据权利要求1所述的基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，其特征在于，步骤四所述的关于同步信号包括以下步骤：

步骤一：整个网络以网关上电后发送的第一个同步信号开始计时，计时单位从小到大分别是时隙、同步周期和最大上报周期；

步骤二：每个节点在各自的上报周期中有且仅有一个节点时隙，而在一个最大上报周期内则有一个至多个节点时隙，通过节点时隙的序号和同步周期的序号可以标识一个节点时隙在最大上报周期中的具体位置，通过最大上报周期的序号和同步周期的序号可以标识网络的当前时间。同步信号中包含网络规模、网络当前时间、可选的MAC命令、可选的下行通信数据包等信息；

步骤三：节点接收同步信号，与整个网络完成同步，并从中获取到网络规模和当前时间的信息，并可能接收到MAC命令和来自网关上层的数据包。

4、根据权利要求1所述的基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，其特征在于，步骤五中所述节点周期同步包括以下步骤：

步骤一：正常工作的节点在其节点时隙所在的同步周期开始前，要进入接收模式以等待接收网关发送的同步信号；

步骤二：在同步完成后，节点将进入睡眠模式，直到属于节点的时隙到来时才唤醒并启动上行通信；

步骤三：在上行通信完成之后，节点将再次进入睡眠模式，等待下一次上报周期的到来并重复之前的动作。

本申请与现有技术相比，其有益效果详细说明如下：本发明是一种基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，通过分布式的思想，设计了一个可灵活部署的LoRa嵌入式无线通信网络。在上行通信方面，针对不同上行通信的不同特点采用了不同的物理通道以及MAC协议，有效地减小了上行通信的碰撞几率。在下行通信方面，可根据应用对通信实时性的需求，灵活地选择窗口型下行通信，其中，唤醒型下行通信可有效地降低下行通信的传输时延。在网络部署方面，基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议既可以独立的部署一个灵活的小规模网络，又可以结合LoRaWAN部署一个大规模的网络，有效地提升了网络部署的灵活性。

附图说明

图1是本发明所述的网络节点的MCU及其外围电路原理图。

图2是本发明所述的无线通信网络网关的功能框图。

图3是本发明所述的无线通信网络节点的RTC初始化程序流程图。

图4是本发明所述的无线通信网络节点的RTC唤醒程序流程图。

图5是本发明所述的无线通信网络节点的同步TDMA的MAC协议程序流程图。

图6是本发明所述的无线通信网络节点的纯ALOHA的MAC协议程序流程图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明实施例进行详细描述。

本发明实施了一种基于分布式的嵌入式系统无线通信网络协议，该方法包括以下步骤：

步骤一：选择适当的微控制器作为节点的主控单元，选择LoRa模块作为网络节点的通信单元，为了方便测试，在节点中还集成了GPS模块以及温湿度传感器模块，网络节点的MCU 及其外围电路原理图如图1所示。

步骤二：网关的硬件结构设计：由于资源有限，网关使用了一个意法半导体公司的开发板作为主体电路，另外还连接了两个单通道的LoRa模块以及一个串口转USB模块。开发板的型号是NUCLEO-L476RG，它的MCU是一个基于Contex-M4内核的32位处理器STM32L476RGT6，它不仅拥80MHz的主频，同时还有128KB的内存以及1MB的闪存，因此，能满足网关程序的存储空间以及运行性能的要求。另外，开发板中也包含了一个32.768kHz的晶振，用以给RTC 提供精准的时钟源。网关功能图如图2所示。

步骤三：运行基于同步TDMA的MAC协议需要非常精准的定时，网络通信协议RTC驱动程序步骤如下所示：

1)对于节点而言，RTC可以保证其按时打开接收窗口以接收网关发送的同步信号并按时启动上行通信；对于网关而言，RTC可以保证其以一个精准并固定的周期发送同步信号。

2)图3展示了无线通信网络节点的RTC初始化程序流程。在程序中，将唤醒计数器的分频系数设为16，得到频率为2048Hz，这样可以实现低于0.5毫秒的唤醒时间精度，满足基于同步TDMA的MAC协议的需求。由于RTC的唤醒计数器的寄存器是16位的，因此每次最多能实现32秒的唤醒时间。所以对于超过32秒的唤醒时间，需要分批次进行处理，程序流程如图4所示。

步骤四：在活跃停机模式下，除了RTC以外，MCU的内核以及其他外设的时钟都已停止。因此，处于该模式的节点可以在带有精准的时间控制的同时达到超低的功耗。RT的唤醒中断、数字I/0引脚的中断以及手动复位都能将MCU从这个模式中唤醒，并且唤醒时间低于5微秒，如此短的唤醒时间对系统实时性的影响微乎及微。

步骤五：RTC的唤醒中断处理函数主要用于实现基于同步TDMA的MAC协议，在这个函数中，使用了状态机的方式去处理协议的整个流程。随着时间的推移，不同设备之间的时钟会出现偏差，因此，仅依靠时间同步的系统无法长久稳定的运行。在基于分布式的嵌入式网络通信协议中，节点在上行通信之前需要首先打开一定时间长度的窗口来接收网关的同步信号，因此，这种时间同步结合帧同步的方式可以消除时钟之间的偏差，提高系统的稳定性。

步骤六：对于不同的异步事件，通信协议具有不同的事件处理方法。需要说明的是，本发明提供不同的异步事件处理方法，其分类包括：

1)同步TDMA；

2)纯ALOHA

3)唤醒下发机制

基于分布式嵌入式无线网络通信协议中节点部分的同步TDMA的MAC协议程序流程如图 5所示，在这个程序流程图中，涉及到了初始化函数、RTC的唤醒中断处理函数以及LoRa模块的异步事件处理函数。

基于分布式嵌入式无线网络通信协议中节点部分纯ALOHA的MAC协议的整体程序流程如图6所示。当有异步事件发生时，程序将首先检查LoRa模块是否空闲，若不空闲，将启动一个定时器定时1秒后再做检查。待到LoRa模块空闲后，程序将填充异步上行数据包并将其发送出去。接下来，程序将连续两次使LoRa模块进ACAD模式，若两次都没有检测到 LoRa信号或超时没有接收到LoRa信号，程序将启动随机退避机制并重新发送异步上行数据包。若成功接收到来自网关的下行数据包，程序将重新接收同步信号。

以上所述仅为本发明的实施具体说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所做的等效结构或等流程变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。