远程无线抄表系统设计方案V20VIP

1 1 无线抄表系统总体设计方案 海 息技术开发中心 版权所有 2 2 序言 . 4 1 术语定义 . 5 2 适用范围 . 5 3 系统组成 . 6 4 网络结构 . 6 5 协议模型 . 7 件层 . 8 据连接子层 . 8 播 . 9 . 9 . 9 D . 10 D . 10 D . 10 . 10 RC . 11 据包 . 11 . 11 D . 11 D . 11 D . 11 . 12 . 12 RC . 12 复 . 12 . 12 D . 13 D . 13 D . 13 . 13 . 13 RC . 13 路管理 . 14 层 . 14 . 14 听算法 . 15 . 15 络路由 . 16 6 网络拓扑发现 . 16 对多 . 17 立链路 . 17 碰撞 . 18 6.2 . 19 3 3 建路由树 . 19 碰撞调度机制 . 21 节点入网过程 . 21 点失效异常处理 . 22 7 应用层 . 24 8 附录 1：包格式 . 25 出的路由广播 . 25 出的检索广播 . 25 出的特定检索广播 . 25 出数据后无法收到回复时发出的广播 . 26 据包 . 26 复包 . 26 4 4 序言 本协议的主要目的是为远程无线收集 据和状态而设计，为上层应用屏蔽下层具体硬件细节，为系统提供面向连接的服务。 整个系统网络包括两种设备： 统由一个 多个 数量可多至上百个）组成， 间、 间都通过无线网络传输命令和数据。 整个网络的根节点，整个网络的初始化（确定网络号和路由）开始由 起 ； 可作为最底层的子节点也可作为下一层父节点， 以发起广播（在该 经初始化之后）或者向自身的父节点发送数据。 每个 出厂时都已经分配好一个全球唯一的 48D 作为该设备的唯一标志，并且该标志一旦确定便无法更改。 根据本协议实现的系统应该可以完成如下功能： - 自动完成网络分组 - 识别网络内的 从所有的 读取数据 - 从指定的 读取数据 - 获得每个 状态 5 5 1 术语定义 射频识别 标签 阅读器 2 适用范围 本协议是专门为远程无线抄表系统设计，用于远程无线收集数据量比较少的数字信息。通过无线网络接收有源 送的电表信息，每一个 点每一次需要传送的数据都可以通过一个数据包发送完成。 6 6 3 系统组成 一个典型的应用系统必须包括如下几个组件： - 一个 为主控制器 - 一个射频发射 /接收模块 - 一个天线，可以是单极天线或者 的微带天线 M S P 4 3 0 C C 1 0 2 0 天 线S P 控 制 信 号M C U 射 频 模 块 图 1 系统硬件平台 图 1 所示，我们选择 司的 为主控制 司的 为射频发射 /接收模块。 过 线和一些离散控制信号与 连，为 现了我们需要的协议栈和一些需要的应用逻辑，通过 口与 换数据，通过一些离散的控制信号对 行控制。协议栈封装了对 操作，上层应用程序不需要直接控制 接收芯片，我们设定其工作频点为 433制方式为 支持 4 网络结构 网络拓扑结构如下所示： 7 7 I n t e r r o g a t o rT a g 1T a g 3T a g 7T a g 2T a T a g 9T a T a T a T a T a 图 2 网络拓扑结构 第一级节点 第二级节点 第二级节点 第二级节点 第三级节点 第三级节点 网络初始 化由 出第一个广播命令包开始， 始计时，在播范围内的所有 到此广播后初始化自身的网络 父节点 后开始第二级广播，在第二级广播范围内的所有 到此广播后初始化自身的网络 父节点 后开始第三级广播。在 时到默认广播时间结束后，即认为网络内的所有 已经初始化完毕并准备好发送数据。 5 协议模型 基于我们的应用场合比较简单，因此将通用的网络协议栈模型根据我们的需要做了相应的修改和简化，以 使整个协议栈更加简单高效。整个协议栈如下图所示： 8 8 硬 件 层数 据 连 接 子 层应 用 层数 据 链路 层网 络 层图 3 协议模型 - 应用层：调用网络层和数据链接层完成具体的应用逻辑，包括收集数据，查询数据。 - 网络层：通过广播机制，快速进行网络拓扑发现，从而确定一个树形的路由路径。 - 数据链路层：该层分为两个子层：数据连接子层和 层。数据连接子层负责数据传输和链路管理，每一个数据包都包括具体数据和一些必要的控制信息。 用的技术包括 - 硬件层：负责将 数据链路层提供的二进制数据调制并发送出去。支持 件层 间、 间的通过无线连接，射频参数如下： - 载波频率： 433 调制类型： 支持 调制宽度： 25 纠错编码： 31,21） - 数据处理： 交织（ - 波特率： 最高 150据连接子层 在网络中 间以及 间的数据传输都已数据包的格式进行传输，每个数据包包括包前缀 据 验三部分。数据包分为三种形式的数据包，广播 、数据包和回复 ，不同的包通过不同的包前缀来识别。 长 132 据包最长 132 9 9 播 播报文固定总长度为 22 式如下： D D D x 播报文格式固定，每个合法的 播包都必须符合上述的语法格式。 播的发起者可以是 中任意一个。在网络初始化阶段，出第一个广播包之后就开始进行网络拓扑结构的发现和建立，每一个 接收处理完 者 出的广播包之后（确认自身的父节点，确定路由）发出一个它自己的广播包； 监测到广播命令包后根据命令的类型需要完成相应的操作或者简单地将该广播包丢弃。 示该包属于广播包。 6 5 4 3 2 1 0 f 数据包中 类型 0 送的采集数据 1 是数据（可能是命令或者用户定义的有特殊意义的任何数据） 1 广播发起者的类型 0 是否需要回复 0 要回复 1 需要回复 3 播类型 0 对多（此时后续字段 D 没有意义，可忽略） 1 to 对点 4 留，为 0。 当网络处于初始化阶段，由 出的 播命令包建议 段设置为 0，即不需要回复。 10 10 D 字段共 3于唯一标志 属的网络 ，只有同属于同一个D 的 间、 间才能够进行通讯。 D 在出第一个用于确定网络拓扑结构的命令广播时确定，以后每一个监测到该广播并且没有 D 标志的 将该 D 拷贝作为自身的 D。 D 字段共 6发送广播的 者 D 和 一个 出厂都已经确定写入 ，该 固定无法修改。 D 字段共 6接收广播的 者 D 和 一个 出厂都已经确定写入 ，该 固定无法修改。如果广播形式为 1 对多的方式，则该字段没有意义，其值可能为任何值。 如果广播形式为 1 对多的形式，则字段没有意 义，为固定值 0 字段共 1示具体的命令，根据命令需要进行不同的操作。已定义的命令操作如下： 命令代码 命令名 命令类型 包类型 说明 0令包 确定网络中所有激活的 收到该命令的 要回复自身采集的数据。 0D 令包 用于检查网络中所有激活的收到该命令的 要回复返回自身的 令包 当路由出现问题（父节点无法返回数据确认）时 要发出该命令，接收到该命令的 要做出回复确认 0to 令包 用于确定具体的 否在网络中存在，接收到该命令的 要回复确认 11 11 0止使用，其余未作出规定的命令代码均作为保留使用。 RC 验字段，共 2 据包 数据包的格式如下，用于在 间， 间 传输数据，数据包长度为（ 21+N） 示该包属于数据包。 D 字段共 3于唯一标志 属的网络，只 有同属于同一个D 的 间、 间才能够进行通讯。 D 在出第一个用于确定网络拓扑结构的命令广播时确定，以后每一个监测到该广播并且没有 D 标志的 将该 D 拷贝作为自身的 D。 D 字段共 6发送广播的 者 D 和 一个 出厂都已经确定写入 ，该 固定无法修改。 D 字段共 6 接收广播的 者 D 和 一个 出厂都已经确D D D x 07 3 12 12 定写入 ，该 固定无法修改。如果广播形式为一对多的方式，则该字段没有意义，其值可能为任何值。 字 段共一个字节，表示后续 段的字节数，所以 段最多只能有 28 = 256 是受限于整个数据包最多只能有 132 以本字段最大取值只能为（ 132 21 = 111）。 体的数据。 RC 于 验。 复 当 者 到需要回复的命令时进行回复时采用该种数据格式，包总长度为（ 22 + N） 6 5 4 3 2 1 0 复模式 数据确认 数据确认：表示收到到数据正确与否。 - 0 表示收到的数据正确 - 1 表示收到的数据有错误，需要重发 - 回复模式： 01 表示回复的对象是数据 10 表示回复的对象是重新路由广播 00， 11 保留使用 D D D x 13 13 D 字段共 3于唯一标志 有同属于同一个 D 的 间、 间才能够进行通讯。 D 在 后每一个监测到该广播并且没有D 标志的 将该 D 拷贝作为自身的 D。 D 字段共 6发送广播的 者 D 和 D 用于唯一标志每一个 一个 出厂都已经确定写入 ，该 固定无法修改。 D 字段共 6接收广播的 者 D 和 D 用于唯一标志每一个 一个 出厂都已经确定写入 ，该 固定无法修改。 字段共 1示后续的 段一共有多少 括填充字节）。所以 8 = 256是受限于整个数据包最多只能由 以该字段最大为 播包携带的具体数据，包括填充字节 0度根据需要确定 RC 验字段，共 2 14 14 路管理 链路管理的主要功能为创建、维持和释放链路，每个节点都需要维持一张链路表，通过链路表来管理该节点发起和收到的所有连接。 A一个节点可以发起链接类型包括： 1、 不需要回复的广播：成功发出广播包即释放链接 2、需要回复的广播：成功发出广播包即释放链接 3、点对点数据传输：成功发出数据包后需要维持该链路，直到收到 释放链接 注：如果收到的 求重发，则重新开始发送过程。 B一个节点可以接收的链接类型包括： 1、接收不需要回复的广播：对该广播包解析完毕后即马上释 放链接 2、接收需要回复的广播：对该广播包解析完毕后开始发送回复数据包，发送成功后释放链接 3、接收点对点传输的数据：对该包解析完毕成功发回 释放链接 C一个节点需要转发的数据包括： 1、转发需要回复的广播：成功发出广播包即释放链接 2、转发不需要回复的广播：成功发出广播包即释放链接 3、转发数据：成功发出数据包后需要维持该链路，直到收到 释放链接 注：如果收到的 求重发，则重新开始发送过程。 一个节点至少要同时维持 3 个链接，一个用于发送数据，一个用于接收数据，一个用于转发数据，如果节 点维持的链接数达到了最大链接数，则该节点将拒绝所有连接请求并且也不能发起任何新的连接请求。 链路表结构如下： 链路编号 链路类型 连接类型 链路状态 数据包地址 数据包长度 1送需要 送不需要 收 转发 广播 数据 连接 已释放 数据包存放的内存地址 数据包的长度，最长 256层 所有的 使用相同的频点进行数据传输，使用同一个信道，因此必须使用一个协议控 制和分配节点对信道的使用权，即 质访问控制）技术。 节点发送数据前先监听网络上是否有别的节点发送的载波信号，如果有，说明信道忙， 15 15 如果没有，则说明信道空闲，然后根据预定策略决定动作： - 如果信道空闲，是否立即发送 - 如果信道忙，是否继续监听 听算法 监听算法并不能避免发送冲突，但是可以减小发送冲突的概率。 非坚持型：当节点准备好发送数据时监听信道： - 如果信道空闲，立即发送，否则转下一步 - 如果信道忙，则后退一个随机时间，然后重复上一 步 减少了冲突，但是信道利用率降低。 1节点准备好发送数据时监听信道： - 如果信道空闲，立即发送，否则转下一步 - 如果信道忙，则继续监听，直到信道空闲立即发送 利于信道抢占，但是如果同时有多个节点监听时必然发生冲突。 节点准备好发送数据时监听信道： - 如果信道空闲，则以概率 P 发送，以概率 (1迟一个时间单位。 一个时间单位等于网络传输时延 T。 - 如果信道忙，则继续监听，直到信道空闲时重复上一步 - 如果发送延迟一个时间单位，则重复第一步 要点在于 P 的选择，必须在网络负载很高时网络能有效工作。 协议中采取 法来防止碰撞， 称为 载波侦听多址接入 /碰撞避免，其基本机制为在发送数据前先检测信道是否空闲，如果信道忙，则采用退避算法延迟一段时间再检测信道；如果信道空闲，不立即发送而是延迟一个随机时间后再发送，但是如果在延迟的随机时间内检测到信道忙，则随机时间被取消，重新采用退避算法延迟一段时间然后重新开始检测信道。 D a t a A c 忙 ， 退 避 算 法 延 迟 时 间 随 机 时 间随 机时 间信 道 忙 ， 退 避 算 法 延 迟 时 间发 送T a g 1T a g 2T a gT a g 3图 4 A 一个数据在信道中的处理周期为 t（包括 网络传播延时， 处理时间加上收到 时间），退避算法延迟时间为在 ， T（在 0间的随机数），建议 16 16 T 略大于 t，这样可以尽量保证正在使用信道的节点发送数据后能够收到 免数据的重复发送。 退避算法采用采用二进制指数后退算法，后退延迟的时间与后退的次数（即重发次数 n）成指数关系，重发的次数越多，后退延迟的时间越长。 n 超过一定的次数即认为发送失败。 络路由 每个节点都必须保存一个且仅保存一个父节点（ 根节点，没有父节点）作为自己传输数据的目标节点，这样形成一个如下的树形路由结构。 父 节 点_ I n i t e r r o g a t o rT a g 2I n i t e r r o g a t o 点I n i t e r r o g a t o rT a g 1父 节 点I n i t e r r o g a t o rT a g 5父 节 点I n i t e r r o g a t o rT a g 7父 节 点 T a g 2T a g 7父 节 点 T a g 7T a g 1 1父 节 点 T a g 5T a g 9父 节 点 T a g 5T a g 3父 节 点 T a g 3T a g 1 5父 节 点 T a g 3T a g 1 2父 节 点 T a g 5T a g 6图 5 网络路由 在网络初始化阶段，每个节点以监测到的第一个网络初始化广播的发起节点作为自身的父节点 ,将其余的类似广播都忽略。如上图所示， 于 出的广播都能监测到，但是先监测到 出的广播，所以 为自身的父节点，而将其余的类似广播都忽略。 6 网络 拓扑发现 网络拓扑结构有两种，一种为一对多的形式，所有的 为 一级节点；另一种为 N 级节点。 17 17 一对多 立链路 在此情况下， 三种状态：广播、接收和回复； 五种状态：监听、识别、记录、发数据、等待回复和睡眠。 送命令广播包（ 开始计时。在 描述了发起者的类型（即为 当时间超出， 认为所有的 收到广播，开始进入接收状态。一旦收到 数据包， 即返回 复命令。并判断是否收到全部 数据包，若没收到全部，则将时间窗口 *2，继续接收，直到收到全部数据。 流程图如下图所示： 广 播等 待T i m e O u t ？Y e sN 数 据 ？接 收回 复N oY e 窗 口 * 2收 到 全 部 数 据 ？Y e sN 立链路 18 18 监 听识 别 广 播Y e s l o 播 ？N 广 播发 送 数 据等 待有 回 复 ?等 待 下 个时 间 窗 口Y e sN 图 7 立链路 周围发送命令广播包（ 并开始计时。当时间超出时， 收到广播，即链路已建立，开始进入接收状态。一旦收到 数据包，即返回 复命令。 碰撞 置一段时间窗口（窗口的大小可自己定义，最小为 时间窗口又可分为 N 个时隙（ 每个时隙都足够 收数据。 1随机选择一个 送数据。当一个 有一个数据时， 收，并发送回复命令到回复命令后转入睡眠状态。若一个 有若干个数据时，其 下一个时间窗口从 1-（ N+N）中重新选择一个 送。 I n t e r r o g a t o rt a g 1t a g 2t a g 3时 间 窗 口 1发 送 数 据发 送 数 据发 送 数 据s l o t 1 s l o t 2 s l o t N回 复时 间 窗 口 2s l o t 1 s l o t 2s l o t 2 N发 送 数 据发 送 数 据回 复 回 复T i m e O u t 2T i m e O u t 3睡 眠睡 眠睡 眠图 8 防碰撞机制 19 19 建路由树 它周围的 送命令广播包（ 并开始计时。当时间超出时， 认为所有的 收到广播，开始进入接收状态。一旦收到 数据包， 即 返回 复命令。 流程图如下： 广 播等 待 数 据 ？接 收回 复 撞 ？ 立链路 始化后一直处于监听状态。当监听到有广播后，便分析 段来识别该广播的来源为 是 后记录广播来源，并与其父节点同步计数器。 改广播中某些字段后向其周围的 播，并开始计时。当时间超出时， 收数据。一旦收到数据包， 即返回 复命令。 当并计数器中的值与 相同时， 送数据，并计时等待回复。若在时间超出前收到回复，则结束；否则进行异常处理。 程图如下所示： 20 20 监 听识 别 广 播T i m e O u t ？Y e sN 数 据 ？接 收回 复N oY e 撞 ？Y e 播 ？N 广 播发 送 广 播N oY e sC o u n t e r = I D ?Y e 数 据等 待有 回 复 ?异 常 处 理Y e sN 0 立链路 周围发