[发明专利]三射频无线传感器网络节点及其信道分配方法

权利要求书

1.三射频无线传感器网络节点，所述网络节点的构成包括：

微控制器芯片U4，在其内部Flash程序存储器中存储通信协议栈代码；

三只采用802.15.4协议、并分别带有陶瓷天线的射频收发芯片，包括1号射频收发芯片U1、2号射频收发芯片U2和3号射频收发芯片U3；每只射频收发芯片都在802.15.4协议频段内的16个频点中进行选择，并确定一个频点作为工作频率，以所述工作频率为各自的工作信道，每个射频收发芯片具有0号工作信道～15号工作信道的共16个工作信道；

所述微控制器芯片选择通过任何一个射频收发芯片所处的工作信道与其他的同信道节点进行数据传输；

其特征是：以所述微控制器芯片为主机端，以所述三只射频收发芯片为从机端，在所述主机端与从机端之间设置同步、全双工总线SPI进行数据交换；以所述主机端向从机端发送一字节数据、并且从机端向主机端返回一字节数据作为一次数据传输过程；所述SPI总线时钟信号由作为主机端的微控制器芯片控制产生。

2.根据权利要求1所述的三射频无线传感器网络节点，其特征是设置：

所述微控制器芯片U4通过硬件SPI接口与1号射频收发芯片U1的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；

所述微控制器芯片U4通过硬件SSP接口与2号射频收发芯片U2的数据输入/输出端口相连，并且所述硬件SSP接口被配置为兼容SPI总线工作模式；

所述微控制器芯片U4通过通用I/O端脚与3号射频收发芯片U3的数据输入/输出端口相连构成SPI总线；以所述通用I/O端脚模拟SPI时序形成软SPI接口。

3.根据权利要求2所述的三射频无线传感器网络节点，其特征是所述三组SPI总线采用的工作时序是：数据按字节传输，在每字节数据传输过程中，最高有效位数据优先传输，最高有效位数据在时钟信号SCLK的第一个上升沿之前输出到数据线SI和数据线SO上，而其他位数据在SCLK的下降沿输出并在下一个SCLK的上升沿被采样。

4.权利要求1所述的三射频无线传感器网络节点的信道分配方法，其特征是：

a、数据在两个节点之间传输，发送数据的节点为源节点，接收数据的节点为目的节点；源节点和目的节点上电后，微控制器芯片在内部执行Flash程序存储器中的通信协议栈代码；

b、节点空闲时将3号射频收发芯片切换到作为管理信道的0号工作信道进行等待；当有数据需要发送时，源节点的微控制器芯片先通过获取自身1号射频收发芯片表示信道是否繁忙的CCA信号和2号射频收发芯片上表示信道是否繁忙的CCA信号，根据1号射频收发芯片、2号射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度在1号射频收发芯片和2号射频收发芯片之间选定一个即将传输数据的业务信道；

c、源节点的微控制器芯片通过3号射频收发芯片将所选定业务信道的信道标号SCN发送出去并切换自身1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的工作信道，目的节点收到SCN后数据后也切换自身的1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片中的某一个到SCN对应的业务信道，此后源节点和目的节点通过SCN对应的业务信道完成数据传输。

5.根据权利要求4所述的信道分配方法，其特征是所述对于射频收发芯片的信道占用情况和繁忙程度采用以下方法进行评估：

a、节点之间采用CSMA机制进行传输，网络中每个节点都具有唯一的一个标识自己身份的ID号，每个节点维护两个邻居节点列表，所述两个邻居节点列表分别保存一跳邻居和两跳邻居所使用业务信道的信道标号SCN及对应的相关信息IC_average；节点每隔1秒广播自己的ID号、所使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，每个节点及时更新自己的一跳邻居列表；同时，节点每隔2秒广播自己的当前一跳邻居使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average，以使其它节点得到自己的两跳邻居当前正在使用的业务信道标号SCN及相关信息IC_average；

b、节点采用采样侦听模式，采样间隔为t秒，节点每隔t秒侦听一次当前数据传输使用的业务信道；定义变量a记录当前信道是否繁忙，变量a的初始值为0，如果信道繁忙则使a＝a+1；采样周期为T秒，在一个周期内共采样b＝T/t次；IC_current为当前周期测量的信道拥塞指数，IC_current＝a/b；

c、利用一维自回归滑动平均ARMA(β)模型算法对所述当前周期测量的信道拥塞指数IC_current值进行平滑计算后得到更新的信道拥塞指数IC_average，设第N个采样周期完毕并计算IC_average值，则IC_average(N)＝β×IC_current+(1-β)×IC_average(N-1)，若计算出的IC_average(N)超过预先设定的门限值IC_thresho1d，则判断在该信道上的负载过大，此时节点切换信道；

d、设置所有节点的3号射频收发芯片固定工作在管理信道，1号射频收发芯片和2号射频收发芯片用于进行数据传输，所述1号射频收发芯片和2号射频收发芯片使用除管理信道之外的其他15个信道中的任何一个；在检测到1号射频收发芯片或者2号射频收发芯片的信道负载过大，即IC_average＞IC_threshold时，判定为过载射频收发芯片，并将过载射频收发芯片的工作信道切换到其它负载较轻的信道；

e、寻找负载较轻信道的方法是节点遍历其所有一跳邻居和两跳邻居表中使用的信道，并按IC_average大小排序；如果某个信道未被使用，则其IC_average为0，过载射频切换到IC_average值最小的信道，如果有多个相同的最小IC_average值，则随机切换到其中一个；

f、节点在切换信道时，对于1号射频收发芯片和2号射频收发芯片当前只有一个正在进行数据传输，为避免信道切换时延，节点在当前没有数据传输业务的射频收发芯片中设置信道，并停止过载射频收发芯片的数据传输；对于两个射频收发芯片都在进行数据传输的情况，则在原射频收发芯片上根据IC_average值最小原则切换信道。