一种无线传感器网络的大数据传输方法与流程

本发明涉及无线网络数据传输领域，特别涉及一种应用于无线传感器网络传输突发大数据的低功耗无线网络传输方法。

背景技术：

随着社会的发展和知识体系的进步，物联网(Internet of Things，IoT)掀起了新一代信息技术的热潮，未来拥有巨大的应用前景和商业价值。其中，无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是物联网中的一个重要组成部分，利用无线传感器网络，可以实现远距离的数据采集、监测、检测以及控制等操作。无线传感器网络在环境感知与监测、无线定位与跟踪、医疗监护以及智能家居等领域都展现出了广泛的应用前景。因此，作为物联网核心关键技术的无线传感器网络也必将成为研究和开发的重点技术之一。

无线传感器网络协议是无线传感器网络的基础，负责组建、维护、管理无线传感器网络的正常运行和工作。当前无线传感器网络所采用的协议如Zigbee、WirelessHart、WIA-PA等，都没有形成如蓝牙、Wi-Fi一样的标准化以及大规模的商业应用，因此该领域依然是处于行业初期的摸索和产业标准化制定的阶段。

基于上述情况可以预见，私有化的网络协议依然是现阶段WSN的重要组成部分，而且还会存在较长的一段时间。

现有大多数无线传感器网络中，各个设备一直处于工作状态，从而导致整个网络的功耗很大。而对于无线传感器网络来说，因为使用环境的限制，往往终端设备如传感器不能采用拉电线的方式进行供电，而是通过安装电池进行供电，而因为使用环境的限制，很多时候更换电池具有很大的困难，甚至不能进行电池的更换，这就造成了能量过度无效消耗的问题。因此，对于无线传感器网络的使用寿命来说，减少能量的过度消耗是非常重要的研究课题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种无线传感器网络的大数据传输方法，以降低无线传感器网络的功耗，延长无线传感器网络的使用时间。

本申请的技术方案是这样实现的：

一种无线传感器网络的大数据传输方法，其中，所述无线传感器网络包括传感器节点和网络管理器，所述方法包括：

当所述传感器节点需要发送大数据时，发出长时隙占用请求帧；

所述网络管理器收到所述长时隙占用请求帧后，将所述传感器节点可占用的长时隙分配给所述传感器节点占用，并发出长时隙配置通信帧；

所述传感器节点接收到所述长时隙配置通信帧后，在进入其可占用的长时隙中时进入数据传输模式以发送所述大数据，在离开其可占用的长时隙中时，所述传感器节点进入休眠模式。

进一步，所述传感器节点，在其固有通信时隙中发出所述长时隙占用请求帧和接收所述长时隙配置通信帧；

其中，

所述传感器节点若处于固有通信时隙或者可占用的长时隙中，则所述传感器节点处于数据传输模式，否则，所述传感器节点处于休眠模式。

进一步，所述无线传感器网络进一步包括：位于网络管理器和传感器节点之间的至少一级中继器，所述传感器节点和网络管理器之间通过所述至少一级中继器通信；其中，

所述中继器从所述传感器节点收到所述长时隙占用请求帧后，将所述长时隙占用请求帧转发给其上一级设备；

所述中继器收到所述长时隙配置通信帧后，将所述传感器节点可占用的长时隙分配给所述传感器节点占用，并将所述长时隙配置通信帧转发给其下一级设备；

所述中继器在所述传感器节点可占用的长时隙中接收所述大数据，并将所述大数据转发给其上一级设备；

其中，所述上一级设备为上一级中继器或者网络管理器，所述下一级设备为下一级中继器或者传感器节点。

进一步，所述中继器，在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述长时隙占用请求帧和所述长时隙配置通信帧；

其中，所述中继器若处于所述传感器节点的固有通信时隙或者所述传感器节点的可占用的长时隙中，则所述中继器处于数据传输模式，否则，所述中继器处于休眠模式。

进一步，所述网络管理器收到所述长时隙占用请求帧后，如果没有可分配给所述传感器节点占用的长时隙，则发送请求失败状态帧；

所述传感器节点如果收到请求失败状态帧，则等待预定时间后，再次发出所述长时隙占用请求帧；

其中，所述请求失败状态帧在所述传感器节点的固有通信时隙中发送。

进一步，当发送大数据完成后，所述传感器节点释放所述长时隙，并在所述传感器节点的固有通信时隙中发出释放长时隙状态帧。

进一步，当所述传感器节点可占用的长时隙的空闲时间达到预设时间或者收到释放长时隙状态帧时，所述网络管理器将所述传感器节点所占用的长时隙回收。

进一步，当收到释放长时隙状态帧时，所述中继器将所述传感器节点所占用的长时隙释放，并将所述释放长时隙状态帧转发给其上一级设备；

当所述传感器节点可占用的长时隙的空闲时间达到预设时间时，所述中继器释放分配给所述终端设备占用的长时隙；

其中，所述中继器在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述释放长时隙状态帧。

进一步，若所述中继器收到上一级设备发送来的请求失败状态帧，则将所述请求失败状态帧转发给下一级设备；

其中所述中继器在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述请求失败状态帧。

进一步，所述长时隙为在所述的无线传感器网络的常规通信时隙中分配的一段时隙。

从上述方案可以看出，本发明的大数据低功耗的无线网络传输方法，当传感器节点需要发送大数据时，发出请求，由网络管理器分配其可以占用的长时隙，进而实现了无线传感器网络资源的动态分配，利用空余时隙资源为传感器节点的大数据的快速上传提供了快速通道，同时，所述传感器节点仅在其固有通信时隙以及其可占用的长时隙中处于数据传输模式，否则，处于休眠模式，因此使得传感器节点不必一直处于工作状态，降低了整个传感器网络的功耗，对于传感器节点以及中继器需要电池供电的传感器网络来说，在不进行电池更换的情况下，延长了传感器网络的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例中信标广播帧的信标周期示意图；

图2为本发明实施例中每个信标周期的时隙分配示意图；

图3为本发明实施例的大数据低功耗的无线网络传输方法流程图；

图4为本发明实施例中传感器节点的执行流程示意图；

图5为本发明实施例中网络管理器的执行流程示意图；

图6为本发明实施例中中继器的执行流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。

本发明的实施例中，所使用的网络为基于信标(Beacon)广播帧的无线网络，采用时分复用(Time Division Multiple Access，TDMA)技术。

本发明实施例所使用的无线传感器网络中，有三种设备：网络管理器(Network Manager，NM)、中继器(Repeater，RP)和传感器节点。

其中，网络管理器为必选设备，负责整个网络的维持和管理。中继器为可选设备，其负责数据的中继传输，用于扩展无线通信距离时使用。传感器节点为终端设备(End Device，ED)，执行数据采集、监测、检测、控制等操作。

本发明实施例可适用的网络拓扑结构可包括星型网络、树形网络和链状网络等。其中，星型网络可由网络管理器和传感器节点组成，树形网络和链状网络可由网络管理器、中继器和传感器节点组成。这些网络拓扑结构中均采用了网络管理器、中继器和终端设备，因此，依据本发明实施例的说明以在网络管理器、中继器和终端设备执行本发明实施例的方法，即可实现各种网络拓扑结构中的大数据低功耗的无线网络数据传输。

本发明实施例，采用TDMA技术，在Beacon广播时进行时间同步，本发明的一个实施例中设置Beacon接收的时间约为2毫秒，广播周期例如1秒，这种设置能够使得本发明实施例的无线传感器网络的功耗仅为传统接收常开网络的1/500(Max)。因此，采用本发明实施例的方法，可以减少大数据无线网络传输的功耗，延长无线传感器网络的使用时间。当然，广播周期可以更长或者更短，例如可设置100ms、125ms、150ms、200ms、500ms、1s等等。

由于TDMA模式的限制，通信的时隙不能分配的过多(一般情况下，每个传感器节点分配1单位长度的时隙)，尤其是在需要中继扩展距离的网络中。

在实际的应用场景中，无线传感器网络普遍存在这样一种情况：传感器节点在大部分时间内处于低功耗工作状态(如每30分钟甚至更长时间采集并发送一包特征值数据)，在累积一定时间或者在特征值采集达到了触发阈值之后，发送一个较大的完整数据包，该较大的完整数据包中包括例如一段时间内采集的加速度数据、应变数据、压力数据、温度数据等。简言之，某个传感器节点在某一特定时间段内需要发送突发的大数据。

对于传感器节点来说，采集数据时的功耗非常低，而数据发送的功耗很高，传感器节点的能量大多数消耗于数据传输中。

可见，大数据的传输和低功耗的要求之间存在矛盾，因此，需要在这之间寻求平衡，以实现既能发送大数据，又将功耗限制于低水平。

因此，本发明实施例提供了一种动态长时隙(Dynamic Long Timeslot，DLTS)的解决方法。

本发明实施例中，DLTS在终端设备需要发送突发大数据时使用：由传感器节点发起申请，网络管理器将可用的时隙及长度回复给传感器节点。突发数据传输完成后，传感器节点释放所申请的长时隙，网络管理器将长时隙收回。中继器在此过程中，不仅完成转发数据的基本功能，还需要解析相应的命令，动态的打开相应长时隙。网络管理器、传感器节点、中继器在监测到长时隙空闲达到一定时间后(如1分钟)，则自动释放长时隙，以应对通信不畅或者设备意外关闭等不能正常释放的情况，最终达到低功耗的目的。

本发明实施例中基于信标广播帧，信标周期示意图如图1所示，而每个信标周期的时隙分配示例如图2所示，图2中，A为信标广播帧时隙，时隙长度为1；B为设备接入时隙，时隙长度为n；C为应答时隙，时隙长度为m；D为可用于分配给设备通信的时隙，时隙长度为k。其中，时隙的长度关系为：k＞m≥n>1。需要说明的是，A的时隙长度为1，其中1表示单位长度，k、m、n均以该单位长度为参考。k即是可分配给终端设备占用的时隙，k的时隙长度可分配给若干个终端设备使用，每个终端设备可占用k中的某一个时隙(需要依据网络管理器的配置占用)。

如图3所示，本发明实施例的无线传感器网络的大数据传输方法，包括：

当所述传感器节点需要发送大数据时，发出长时隙占用请求帧；

所述网络管理器收到所述长时隙占用请求帧后，将所述传感器节点可占用的长时隙分配给所述传感器节点占用，并发出长时隙配置通信帧；

所述传感器节点接收到所述长时隙配置通信帧后，在进入其可占用的长时隙中时进入数据传输模式以发送所述大数据，在离开其可占用的长时隙中时，所述传感器节点进入休眠模式；

所述网络管理器在所述传感器节点可占用的长时隙中接收所述大数据。

其中，所述传感器节点，在其固有通信时隙中发出所述长时隙占用请求帧和接收所述长时隙配置通信帧；所述传感器节点若处于固有通信时隙或者可占用的长时隙中，则所述传感器节点处于数据传输模式，否则，所述传感器节点处于休眠模式。在休眠模式，所述传感器节点仅进行数据采集工作，休眠模式是针对数据传输而言，数据传输模式需要大功耗，而不进行数据传输时，传感器节点的数据发送部分进入休眠模式可节省数据传输模式的功耗，而数据采集工作的功耗非常小，在休眠模式中可以进行。这样，可使得传感器节点能够在休眠模式节省功耗，延长其使用寿命。其中，固有通信时隙是指，在一个广播周期内，网络管理器分别分配给每个传感器节点各自占用的通信时隙，对于无线传感器网络中的每一个传感器节点来说，在一个广播周期内，均有一个其所占用的通信时隙，该通信时隙用来进行该传感器节点在该广播周期内的数据通信，本申请中将该通信时隙称为固有通信时隙。

通常的网络配置中，中继器作为远距离数据传输的中间站，是必不可少的，因此，本发明实施例中，所述无线传感器网络进一步包括：位于网络管理器和传感器节点之间的至少一级中继器，所述传感器节点和网络管理器之间通过所述至少一级中继器通信；其中，所述中继器从所述传感器节点收到所述长时隙占用请求帧后，将所述长时隙占用请求帧转发给其上一级设备；所述中继器收到所述长时隙配置通信帧后，将所述传感器节点可占用的长时隙分配给所述传感器节点占用，并将所述长时隙配置通信帧转发给其下一级设备；所述中继器在所述传感器节点可占用的长时隙中接收所述大数据，并将所述大数据转发给其上一级设备；其中，所述上一级设备为上一级中继器或者网络管理器，所述下一级设备为下一级中继器或者传感器节点。

所述中继器，在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述长时隙占用请求帧和所述长时隙配置通信帧；其中，所述中继器若处于所述传感器节点的固有通信时隙或者所述传感器节点的可占用的长时隙中，则所述中继器处于数据传输模式，否则，所述中继器处于休眠模式。可见本发明实施例中，中继器可随同传感器节点进入休眠模式以节省功耗，延长其使用寿命。

在实际使用中，可能存在网络管理器没有可分配的长时隙的情况，在这种情况下：所述网络管理器收到所述长时隙占用请求帧后，如果没有可分配给所述传感器节点占用的长时隙，则发送请求失败状态帧；所述传感器节点如果收到请求失败状态帧，则等待预定时间后，再次发出所述长时隙占用请求帧；其中，所述请求失败状态帧在所述传感器节点的固有通信时隙中发送。进而通过该过程实现传感器节点对长时隙的自动请求，避免大数据始终无法发送的问题。

本发明实施例中，当发送大数据完成后，所述传感器节点释放所述长时隙，并在所述传感器节点的固有通信时隙中发出释放长时隙状态帧。

当所述传感器节点可占用的长时隙的空闲时间达到预设时间或者收到释放长时隙状态帧时，所述网络管理器将所述传感器节点所占用的长时隙回收。进而便于网络管理器能够为后来的传感器节点请求分配长时隙。

对于中继器来讲，当收到释放长时隙状态帧时，所述中继器将所述传感器节点所占用的长时隙释放，并将所述释放长时隙状态帧转发给其上一级设备；当所述传感器节点可占用的长时隙的空闲时间达到预设时间时，所述中继器释放分配给所述终端设备占用的长时隙；其中，所述中继器在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述释放长时隙状态帧。若所述中继器收到上一级设备发送来的请求失败状态帧，则将所述请求失败状态帧转发给下一级设备；其中所述中继器在所述传感器节点的固有通信时隙中接收并转发所述请求失败状态帧。进而实现了中继器与传感器节点在大数据发送时占用时隙的一致，为大数据的转发提供了通路。

本发明实施例中，所述长时隙为在所述的无线传感器网络的常规通信时隙中分配的一段时隙。

以下，结合一个具体过程，对本发明的方法进行介绍。

举例说明，整个无线传感器网络中共有p个(当然可以更多或者更少)传感器节点。

本实施例中，因此网络管理器需要发送广播帧，并且监控整个无线传感器网络中各个传感器节点、中继器的状态，并且对网络进行配置，因此网络管理器始终处于工作状态，即一直不休眠，例如每隔1S(秒)发送一次广播帧。

参照图2所示，在每个广播周期中，在可用于分配给设备通信的时隙D中，分配每个传感器节点各一个固有通信时隙，共计分配p个固有通信时隙，分别对应于第一传感器节点、第二传感器节点……第p传感器节点，除了这p个固有通信时隙外，可用于分配给设备通信的时隙D中还具有空闲的未分配时隙，本发明实施例的长时隙就在该未分配时隙中。

在每个信标周期中，在信标广播帧时隙A(设单位为1)处，网络管理器发出广播帧，其中，携带有时间戳，在时隙A，所有p个传感器节点均进入数据传输模式，此时所有p个传感器节均接收该广播帧，根据其所携带的时间戳进行时间校正。之后，所有p个传感器节点进入休眠模式采集数据，以节省能量消耗。

对于p个传感器节点中的第P传感器节点(第P传感器节点表示p个传感器节点中的任意一个传感器节点)，在进入第P固有通信时隙时才醒来进入数据传输模式，以进行数据发送，在离开第P固有通信时隙时，进入休眠模式采集数据，以节省能量消耗。

以下结合图4所示，说明第P传感器节点的工作过程。

当第P传感器节点需要发送大数据时，其在第P固有通信时隙中发出长时隙占用请求帧。举例说明，第P传感器节点例如在第R广播周期中的第P固有通信时隙中发出长时隙占用请求帧。在第R广播周期中，第P传感器节点的通信方向由该广播周期开始时的广播帧设定为上行。长时隙占用请求帧为上行通信帧。

之后，第P传感器节点在下一个广播周期中的第P固有通信时隙接收到网络管理器下发的长时隙配置通信帧或者请求失败状态帧。举例说明，第P传感器节点是在第R+1广播周期中的第P固有通信时隙中接收到网络管理器下发的长时隙配置通信帧或者请求失败状态帧。在第R+1广播周期中，第P传感器节点的通信方向由该广播周期开始时的广播帧设定为下。

如果接收到的是请求失败状态帧，则第P传感器节点等待一个预定时间(例如1S)后，再次在随后的广播周期中的第P固有通信时隙中发出长时隙占用请求帧。

如果接收到的是长时隙配置通信帧，则解析该长时隙配置通信帧，获得所指定占用的长时隙。

之后，每进入指定占用的长时隙时，第P传感器节点也醒来进入数据传输模式，并进行大数据的发送，在离开指定占用的长时隙时，第P传感器节点进入休眠模式采集数据，以节省能量消耗。

当大数据发送完成后，第P传感器节点释放该长时隙，并发出释放长时隙状态帧。其中，释放长时隙状态帧是在大数据发送完成后的广播周期中的第P固有通信时隙中发出。

此后，第P传感器节点恢复常规工作状态，即只在广播帧时隙和第P固有通信时隙进入数据传输模式。

在任意一个广播周期中，第P传感器节点的数据通信方向由该广播周期中的广播帧设定。

以下结合图5所示，说明网络管理器的工作过程。

网络管理器在第P固有通信时隙中收到长时隙占用请求帧，得知是第P传感器节点发出的长时隙占用请求帧。举例说明，网络管理器例如在第R广播周期中的第P固有通信时隙中收到长时隙占用请求帧，得知是第P传感器节点发出的长时隙占用请求帧。

之后，网络管理器判断是否有可分配给所述第P传感器节点占用的长时隙。

如果有可分配给所述第P传感器节点占用的长时隙，则网络管理器将第P传感器节点可占用的长时隙分配给所述第P传感器节点，并在下一个广播周期中的第P固有通信时隙发出长时隙配置通信帧。

如果没有可分配给所述第P传感器节点占用的长时隙，则网络管理器在下一个广播周期中的第P固有通信时隙发出请求失败状态帧。

举例说明，网络管理器是在第R+1广播周期中的第P固有通信时隙中发出长时隙配置通信帧或者请求失败状态帧。在第R+1广播周期中，第P传感器节点的通信方向由该广播周期开始时网络管理器发出的广播帧设定为下。

在所述网络管理器发出长时隙配置通信帧后，第P传感器节点可在其占用的长时隙中上传大数据，此时，网络管理器检测该长时隙的空闲时间是否超时。如果超时，说明第P传感器节点很长时间没有数据上传，进而网络管理器将分配给第P传感器节点的长时隙收回，以避免时隙资源的浪费。回收的长时隙可在以后再次分配给第P传感器节点或者其它传感器节点使用。

在长时隙的空闲时间没有超时的过程中，当所述网络管理器收到释放长时隙状态帧时，说明第P传感器节点的大数据已经发送完毕，不需要再继续占用该长时隙，进而网络管理器将分配给第P传感器节点的长时隙收回。其中，释放长时隙状态帧是在大数据发送完成后的广播周期中的第P固有通信时隙中收到。

以下结合图6所示，说明中继器的工作过程。

中继器在第P固有通信时隙中收到长时隙占用请求帧，并将其转发给上一级设备，如上一级中继器，或者网络管理器。举例说明，中继器例如在第R广播周期中的第P固有通信时隙中收到长时隙占用请求帧，并将其转发给上一级设备。

之后，如果中继器在下一个广播周期中的第P固有通信时隙接收到请求失败状态帧，则直接转发给下一级设备，如下一级中继器或者第P传感器节点。

如果中继器在下一个广播周期中的第P固有通信时隙接收到长时隙配置通信帧，则解析该长时隙配置通信帧，将长时隙配置通信帧所指定的长时隙分配给第P传感器节点使用，并将长时隙配置通信帧转发给下一级设备。

举例说明，中继器是在第R+1广播周期中的第P固有通信时隙中接收长时隙配置通信帧或者请求失败状态帧，并将长时隙配置通信帧转发给下一级设备。

之后，中继器检测该长时隙的空闲时间是否超时。如果超时，说明第P传感器节点很长时间没有数据上传，进而中继器将分配给第P传感器节点的长时隙收回，以避免时隙资源的浪费。回收的长时隙可在以后再次分配给第P传感器节点或者其它传感器节点使用。

在长时隙的空闲时间没有超时的过程中，当所述中继器收到释放长时隙状态帧时，说明第P传感器节点的大数据已经发送完毕，不需要再继续占用该长时隙，进而中继器将释放长时隙状态帧转发给上一级设备，并将分配给第P传感器节点的长时隙收回。其中，释放长时隙状态帧是在大数据发送完成后的广播周期中的第P固有通信时隙中收到并上传。

本发明的实施例中，可以没有中继器，仅由网络管理器和传感器节点之间直接进行通信。只有当网络管理器和终端设备之间距离较远而需要中继器在中间转发长时隙占用相关的数据时，才使用到。

本发明的无线传感器网络的大数据传输方法，利用时分复用技术和基于信标广播帧的方式，当传感器节点需要发送大数据时，发出请求，由网络管理器分配其可以占用的长时隙，进而实现了无线传感器网络资源的动态分配，利用空余时隙资源为传感器节点的大数据的快速上传提供了快速通道，同时，所述传感器节点仅在其固有通信时隙以及其可占用的长时隙中处于数据传输模式，否则，处于休眠模式，因此使得传感器节点不必一直处于工作状态，降低了整个传感器网络的功耗，对于传感器节点以及中继器需要电池供电的传感器网络来说，在不进行电池更换的情况下，延长了传感器网络的使用寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。