基于冒泡排序法的低速率低功耗无线传感网

Posted 2021-04-07 环球表计

在1GHz以下的ISM频段低功耗无线传感网的应用中，存在这样一个矛盾：如果选用高速率通信，通信功耗低，但通信距离短，穿透力差。如果选用低速率通信，虽然可大幅提高通信效果，但实现双向通信的功耗比较高。本文提出一种通信方法，在低速率的情况下，完成低功耗的双向通信，其通信覆盖范围广，实现简单。

本文部分摘录自《环球表计》12月刊《基于冒泡排序法的低速率低功耗无线传感网》，原作者I深圳市华奥通通信技术有限公司 雷兆军

背景

随着物联网、传感器技术的发展，微功率(短距离)无线通信技术已经在传感网应用中起到非常重要的作用。这其中又以水表、气表、热量表等没有外部供电的传感器或仪表的数据采集为典型应用。根据多年的工作实践，目前的ISM频段无线通信存在一个高速率低功耗低覆盖，低速率高功耗高覆盖的问题。

在高速率的情况下，由于通信距离短，覆盖范围比较小，催生出以Zigbee为代表的mesh网络，但这种网络组网极其复杂，维持网络功耗大，且中继器需要更大电量或外部供电，大覆盖多节点的情况下，实用效果并不十分理想。

在低速率的情况下，由于覆盖远，大部分情况下采用星型拓扑结构的网络即可，偶尔有通信孤岛，可以插入一级中继器。星型结构下如果只是抄读传感器或仪表数据，并不需要反向控制，则使用冒泡法可以解决问题。即节点只在一段时间内，选择随机时间进行发射，不发射时就深度休眠，可以解决功耗和覆盖的问题。但如果需要进行反向控制，比如控制水表或气表的阀门开关，则功耗问题是比较难解决的。

本文以水气表抄表控阀为例，阐述一种基于冒泡排序法来解决低功耗无线传感网双向通信的方法，该网络的拓扑结构如图1所示。

图1 网络拓扑结构

无线抄表系统由上位机（服务器）、集中器和多个仪表组成，多数仪表由于没有持续的外部电能供应，这些仪表的抄表只能依靠电池电能，所以，其通信本身必须消耗极低的功耗，才能使电池等供电单元长期工作。集中器是网络的中心节点，其收集并暂存所有仪表的数据，然后通过远程通信（如GPRS、CDMA、LTE等）将数据转发至服务器。集中器也接收来自服务器的下行控制命令，对某个仪表进行控制，例如控制开、关阀、预付费设置等。

在现有的无线抄表系统中，大多是集中器主动发起通信的，所有的仪表大部分时间处于休眠状态，功耗是非常低的，但是，当集中器需要和某个或某组仪表进行通信时，通信是不会成功的。这样，就需要一套流程或方法，使处于休眠状态的仪表，在集中器需要和它进行通信时，能感知并完成通信，即将处于休眠状态的仪表唤醒，当前，将仪表从休眠状态下唤醒的方法有多种，例如，信号强度唤醒法、最短数据包唤醒法，但这些唤醒方法要么抗干扰能力差，要么接收窗口时间长，从而导致功耗大。而且在低速率的情况下，唤醒机制需要消耗更多的电量。

换一种思维方式，如果通信不是由集中器先发起的，而是仪表定时主动发起的，则可以避免一些繁琐。仪表定时间隔为T，定时时间到，仪表主动向上发送数据，像气泡从水底冒上去一样，所以叫冒泡法。如图2所示，这样就无需采用唤醒机制，从而节省了功耗。但是这种无线抄表方法也有弊端，两个或多个仪表在低速率的情况下，占用信道发射时间比较长，容易在发射模式下出现冲突。

图2 冒泡法时序图

冒泡法工作原理

冒泡法的通信是由仪表主动发起的，集中器在绝大部分时间处于被动接收状态。

冒泡法中，仪表持续交替工作于休眠--发射--接收--三种模式下，如图3所示。其中休眠模式的时间远远长于其它2种模式，从而降低平均功耗。一般根据用户的需要，休眠时间可以选择在0.5~6小时之间， 图中，应急报警位置的发送接收，平时不存在，有报警或者实时性要求高是才使用。

图3 时间片时序

集中器处于被动接收的状态，当其收到仪表发来的数据包时，如果对该仪表有预存的阀门操作或反馈数据，则马上做出响应，在很短的时间内，将操作命令下发给该仪表。

冒泡法的工作步骤比较简单，仪表的工作步骤如下：

• 仪表休眠T时间后，主动发射一次数据包，其中包括ID，表量，阀门状态，电池状态，线路状态等信息。

• 步骤1完成，仪表立即或短时间休眠后进入接收模式，等待一小段足够接收一帧命令的时间，如果收到集中器发来的控阀命令或其它命令和数据，则执行相应的操作，并与集中器快速进行一组握手通信，确保通信和控制成功，然后进入休眠。如果没有收到集中器的命令，则进入休眠，等待发起下一次的通信。

发射和接收之间，可以保留一个休眠空隙Ts，用于集中器运算和处理数据。

集中器的工作步骤如下：

• 持续保持接收模式，等待某一块表发来的数据包。

• 收到一包数据包，除了将该数据包中的有关数据保存外，在集中器的表格中查询是否有对该仪表的控阀操作命令或其它反馈信息。如果有，则马上发送命令和数据，与仪表快速进行一组握手，确保通信成功后，又进入接收状态，等待接收下一块表的数据。

  
  

冒泡法的低功耗特性，来源于仪表的长时间休眠，以降低平均功耗。在仪表比较多，速率特别低的情况下，仪表每发射一次，占用信道时间比较长，则这种无序冒泡的方法，会带来比较多的碰撞和干扰，从而降低了通信成功率。要解决碰撞问题，则需要控制仪表进行有序冒泡，即冒泡排序。

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