一种无线传感器网络信道接入方法及装置与流程

本发明涉及无线通信领域，特别是指一种无线传感器网络信道接入方法及装置。

背景技术：

随着无线通信技术与物联网的发展，无线传感器网络技术已经被广泛地应用于工业生产中。基于802.15.4协议的无线传感器网络技术具有安装布置简易、数据传输可靠、设备成本低、能量消耗小等特点。无线传感器网络技术已经成为了许多智能产业中必不缺少的一部分，如智能家居、智能交通和智能建筑等领域。无线传感器网络通常由协调器节点和一定规模的传感器节点组成，这些传感器节点按照实际需求分布在监测区域，负责采集该区域内相应的数据，然后将数据汇集给协调器节点。

在无线传感器网络中，MAC(Media Access Control，介质访问控制层)协议负责着传感器节点无线信道的接入控制，是保障无线传感器网络正常通信的基础。因此，MAC层的效率关系到整个无线传感器网络的性能，设计一种高效的MAC协议是研究无线传感器网络的核心问题。

目前，无线传感器网络中MAC层协议采用的信道接入技术主要有三种：第一种是基于竞争的MAC协议，如CSMA/CA，其基本思想是需要接入信道的传感器节点检测信道是否空闲以竞争信道，若信道忙则随机退避一段时间，如此直到成功或者达到最大退避次数，这种方法具有简单有效和可扩展性好等优点，缺点主要是信道利用率差；第二种是基于调度的MAC协议，如TDMA，其基本思想是协调器节点依据某种调度策略为传感器节点分配时隙，传感器节点在属于自己的时隙内发送数据，在不属于自己的时隙内休眠以降低能量消耗，这种方法具有能耗低和信道利用率高等优点，缺点主要是可扩展性差；第三种是混合MAC协议，如CSMA/CA与TDMA混合MAC协议，其基本思想是结合CSMA/CA与TDMA的特点，需要专有时隙的传感器节点向协调器申请，协调器节点按需分配时隙，其他传感器节点采用CSMA/CA的方式竞争信道，这种方法将CSMA/CA与TDMA的优势互补，有效地提高了信道接入效率。

目前存在多种CSMA/CA与TDMA的混合MAC协议，其研究往往侧重于以下几个方面：第一，传感器节点根据自身需求，主动向协调器申请时隙，这种情况下会引入了额外的网络负载，加重网络负担；第二，协调器为传感器节点分配专有时隙，这种方法在传感器节点数据量小的情况下时隙利用率往往不高，在一定程度上浪费信道资源；第三，协调器根据某种依据为一个或一组传感器节点分配时隙，这种方法的可扩展性较差，而且性能非常依赖于采用的依据。这些混合型MAC协议在性能上往往不能尽如人意，而且在一些情况下，可能还会比单独使用CSMA/CA或TDMA表现出更差的性能。因此，研究一种高效合理的混合MAC仍然是当前的一个热点问题。

针对现有技术中混合MAC协议增加额外网络负载、时隙利用率低、可扩展性差的问题，目前尚未有有效的解决方案。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例的目的在于提出一种无线传感器网络信道接入方法及装置，能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。

基于上述目的本发明实施例提供的无线传感器网络信道接入方法，包括：

在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；

接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；

根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙，并广播大时隙分配结果；

接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。

在一些实施方式中，所述处理数据为向数据中加入数据采集时间信息。

在一些实施方式中，所述采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧包括：

使用传感器模块采集数据；

使用微控制单元处理采集到的数据；

使用射频天线模块以帧形式发送处理过的数据；

使用数据缓冲区缓存等待传输的数据。

在一些实施方式中，所述解析处理过的数据帧为从数据中提取数据采集时间信息；协调器将提取出的数据采集时间信息设置为该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间。

在一些实施方式中，所述计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量包括：

根据传感器节点数量确定一个超帧结构内的大时隙数目；

根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。

在一些实施方式中，所述根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量，为将该大时隙的结束时间与该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间之差与传感器节点采集数据的周期相整除并得到该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。

在一些实施方式中，所述根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙包括：

按超帧结构顺序依次选取每个大时隙；

在被选取的大时隙内将传感器节点按传输数据量由多到少降序排列；

选取前特定数量个传感器节点并将其分配到被选取的大时隙内，特定数量为传感器节点数量与一个超帧结构内的大时隙数目之比；

将每个被分配的传感器节点从按传输数据量由多到少降序排列的队列中移除；

依次选取每个大时隙并将所有传感器节点都进行分配。

在一些实施方式中，所述广播大时隙分配结果为通过下一个信标帧广播大时隙分配结果。

在一些实施方式中，所述无线传感器网络为一个协调器与多个传感器节点形成的星型拓扑网络，且多个传感器节点具有相同的数据长度与采集周期。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述方法。

从上面所述可以看出，本发明实施例提供的无线传感器网络信道接入方法及装置通过使用采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧，计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量与差异，为各传感器节点分配大时隙并广播大时隙分配结果，根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道的技术手段，能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法的流程示意图；

图2为现有技术中IEEE 802.15.4协议定义的标准超帧结构图；

图3为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法中包含大时隙的超帧结构图；

图4为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法中传感器节点的结构示意图；

图5为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法中信道伪拥塞现象的结构示意图；

图6为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法中大时隙分配的流程示意图；

图7为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法中大时隙分配策略的流程示意图；

图8为本发明提供的执行所述无线传感器网络信道接入方法的电子设备的一个实施例的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

基于上述目的，本发明实施例的第一个方面，提出了一种能够针对不同用户或不同类型的节点进行无线传感器网络信道接入的无线传感器网络信道接入方法的第一个实施例。如图1所示，为本发明提供的无线传感器网络信道接入方法的第一个实施例的流程示意图。

所述无线传感器网络信道接入方法包括：

步骤S101，在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；

步骤S103，接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；

步骤S105，根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙，并广播大时隙分配结果；

步骤S107，接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。

在一些实施方式中，所述处理数据为向数据中加入数据采集时间信息。

在一些实施方式中，所述采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧包括：

使用传感器模块采集数据；

使用微控制单元处理采集到的数据；

使用射频天线模块以帧形式发送处理过的数据；

使用数据缓冲区缓存等待传输的数据。

在一些实施方式中，所述解析处理过的数据帧为从数据中提取数据采集时间信息；协调器将提取出的数据采集时间信息设置为该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间。

在一些实施方式中，所述计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量包括：

根据传感器节点数量确定一个超帧结构内的大时隙数目；

根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。

在一些实施方式中，所述根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量，为将该大时隙的结束时间与该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间之差与传感器节点采集数据的周期相整除并得到该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。

在一些实施方式中，所述根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙包括：

按超帧结构顺序依次选取每个大时隙；

在被选取的大时隙内将传感器节点按传输数据量由多到少降序排列；

选取前特定数量个传感器节点并将其分配到被选取的大时隙内，特定数量为传感器节点数量与一个超帧结构内的大时隙数目之比；

将每个被分配的传感器节点从按传输数据量由多到少降序排列的队列中移除；

依次选取每个大时隙并将所有传感器节点都进行分配。

在一些实施方式中，所述广播大时隙分配结果为通过下一个信标帧广播大时隙分配结果。

在一些实施方式中，所述无线传感器网络为一个协调器与多个传感器节点形成的星型拓扑网络，且多个传感器节点具有相同的数据长度与采集周期。

在无线传感器网络中，由于传感器节点加入网络的不确定性，在节点业务具有周期性且周期相同时，往往会出现局部碰撞的情况，出现信道伪拥塞问题。针对这种问题，本发明设计了一种自适应的大时隙分配策略。首先，传感器节点传输给协调器的数据帧中都附带有该数据帧采集时间；其次，协调器接收到数据帧后，解析出其中的时间信息，计算出节点在下一个超帧时期内各个大时隙中的数据量；然后，根据各个节点在不同大时隙内数据量的差异，协调器为传感器节点分配大时隙，并通过信标帧将大时隙分配结果广播出去；最后，各个传感器节点解析出信标帧内大时隙分配结果，并等到相应的大时隙内采用CSMA/CA的方式竞争接入信道。和其他的CSMA/CA与TDMA混合MAC协议相比，这种时隙分配策略对信道伪拥塞问题在数据传输效率上具有显著的优势。

从上述实施例可以看出，本发明实施例提供的无线传感器网络信道接入方法通过使用采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧，计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量与差异，为各传感器节点分配大时隙并广播大时隙分配结果，根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道的技术手段，能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。

本发明实施例还提出了一种能够针对不同用户或不同类型的用户进行无线传感器网络信道接入的无线传感器网络信道接入方法的第二个实施例。

现有技术中，IEEE 802.15.4协议定义的超帧结构如图2所示，一个超帧包含活跃期和非活跃期，节点在活跃期进行数据的传输，在非活跃期则进入休眠状态以降低能量损耗。活跃期又分为信标帧时期、CAP(竞争接入期)和CFP(非竞争接入期):信标帧时期协调器节点广播信标帧，各个传感器节点接收信标帧，解析出信标帧内的信息并与协调器节点同步；在CAP时期，各个节点通过CSMA/CA协议竞争信道发数；CFP时期被分为若干个GTS(保证时隙)，每个GTS被一个传感器节点占有，传感器节点在CAP向协调器节点发送时隙请求帧，协调器通过信标帧把GTS分配情况广播给所有传感器节点，拥有GTS的传感器节点在GTS内直接发送数据，其他节点休眠以降低能量损耗。

本发明在标准超帧结构的基础上，提出了大时隙的概念，大时隙与标准的超帧时隙不同，一个大时隙由若干个时隙组成。同时对超帧结构重新进行了划分：首先，去掉了CFP时期，此时超帧就由信标帧时期和CAP两部分组成；其次，将CAP时隙均分为若干个大时隙，协调器节点为每个大时隙分配若干个传感器节点，在每个大时隙内传感器节点采用CSMA/CA算法竞争信道，不同大时隙内的传感器节点竞争信道互不干扰，即大时隙之间采用TDMA的思想。在不考虑非活跃期和假设信标帧时期占用一个时隙的情况下，均分为3个大时隙的超帧结构如图3所示。

在本发明实施例中，无线传感器网络包括1个协调器节点带N个传感器节点；数据流只考虑传感器节点给协调器节点发送数据的上行业务；并认为各个传感器节点数据长度和采集周期均相同；同时，超帧长度固定，且不含非活跃期。

当传感器节点需要发送数据给协调器时，其需要在一段时间内占用信道来传输数据，将这段时间称为信道占用时间。

在无线传感器网络中，传感器节点无序地加入到网络中开始工作，各个传感器节点开始发送数据的时间是不确定的，而且随着时间的推移，传感器节点可能会出现时钟偏移的情况。因此，对于周期相同的多个传感器节点，可能会出现从某一时刻开始，需要占用信道时间相近的情况，将这种情况简称为局部碰撞，如图5所示。图中，假设每个传感器节点希望占用信道的时间均为t_send，不同颜色的矩形代表不同节点的信道占用时间。

如图5所示，假设由超帧1开始，传感器节点A、B和C需要占用信道的时间有重叠，发生碰撞，由于这三个节点的周期相同，因此在后面的超帧时期都会出现碰撞的问题，这种问题即使在传感器节点数目不多的情况下也可能发生。此时，将出现部分时隙信道忙，而剩余时隙空闲的情况，本发明将这种情况定义为信道伪拥塞。

传统的CSMA/CA算法采用随机退避规则，不能很好地解决这种信道伪拥塞问题。TDMA的方法在传感器节点数目较少的情况下可行，但是当传感器节点较多时，为每个传感器节点单独分配时隙是不合理的。而传统的CSMA/CA与TDMA混合协议则与CSMA/CA或TDMA算法面临类似的问题，针对这类问题，本发明特别设计了一种自适应的大时隙分配算法。

为了解决信道伪拥塞的问题，需要结合CSMA/CA算法和TDMA算法的思想：将超帧均分若干个大时隙，协调器节点根据当前无线网路状况，自适应地为每个大时隙分配若干个传感器节点，每个大时隙的传感器节点数目相近，目的是均衡每个大时隙的负载；在大时隙内，传感器节点之间采用CSMA/CA的算法，与TDMA的传感器节点单独使用时隙相比，这种竞争共享的机制提高了时隙使用效率。

所述无线传感器网络信道接入方法包括：

步骤S101，在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧。

本发明研究的无线传感器网络中传感器节点是由数据采集单元、数据处理单元和数据传输单元三部分组成。其中，数据采集单元即传感器模块，负责采集数据；数据处理单元主要是微控制单元(MCU)，负责处理传感器采集到的数据，并控制数据传输单元发送数据；数据传输单元即射频天线模块，当检测到数据处理单元的数据传输信号时，数据传输单元将数据处理单元打包的数据发送出去。具体的传感器节点模型如图4所示。

协调器节点的模型与传感器节点有些不同，与传感器节点相比，协调器节点没有数据采集单元。协调器节点是全功能节点(Full Function Device，FFD)，负责整个无线网络控制和汇集传感器节点数据。

每个传感器节点都有一个数据缓冲区，用于存放MCU从传感器采集的数据。传感器节点每采集到一个数据，将其存储到数据缓冲区的空闲区域，等待传输。对于存储在缓冲区内的数据，只有当在该数据之前采集的数据都处理完后才能被处理。当时间来到传感器节点所属的大时隙，传感器节点再按照先后顺序依次将缓冲区内的数据发送出去。传感器节点发送给协调器节点的数据帧是在原始数据的基础上进行封帧操作。

需要对传感器节点采集的数据进行一定的处理并存储起来，等到合适的时机再传输给协调器，进行特殊处理的目的是让协调器了解各个传感器节点的信息，以此来掌握整个无线网络的信息。在无线传感器网络中，传感器节点周期性地采集数据，存储在缓冲区内，等待合适的时机发送给协调器节点。为了实现自适应地大时隙分配，需要对采集的数据进行一定的处理：在数据头部加上一个字节，用于表示数据采集时间的信息。

步骤S103，接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。

协调器的主要任务是接收来自各个传感器节点的数据，并附带解析出其中的时间信息，这些时间信息为协调器后续的大时隙分配策略提供了依据。协调器节点接收来自各个传感器节点的数据帧，将其中的信息解析出来。为了统计各个传感器节点数据帧的采集时间，协调器节点对每个传感器节点都有一个变量t_r,n，表示收到传感器节点n最近数据帧的业务到来时间。当协调器节点收到传感器节点n的数据帧时，解析出数据帧内的时间信息，将t_r,n更新为该传感器节点最近数据帧的业务到来时间。

一个超帧内的大时隙数目由当前网络中的传感器节点数目确定，在确定了大时隙数据之后，协调器根据各个传感器节点的t_r,n，确定各个节点在不同大时隙内的数据量，这些数据量是大时隙分配的直接依据。协调器节点根据目前网络中传感器节点的数目N确定分配的大时隙数目M，原则是传感器节点的数目越多，相应分配的大时隙数越多。但是在实际应用中由于数据等待时间和信道接入时间的限制，大时隙数目应该设置在一个合理的区间内。

M的取值在本发明专利接入方法中至关重要。由于多个传感器节点在一个大时隙内竞争信道发数，为了保障数据传输，大时隙的长度应该尽可能长，而大时隙长度与M值成反比，等同于M值应该尽可能小。大时隙数目M取值不能太小，若M值太小，则不能有效地降低数据碰撞概率。因此，大时隙数量M的取值在一个合理的范围内，不能太小，也不能太大。

根据IEEE 802.15.4协议的定义，一个超帧内包含16个基础时隙，其中信标帧时期占用第一个基础时隙的部分空间。因此，留给大时隙的完整时隙数最多为15。由于大时隙是由若干个基础时隙组成，所以M的取值最大为15。根据上一段的介绍，M的取值范围应该在一个合理的范围内：当M<＝2时，大时隙数目太少，不能很好地利用TDMA的机制来降低大时隙内节点碰撞概率，此时本发明的性能就可能退化为CSMA/CA算法；当M>＝6时，大时隙大概包括2个基础时隙，此时大时隙太短，节点在执行CSMA/CA时，退避空间小，竞争信道困难。而当大时隙M取值为3时，每个大时隙包含5个标准时隙；当大时隙M＝4时，第一个大时隙包含3个基础时隙，其他大时隙包含4个基础时隙；当大时隙M＝5时，每个大时隙都包含3个基础时隙。因此，M取值[3,5]时，各个大时隙长度分配较为均匀，且大时隙的长度便于节点使用CSMA/CA算法竞争接入信道。

综上所述，本发明接入方法定义大时隙数目M的取值范围在[3,5]之间。假设允许接入网络的传感器节点数目最大值为N_max，M随着网络中传感器节点数N取值变化计算的公式为：

然后协调器根据N和M确定大时隙m(1<＝m<＝M)的结束时间，在实施例中，如果M的取值范围是[3,5],则大时隙m的结束时间t_m,end的计算公式：

式中，t_t,begin表示超帧t的开始时间(由于上式得计算发生在超帧的起始时期，超帧的开始时间等于当前时间)。T_sf表示超帧的长度。假设信标帧占用第1个标准时隙，当M＝4时，为第1个大时隙包含3个时隙，其余大时隙包含4个时隙；而M＝3或5时，每个大时隙的长度均相同，包含15/M个标准时隙。在一般的实施例中，信标帧的长度通常小于第1个时隙的长度，因此第1个时隙的剩余部分归第1个大时隙所有，第1个大时隙的长度略大于理论分配值。在确定了每个传感器节点的数据采集时间之后，由于超帧长度固定，M值已知，因此可以计算出各个传感器节点在不同大时隙内的数据量，协调器节点以此确实大时隙策略。为了表示这个数据量，引入二维数组F[M][N]，其中的元素F[m][n](1<＝m<＝M,1<＝n<＝N)表示传感器节点n在大时隙m时期内的数据量，F[m][n]由下式计算而得：

式中，t_m,end表示大时隙m的结束时间，T表示传感器节点采集数据的周期，式中用到的除法为整除。

步骤S105，根据各传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器分配大时隙，并广播大时隙分配结果。

自适应地分配大时隙的方法是从第一个大时隙开始，每个大时隙都选择在该大时隙内数据量最多的传感器节点每个大时隙内的传感器节点数目相同，且一个超帧时期内为每个传感器节点分配一个大时隙。协调器根据计算的二维数组F[M][N]，确定大时隙分配策略，并将大时隙分配结果通过信标帧广播出去，这样就完成了一次大时隙分配过程，大时隙的每次分配都是发生在超帧开始阶段的信标帧时期。本发明设计的MAC协议为保障数据的高可靠性传输和降低传输时延，在每个超帧时期不断地重复上述时隙分配过程。

本发明采用的大时隙分配流程如图6所示。在图6中，具体的流程可以分为以下几步：

步骤1：协调器统计当前无线传感器网络中传感器节点的数目N，确定分配的大时隙数目M。在一般情况下，网络中的传感器节点数目是相对稳定的，因此M值通常是不变的。

步骤2：在每个超帧开始时期，协调器节点根据收到各个传感器节点的最近数据帧的采集时间计算二维数组F[M][N]。

步骤3：协调器执行大时隙分配策略，为每个传感器节点分配大时隙。大时隙分配策略的具体流程如图5所示。

步骤4：大时隙分配完之后，协调器通过信标帧将大时隙分配结果广播出去，各个传感器节点在接收到信标帧之后，解析出时隙分配信息，确定自身所属的大时隙，然后等待大时隙的到来。

步骤5：当传感器节点所属的大时隙来临，共用同一大时隙的所有传感器节点通过CSMA/CA的方式竞争信道发数。

图7示出的是大时隙分配策略流程图。对于任意一个大时隙m，协调器节点始终选择在该大时隙内数据量最大的N/M个传感器节点，为这些传感器节点分配大时隙m。使用这种策略是基于每个传感器节点的数据采集周期相同且数据长度，在这种情况下，总的来看，各个传感器节点的数据量基本相同，但是在不同大时隙内数据量又有差别。因此每次采用选取数据量最大的N/M个传感器节点能保证各个大时隙内数据量平衡，不会出现某个大时隙内数据量过多，而其他大时隙内数据量太少的情况。均衡每个大时隙内数据量的目的是使每个大时隙的网络负载程度尽可能地相同，将超帧内的网络负载均分到各个大时隙内，将一个可能的大冲突区域划分为若干个小的冲突区域，从而降低局部网络负载水平。而CSMA/CA算法的性能随着网络负载程度的增加，下降得越来越快，因此，将一个大冲突区域细分为若干个小冲突区域能有效地提高CSMA/CA信道接入效率。

步骤S107，接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。

从上述实施例可以看出，本发明提出的CSMA/CA与TDMA混合MAC协议，在本质上是使用自适应的大时隙分配策略，协调器节点根据无线传感器网络状况，自适应地为各个传感器节点分配大时隙，这样在信道伪拥塞的情况下可以有效地降低数据帧碰撞概率，增加传感器节点接入信道的概率，提高数据帧的有效传输率，降低传输时延。本发明结合了CSMA/CA算法和TDMA算法的优点，在提高网络可扩展性的同时，又在一定程度上保障了信道利用率，提高数据传输效率。此外，本发明是在IEEE 802.15.4标准CSMA/CA算法的基础上增加了TDMA部分，保持了与IEEE 802.15.4协议的兼容性，降低了本发明的使用难度。

对于星型拓扑的无线传感器网络，本发明使用的CSMA/CA与TDMA混合MAC协议并不能保证在所有情况下表现的性能都比标准CSMA/CA或TDMA协议好。在一些特殊情况，本发明可能表现出与CSMA/CA或TDMA相近的网络性能，但是多数情况下，都能在一定程度上带来性能提升，具体取决于当前的网络状况。总而言之，本发明是一种对无线传感器网络信道接入技术的优化方法。

本发明实施例可以用在工业监测环境中，工业监测要求在规定的时间内完成数据的传输，这种环境时延要求较高，同时还要兼顾有效传输率。协调器节点自适应地为各个传感器节点分配大时隙，在规定的时延要求内，有效地保障了实时监测数据的高可靠传输，满足了工业监测网络领域的基本要求。特别的，对于一些不理想的无线网络环境，能够表现出明显的性能优势。首先，各个监测节点依次加入到监测网络中，并开始工作。然后，协调器节点接收各个监测节点的数据帧，每个超帧时期都自适应地为监测节点分配好大时隙。当发生如下情况时：

1、网络拓扑发生变化时，如新加入监测节点或减少监测节点；

2、监测节点发生时钟偏移，此时可能会和别的监测节点发生冲突；

协调器节点也能根据接收到的数据帧中包含的信息迅速做出调整，确保网络能够正常运行。

基于上述目的，本发明实施例的第三个方面，提出了一种执行所述无线传感器网络信道接入方法的电子设备的一个实施例。

所述执行所述无线传感器网络信道接入方法的电子设备包括至少一个处理器；以及与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上所述任意一种方法。

如图8所示，为本发明提供的执行所述实时通话中的语音处理方法的电子设备的一个实施例的硬件结构示意图。以如图8所示的电子设备为例，在该电子设备中包括一个处理器801以及一个存储器802，并还可以包括：输入装置803和输出装置804。

处理器801、存储器802、输入装置803和输出装置804可以通过I/O接口或者其他方式连接，图8中以通过I/O接口连接为例。

一般的，本发明描述的处理器801为AVR32单片机，存储器802为单片机内部RAM，输入装置803为传感器，输出装置804为天线。处理器801与存储器802通过RAM接口相连，处理器801与输入装置803、输出装置804都是通过SPI接口相连。

存储器802作为一种非易失性控制器可读存储介质，可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块，如本申请实施例中的所述无线传感器网络信道接入方法对应的程序指令/模块。处理器801通过运行存储在存储器802中的非易失性软件程序、指令以及模块，从而执行协调器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例的无线传感器网络信道接入方法。

存储器802可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储软件协议栈、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据无线传感器网络信道接入装置的使用所创建的数据等。此外，存储器802可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，。在一些实施例中，存储器802可选包括相对于处理器801远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过线缆或无线网络连接至节点。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

输入装置803可接收输入的数字或字符信息，以及产生与无线传感器网络信道接入装置的用户设置以及功能控制有关的键信号输入。输出装置804可包括天线等数据发送装置。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器802中，当被所述处理器801执行时，执行上述任意方法实施例中的无线传感器网络信道接入方法。

所述执行所述无线传感器网络信道接入方法的电子设备的任何一个实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。所述计算机程序的实施例，可以达到与之对应的前述任意方法实施例相同或者相类似的效果。

此外，典型地，本公开所述的装置、设备等可为各种电子终端设备，例如单片机(51单片机，AVR单片机)、FPGA、DSP等，也可以是其他节点设备，如可穿戴设备、车联网设备、物联网设备等，因此本公开的保护范围不应限定为某种特定类型的装置、设备。本公开所述的客户端可以是以电子硬件、计算机软件或两者的组合形式应用于上述任意一种电子终端设备中。

此外，根据本公开的方法还可以被实现为由CPU执行的计算机程序，该计算机程序可以存储在计算机可读存储介质中。在该计算机程序被CPU执行时，执行本公开的方法中限定的上述功能。

此外，上述方法步骤以及系统单元也可以利用控制器以及用于存储使得控制器实现上述步骤或单元功能的计算机程序的计算机可读存储介质实现。

此外，应该明白的是，本文所述的控制器可读存储介质(例如，存储器)可以是易失性存储器或非易失性存储器，或者可以包括易失性存储器和非易失性存储器两者。作为例子而非限制性的，非易失性存储器可以包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦写可编程ROM(EEPROM)或快闪存储器。易失性存储器可以包括随机存取存储器(RAM)，该RAM可以充当外部高速缓存存储器。作为例子而非限制性的，RAM可以以多种形式获得，比如同步RAM(DRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据速率SDRAM(DDR SDRAM)等。所公开的方面的存储设备意在包括但不限于这些和其它合适类型的存储器。

本领域技术人员还将明白的是，结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑模块、电路和算法步骤可以被实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。为了清楚地说明硬件和软件的这种可互换性，已经就各种示意性组件、模块、电路和步骤的功能对其进行了一般性的描述。这种功能是被实现为软件还是被实现为硬件取决于具体应用以及施加给整个系统的设计约束。本领域技术人员可以针对每种具体应用以各种方式来实现所述的功能，但是这种实现决定不应被解释为导致脱离本公开的范围。

结合这里的公开所描述的各种示例性逻辑模块和电路可以利用被设计成用于执行这里所述功能的下列部件来实现或执行：通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立的硬件组件或者这些部件的任何组合。通用处理器可以是微处理器，但是可替换地，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器。处理器也可以被实现为计算设备的组合，例如，DSP和微处理器的组合、多个微处理器、一个或多个微处理器结合DSP核、或任何其它这种配置。

结合这里的公开所描述的方法或算法的步骤可以直接包含在硬件中、由处理器执行的软件模块中或这两者的组合中。软件模块可以驻留在RAM存储器、快闪存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动盘、CD-ROM、或本领域已知的任何其它形式的存储介质中。示例性的存储介质被耦合到处理器，使得处理器能够从该存储介质中读取信息或向该存储介质写入信息。在一个替换方案中，所述存储介质可以与处理器集成在一起。处理器和存储介质可以驻留在ASIC中。ASIC可以驻留在用户终端中。在一个替换方案中，处理器和存储介质可以作为分立组件驻留在用户终端中。

在一个或多个示例性设计中，所述功能可以在硬件、软件、固件或其任意组合中实现。如果在软件中实现，则可以将所述功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或通过计算机可读介质来传送。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，该通信介质包括有助于将计算机程序从一个位置传送到另一个位置的任何介质。存储介质可以是能够被通用或专用计算机访问的任何可用介质。作为例子而非限制性的，该计算机可读介质可以包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储设备、磁盘存储设备或其它磁性存储设备，或者是可以用于携带或存储形式为指令或数据结构的所需程序代码并且能够被通用或专用计算机或者通用或专用处理器访问的任何其它介质。此外，任何连接都可以适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴线缆、光纤线缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或诸如红外线、无线电和微波的无线技术来从网站、服务器或其它远程源发送软件，则上述同轴线缆、光纤线缆、双绞线、DSL或诸如红外先、无线电和微波的无线技术均包括在介质的定义。如这里所使用的，磁盘和光盘包括压缩盘(CD)、激光盘、光盘、数字多功能盘(DVD)、软盘、蓝光盘，其中磁盘通常磁性地再现数据，而光盘利用激光光学地再现数据。上述内容的组合也应当包括在计算机可读介质的范围内。

公开的示例性实施例，但是应当注公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本公开的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想多个，除非明确限制为单数。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”(“a”、“an”、“the”)旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。