一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法

专利名称：一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法
技术领域：
本发明属于无线传感 器网络领域，尤其涉及一种基于ZigBee的双速率超帧调度 方法。
背景技术：
随着个人局域网的快速发展，萌生了针对该领域的无线通信协议，如WIFI，蓝牙， ZigBee标准等。ZigBee协议标准作为一种低功耗，低成本的通信协议，迅速占有了市场，多 家芯片生产商加入到ZigBee联盟，为ZigBee的快速发展起到了推进作用。鉴于ZigBee如 此之优势，将ZigBee应用到各领域时，其低成本的特点愈加明显。但在移动目标追踪应用中，ZigBee的应用却产生了困难。在目标没有出现的时候， 移动目标追踪系统应处于目标监测状态，该状态可能持续一个月、两个月甚至一年，在此要 求下，系统必须工作在低功耗状态。而当发现目标时，为了保证及时采集目标数据及有效定 位，无线网络应工作在实时传输状态。但在单速率超帧模式下，若超帧周期过长，虽然能耗 得到了保证，但数据的传输延迟也随之增大；而若超帧周期过短，虽然数据的实时性得到了 保证，却损失了 ZigBee低功耗的优势。因此，在移动目标追踪应用中，本文将ZigBee标准引入其中并根据系统要求改进 了 ZigBee的性能，提出了一种双速率超帧模式，克服了单速率超帧模式的不足，保证在功 耗和实时传输之间能够取得有效地平衡，从而让系统长期、有效地工作，有效解决了移动目 标追踪中的能耗与实时的均衡问题，具有网络能耗低，数据传输时延小，易于实现的优点。

发明内容
本发明针对移动目标追踪系统特有的工作特点，即需要保持低功耗的情况下同时 满足用户实时传输的要求，同时针对流行ZigBee协议在该系统中的性能不足，提供了一种 基于ZigBee的双速率超帧调度方法，使得降低网络能耗的同时还可以满足实时传输的要 求。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的一种基于ZigBee的双速率超帧调 度方法，包含如下步骤
(1)无线传感器网络部署完成后，各节点按照ZigBee标准进行网络发布和网络加入， 形成Cluster-Tree拓扑结构，该Cluster-Tree拓扑结构包含一个协调器、若干路由器及终 端；
(2)无目标出现的情况下，网络中的终端、路由器和协调器都工作在慢速率超帧模式 下，并进行基本的长周期电池自检任务；
(3)当目标出现在网络中的某区域时，检测到目标的节点产生目标数据并送至数据发 送队列；在父亲路由器的长超帧周期活跃期或侦听期发送指示包通知父亲目标出现，收到 父亲快速率信标帧后进入快速率超帧模式；
(4)收到指示包的父亲节点从慢速率超帧模式切换为快速率超帧模式，同时，在其父亲的长周期超帧活跃期或侦听期发送指示包通知其父亲节点目标出现。其父亲按本步骤进行 递归过程直到协调器时结束；
(5)发现目标的节点及从该节点至协调器路径上的所有节点工作在快速率超帧模式 下，而网络中的其它点则工作在慢速率超帧模式下；
(6)目标离开慢速率超帧模式下的节点的监控后，该节点在父亲的超帧活跃期发送指 示包给父亲通知目标离开，收到父亲慢速率信标帧后进入慢速率超帧模式；
(7)父亲在所有孩子未监控到目标的情况下，等到发送下一个慢速率信标帧后切换到 慢速率超帧模式；其父亲按照本步骤进行递归过程直到协调器结束；
(8)目标在不同的簇之间切换时，重复步骤(3) (7)。本发明的有益效果是
1)在目标没有出现的情况下，网络工作在慢速率超帧模式下，占空比低，能耗低；
2)目标出现后，采用动态调整的思想，发现目标的节点及至协调器的路径上的路由器 工作在快速率超帧模式，占空比大，实时性好；同时，其余的节点仍然工作在慢速率超帧模 式。因此，特别适用于大规模无线传感器网络的节能与实时平衡；
3)路由器以短周期苏醒侦听，加速了从慢速率超帧模式到快速率超帧模式的切换过 程。因此，特别适用于目标不断移动的情况。


图1为ZigBee网络的拓扑结构图2为本发明慢速率超帧模式节点工作示意图； 图3为本发明超帧模式由慢向快的切换过程图； 图4为本发明广播的信标帧类型示意图； 图5为本发明快速率超帧模式下网络节点状态示意图； 图6为本发明超帧模式由快向慢的切换过程图； 图7、图8为本发明静态性能图； 图9、图10为本发明动态性能图。
具体实施例方式下面结合附图详细描述本发明，本发明的目的和效果将更为显著。一、示意图含义说明
如图1所示，在ZigBee标准下网络中的节点分为三类，包括协调器节点、路由器节点和 终端节点。协调器节点发布网络，终端节点只能加入网络，路由器节点加入网络并可以接收 除协调器外的其它节点的加入。示意图中，该网络形成Cluster-Tree拓扑结构，总共分为 7个簇，分别进行了编号。新加入的节点和接收其加入的节点形成父子关系，如7号簇头为 4号簇头的孩子。单个节点的数据传送至协调器的路径为树形路由。如图2所示，超帧周期分为超帧活跃期和睡眠期。如图，路由为1号簇的簇头，终端 为1号簇中任意一个非路由节点，协调器即为5号簇簇头，三种类型的在慢速率模式下的工 作状态即为图中所示。在慢速率超帧模式下，协调器和路由器作为簇头在各自的超帧活跃 期开始阶段广播慢信标帧，路由器节点和终端节点作为孩子在父亲的超帧活跃期开始时醒来接收信标帧。同时，路由器和协调器以短超帧周期的间隔苏醒侦听一个时间段，节点进入 休眠状态。路由器和终端作为孩子节点以短超帧周期的间隔苏醒检查是否有指示包发送。如图3所示，终端为1号簇发现目标的节点，路由为1号簇簇头。终端和路由从慢 速率超帧模式向快速率超帧模式做了一切换。1号簇孩子节点在发现目标后，在1号簇头的 短超帧周期侦听时间段通知1号簇头发现目标，1号簇头即在下一个短超帧周期侦听开始 时广播快速率信标帧，进入快速率超帧模式。而1号簇头在收到发现目标的通知后，在父亲 的侦听期内通知其父亲，该过程递归至协调器终止。孩子节点在收到父亲的快信标帧后，进 入快速率超帧模式工作。如图4所示，协调器或路由器在进入快速率超帧模式后，广播两种类型的信标帧， 分别为快速率信标帧和慢速率信标帧。其中，在长超帧周期活跃期广播慢速率信标帧，在其 余超帧活跃期广播快速率信标帧。 如图5所示，该图显示了网络在发现目标后的各节点工作状态示意图，1号簇发现 目标的节点及1号簇头，4号簇头，协调器5切换工作状态到快速率超帧模式，其余的节点工 作在慢速率超帧模式，形成双速率超帧工作模式。如图6所示，路由器为1号簇头，终端为1号簇内的发现目标的节点。终端发现目 标离开监控区域，发送指示包通知路由器。终端在收到慢速率信标帧后进入慢速率超帧模 式，路由器在收到所有簇内发现目标的孩子节点的指示包后进入慢速率超帧模式。如图7，8所示，目标停留在1号簇内1000s的网络性能优越。如图9，10所示，目标在网络中移动，双速率的动态性能优越。二、结合图例，本发明一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，包括如下步骤 1.网络初始化阶段
如图1所示，网络按照ZigBee标准形成Cluster-Tree后，包含了 7个簇，节点之前的 关系为加入的节点与接收该节点加入的节点之前形成孩子与父亲的关系。初始化完成后， 节点进入慢速率超帧模式阶段。如图2所示，协调器和路由器及终端按照各自在此模式下 的功能工作。具体到图中，1号簇头按照长周期超帧进行信标帧广播，同时在长周期超帧活 跃期开始时开启短周期定时器和长超帧周期定时器及超帧活跃期定时器，进入活跃期后， 簇头可以接收1号簇内所有孩子节点发送的数据包及作出相关回应。1号簇头活跃期结束 后进入进入休眠。而1号簇头作为4号簇的孩子节点，因此，在4号簇的超帧活跃期，1号簇 苏醒以孩子节点的角色传送数据包给4号簇头，该活跃期结束后，1号簇头进入休眠太。短 周期定时器超时，1号簇头苏醒，重新运行该定时器，同时，开启时间长度为T(T的典型值为 4ms)的定时器，其作为簇头在T内侦听是否有孩子节点发送目标发现指示帧，T超时后进入 休眠。长超帧周期定时器超时，重新运行该定时器。如此循环。而1号簇内的终端节点作为孩子节点，仅完成少量的工作。1号簇超帧活跃期开 始时苏醒接收1号簇头的信标帧，开启活跃期长度的定时器，长超帧周期及短超帧周期定 时器，在超帧活跃期可以进行数据发送，超帧活跃期结束后进入休眠期。短超帧周期定时器 超时，终端苏醒，重新运行该定时器，同时检查是否发现目标后需要发送指示包，若有，则发 送，完成后进入休眠，若无，进入休眠。如此循环。2.目标出现后向双速率切换过程
如图5目标出现在1号簇内后，簇内的节点1_2到1_6都发现目标，产生目标数据，但是数据不能立即传送，需要等到父亲的超帧活跃期才能传送。以1_2为例，对应到图3，1_2 在TO发现目标，产生目标数据，此时父亲节点1号簇头处于休眠，因此，1_2无动作，在Tl时 刻，1_2节点及1号簇头都醒来，1_2发现目标已经出现，于是在Tl时刻发送目标出现指示 包给1号簇头，1号簇头在收到1_2的指示包后在切换到快速率超帧模式，在T2时刻广播快 速率信标帧。其信标帧的发送逻辑图如图4所示，以长周期间隔广播慢速率信标帧，以短周 期间隔广播快速率信标帧，基于ZigBee的特性，长周期是短周期的2的N次幂倍。1_2节点 在T2时刻收到信标帧，且处于目标发现状态，于是切换到快速率超帧模式。1号簇头在收到 指示包后，在T3时 刻发送指示包给1号簇头作为孩子节点的父亲，4号簇头，如此递归直到 协调器。3.网络双速率工作模式
至此，从终端节点至协调器的短超帧周期工作路径已经形成，如图5所示。1_2至1_6， 1号簇头，4号簇头，协调器都工作在快速率超帧模式，其它节点工作在慢速率超帧模式。整 个网络已经呈现出双速率工作的模式，当网络规模较大时，可以得知，处于快速率超帧模式 的节点数量占总节点数量的比例是很小的，相比整个网络工作在单速率长周期超帧模式， 该双速率方法的能耗稍高，但远远低于整个网络工作在单速率短周期超帧模式。但同时，由 于发现目标的簇及传输路径上的点超帧周期都很短，因此，数据传输的延迟小。可见，双速 率超帧模式在能耗和实时之间取得了极好的平衡。如图7及图8所示，给出了双速率和单 速率的超帧模式下传输的实时性和能耗比较。4.目标离开后向单速率切换过程
目标离开1号簇以后，如图6所示，终端节点1_6在T4时刻发现目标消失，在T5时刻 通知其父亲节点1号簇头目标消失，同时，在T6收到下一个慢速率信标帧是进入慢速率超 帧模式。而1号簇头进入慢速率超帧的条件是收到了所有的发现目标的孩子节点的目标 消失指示包，对应图5中的1_2到1_6号节点。1号簇头满足条件后，立即在其父亲4号簇 头的超帧活跃期发送目标消失指示包，如此递归至协调器。同时，在发送下一个慢速率信标 帧时切换模式，如图6中的T6时刻。至此，1号簇已工作在慢速率超帧模式。5.目标移动下的处理
目标进入网络后，实际情况会在各个不同的簇之间移动，因此，整个过程是动态的。在 此种情况下，其它簇对于目标的处理同1号簇相同，重复进行2，3过程的处理即可。目标在 不同簇之间的切换网络的动态性能如图9及图10所示。图9显示了网络中每个包的延迟 分布，图10显示了网络总能耗。上述具体实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和 权力要求的保护范围内，对不发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于，包含如下步骤(1)无线传感器网络部署完成后，各节点按照ZigBee标准进行网络发布和网络加入， 形成Cluster-Tree拓扑结构，该Cluster-Tree拓扑结构包含一个协调器、若干路由器及终端等；(2)无目标出现的情况下，网络中的终端、路由器和协调器都工作在慢速率超帧模式 下，并进行基本的长周期电池自检任务；(3)当目标出现在网络中的某区域时，检测到目标的节点产生目标数据并送至数据发 送队列；在父亲路由器的长超帧周期活跃期或侦听期发送指示包通知父亲目标出现，收到 父亲快速率信标帧后进入快速率超帧模式；(4)收到指示包的父亲节点从慢速率超帧模式切换为快速率超帧模式，同时，在其父亲 的长周期超帧活跃期或侦听期发送指示包通知其父亲节点目标出现；其父亲按本步骤进行 递归过程直到协调器时结束；(5)发现目标的节点及从该节点至协调器路径上的所有节点工作在快速率超帧模式 下，而网络中的其它点则工作在慢速率超帧模式下；(6)目标离开慢速率超帧模式下的节点的监控后，该节点在父亲的超帧活跃期发送指 示包给父亲通知目标离开，收到父亲慢速率信标帧后进入慢速率超帧模式；(7)父亲在所有孩子未监控到目标的情况下，等到发送下一个慢速率信标帧后切换到 慢速率超帧模式；其父亲按照本步骤进行递归过程直到协调器结束；(8)目标在不同的簇之间切换时，重复步骤(3) (7)。
2.如权利要求1所述的基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步骤(2)中，所述慢速率超帧模式为协调器和路由器作为簇头在此模式下，超帧的周期为长周 期，且以长周期超帧开始的时间点为起始点，每隔一个短周期长度苏醒一次进入时间长度 为T的侦听期；同时，在超帧活跃期开始广播慢速率信标帧；路由器和终端节点作为孩子在 此模式下，超帧的周期为和父亲一致的长周期，且以长周期超帧开始的时间点为起始点，每 隔一个短周期时间苏醒一次决定是否发送指示包给父亲。
3.如权利要求1所述的基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步骤(3)中，所述快速率超帧模式为协调器和路由器作为簇头在此模式下，超帧周期为短周 期；在长周期超帧活跃期开始广播慢速率信标帧，在其余的超帧活跃期广播快速率信标帧； 路由器和终端节点作为孩子在此模式下，超帧周期为短周期。
4.如权利要求1所述的一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步 骤(3)中，所述快速率信标帧为协调器或路由器在除了慢速率信标帧外的其它时间广播 的信标帧。
5.如权利要求1所述的一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步 骤(4)中，所述收到指示包的父亲节点从慢速率超帧模式切换为快速率超帧模式为若节 点已经工作在快速率超帧模式，则不做该处理；若在慢速率超帧模式下，则该点收到指示包 后进入休眠，在下一个侦听期开始时发送快速率信标帧，从而切换到快速率超帧模式。
6.如权利要求1所述的一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步 骤(6)中，所述慢速率信标帧为协调器或路由器在以长周期超帧为间隔广播的信标帧。
7.如权利要求1所述的一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，其特征在于所述步骤(6)中，所述目标离开慢速率超帧模式下的节点的监控后为该节点通过设置一个目标 锁定定时器Tjarget;首次发现目标启动该定时器，每次产生目标数据时重置该定时器； 若在定时器超时后仍然没有目标数据,则认为目标已经离开监控区域。
全文摘要
本发明公开了一种基于ZigBee的双速率超帧调度方法，基于ZigBee标准建立的无线传感器网络工作在占空比小的慢速率超帧模式；当目标进入无线传感器网络节点监控区域时，检测到目标的节点切换到快速率超帧模式，同时，从该节点到ZigBee根节点路径上的所有路由器节点也切换到快速率超帧模式，形成一条从目标出现区域至协调器根节点的快速率超帧模式传输路径，实现数据的实时传输；而未检测到目标的节点仍然工作在慢速率超帧模式。在目标出现的情况下，整个网络呈现双速率超帧通信机制。随着目标移动，新的双速率区域也不断移动，从而在保证网络低功耗的情况下对目标实施实时监控。
文档编号H04W48/10GK102076057SQ20101060103
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月23日 优先权日2010年12月23日
发明者卓书果, 周良毅, 李元实, 王智, 陈善涛 申请人:浙江大学