[发明专利]WSN采集端与网关的低功耗通信算法

说明书

本发明公开了一种用于WSN采集端与网关的低功耗通信算法。该算法工作于如下的网络：若干采集端与一个网关组成星形网络。采集端长期休眠，不维持和网关的连接，需要时，采集端唤醒，和网关通信——发射、接收、ACK、接收ACK。网关处于休眠——接收——休眠这样一个周期。核心思想就是提高无线射频工作的占空比，更多的处于休眠以降低功耗。

技术领域

本发明，适用于低速通信的WSN网络，对实时性要求不高。可适用于433MHz、2.4GHz等频段的超低功耗、低流量、高延迟的无线通信。

背景技术

随着物联网技术的发展，ZigBee、蓝牙、433Mhz、LoRA等各种无线通信网络标准均得到了大量的实践。在实际项目实施中，我们发现，在WSN组网中，对于采集端，各种射频芯片所标称的低功耗均可简单得到实现。

然而，在网关端(下称接收端)，由于接收端需要持续接收工作以保证采集端任意时刻数据均能上报，这就导致低功耗无法实施，在没有电力供应只能使用电池的情况下，即使加上太阳能、风力发电等措施(若使用大的太阳能板或风车成本太高)，也不能保证电池良好的更换周期(一般应承诺3年)。

为了有效解决以上问题，在硬件已经穷尽手段的同时，我们需要为网关(接收端)设计更好的固件程序来大幅降低功耗，当然，对应的采集端也要相应的进行设计。

发明内容

本发明是通过驱动程序(固件)手段来解决WSN网关的功耗问题，使得网关在没有电力只有微型太阳能或风力等充电设备的支持下，可以大幅延长电池更换周期，降低用户的使用成本，提高产品的实用性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于WSN采集端与网关的低功耗通信算法。包括采集端发射、WSN网关接收、WSN网关发射ACK、采集端接收ACK。

附图说明

图1为算法示意图；图2为接收端工作周期波形；图3是算法分析图

具体实施方式

下面详细说明本发明的程序设计方案。

先看接收端的工作周期波形(见图2)：

假设接收端一次休眠态保持的时长为t1，一次接收态保持的持续时长为，两个时期组成一个完整的周期，记为T＝t1+t2；当采集端进入工作周期时，必须保证采集端的发射时刻正好被t2所包含，这样发射端必须在某一任意时刻进行多次发射，形成一种工作周期波形，波峰被t2所涵盖，如果把开始发射到发射成功(MCU中断产生)的时间记为t’，那么t’最好小于t2/2，这样可以使得t2可以涵盖两次t’，提高发射端命中率。同时，设计足够的t’次数为N，使得t’×N≥T。通过合适的设计，使得t’略小于t2/2，从图3上就可以立即求得N＝8是其最佳值。

从图3可以看出无论如何移动发射波形的起始位置，总能保证发射波峰被包含在t2即接收周期中，也就是说，无论何时开始发射信号，总能被接收端接收到信号。

再考虑发射ACK和接收ACK的方式，接收端的任意T(t1+t2)开始，相对于t2开始时刻，在t2’处，接收端收到数据后，立即结束当前的工作周期，开始进入发射ACK周期，通知采集端以完成本次通信；考虑到采集发射N次后才结束发射周期，那么采集端接收ACK的起始时刻最晚为t2’+N×t’，最早为t2’+t’。

我们以降低功耗为目的，故接收端以最晚时刻为标准开始发射ACK，再加上一个很小的延时d，保证开始发射ACK时，采集端一定处于接收ACK状态。这样就得出ACK的发射时刻为t2’+N×t’+d，发射完毕的时刻为(t2’+N×t’)+d+(t’×3)；实际编程时，ACK的发射时刻为接收到数据后的N×t’+d。

假设采集端接收ACK的时间长度为T’，采集端要以最早的ACK发射时刻来计算，那么