专利名称：一种基于统计优化的ZigBee层级路由组网方法
技术领域：
本发明涉及一种基于统计优化的ZigBee层级路由组网方法。
背景技术：
ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术或无线网络技术，是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的无线通信技术。ZigBee技术在实际运用中也具有常规无线通信的传输数据能量消耗大、信号不均匀和大规模覆盖面积有限等缺点。路由算法的选择是解决以上问题的根本，在其最佳路径选择中起着至关重要的作用。传统无线传感网络的路由算法可以分为平面路由协议、网络分层路由协议、地理位置信息路由协议。Zigbee协议底层采用IEEE 802. 15. 4协议，在IEEE 802. 15. 4协议确保一跳通信可靠性的基础上通过定义网络层路由协议扩展网络规模，可以实现星型，树型和网状网拓扑结构。具体路由可以分为层级路由策略和网状网路由策略。针对室内定位系统无线网络的特殊性，标准ZigBee路由算法不能很好的满足其需求。其中网状网路由策略是一种按需路由策略，采用类似泛洪的机制，对于单位面积内节点容量很大的情况会出现网络堵塞；层级路由是一种主动路由算法，相比网状网路由不需要路径选择，占用更少的路由表资源，而且基于的父子结构的路由路径在网络建立的时候已经确定。层级路由对于室内定位大量参考节点固定的情况比较有效，但是由于定位系统的特殊性，网络负载不均匀，所以固定的路径有时未必是最佳的路径。
发明内容
本发明所要解决的 技术问题是提供一种实时统计路由数据负载量，按业务需求分配、调度路由，实现在室内定位系统中保证网络通信质量、可大规模部署的高效层级路由优化组网方法。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
一种基于统计优化的ZigBee层级路由组网方法，该网络包括协调器和节点路由器，包括下述步骤
(1)为网络里每个设备增加一个层级属性，作为标识设备所在网络中的层次的属性D印th，默认值为Oxff，这个属性包含在设备发送的信标帧的载荷中作为标识；在协调器上电并成功组网后，发送层次为O的信标帧；之后其他路由设备入网，父节点为协调器的设备层级属性为1，其子节点层级属性为2，依次类推，网络最深层次为N，设备关联入网之后，修改Depth为当前所处层级；
(2)所有设备成功组网后，每个设备维护一个转发计数的参数Count，默认值为0，每当设备转发一包数据，转发计数增一；
(3)系统在一定时间到达之后执行路由维护，由处在最低层的设备D印th=N-l发送路由审核报文给父节点，且报文内容也包含其本身IEEE 64位的长地址，转发计数Count和所在层次D印th的信息；
(4)Depth=N-2的设备收到所有子节点的审核报文后，内置自身的IEEE 64位长地址，再次转发计数Count和所在层次Depth的信息至上一级父节点；
(5)Depth=N-3的设备收到所有子节点的审核报文后，选出转发计数最大的D印th=N_l的设备和转发计数最小的Depth=N-2的设备,将其Count值进行对比,如果Depth= N-1的设备在单维护周期转发数大于Depth= N-2的设备的转发数,则给Depth= N_1的这个设备发送层次提升报文，提升报文中主要内容是D印th=N-3的设备下所有子节点的转发计数Count的值升序排列表,表中最大值则为Depth=N-1设备的当前父节点，Depth=N-1的设备收到这个列表后主动查询DepthN-2设备层转发计数值列表，筛选出最小计数值的设备，并确认在其射频范围内有效，即可进行升级操作，反之，则继续尝试列表中下一个设备，直至父节点，若仍无法关联则取消升级操作；若关联成功，则给其发送层次降低报文，报文包含Depth=N-1设备的转发计数升序表，同理，Depth=N-2的设备收到降级报文后按照该流程执行降级操作；
(6)在D印th=N-3的设备执行完以上流程后，在审核报文中删去D印th=N-l的设备信息，加上自身的IEEE长地址，转发计数Count和层次信息发给父节点；
(7)Depth=N-4的设备同样执行D印th=N_3设备的路由维护流程调整路由路径直至Depth=I的设备，最终递归执行到协调器，至此，完成一次路由维护过程，每次维护结束后，Count值自动清零。本发明旨在改变传感网组网方式和路由方式，实现组网方法优化，不改变网络硬件组成。本发明方法应用方便，准确度高，实用 性强，可广泛应用于各种室内定位系统。
图1为本发明网络结构拓扑图。图2为本发明路由优化效果图。图中，1、协调器；2、路由设备。
具体实施例方式无线通信中传输数据的能量消耗与有效传输半径的2到4次方相关，要减少节点能量消耗必须减小节点的有效传输半径。有效传输半径的减小降低了单节点的覆盖面积，为了实现无线传感网络的大范围覆盖，须使用多跳中继的方法来传输数据，同时，Zigbee的路由算法允许开发者根据具体应用需求，平衡单位成本，能量消耗以及复杂性从而达到最高效率。为便于调整层级结构，采用ZigBee 2006标准的分布式地址分配算法。不同于标准ZigBee组网流程，这里为每个路由设备2增加一个层级属性，作为标识设备所在网络中的层次的属性D印th，默认值为Oxff，这个属性会包含在路由设备2发送的信标帧的载荷中作为标识。在协调器I上电并成功组网后，发送层次为O的信标帧。之后其他路由设备2入网，父节点为协调器I的路由设备2层级属性为1，其子节点层级属性为2，依次类推，网络最深层次为N。路由设备2关联入网之后，修改D印th为当前所处层级，网络结构拓扑图见附图1所示。
本算法是基于室内定位领域的特殊应用，单个路由设备2节点射频范围内一般有多个节点，极少存在单个节点现象。此外，网络负载也不均匀且处于动态变化状态，所以采用该算法可以局部调整网络路由路径，提高数据可靠性，有效提升网络数据转发效率。所有路由设备2成功组网后，每个路由设备2维护一个转发计数的参数Count，默认值为O。每当路由设备2转发一包数据，转发计数增一。处于网络最底层的路由设备2 Depth=N-1 (此处的网络深度N无上限，可以根据用户实际需要自由设置，本发明为简化说明，故在此简化网络深度N=5)，在组网成功后将开始路由维护流程。系统将在一定时间RouteMaintainTime到达之后执行路由维护由处在最低层的路由设备2 Depth=4发送路由审核报文给父节点，且报文内容也包含其本身IEEE 64位的长地址，转发计数Count和所在层次D印th的信息。Depth=3的路由设备2收到所有子节点的审核报文后，内置自身的IEEE 64位长地址,再次转发计数Count和所在层次Depth的信息至上一级父节点。Depth=2的路由设备2收到所有子节点的审核报文后，选出转发计数最大的Depth=4的路由设备2和转发计数最小的Depth=3的路由设备2。将其Count值进行对比，如果Depth=4的路由设备2在单维护周期转发数大于Depth=3的路由设备2的转发数，则给Depth=4的这个路由设备2发送层次提升报文，提升报文中主要内容是D印th=2的路由设备2下所有子节点的转发计数count的值升序排列表,表中最大值则为Depth=4的路由设备2的当前父节点，Depth=4的路由设备2收到这个列表后主动查询D印th3路由设备2层转发计数值列表，筛选出最小计数值的路由设备2，并确认在其射频范围内有效，即可进行升级操作，反之，则继续尝试列表中下一个路由设备2，直至父节点，若仍无法关联则取消升级操作。若关联成功，则给其发送层次降低报文，报文包含D印th=4路由设备2的转发计数升序表，同理，Depth=3的路由设备2收到降级报文后按照该流程执行降级操作，路由优化效果图见附图2所示。在D印th=2的路由设备2执行完以上流程后，在审核报文中删去D印th=4的路由设备2信息，加上自身的IEEE长地址，转发计数Count和层次信息发给父节点。
Depth=I的路由设备2同样执行D印th=2路由设备2的路由维护流程调整路由路径。最终递归执行到协调器1，至此，完成一次路由维护过程，每次维护结束后，Count值自动清零。基于统计优化的ZigBee层级路由技术及组网方法是建立上无线传感网部署的基础上，主要由网络管理平台、协调器、路由器、终端四部分组成。本发明旨在改变传感网组网方式和路由方式，实现组网方法优化，不改变网络硬件组成。该发明应用方便，准确度高，实用性强，可广泛应用于各种室内定位系统。网络管理平台本身是一个企业级的无线传感器网络，是整个系统的核心部分，主要用于保证网络的稳定运行，使整个系统便于集中管理，且该平台支持图形化管理，为传感器的网络节点部署、节点管理、网络监控、网络安全提供更直观、更全面的管理方案。协调器在整个系统中同样起着至关重要的作用，主要用于接收网络管理平台即上位机发出的命令，开启网络，控制所有网络路由器、终端的动作，完成无线传感器网络向局域网的会聚，具有网关功能。路由器用于接收终端的传感信息，并与协调器交互，实现信息会聚，参与整个系统的组网、路由、数据转发等功能。
权利要求
1.一种基于统计优化的ZigBee层级路由组网方法，该网络包括协调器和节点路由器，包括下述步骤 (O为网络里每个设备增加一个层级属性，作为标识设备所在网络中的层次的属性D印th，默认值为Oxff，这个属性包含在设备发送的信标帧的载荷中作为标识；在协调器上电并成功组网后，发送层次为O的信标帧；之后其他路由设备入网，父节点为协调器的设备层级属性为1，其子节点层级属性为2，依次类推，网络最深层次为N，设备关联入网之后，修改Depth为当前所处层级； (2)所有设备成功组网后，每个设备维护一个转发计数的参数Count，默认值为0，每当设备转发一包数据，转发计数增一； (3)系统在一定时间到达之后执行路由维护，由处在最低层的设备D印th=N-l发送路由审核报文给父节点，且报文内容也包含其本身IEEE 64位的长地址，转发计数Count和所在层次D印th的信息； (4)Depth=N-2的设备收到所有子节点的审核报文后，内置自身的IEEE 64位长地址，再次转发计数Count和所在层次Depth的信息至上一级父节点； (5)Depth=N-3的设备收到所有子节点的审核报文后，选出转发计数最大的D印th=N_l的设备和转发计数最小的Depth=N-2的设备,将其Count值进行对比,如果Depth= N-1的设备在单维护周期转发数大于Depth= N-2的设备的转发数,则给Depth= N_1的这个设备发送层次提升报文，提升报文中主要内容是D印th=N-3的设备下所有子节点的转发计数Count的值升序排列表,表中最大值则为Depth=N-1设备的当前父节点，Depth=N-1的设备收到这个列表后主动查询DepthN-2设备层转发计数值列表，筛选出最小计数值的设备，并确认在其射频范围内有效，即可进行升级操作，反之，则继续尝试列表中下一个设备，直至父节点，若仍无法关联则取消升级操作；若关联成功，则给其发送层次降低报文，报文包含Depth=N-1设备的转发计数升序表，同理，Depth=N-2的设备收到降级报文后按照该流程执行降级操作； (6)在D印th=N-3的设备执行完以上流程后，在审核报文中删去D印th=N-l的设备信息，加上自身的IEEE长地址，转发计数Count和层次信息发给父节点； (7)Depth=N-4的设备同样执行D印th=N_3设备的路由维护流程调整路由路径直至Depth=I的设备，最终递归执行到协调器，至此，完成一次路由维护过程，每次维护结束后，Count值自动清零。
全文摘要
本发明公布了一种基于统计优化的ZigBee层级路由组网方法，该网络包括协调器和节点路由器，为每个设备增加一个层级属性，作为标识设备所在网络中的层次的属性Depth，所有设备成功组网后，每个设备维护一个转发计数的参数Count，上级节点根据下级节点的计数值调整该节点的层级。本发明方法可以实时统计路由数据负载量，按业务需求分配、调度路由，在室内定位系统中保证网络通信质量、可大规模部署。本发明旨在改变传感网组网方式和路由方式，实现组网方法优化，不改变网络硬件组成。本发明方法应用方便，准确度高，实用性强，可广泛应用于各种室内定位系统。
文档编号H04L12/701GK103051531SQ20121050865
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月3日 优先权日2012年12月3日
发明者饶若楠 申请人:无锡交大联云科技有限公司