一种传感器组网方法及采用该方法传感器网络与流程

本发明涉及无线通信领域，尤其涉及一种传感器组网方法及使用该方法的传感器网络。

背景技术：

无线传感器网络，一般由部署在监测区域内大量传感器节点组成，通过无线通信的方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。

在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有网络基础结构的地方，传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理。

现有技术多采用紫蜂协议或者wifi通信协议实现传感器的自组网。由于紫蜂协议的半开放性，采用紫蜂协议的产品其开发灵活性较低，且采用了csma-ca冲突避免策略，传感器在传输数据时，必须在通信信道空闲时且空闲维持一段时间后，再等待一段随机的时间依然空闲时，才提交数据。该策略使得紫蜂网络系统的实时性较差。对于采用wifi组网的产品而言，其网络节点的规模一般不超过16个，使得网络的扩展受到较大限制。因此，现有的传感器组网方法存在不足。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基站和终端之间具有独立的通信信道，且网络扩展简单灵活的传感器组网方法和使用该方法的传感器网络。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种传感器组网方法，包括以下顺序步骤：

s1.基站设备初始化；终端设备初始化；

s2.所述基站扫描预设频段，邀请所述预设频段中工作在不同频率的所述终端加入网络；

s3.所述基站根据网络中所述终端的入网排序为加入网络的所述终端分配工作时隙。

进一步的，步骤s1包括以下步骤：

s11.所述基站的基站通信单元载入所述预设频段；

s12.所述终端的终端通信单元设置为接收模式，将接收频率固定在其初始化频率上，等待接收所述基站的基站通信单元发来组网邀请。

再进一步的，所述初始化频率包括在所述预设频段中，且所述初始化频率为所述终端的绝对编号与跳频间隔的乘积加上基础频率的和；所述跳频间隔不小于所述终端通信信道的最小频率宽度。

又一步的，步骤s2包括以下步骤：

s21.所述基站在所述预设频段中顺序改变发送频率进行所述组网邀请的发送；

s22.当所述发送频率与所述初始化频率相同时，所述终端接收到所述组网邀请；

s23.所述终端将组网邀请回送给所述基站，所述基站将所述终端纳入网络中并为该终端设定工作频率；

s24.所述基站继续改变发送频率发送所述组网邀请，以识别其他频率上的终端。

作为一种改进，步骤s3还包括以下步骤：

s31.所述基站根据所述终端的入网排序为该终端分配相应的工作节点号；

s32.所述基站在传输周期开始时统一向网络中的所有终端发出数据传输命令，激活所述终端的定时单元；

s33.所述定时单元达到工作时隙时，所述终端向所述基站传输数据。

再者，所述工作时隙为所述终端的所述工作节点号与单位延时的乘积；所述单位延时大于等于所述基站从发送模式转换为接收模式的最小时间。

进一步的，步骤s3还包括以下步骤：

s34.网络中的所有终端依次在所述传输周期的保留时间段向所述基站发送终端状态信息；所述保留时间段为最大的所述工作节点号加一后与所述单位延时的乘积。

再进一步的，传感器组网方法还包括以下步骤：

s4.所述基站在预定时间内扫描扩容频率，邀请工作在所述扩容频率的所述终端加入网络；若有新的所述终端加入，则进入步骤s3；

s5.所述基站对所述传送周期内未发送数据的所述终端进行无响应计数，当无响应记数大于预设次数时，将该终端从网络中删除；

s6.所述基站告知网络中所有工作节点号大于被删除的终端的所述终端，所述工作节点号自动减一。

又一步的，传感器组网方法还包括以下步骤：

z1.所述基站接收控制命令，中断当前步骤；

z2.执行相应的响应程序；

z3.该响应程序执行完毕，所述基站退出中断，回到中断前的步骤继续执行；

所述控制命令包括上位机命令和外部中断命令。

为了解决上述问题，本发明还提供一种传感器网络，包括基站和至少一个终端，所述基站设置有：

主控单元，用于控制基站以及处理所述终端输入的数据；

基站通信单元，用于扫描预设频段，并邀请所述预设频段中工作在不同频率的所述终端加入网络；

所述终端设置有：

微控单元，用于控制终端的工作模式以及设置初始化频率；

采集单元，用于采集数据；

终端通信单元，用于根据所述基站分配的工作时隙向所述基站发送数据。

进一步的，所述主控单元还用于记录无响应次数；所述基站还设置有：

寄存单元，用于记录所述终端的入网顺序、工作频率和状态信息；

中断控制单元，用于接收上位机命令或者外部中断命令，停止现执行步骤，执行相应的中断服务函数，该中断服务函数执行完毕后恢复步骤的执行；

所述终端还设置有：

定时单元，用于计算工作时隙；

存储单元，用于记录绝对编号、工作节点号和传感器数据。

与现有技术相比，本发明的传感器组网方法，基站在预设频段中和工作在不同频率的多个终端组建网络，使得基站与每个终端的通信信道都是相对独立的，多个终端与基站之间的数据传输各有其通信信道，互不干扰；且通过入网排序为加入网络的终端分配工作时隙，有效的提升了基站与终端的网络传输实时性。同时，在预设频段足够宽时，本发明的传感器组网方法也可以方便的实现网络扩展，提高了传感器的组网效率。

进一步的，本发明还在预设频段中预留了扩容频率，便于组网完成后添加新的传感器加入，使得传感器网络的扩容更为灵活方便。

采用该方法的传感器网络，也同样具有上述优点。

附图说明

图1为传感器组网方法的基本流程图；

图2为传感器组网方法的详细流程图；

图3为传感器组网方法的完整流程图；

图4为传感器组网方法的中断流程图；

图5为传感器网络的基本架构示意图；

图6为传感器网络的完整架构示意图。

具体实施方式

以下参考附图1至附图6，对本发明的各实施例予以进一步地详尽阐述。

如附图1所示，一种传感器组网方法，包括以下顺序步骤：

s1.基站设备初始化；终端设备初始化；即为需要组网的基站和终端通电，设备的通信单元(包括基站通信单元和终端通信单元)进行自检。

s2.所述基站扫描预设频段，邀请所述预设频段中工作在不同频率的所述终端加入网络；即每个初始化完成的终端工作在预设频段中不同的频率上，基站通过频率扫描的方式一一与需要组网的终端匹配组网。

s3.所述基站根据网络中所述终端的入网排序为加入网络的所述终端分配工作时隙。因为入网排序的不同，根据终端的入网排序分配工作时隙，可以使得每个终端的工作时隙都是唯一的，使得每个终端与基站的通信时间都是不同的，避免了终端之间的相互干扰。

具体的，预设频段一般为2.4ghz以上的公用频段。其具体宽窄可以根据不同通信芯片的通信信道宽窄和设计接入终端的数量来具体设定。同时，2.4ghz为本发明的基础频率。

步骤s2中基站邀请终端加入网络，指的是基站的寄存单元将频率扫描中当前扫描的频率与应答的终端记录并关联。同时，该应答的终端也在其存储单元中记录基站的信息。步骤s3中的工作时隙为网络中单个终端与基站进行数据传输(点对点)的时间段。基站在每个工作时隙的对应时间内开启接收模式，并将该时间段内收到的数据与该工作时隙匹配的终端相关联。以此确定收到的数据来自哪个终端。

在优选的实施例中，该数据来源可以通过终端直接记录在数据中，基站的主控模块对数据处理时即可知道该数据来源，有助于基站在接收数据时仅工作在接收模式对数据进行保存即可，减小了对基站资源的消耗。

在优选的实施例中，基站与终端仅仅是具体的工作模式不同，其硬件配置可以是相同的，出厂设置时均以终端的工作模式工作。具体实施无线传感器组网时，可以通过上位机与某个终端进行连接，将其激活为基站，使其工作在基站的工作模式。

如附图2所示，在本实施例中，步骤s1包括以下步骤：

s11.所述基站的基站通信单元载入所述预设频段；即基站通信单元在主控单元的控制下，载入需要扫描的预设频段。该预设频段可以使出厂时设置好的，也可以是上位机给基站指定的。优选的，该需要扫描的预设频段，其扫描的开始频率设定为2.4ghz，扫描带宽为125mhz。

s12.所述终端的终端通信单元设置为接收模式，将接收频率固定在其初始化频率上，等待接收所述基站的基站通信单元发来组网邀请。

再进一步的，所述初始化频率包括在所述预设频段中，且所述初始化频率为所述终端的绝对编号与跳频间隔的乘积加上基础频率的和；所述跳频间隔不小于所述终端通信信道的最小频率宽度。需要指出的是，每个终端的绝对编号一般理解为物理地址，但在实际操作中其物理地址一般过于复杂，要通过一定的简化算法(如哈希)进行相应的简化得到绝对编号，以避免绝对编号与跳频间隔的乘积过大，导致其与基础频率(2.4ghz)的和而超出预设频段的范围。根据上述公式，与基站组网的所有终端的初始化频率均不相同。

在优选的实施例中，加入网络的终端，其工作频率可以由基站进行指定，以填补失效或者故障导致无法传输数据的终端，其工作频率与初始化频率可能存在差异。

在本实施例中，步骤s2包括以下步骤：

s21.所述基站在所述预设频段中顺序改变发送频率进行所述组网邀请的发送；即基站在预设频段中，根据由低到高或者由高到低的次序，不断的改变基站通信单元的发射频率来发送组网邀请，并在每次发射后由发送模式转为接收模式等待该频点上可能存在的终端的回应。如果在一定时间内没有回应，基站通信单元再次转换为发送模式，提高频率发送组网邀请。该组网邀请为一段识别信息，收到该识别信息的终端可以根据该识别信息得到负责组网的基站的相应数据。

s22.当所述发送频率与所述初始化频率相同时，所述终端接收到所述组网邀请；即终端确认了有基站需要进行组网的要求，并准备响应。

s23.所述终端将组网邀请回送给所述基站，所述基站将所述终端纳入网络中并为该终端设定工作频率。

在本实施例中，终端的工作频率可以与其初始化频率相同，以实现独立的通信信道，避免不同终端之间的工作频率干扰，数据实时性较好。

在优选的实施例中，基站将所有入网的终端的工作频率设定在同一个频率，使网络中每个终端都工作在相同的工作频率上，通过不同的工作时隙接收相应终端的数据，避免不同终端之间干扰的同时节约了通信信道，增加了网络扩容的灵活性。优选的，该工作频率可以采用2.4ghz+5mhz，初始化频率可以仅为扫描存在。

s24.所述基站继续改变发送频率发送所述组网邀请，以识别其他频率上的终端。当扫描完预设频段后，即可开始对终端上传感器数据的收集。

在具体实施中，为了防止终端未能收到基站发送的组网邀请或者基站发送失败。本发明采用重复发送的方法，当10ms时间(该时间间隔可根据实际情况，通过上位机进行调整)后，基站会再次在相同的频率发送相同内容的组网邀请，若终端收到则将组网邀请的返回基站，表示加入此网络，可以有效的避免基站与终端之间可能存在的沟通失败。

在本实施例中，步骤s3还包括以下步骤：

s31.所述基站根据所述终端的入网排序为该终端分配相应的工作节点号；

s32.所述基站在传输周期开始时统一向网络中的所有终端发出数据传输命令，激活所述终端的定时单元；

s33.所述定时单元达到工作时隙时，所述终端向所述基站传输数据。

在具体实施时，工作节点号通常包含在基站确认终端加入网络时给终端发送的消息中，该工作节点号是以已加入网络终端节点的数量来确定的，是一个没有被分配的数字。例如已有10个终端加入网络，那么再分配时，就会将11号分配给新加入的终端，未分配的工作节点号就会自动增加为12，并准备发送给下一个接入网络的终端，依此类推。当将整个预设频段扫描完成时，网络的终端节点个数就会知晓，那么基站的轮询周期也就可以计算出来。同时，各终端知道自己的工作节点号，就知晓了本节点的工作时隙，当定时单元的计时时间到达此工作时隙时，就会将数据发送给基站，避免了和其他终端在时间上的冲突。

基站的轮询周期即为传输周期，其周期开始时同时激活所有终端的定时单元，可以保证终端与基站在工作时隙上的同步。避免依靠终端的内部时钟进行计时。因为即使每个终端的时钟精度很高，但随着时间的推移，必然会产生误差，这就会造成各终端之间在发送数据时的相互碰撞，使网络传输不稳定；

在本实施例中，所述工作时隙为所述终端的所述工作节点号与单位延时的乘积；所述单位延时大于等于所述基站从发送模式转换为接收模式的最小时间。可以保证基站能够做好接收数据的准备，也使得每个终端的工作时隙均不同且不会相互干扰。例如：设定每一个单位延时为3ms，网络的第一个终端，即分配的工作节点号为1的节点，其定时单元设定的时间则为1*3ms，这样在接收到基站的开始命令后，延迟3ms后该终端开始传输数据。3ms的延迟是非常有必要的，这样保证了基站有足够的时间去转换为接收模式，去接收一个完整的数据帧。之后的终端的延迟时间都是与其分配的工作节点号相关，例如分配节点号为3的终端，其定时单元的延迟时间为3*3ms，依次类推，每个终端都错开进行数据传输。

在本实施例中，步骤s3还包括以下步骤：

s34.网络中的所有终端依次在所述传输周期的保留时间段向所述基站发送终端状态信息；所述保留时间段为最大的所述工作节点号加一后与所述单位延时的乘积。

这里需要注意的是，基站设定的每帧数据的传输周期，其时间长度要比工作节点号最大的终端的延时要长，一般在传输周期的开始和结束多设置一个时间段；开始部分是为了让基站节点有充分的时间进行模式转换，即从发送模式到接收模式的转换；在周期的末尾部分保留时间段是为了返回终端的状态信息，例如终端的电池电量，工作状态等。这个保留时间段并不是每个终端在每帧数据都使用，每次传输周期就只有一个终端占用此时间段，各终端依次使用。

如附图3所示，在本实施例中，传感器组网方法还包括以下步骤：

s4.所述基站在预定时间内扫描扩容频率，邀请工作在所述扩容频率的所述终端加入网络；若有新的所述终端加入，则进入步骤s3；

s5.所述基站对所述传送周期内未发送数据的所述终端进行无响应计数，当无响应记数大于预设次数时，将该终端从网络中删除；

s6.所述基站告知网络中所有工作节点号大于被删除的终端的所述终端，所述工作节点号自动减一。

具体的，本发明为了提高传感器组网的灵活性，网络中的终端数量是可以改变的，使网络更加适应在实际应用。例如：当网络想增加终端时，为了方便基站寻找到此额外的终端，本发明在预设频段中专门保留了一个扩容频率为之使用，优选2.4ghz+125mhz这个频率。当额外终端上电初始化完成后，其会工作在接收模式，并且工作在扩容频率上。当接收到基站的入网邀请时，便会应答返回消息，加入网络并获得工作节点号。在优选的程序中，我们设定每隔90帧数据时，基站会扫描一次扩容频率，查看是否有开机的额外终端需要加入。在优选的实施例中个，额外加入的终端在加入网络后，会工作在基站为他分配的新的频率，以空出扩容频率，等待其他需要加入的终端接入。

同时，在网络需要删除终端时，一般为在多个传输周期中均无数据发送给基站的长时间无响应(无数据传输)的终端，如已经断电或者关闭的终端。具体操作中，基站的主控单元会设置有无响应的预设次数，当基站将长时间(无响应记数大于预设次数时)收不到此终端节点发送的数据，就会将此终端删除，并发送一条消息告知所有大于此工作节点号的终端，这些终端将自己的工作节点号自动减小1，即都往前移动一个时隙。这样这个节点就在网络中完全删除了，不会影响整个网络的工作稳定。

如附图4所示，在优选的实施例中，传感器组网方法还包括以下步骤：

z1.所述基站接收控制命令，中断当前步骤；

z2.执行相应的响应程序；

z3.该响应程序执行完毕，所述基站退出中断，回到中断前的步骤继续执行；所述控制命令包括上位机命令和外部中断命令。

步骤z1至z3可以提高网络中基站对上位机及外部中断的响应。即基站在采用中断的方式接收并响应控制命令，该控制命令包括上位机命令(通过连接上位机的串口输入的控制命令)和外部中断接收命令(通过无线传输的方式输入的控制命令，如某个终端加入的加入请求)。基站一旦接收到符合中断条件的控制命令，就会响应该请求并进入对应的中断服务函数中，执行相应的程序(函数)，当该程序执行完毕时，基站回到原来的程序步骤继续执行。

如附图5所示，为了解决上述问题，本发明还提供一种传感器网络，包括基站和至少一个终端，所述基站设置有：

主控单元，用于控制基站以及处理所述终端输入的数据，即协调和控制基站中各功能模块之间的工作状态和提供数据处理能力，以及为外围设备(如上位机)提供相应的通信接口，并通过固件下载接口实现的运行程序的下载和调试。

基站通信单元，用于扫描预设频段，并邀请所述预设频段中工作在不同频率的所述终端加入网络，即提供基站无线通信的功能，控制基站和终端之间的应答和数据的收发。

需要指出的是，在优选的实施例中，基站和终端的硬件配置基本是相同的，为了便于功能上是描述，两者中实现类似功能的硬件单元采用了不同的命名以示基站和终端的区别。所述终端设置有：

微控单元，用于控制终端的工作模式以及设置初始化频率；和基站的主控单元类似的，微控单元主要完成的也是协调和控制终端中各功能模块之间的工作状态和提供数据处理能力，包括控制相应的传感器采集数据。还包括为基站提供相应的通信接口，并执行基站运行程序时对终端的控制命令。

采集单元，用于采集数据，如传感器感应到的海拔信息、加速度信息、位置信息、温度信息、压力信息等。

终端通信单元，用于根据所述基站分配的工作时隙向所述基站发送数据，与基站的基站通信单元类似的，提供终端的无线通信功能，如设定终端的无线信号频率，与基站的数据交换等。

如附图6所示，在本实施例中，所述主控单元还用于记录无响应次数；所述基站还设置有：

寄存单元，用于记录所述终端的入网顺序、工作频率和状态信息；在实际操作中，寄存单元一般是主控单元的一部分，以保证主控单元的数据处理可以顺利执行。在其他实施例中，两者也可以分设在不同的硬件主体中。

中断控制单元，用于接收上位机命令或者外部中断命令，停止现执行步骤，执行相应的中断服务函数，该中断服务函数执行完毕后恢复步骤的执行；具体实施时，中断控制单元一般集成在主控单元中，使得主控单元可以及时响应外部命令，提供网络的实时性和可操控性。

在具体实施中，主控单元记录的某个终端无响应次数大于预设次数时，基站即认为该终端已经掉线，并将该终端从网络中删除。主控单元还用于记录各终端的工作时隙，当步骤s32开始执行时，即基站在传输周期开始时统一向网络中的所有终端发出数据传输命令，激活所述终端的定时单元时，主控单元的记时功能也同时激活，使得基站的计时与终端的计时是一致的，如：工作节点号为1的终端在工作时隙中发送数据给基站，基站的计时单元的时间正好也是该终端的工作时隙，基站即可知道此时接收的数据来自工作节点号为1的终端，以此保证基站与终端之间的同步。

所述终端还设置有：

定时单元，用于计算工作时隙，使得终端与基站之间完成同步，避免数据传输时与其他的终端冲突。

存储单元，用于记录绝对编号、工作节点号和传感器数据，以及终端的身份信息。

在优选的实施例中，主控单元和微控单元采用的芯片为stm32f407vgt6，其主频高达168mhz，1mb的flash，192+4kb的sram为运行可靠稳定的无线传感器网络程序以及实现数据高速实时存储提供了快速的运算和处理能力，其封装为64-lqfp(10mmx10mm)，面积很小，使得实现整个传感器节点(基站或者终端)的微型化成为了可能。该芯片具有高达17个定时器，3个iic接口，3个spi接口，4个usart接口，3个ad转换器，为连接外围设备提供了极其丰富的数据通信接口，主控内置了jtag接口，通过该固件下载接口即可为基站或者终端下载和调试程序。

基站通信单元和终端通信单元优选采用的芯片为nrf24l01+，芯片nrf24l01+与主控模块的数据通信协议为spi，其工作在2.4g的ism频段，最高无线传输速率为2mbit/s，因此mems惯性传感器节点的射频传输的速率非常快，保证了数据无线通信的实时性；芯片内置了enhancedshockbursts控制器允许主控模块工作在低速通信而无线部分高速通信，减少了通信的电流消耗，增强型shockbursttm模式可以使得双向链接协议执行起来更为容易有效，典型的双向链接为基站要求终端在接收到数据后有应答信号以便于基站检测有无数据丢失，一旦数据丢失则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。增强型的shockbursttm模式还可以同时控制应答及重发功能而无需增加主控模块的工作量。

在优选的实施例中，基站(或者终端)连接外部设备还可以通过usb接口实现。该usb接口转串口的芯片为cp2102，其与主控单元或者微控单元的通信协议为usart，其具有集成度高的特点，可内置usb2.0全速功能控制器、usb收发器、晶体振荡器、eeprom及异步串行数据总线(uart)，支持调制解调器调制全功能信号，且无需任何外部的usb器件。usb接口芯片用cp2102可以较好的完成传感器网络节点中usart接口的rs232协议和usb2.0协议的电平转换和通信控制的工作。

在其他实施例中，还可以采用si24r1芯片或者nrf24le1芯片作为无线通信单元(包括基站通信单元和终端通信单元)来实现传感器组网的效果。同时，也可采用stm32f407zgt6芯片来代替stm32f407vgt6芯片作为主控单元或者微控单元。

目前的传感器组网环境下，本发明所要求保护的方案很好的保证了传感器组网通信时基站与终端之间通信实时性，信道独立和工作时隙的独立可以有效避免数据通信时的冲突，提高数据的实时性和稳定性。同时，采用预留扩容频率可以方便的对传感器网络进行扩容，使得本发明的传感器网络组网更灵活，也避免了增加终端对整个网络的工作稳定性带来影响。

上述内容，仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。