专利名称：一种基于ieee 802.15.4的无线传感器网络协议的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通信技术，特别涉及一种基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议。
背景技术：
工业用无线传感器网络目前主要采用基于IEEE 802. 15. 4的Zigbee协议，该协议具有结构简单、组网能力强、低功耗等优点，在各领域得到广泛的应用。但由于各芯片及协议栈提供商对于IEEE 802. 15. 4及Zigbee协议的实现不同，因此相互间往往不能实现互通和互联。即使是同一提供商，根据应用的不同，在网络拓扑结构、数据收发模式上也不尽相同。由于IEEE 802. 15. 4及Zigbee协议的这些不确定性，使得其网络性能有很大差异，最终导致在可靠性、包传输率、传输延时、功耗、网络大小等方面不尽如人意。如果网络设置不合理，将使得包传输率低、可靠性差，严重时导致网络无法正常工作，或部分节点丢失等异常。此外由于IEEE 802. 15. 4及Zigbee不是专门针对工业而制定的无线协议，因此其在工业应用方面受到了一定的制约。国际上目前出现了如WirelessHART、WIA-PA, ISA-100等的工业用短程无线通信协议，也都是基于IEEE 802. 15. 4，但在MAC及以上各层都采用了不同的技术，因此在可靠性、包传输率等方面得到了加强。但这些协议本身较复杂，实现较困难，并将导致节点成本的增加。
发明内容
本发明是针对现在工业用无线传感器网络存在的问题，提出了一种基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议，适用于节点数量固定、有低功耗、高可靠性、高实时性及双向传输需求的工业短程无线传感器网络。本发明的技术方案为一种基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议，包括中心协调器与至少一个终端节点构成的星形网络，每个终端节点通过单跳与中心协调器建立连接，实现无线数据的双向传输，中心协调器同时作为无线局域网的对外网关，通过有线或无线接口与上层网络或系统实现数据交互，每个终端节点与中心协调器根据通信协议，通信的超帧中包含数个设定时间相等的时隙，其中超帧开始的第一个时隙为中心协调器向外广播开始的信标帧，网络中的终端节点通过侦听信标帧实现时间同步，此后各终端节点按时间顺序，在预先分配的两个相邻时隙内实现与中心协调器的双向通信，通信后终端节点处于休眠等待状态，等待中心协调器的开始信标帧唤醒，所述两个相邻时隙时间内首先由终端节点发送请求，中心协调器接收并转发；其后由中心协调器应答，终端节点接收，在应答中包含中心协调器向终端节点的请求数据。所述终端节点的时隙分配可采用静态方式，即网络建立前通过编程或有线组态的方式将其分配给每个终端节点；或采用动态方式，即在终端节点与中心协调器同步后自动查询空闲时隙，并在该时隙发出加入请求，由中心协调器给出具体的通信时隙。所述中心协调器采用IEEE 802. 15. 4-2006标准中规定的信标帧格式广播信标帧；终端在预设的slot时隙内采用数据帧发送数据报文，协调器在其后的slot时隙采用确认帧发送应答，或在有数据需要传送时发送数据帧作为应答，所有帧均采用16-bit短地址格式。本发明的有益效果在于本发明基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议，具有结构简单、数据双向传输、包传输率高、节点功耗低、可靠性高、通信时间确定等优点。
图1为本发明基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议网络拓扑结构图； 图2为本发明基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议超帧结构图3为本发明基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议相邻时隙的数据收发示意
图4为本发明基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议一个实施例超帧时隙图。
具体实施例方式如图1所示为基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议网络拓扑结构图，本发明所涉及的一个PAN无线短程局域网10中，包括中心协调器100和终端节点101 IOn两类设备，其中中心协调器100负责网络的建立，并作为时钟源发出Beacon信标帧。终端节点101 IOn与中心协调器100间构成星形网络，通过单跳与中心协调器100建立连接，实现无线数据的双向传输。终端节点101 IOn间无法直接建立连接。中心协调器100同时作为无线局域网10的对外网关，通过有线或无线接口 110与上层网络或系统111实现数据交互。这样，来自于终端101 IOn的无线数据，经由中心协调器100处理后，通过110网络传送到上层系统111 ；反之，来自上层系统111的数据，经网络110和中心协调器100后， 最终转发到对应的终端101 10η。这样既实现了数据的双向传输。图2所示为本发明的超帧结构图。超帧20包含若干个时间相等的slot时隙200 20η，其中超帧开始的第一个时隙200用于中心协调器向外广播Beacon信标帧。该信标帧表示了超帧的开始，网络中的节点通过侦听信标帧实现时间同步。此外信标帧中包含的数据表示了超帧的长度等信息。此后各节点按时间顺序，在预先分配的两个相邻slot时隙内实现与中心协调器的双向通信。两个相邻时隙时间内首先由终端节点发送请求(中心协调器接收并转发)；其后由中心协调器应答(终端节点接收)，在该应答中可能包含中心协调器向终端节点的请求数据。在整个超帧20周期时间内，每个终端节点仅在预先规定的slot时隙内处于发送状态211，并在其后相邻时隙及超帧开始的信标时隙200内处于接收状态210， 其他时间均处于休眠状态212，因此可以有效降低功耗。同时由于时间同步机制避免了碰撞的发生，因此提高了网络包传输率和可靠性，并使得通信的确定性和实时性得到了保证。此外利用相邻时隙的应答机制实现了简易的双向数据通信过程。节点的slot时隙分配可采用静态方式，即网络建立前通过编程或有线组态的方式将其分配给每个节点；或采用动态方式，即在节点与协调器同步后自动查询空闲时隙，并在该时隙发出加入请求，由协调器给出具体的通信时隙。
图3所示为本发明的相邻时隙数据收发示意图。在slot_n时隙30时间内，终端节点η负责将报文发送到中心协调器终端节点η首先进行MartInit初始化操作301，包括唤醒等动作，其后Txhit使能RF发送功能302，紧接着是Tx发送数据过程303，发送完成后TxEnd禁止RF发送并直至时隙时间结束304 ；在此同时，中心协调器从时隙开始便处于Rx接收状态305，并在接收完成后RxEnd并等待时隙结束306。数据由终端向中心协调器传送完成后，在下一个slot_n+l时隙31时间内，中心协调器给出应答，并同时将可能存在的数据发送到终端。其操作步骤与Slot_n时隙30 相同，仅是发送和接收方的角色互换中心协调器经过MartInit 311->TxInit 312->Tx 313->TxEnd 314阶段完成应答数据的发送，终端经过Rx 315_> RxEnd 316阶段完成数据的接收。图4是本发明的一个具体实施例超帧时隙图。该实施例采用TI的2530 SOC芯片， 利用TIMAC协议栈进行代码实现。网络的BO (Beacon Order)及SO (Superframe Order) 参数均设为5，即超帧时长41为491. 52ms，平均分为了 32个slot时隙42，每个时隙时长 43为15. 36ms。考虑到信标帧需要占用一个独立的时隙，因此网络中可以同时存在15个终端节点。采用静态分配的方式为每个终端节点分配好slot，编号从1 15，则终端η的发送时隙时间为2*n*15. 36ms，接收时隙为(2*η+1) *15· 36ms。实施例中，中心协调器采用IEEE 802. 15. 4-2006标准中规定的信标帧格式 (Beacon Frame i^ormat)广播信标帧；终端在预设的slot时隙内采用数据帧(Data Frame Format)发送数据报文，协调器在其后的slot时隙采用确认帧(Acknowledgment Frame format)发送应答，或在有数据需要传送时发送数据帧(Data Frame format)作为应答。所有帧均采用16-bit短地址格式，不进行MAC层加密，发送报文无需确认。
权利要求
1.一种基于IEEE 802. 15. 4的无线传感器网络协议，包括中心协调器与至少一个终端节点构成的星形网络，每个终端节点通过单跳与中心协调器建立连接，实现无线数据的双向传输，中心协调器同时作为无线局域网的对外网关，通过有线或无线接口与上层网络或系统实现数据交互，每个终端节点与中心协调器根据通信协议，通信的超帧中包含数个设定时间相等的时隙，其中超帧开始的第一个时隙为中心协调器向外广播开始的信标帧，网络中的终端节点通过侦听信标帧实现时间同步，此后各终端节点按时间顺序，在预先分配的两个相邻时隙内实现与中心协调器的双向通信，通信后终端节点处于休眠等待状态，等待中心协调器的开始信标帧唤醒，其特征在于，所述两个相邻时隙时间内首先由终端节点发送请求，中心协调器接收并转发；其后由中心协调器应答，终端节点接收，在应答中包含中心协调器向终端节点的请求数据。
2.根据权利要求1所述基于IEEE802. 15. 4的无线传感器网络协议，其特征在于，所述终端节点的时隙分配可采用静态方式，即网络建立前通过编程或有线组态的方式将其分配给每个终端节点；或采用动态方式，即在终端节点与中心协调器同步后自动查询空闲时隙， 并在该时隙发出加入请求，由中心协调器给出具体的通信时隙。
3.根据权利要求1所述基于IEEE802. 15. 4的无线传感器网络协议，其特征在于，所述中心协调器采用IEEE 802. 15. 4-2006标准中规定的信标帧格式广播信标帧；终端在预设的slot时隙内采用数据帧发送数据报文，协调器在其后的slot时隙采用确认帧发送应答， 或在有数据需要传送时发送数据帧作为应答，所有帧均采用16-bit短地址格式。
全文摘要
本发明涉及一种基于IEEE802.15.4的无线传感器网络协议，中心协调器与至少一个终端节点构成的星形网络，每个终端节点通过单跳与中心协调器建立连接，实现无线数据的双向传输，所述每个终端节点与中心协调器根据通信协议，通信的超帧中包含数个设定时间相等的时隙，其中超帧开始的第一个时隙为中心协调器向外广播开始的信标帧，网络中的终端节点通过侦听信标帧实现时间同步，此后各终端节点按时间顺序，在预先分配的两个相邻时隙内实现与中心协调器的双向通信，通信后终端节点处于休眠等待状态，等待中心协调器的开始信标帧唤醒。具有结构简单、数据双向传输、包传输率高、节点功耗低、可靠性高、通信时间确定等优点。
文档编号H04W72/04GK102404855SQ201110393930
公开日2012年4月4日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者王骏 申请人:上海工业自动化仪表研究院