一种可穿戴无线传感网通信方法
【专利摘要】本发明提供了一种可穿戴无线传感网通信方法，所述可穿戴无线传感网的节点分为全功能节点和部分功能节点两类，全功能节点具有路由功能，部分功能节点不具有路由功能；全功能节点分为固定全功能节点和可移动全功能节点；可穿戴无线传感网包括路由骨干网和移动传感网两个部分，固定全功能节点构建成路由骨干网，通过接入路由器接入到互联网；所述移动传感网由一个以上可移动全功能节点和部分功能节点构成，其中，只有一个可移动全功能节点处于活跃状态，其他可移动全功能节点处于休眠状态，可移动全功能节点通过路由骨干网实现与互联网的通信；本发明应用于用户的健康检测等领域，例如能够将用户的物理参数传送给互联网进行检测从而实现实时抢救。
【专利说明】一种可穿戴无线传感网通信方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通信方法，尤其涉及的是一种可穿戴无线传感网通信方法。
【背景技术】
[0002]可穿戴无线传感网由于其实用性已经受到广泛关注，成为研究的热点。
[0003]可穿戴无线传感网中的节点之间通信通过中间节点的转发和路由来实现，每个节点必须配有具有唯一性的地址来实现通信，因此，实现可穿戴无线传感网络需要解决的关键技术之一就是地址自动配置问题。
[0004]目前的地址配置分为有状态地址配置和无状态地址配置两种形式,有状态地址配置方案采用服务器/客户端的通信方式分配地址，即节点向服务器提出申请地址的请求，然后由服务器统一为网络内的节点分配地址。由于可穿戴无线传感网络资源有限，很难担当服务器的角色，因此，有状态地址配置方案无法应用到可穿戴无线传感网络中。在无状态地址配置方案中，每个被分配的地址都需要在整个网络中进行重复地址检测以确保它的唯一性，导致了大量的控制包开销，消耗了大量的网络资源，因此也不适用于可穿戴无线传感网络使用。
[0005]因此针对可穿戴无线传感网络需要建立一种低开销的地址自动配置方案。
【发明内容】
[0006]发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种可穿戴无线传感网通信方法。
[0007]技术方案:本发明公开了一种可穿戴无线传感网通信方法，所述可穿戴无线传感网的节点分为全功能节点和部分功能节点两类，全功能节点具有路由功能，部分功能节点不具有路由功能；全功能节点分为固定全功能节点和可移动全功能节点；可穿戴无线传感网包括路由骨干网和移动传感网两个部分，固定全功能节点构建成路由骨干网，通过接入路由器接入到互联网；所述移动传感网由一个以上可移动全功能节点和部分功能节点构成，其中，只有一个可移动全功能节点处于活跃状态，其他可移动全功能节点处于休眠状态，可移动全功能节点通过路由骨干网实现与互联网的通信；一个移动传感网中的部分功能节点通过移动全功能节点与其他节点进行通信；移动传感网中每个节点携带η个用于感知和采集身体的物理参数的传感单元，η为大于等于I的正整数；
[0008]所述可穿戴无线传感网节点的IPv6地址由7部分组成，第一部分全局路由前缀，一个可穿戴无线传感网中所有节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同，其值等于所连接的接入路由器的全局路由前缀；第二部分为固定全功能节点ID，唯一标识一个固定全功能节点；第三部分为移动全功能节点ID，唯一标识一个移动全功能节点；第四部分为节点类型，该值为O时，表明是部分功能节点，该值为I时，表明为移动全功能节点；第五部分为传感单元数量，即一个节点所携带的传感单元总数；第六部分为物理参数ID集合，即一个节点所携带的所有传感单元所能感知的物理参数的集合，一种物理参数由一个物理参数ID来表示，物理参数ID预先设定，例如当物理参数ID长度为4比特时，例如，二进制OOOl代表心脏一分钟跳动的次数，二进制0010代表血压，等等；第七部分为内部ID，用于区分同一个移动传感网中第五部分和第六部分值都相同的部分功能节点；
[0009]其中，节点的IPv6地址的第二部分到第七部分构成节点的链路地址；
[0010]接入路由器的固定全功能节点ID、移动全功能节点ID、节点类型、传感单元数量以及物理参数ID都为0，内部ID为I ;固定全功能节点的移动全功能节点ID，节点类型、传感单元数量、物理参数ID以及内部ID都为O ;可移动全功能节点的移动全功能节点ID、节点类型、传感单元数量、物理参数ID都不为O,内部ID为O ;部分功能节点的节点类型为O,固定全功能节点ID、移动全功能节点ID、传感单元数量以及物理参数ID不为0，内部ID为O或者正整数；
[0011]固定全功能节点遍布整个路由骨干网，固定全功能节点ID的比特长度值由路由骨干网的面积决定，即固定全功能节点能够覆盖整个网络区域，假设网络面积为S，那么固
定全功能节点ID的比特长度i应满足下述不等式i>其中r为节点传输半径。
移动全功能节点ID的比特长度由用户数量决定，例如移动全功能节点ID的比特长度为j，用户数量为k，那么要满足j>ek，其中e为的比例系数，为正整数；所有节点第四部分节点类型的比特长度为I ;传感单元数量由一个节点携带的传感单元数量来确定；物理参数ID集合的比特长度由传感单元数量和提供的物理参数ID的比特长度来确定，假设物理参数ID集合的比特长度为al，传感单元数量a2，物理参数ID比特长度为a3，那么必须满足al ^ a2 *a3 ;由于一个移动传感网中第五部分和第六部分值都相同的部分功能节点的数量有限，因此内部ID的长度可以设置很小；考虑一般性和可读性，将固定全功能节点ID和移动全功能节点ID设置为16，一个节点携带的传感单元数量小于等于6，传感单元数量的比特长度设置为3，传感单元能够检测的物理参数为15种，每种物理参数由一个物理参数ID表示，一个物理参数ID的比特长度设定为4，物理参数ID集合的比特长度为24，在物理参数ID集合中，物理参数ID从小到大依次排序，例如，二进制0001代表心脏一分钟跳动的次数，二进制0010代表血压，等等。
[0012]接入路由器的地址预先设定，即全局路由前缀不为0，内部ID为I ;固定全功能节点从接入路由器或者已配置地址的固定全功能节点获取地址，可移动全功能节点从已配置固定全功能节点或者已配置地址的移动全功能节点获取地址；部分功能节点从所在移动传感网络的移动全功能节点获取地址；
[0013]接入路由器保存一个固定全功能节点ID分配表,用于记录分配的固定全功能节点ID空间，每个表项包括两个域，分配的固定全功能节点ID空间的上限和下限；全功能节点保存一个移动全功能节点ID分配表，用于记录分配的移动全功能节点ID空间，每个表项包括三个域，分配的移动全功能节点ID空间的上限和下限，以及生命周期；
[0014]接入路由器，固定全功能节点，移动全功能节点以及部分功能节点配置地址后，在一跳范围定期广播类型为O的信标帧； [0015]信标帧负载的前四个比特定义了信标帧类型，如下表所示:
[0016]
【权利要求】
1.一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，所述可穿戴无线传感网的节点分为全功能节点和部分功能节点两类，全功能节点具有路由功能，部分功能节点不具有路由功能；全功能节点分为固定全功能节点和可移动全功能节点；可穿戴无线传感网包括路由骨干网和移动传感网两个部分，固定全功能节点构建成路由骨干网，通过接入路由器接入到互联网；所述移动传感网由一个以上可移动全功能节点和部分功能节点构成，其中，只有一个可移动全功能节点处于活跃状态，其他可移动全功能节点处于休眠状态，可移动全功能节点通过路由骨 干网实现与互联网的通信；一个移动传感网中的部分功能节点通过移动全功能节点与其他节点进行通信；移动传感网中每个节点携带η个用于感知和采集身体的物理参数的传感单元，η为大于等于I的正整数； 所述可穿戴无线传感网节点的IPv6地址由7部分组成，第一部分全局路由前缀，一个可穿戴无线传感网中所有节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同，其值等于所连接的接入路由器的全局路由前缀；第二部分为固定全功能节点ID，唯一标识一个固定全功能节点；第三部分为移动全功能节点ID，唯一标识一个移动全功能节点；第四部分为节点类型，该值为O时，表明是部分功能节点，该值为I时，表明为移动全功能节点；第五部分为传感单元数量，即一个节点所携带的传感单元总数；第六部分为物理参数ID集合，即一个节点所携带的所有传感单元所能感知的物理参数的集合，一种物理参数由一个物理参数ID来表示，物理参数ID预先设定；第七部分为内部ID，用于区分同一个移动传感网中第五部分和第六部分值都相同的部分功能节点； 其中，节点的IPv6地址的第二部分到第七部分构成节点的链路地址； 接入路由器的固定全功能节点ID、移动全功能节点ID、节点类型、传感单元数量以及物理参数ID都为O，内部ID为I ;固定全功能节点的移动全功能节点ID，节点类型、传感单元数量、物理参数ID以及内部ID都为O ;可移动全功能节点的移动全功能节点ID、节点类型、传感单元数量、物理参数ID都不为O，内部ID为O ;部分功能节点的节点类型为O，固定全功能节点ID、移动全功能节点ID、传感单元数量以及物理参数ID不为O，内部ID为O或者正整数； 固定全功能节点遍布整个路由骨干网，固定全功能节点ID的比特长度值由路由骨干网的面积决定，移动全功能节点ID的比特长度由用户数量决定；所有节点第四部分节点类型的比特长度为I ;传感单元数量由一个节点携带的传感单元数量来确定；物理参数ID集合的比特长度由传感单元数量和提供的物理参数ID的比特长度来确定；固定全功能节点ID和移动全功能节点ID设置为16，一个节点携带的传感单元数量小于等于6，传感单元数量的比特长度设置为3，传感单元能够检测的物理参数为15种，每种物理参数由一个物理参数ID表示，一个物理参数ID的比特长度设定为4，物理参数ID集合的比特长度为24，在物理参数ID集合中，物理参数ID从小到大依次排序； 接入路由器的地址预先设定，固定全功能节点从接入路由器或者已配置地址的固定全功能节点获取地址，可移动全功能节点从已配置固定全功能节点或者已配置地址的移动全功能节点获取地址；部分功能节点从所在移动传感网络的移动全功能节点获取地址； 接入路由器保存一个固定全功能节点ID分配表，用于记录分配的固定全功能节点ID空间，每个表项包括两个域，分配的固定全功能节点ID空间的上限和下限；全功能节点保存一个移动全功能节点ID分配表，用于记录分配的移动全功能节点ID空间，每个表项包括三个域，分配的移动全功能节点ID空间的上限和下限，以及生命周期； 接入路由器，固定全功能节点，移动全功能节点以及部分功能节点配置地址后，在一跳范围定期广播类型为O的信标帧； 信标帧负载的前四个比特定义了信标帧类型，如下表所示:
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，固定全功能节点X启动后，侦听邻居接入路由器或者已配置固定全功能节点广播的类型为O的信标帧；固定全功能节点X选择固定全功能节点ID长度最大的邻居已配置接入路由器或者邻居已配置邻居固定全功能节点获取地址，并建立临时的IPv6地址以及临时链路地址，其中，全局路由前缀为邻居已配置接入路由器或者邻居已配置固定全功能节点的全局路由前缀，固定全功能节点ID为自己的硬件ID ； 固定全功能节点X从邻居已配置接入路由器ARl获取地址的过程为:步骤101:开始； 步骤102:固定全功能节点X向接入路由器ARl发送类型为I的信标帧，消息源地址为临时链路地址； 步骤103:接入路由器ARl收到类型为I的信标帧后，选择没有分配的固定全功能节点ID空间[L，U]，L和U为正整数，且L〈U，然后向固定全功能节点X返回一个类型为2的信标帧，该类型为2的信标帧负载为固定全功能节点ID的下限L和上限U，最后在固定全功能节点ID分配表中增加一条表项，表项中分配的固定全功能节点ID空间的上限为U，下限为L ； 步骤104:固定全功能节点X收到类型为2的信标帧后，将L作为自己的固定全功能节点ID，将[L+1，U]作为自己的固定全功能节点ID可分配空间，全局路由前缀不变； 步骤105:固定全功能节点X获取IPv6地址； 步骤106:结束； 假设已配置固定全功能节点X的固定全功能节点ID可分配空间[L，U]，那么固定全功能节点Y从邻居已配置固定全功能节点X获取地址的过程为: 步骤201:开始； 步骤202:固定全功能节点Y向固定全功能节点X发送类型为I的信标帧，消息源地址为临时链路地址； 步骤203:固定全功能节点X收到类型为I的信标帧后，向固定全功能节点Y返回一个类型为2的信标帧，该类型为2的负载为固定全功能节点ID的下限「(KU和上限U，然后固定全功能节点X将自己的固定全功能节点ID可分配空间更新为f(I + C/)/2]-l|； 步骤204:固定全功能节点Y收到类型为2的信标帧后，将「α + ?/)/2?作为自己的固定全功能节点ID,全局路由前缀不变,将[「(i+f/)/2l+l，叼作为自己的固定全功能节点ID可分配空间； 步骤205:固定全功能节点Y获取了 IPv6地址； 步骤206:结束。
3.根据权利要求2所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，移动全功能节点启动后，侦听邻居已配置固定全功能节点或者邻居已配置移动全功能节点广播的类型为O的信标帧，然后选择移动全功能节点ID长度最大的邻居已配置固定全功能节点或者已配置移动全功能节点获取地址，并建立临时的IPv6地址，其中，全局路由前缀和固定全功能节点ID为邻居已配置固定全功能节点或者邻居已配置移动全功能节点的全局路由前缀和固定全功能节点ID，移动全功能节点ID为自己的硬件ID ； 移动全功能节点Z从邻居已配置固定全功能节点Y获取移动全功能节点ID的过程为: 步骤301:开始； 步骤302:移动全功能节点Z向固定全功能节点Y发送类型为3的信标帧，消息源地址为临时链路地址； 步骤303:固定全功能节点Y收到类型为3的信标帧后，选择没有分配的移动全功能节点ID空间[L，U]，L和U为正整数，且L〈U，然后向移动全功能节点Z返回一个类型为4的信标帧，该类型为4的信标帧负载为可分配的移动全功能节点ID的下限L和上限U，最后在移动全功能节点ID分配表中增加一条表项，分配的移动全功能节点ID空间的上限为U,分配的 移动全功能节点ID空间的下限为L ； 步骤304:移动全功能节点Z收到类型为4的信标帧后，将L作为自己的移动全功能节点ID，全局网络前缀和固定全功能节点ID不变，节点类型为0，然后将[L+1，U]作为自己的移动全功能节点ID可分配空间； 步骤305:移动全功能节点Z获取了移动全功能节点ID ； 步骤306:结束； 假设移动全功能节点Z的移动全功能节点ID可分配空间为[L，U]，移动全功能节点M从邻居已配置移动全功能节点Z获取移动全功能节点ID的过程为: 步骤401:开始； 步骤402:移动全功能节点M向移动全功能节点Z发送类型为3的信标帧，消息源地址为临时链路地址；步骤403:移动全功能节点Z收到类型为3的信标帧后，向移动全功能节点M返回一个类型为4的信标帧，该类型为4的信标帧负载为可分配的移动全功能节点ID的下限和上限U，然后移动全功能节点Z将自己的移动全功能节点ID可分配空间更新为[I，「詞 步骤404:移动全功能节点M收到类型为4的信标帧后，将「(i+i/)/2I作为自己的移动全功能节点ID，全局路由前缀和固定全功能节点ID不变，节点类型为O,将[「(i+t/)/2l+l，U]作为自己的移动全功能节点ID可分配空间； 步骤405:移动全功能节点M获得了移动全功能节点ID ； 步骤406:结束； 移动全功能节点Z或者移动全功能节点M获取移动全功能节点ID之后，将地址中的传感单元数量设定为自己所携带的传感单元数量，物理参数ID集合设定为每种传感单元感知的物理参数的ID值，所述物理参数ID值按照升序排列，然后广播为O的信标帧；移动传感网络中其他的移动全功能节点收到已配置移动全功能节点广播的信标帧后，转入休眠状态。
4.根据权利要求2所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，在网络初始化时，部分功能节点启动后，侦听邻居已配置移动全功能节点广播类型为O的信标帧，部分功能节点选择信号最强的邻居已配置移动全功能节点，并获取该邻居已配置移动全功能节点的全局路由前缀、固定全功能节点ID以及移动全功能节点ID，同时将节点类型设置为1，然后将地址中的传感单元数量设定为自己所携带的传感单元数量，物理参数ID集合设定为每种传感单元感知的物理参数的ID值，物理参数ID按照升序排列，内部ID为O ; 如果一个移动传感网络中有两个以上的部分功能节点携带的传感单元数量以及每个传感单元感知的物理参数相同，采用内部ID来区分所述部分功能节点的地址；移动传感网络中所有节点互为邻居节点，这些节点能够收到彼此的信标帧； 当一个部分功能节点R3获取IPv6地址后，它广播类型为O的信标帧，相同移动传感网络中的部分功能节点R4接收到该信标帧后，对比自己的链路地址和信标帧中的源地址，如果这两个地址中的传感单元数量和物理参数ID集合都相同，部分功能节点R4则更新自己的内部ID，更新算法为:假设部分功能节点R3的地址的内部ID为e，那么部分功能节点R4将内部ID设置为e+Ι，广播类型为O的信标帧；相同移动传感网络中的所有部分功能节点重复上述过程，直到所有部分功能节点都发送了类型为O的信标帧为止。
5.根据权利要求2所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，网络初始化之后，如果新的部分功能节点加入移动传感网络，则侦听邻居已配置移动全功能节点广播的类型为O的信标帧；新的部分功能节点选择信号最强的邻居已配置移动全功能节点，获取该邻居已配置移动全功能节点的全局路由前缀、固定全功能节点ID以及移动全功能节点ID，同时将节点类型设置为1，然后将地址中的传感单元数量设定为自己所携带的传感单元数量，物理参数ID集合设定为每种传感单元感知的物理参数ID值,所述物理参数ID按照升序排列，内部ID为O ; 新的部分功能节点开始侦听同一个移动传感网络中的部分功能节点的信标帧，并对比自己的链路地址和信标帧中的源地址，如果这两个地址中的传感单元数量和物理参数ID集合都相同，则记录下该信标帧源地址的内部ID ;重复上述过程，直到移动传感网络中所有的部分功能节点都发送了信标帧为止； 新的部分功能节点记录下所有与自己传感单元数量和物理参数ID集合都相同的节点的内部ID，然后选择一个最小的未分配内部ID作为自己的内部ID，最终获取了具有唯一性的IPv6地址。
6.根据权 利要求2所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，接入路由器定期发起回收固定全功能节点ID的操作从而确保新的固定全功能节点加入网络时有足够的固定全功能节点ID可供分配； 接入路由器ARl回收固定全功能节点ID的步骤如下: 步骤501:开始； 步骤502:接入路由器ARl清空固定全功能节点ID分配表，然后广播类型5的信标帧；步骤503:具有相同全局路由前缀且固定全功能节点ID为L的固定全功能节点收到类型5的信标帧后，向接入路由器ARl返回类型6的信标帧，类型6的信标帧帧负载为可供分配的固定全功能节点ID的上限U，然后向邻居节点转发类型5的信标帧； 步骤504:接入路由器ARl收到固定全功能节点类型为6的信标帧后，在固定全功能节点ID分配表中增加一个表项，表项的上限为U，下限为L ； 步骤505:重复步骤503和步骤504，直到所有与接入路由器ARl具有相同全局路由前缀的固定全功能节点返回类型为6的信标帧为止； 步骤506:接入路由器ARl检查固定全功能节点ID分配表中的任意两个表项El和E2，假设El的上限为U1，下限为LI，E2的上限为U2，下限为L2 ； 步骤507:接入路由器ARl判断LI是否等于U2+1，如果是，则执行步骤508，否则执行步骤509 ； 步骤508:接入路由器ARl将表项El的下限更新为L2，并删除表项E2 ； 步骤509:接入路由器ARl判断L2是否等于U1+1，如果是，则执行步骤510，否则执行步骤511 ； 步骤510:接入路由器ARl将表项E2的下限更新为LI，并删除表项El ； 步骤511:结束。
7.根据权利要求2所述的一种可穿戴无线传感网通信方法，其特征在于，移动全功能节点ID为L的移动全功能节点定期向具有相同全局路由前缀和固定全功能节点ID的固定全功能节点发送类型为7的信标帧，帧负载为可分配移动全功能节点ID上限U ； 固定全功能节点回收移动全功能节点的移动全功能节点ID的过程为: 步骤601:开始； 步骤602:固定全功能节点收到移动全功能节点类型为7的信标帧后，向该移动全功能节点返回类型为8的信标帧； 步骤603:固定全功能节点检查移动全功能节点ID分配表的任一个表项El，并比较任一个表项El的上限Ul和下限LI与L和U的关系； 步骤604:固定全功能节点判断是否L1〈L并且U1>U，如果是进行步骤605，否则进行步骤 606 ； 步骤605:固定全功能节点增加两个新表项E2和E3，其中表项E2的上限为U，下限为L，生命周期设置为最大，表项E3的下限为U+1，上限为U1，将表项El的上限设置为L-1，其中，表项El和E3的生命周期为原来的生命周期； 步骤606:固定全功能节点判断是否LI等于L并且Ul大于U，如果是进行步骤607，否则进行步骤608 ； 步骤607:固定全 功能节点增加表项E4，表项E4的上限为U，下限为L，生命周期设置为最大，将表项El的下限设置为U+l，El的生命周期为原来的生命周期； 步骤608:固定全功能节点判断是否LI小于L并且Ul等于U，如果是进行步骤609，否则进行步骤610 ； 步骤609:固定全功能节点增加表项E5，表项E5的上限为U，下限为L，生命周期设置为最大，将表项El的上限设置为L-1，生命周期为原来的生命周期； 步骤610:固定全功能节点判断是否LI等于L并且Ul等于U，如果是进行步骤611，否则进行步骤612 ； 步骤611:固定全功能节点将表项El的生命周期设置为最大； 步骤612:固定全功能节点检测移动全功能节点ID分配表中的所有表项，判断生命周期是否为0，如果是，进行步骤613 ;否则进行步骤614 ； 步骤613:固定全功能节点删除生命周期为O的表项； 步骤614:结束； 如果移动全功能节点没有收到固定全功能节点返回的类型为8的信标帧，则认为该固定全功能节点失效，并重新申请IPv6地址；移动全功能节点申请新的地址后，广播类型为O的信标帧，移动传感网络中的部分功能节点收到该信标帧后，将全局路由前缀、固定全功能节点ID以及移动全功能节点ID更新为移动全功能节点的新地址的全局路由前缀、固定全功能节点ID以及移动全功能节点ID ； 如果部分功能节点在规定时间内没有收到所在移动传感网络中的移动全功能节点发送的信标帧，则认为移动全功能节点失效；此时，部分功能节点激活处于休眠状态的移动全功能节点，并广播类型为9的信标帧，类型为9的信标帧负载为失效移动全功能节点的IPv6地址以及可供分配移动全功能节点ID空间；被激活的移动全功能节点收到类型为9的信标帧后，采用帧负载中的IPv6地址作为自己的IPv6地址，可供分配的移动全功能节点ID空间设置为负载中的可供分配空间； 部分功能节点采用传感节点数量和物理参数ID集合实现地址配置，不回收失效的部分功能节点的地 址空间。
【文档编号】H04L29/12GK103986799SQ201410203354
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】王晓喃 申请人:常熟理工学院