一种无线传感器自组网方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线传感器自组网方法，采用自定义无线传感器网络组网协议，通过广播组网命令层层传递，在广播过程完成通信路径储存功能，完成组网功能，基于时钟同步技术，实现无线传感器网络整网的同时休眠同时唤醒，有效降低了无线传感器网络功耗。
【专利说明】一种无线传感器自组网方法
【技术领域】
[0001]本发明属于网络【技术领域】，尤其涉及一种无线传感器自组网方法。
【背景技术】
[0002]无线传感器网络(Wireless Sensor Network,简称WSN)是指由大量静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，广泛应用于对物体和环境进行监测和控制的信息系统中。
[0003]无线传感器网络基于微机电系统(英文Micro-Electro-Mechanism System,简称MEMS)、片上系统(英文System on Chip，简称SOC)、无线通信和低功耗嵌入式技术，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。
[0004]无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。潜在的应用领域可以归纳为:军事、航空、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。
[0005]无线传感器网络多采用五层协议标准:应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。其中数据链路层是被研究最多的一层，多媒体研究接入控制，原因在于无线传感器携带能量的局限性。媒体访问控制(英文Media Access Control,简称MAC)是数据链路层的底级组成部分，它定义在局域网上用载波监听多路访问冲突检测和在令牌环局域网上如何共享访问传输介质，是其中的一项重要协议。
[0006]目前无线传感器网络采用的底层通信协议，特别是MAC协议都是沿袭因特网及IEEE802.11协议的扩展技术。在这些通信协议中，仍然采用传统的载波侦听和基于随机退避机制的冲突避免方法作为底层的信道管理机制，而能量有效性则依赖于节点间协同的睡眠/唤醒机制。因此，除节点间的同步开销外，将节点间的通信限制在狭窄的通信窗口内不可避免的会增加冲突概率和无关的数据侦听。因此在低速率的、节点密集的无线传感器网络中采用这种传统技术并不能有效的缓解无线冲突、节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中，这种影响更为显著，从而进一步增加了系统的能量消耗。
[0007]
【发明内容】
[0008]为了解决现上述问题，本发明提供一种无线传感器自组网方法，它能够在低速率的、节点密集的无线传感网络中有效地缓解无线冲突、节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中影响更为显著，能极大的降低系统的能量消耗。
[0009]本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的: 一种无线传感器自组网方法，包括以下步骤:
(1)、在无线传感器网络中，选取一个节点作为网络协调器，网络协调器上电后，查看配置信息中网络配置信息是否已建立，如未建立，则启动自组网流程；
(2)、对网络进行时钟同步，时钟同步具体包括以下步骤:
(2a)、通过广播命令对网络中所有节点下发时钟同步指令；
(2b)、当所有节点收到时钟同步指令后，根据路径信息计算网络协调器至每个节点的传输延时；
(2c)、根据传输延时以及网络协调器的时钟设置所有节点的时钟，以此保证时钟同步，设置所有节点的休眠与唤醒的周期；
(3)、数据上、下行，在完成了无线传感器网络组网与时钟同步之后，当网络中的任一节点需要向网络协调器发送数据时，先从自身路径列表中找到自身在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上该节点最近的相邻节点，由该相邻节点将数据传输到网络协调器，当网络协调器需要向任一节点发送数据时，先从自身路径列表中找到节点在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上最近的相邻节点。。
[0010]进一步的，所述自组网流程包括以下步骤:
(la)、网络协调器发出广播报文；
(lb)、初始化无线传感器网络中节点网络深度值，网络协调器的无线覆盖范围内的节点收到广播报文后，各节点计算出自身在网络深中的深度值，若该值大于或等于初始化的自身网络深度值则不予处理，若小于则将收到网络深度值加I后保存为自身网络深度值，同时记录网络信号强度与路径信息，然后将路径信息传送给上一级节点，接下来再向下一级节点继续发送广播报文；
(lc)、无线传感器网络中节点接到下一级节点返回的路径信息后进行存储，并向上一级节点传送。
[0011]进一步的，所述传输延时为每级无线数据发送时间与每级数据跳转收发切换时间以及每级微控制器处理时间之和。
[0012]其中，所述节点由无线传感器构成，无线传感器包括微处理器、传感器接口电路、电源电路、射频通信电路、蓄电池、充电电路、太阳能电池板以及通信接口电路，所述传感器接口电路以及通信接口电路和微处理器相连，微处理器和电源电路以及射频通信电路相连，电源电路和蓄电池相连，蓄电池和充电电路相连，充电电路和太阳能电池板相连。
[0013]本发明所达到的有益效果是:1、本发明采用自定义无线传感器网络组网，避免了沿袭因特网及IEEE802.11协议，有效降低了网络协议部分开销，缓解无线冲突、降低功耗倉tfi。
[0014]2、使用时钟同步技术，实现无线传感器网络整网的同时休眠同时唤醒，避免了传统网络中无线中继无法休眠导致的功耗较大问题。
[0015]3、所有节点之间互为中继，当其中一个节点出现故障时，可以用其他节点作为中继完成数据传送。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明中无线传感器网络的结构示意图；
图2是本发明中网络协调器组网流程图；
图3是本发明中网络节点的组网流程图；
图4是本发明中无线传感器网络节点的电路结构框图。
[0017]
【具体实施方式】
[0018]为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步描述。
[0019]参照图1至图4，一种无线传感器自组网方法，包括以下步骤:
(I)、在无线传感器网络中，选取一个节点作为网络协调器，由该网络协调器对整个网络进行网络管理，数据管理以及路由管理，网络协调器上电后，查看配置信息中网络配置信息是否已建立，如未建立，则启动自组网流程，自组网流程具体包括以下步骤:
(la)、网络协调器发出广播报文，该报文内容包括帧头、命令码、包长度、目的ID、自身ID、网络深度值以及校验码。
[0020](lb)、初始化无线传感器网络中节点网络深度值，网络协调器的无线覆盖范围内的节点收到广播报文后，各节点计算出自身在网络深中的深度值，若该值大于或等于初始化的自身网络深度值则不予处理，若小于则将收到网络深度值加I后保存为自身网络深度值，同时记录网络信号强度与路径信息，然后将路径信息传送给上一级节点，接下来再向下一级节点继续发送广播报文；
(lc)、无线传感器网络中节点接到下一级节点返回的路径信息后进行存储，并向上一级节点传送。
[0021]其中，所述网络深度值为节点在网络中所处层级(即为第几级节点)，通过以上步骤网络中所有节点都建立了与该节点相关的路径信息，网络协调器保存了到所有节点的路径信息，从而实现了自动组网。
[0022](2)、对网络进行时钟同步，通过时钟同步实现无线传感器网络整网同时休眠同时唤醒的工作模式来降低功耗，时钟同步具体包括以下步骤:
(2a)、通过广播命令对网络中所有节点下发时钟同步指令；
(2b)、当所有节点收到时钟同步指令后，根据路径信息计算网络协调器至每个节点的传输延时，传输延时为每级无线数据发送时间与每级数据跳转收发切换时间以及每级节点的微控制器处理时间之和；
(2c)、根据传输延时以及网络协调器的时钟设置所有节点的时钟，以此保证时钟同步，设置所有节点的休眠与唤醒的周期；
(3)、数据上、下行，在完成了无线传感器网络组网与时钟同步之后，当网络中的任一节点需要向网络协调器发送数据时，先从自身路径列表中找到自身在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上该节点最近的相邻节点，由该相邻节点将数据传输到网络协调器，当网络协调器需要向任一节点发送数据时，先从自身路径列表中找到节点在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上最近的相邻节点。
[0023]所述节点由无线传感器构成，如图4所示，无线传感器包括微处理器1.1、传感器接口电路1.8、电源电路、射频通信电路1.6、蓄电池1.3、充电电路1.4、太阳能电池板1.5以及通信接口电路1.7，所述传感器接口电路1.8以及通信接口电路1.7和微处理器1.1相连，微处理器1.1和电源电路1.2以及射频通信电路1.6相连，电源电路1.2和蓄电池1.3相连，蓄电池1.3和充电电路1.4相连，充电电路1.4和太阳能电池板1.5相连。微处理器1.1选用STM32系列低功耗ARM处理器，内含128K字节FLASH存贮空间(用于存储程序、数据，并实现掉电保护)，其全速工作电流仅为470uA (2MHz)。电源电路1.2采用低压差线性稳压器件，提供处理器工作所需电源，并使用精密电压基准提供传感器测量电路中A/D芯片所需工作电压，蓄电池1.3根据现场使用需要选择不同容量的蓄电池；充电电路1.4提供太阳能电池板1.5接口，将太阳能电池板1.5输出的8?9.5V电压稳压到6.8V对蓄电池充电，射频通信电路1.6选用433M频率无线收发芯片，工作时，有效传输距离可达1.5km，通信接口电路1.7采用低功耗RS485收发芯片，其接收模式电流仅有1.6uA，用于本地调试，传感器接口电路1.8提供常用智能传感器的接口，包括I2C、SP1、SD1-12、RS485。
[0024]节点在不需要工作时，射频通信电路、传感器接口电路关断，并自动降低自身CPU的主频，从而降低待机功耗，在接收到通信指令时，再打开上述电路并恢复CPU的主频到较高工作频率，通信完毕后再次进入低功耗模式。
[0025]本发明使用简单的握手协议实现无线传感器网络的网络协议，网络中的节点之间互为中继，节点可以感知周围可视距离内所有节点，并且会根据信号强度选择最佳路径来进行数据传递，基于时钟同步技术实现整网同时休眠同时唤醒的工作模式来降低功耗。
[0026]上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种无线传感器自组网方法，其特征在于，包括以下步骤: 步骤(I)在无线传感器网络中，选取一个节点作为网络协调器，网络协调器上电后，查看配置信息中网络配置信息是否已建立，如未建立，则启动自组网流程； 步骤(2)对网络进行时钟同步，时钟同步具体包括以下步骤: (2a)通过广播命令对网络中所有节点下发时钟同步指令； (2b)当所有节点收到时钟同步指令后，根据路径信息计算网络协调器至每个节点的传输延时； (2c)根据传输延时以及网络协调器的时钟设置所有节点的时钟，以此保证时钟同步，设置所有节点的休眠与唤醒的周期； 步骤(3)数据上、下行，在完成了无线传感器网络组网与时钟同步之后，当网络中的任一节点需要向网络协调器发送数据时，先从自身路径列表中找到自身在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上该节点最近的相邻节点，由该相邻节点将数据传输到网络协调器，当网络协调器需要向任一节点发送数据时，先从自身路径列表中找到节点在网络中所处的位置，从而确定传输路径，将数据直接发送到传输路径上最近的相邻节点。
2.根据权利要求1所述的一种无线传感器自组网方法，其特征在于，所述自组网流程包括以下步骤: (Ia)网络协调器发出广播报文； (Ib)初始化无线传感器网络中节点网络深度值，网络协调器的无线覆盖范围内的节点收到广播报文后，各节点计算出自身在网络深中的深度值，若该值大于或等于初始化的自身网络深度值则不予处理，若小于则将收到网络深度值加I后保存为自身网络深度值，同时记录网络信号强度与路径信息，然后将路径信息传送给上一级节点，接下来再向下一级节点继续发送广播报文； (Ic)无线传感器网络中节点接到下一级节点返回的路径信息后进行存储，并向上一级节点传送。
3.根据权利要求1所述的一种无线传感器自组网方法，其特征在于，所述传输延时为每级无线数据发送时间与每级数据跳转收发切换时间以及每级节点的微处理器处理时间之和。
4.根据权利要求1所述的一种无线传感器自组网方法，其特征在于:所述节点由无线传感器构成，无线传感器包括微处理器、传感器接口电路、电源电路、射频通信电路、蓄电池、充电电路、太阳能电池板以及通信接口电路，所述传感器接口电路以及通信接口电路和微处理器相连，微处理器和电源电路以及射频通信电路相连，电源电路和蓄电池相连，蓄电池和充电电路相连，充电电路和太阳能电池板相连。
【文档编号】H04W52/02GK104394581SQ201410593788
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】李桂平, 华涛, 罗孝兵, 蓝彦, 熊光亚, 景波云, 郑水华 申请人:南京南瑞集团公司, 国网电力科学研究院