一种用于无线水气表的同步唤醒及快速抄表算法

图1 通用的周期唤醒数据收发原理图
电池供电的无线系统中，为了尽可能的降低功耗，大部分时间无线表都处于休眠状态，这时产生一个问题：如果网关需要随时唤醒无线表，那该怎么办呢？答案是，设计一种优秀的“唤醒下发算法”，即采集器和无线表约定在一些时间窗口期通信。
本文采用的无线芯片是由Semtech开发的具有LoRa调制方式的SX1278。通常的做法是发送方的前导码长度要大于接收方周期唤醒的时间(如5秒一次)，接收方周期唤醒后，进行CAD (信道活动检测)。如果检测到信号后，切换到接收模式，待数据收完且处理后，立马睡眠。如果没检测到信号，会马上进行睡眠模式。其原理如图1所示。
这种做法有很大的弊端，功耗会比较大。由于发送时，前导码长度要大于周期唤醒时间，一方面是接收方的接收时间最大会等于周期时间，接收时间比较长，导致功耗会大， 另一方面是不仅目的接收到会被唤醒，在接收范围内的其他无线表也会被唤醒，唤醒后通过地址比对发现不是自己的，就丢掉数据包，马上进入睡眠模式。
本文设计了一种同步唤醒及快速抄表算法，可以同时唤醒在接收范围内的所有无线表，此时所有被唤醒的表都处于接收模式，采集器通过指定目的地址，按个快速抄完所有的表。以一栋楼为单位，假设有100只表，按照本文算法，只需要30秒左右的时间就可以快速抄完。具体算法详解如下。
假设周期唤醒时间为t秒，采集器发送唤醒报文次数为n，可以算出报文在空中接收时间为t/n秒。发送报文次数越多，则表唤醒后的接收时间越短，则功耗更低。本文规定在发送报文中加入一个发送序号，来表示当前发的是第几帧，假设为第i帧，当表唤醒后，如果侦听到报文，就可以处理得到是第i帧，因此表可以继续睡眠（n-i）t/n秒，然后醒来打开侦听窗口，等待数据帧，如果10秒内未接收到任何抄表报文则进入周期唤醒状态。其原理图如图2所示。