基于动态路由机制的无线传感器网络及其拓扑控制方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于动态路由机制的无线传感器网络和基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法。其中基于动态路由机制的无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和上位机软件三个部分组成。而基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法主要分为三个步骤，首先通过动态路由机制建立网络拓扑，其次根据RSSI和LQI指标对信道进行评估后调整传感器节点的发射功率，最后是网络拓扑结构的维护，保证网络的连通性和可靠性。基于功率控制的拓扑控制算法可以降低信号间干扰，提高网络的稳定性，延长网络的生命周期。
【专利说明】
基于动态路由机制的无线传感器网络及其拓扑控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于无线传感器网络的技术领域，设及一种基于动态路由机制的无线传感 器网络及其拓扑控制方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器网络由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线 通信方式形成一种多跳自组织的网络系统，能够通过协作实时监测、感知和采集网络分布 区域内的各种环境信息，并对运些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息。无线传感器 网络的应用前景非常广阔，能够广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理和 空间探索等领域。网络拓扑控制是指在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制 和骨干节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓 扑结构。网络拓扑的合理设计与优化对改善网络性能尤为重要，体现在W下几个方面：
[0003] ①降低传感器节点能耗，延长整个网络的生命周期。随着集成电路工艺的进步，传 感器节点的处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上， 并且节点通常采用能量有限的电池供电，更换或者给电池充电都较难实现。拓扑控制通过 自适应调整传感器节点的发射功率，使节点的功耗降低，延长网络的生存时间。
[0004] ②降低传感器节点通信干扰、提高通信效率。无线传感器网中节点的分布密度比 较大，如果每个节点都W最大的发射功率传输数据，会加剧通信信道的干扰、加大误码率、 降低网络通信的效率，造成节点能量的浪费。反之，如果节点的发射功率过小，会影响到网 络的连通性，丢失部分传感数据。网络拓扑控制的功率控制技术可W有效解决运一问题。
[0005] ③拓扑控制为路由协议提供基础。路由协议需要知道网络的拓扑结构，只有有效 的节点才能进行数据传输和转发。拓扑控制能够提高MAC协议和路由协议的效率、为数据融 合提供拓扑基础。
[0006] 无线传感器网络中的传感器节点大多采用电池供电且电源不可更换，由于缺乏持 续、稳定的能源补充，所W其首要目标是高效地使用能源来最大化地延长网络的生命周期。 在实际的应用中，所有的传感器节点W最大的发射功率进行通信，虽然保证了网络拓扑的 连通性，但不可避免地造成了能量的浪费，同时也会导致信号冲突，从而使得网络的生存时 间变短。网络拓扑控制可W优化网络拓扑结构，提高传感器节点能耗利用率，延长网络的生 命周期。
【发明内容】
[0007] 本发明提供一种基于动态路由机制的无线传感器网络，由传感器节点、汇聚节点 和上位机软件S个部分组成，传感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4G化的无 线信号上传给汇聚节点，传感器节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能;汇聚节点通 过有线或WiFi或GPRS无线方式将采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中屯、，汇 聚节点用于传感器节点的数据汇总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命 令的功能;上位机软件用于处理汇聚节点的数据信息，W便观测者实时监控网络数据;本地 PC及远程数据中屯、的上位机软件下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、 节点重启功能。
[0008] 本发明还提供一种基于动态路由的无线传感器网络拓扑控制方法，首先通过动态 路由建立树形网络拓扑，其次根据RSS巧日LQI指标对信道进行评估后调整节点的发射功率， 功率调整完毕后进入网络拓扑维护阶段，周期性地检查网络的拓扑结构，保证网络的连通 性和可靠性。通过动态地调整传感器节点的发射功率，使传感器节点W合适的发射功率进 行通信，不仅可W保证网络的连通性，还可W有效地降低节点的功耗，从而达到延长网络生 命周期的目的。
[0009] 基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法包含如下步骤：
[0010] 步骤1:本系统采用动态路由机制构建网络拓扑结构，动态路由是通过节点之间不 断地交换彼此的信息，按照特定的算法选择最优的寻路效果，同时也可W适应不断变化的 网络，动态的调整网络的拓扑结构。
[0011] 拓扑构建的流程为:一个节点加入网络，当有数据需要发送时首先会检查路由表， 如果路由表中不存在任何路由信息，那么该节点会发送一个广播路由请求。其它节点在收 到该节点路由请求的时候，如果自身有合适的路由信息则会将路由信息回复给请求节点。 请求节点在收到应答的时候会去更新路由表的信息，W保证路由表的信息是最新的。其中 更新路由表是动态路由协议中关键的部分，当接收到一个新的路由信息时会首先遍历路由 表，检查在路由表中是否存在新的路由信息中包含的节点号相同的表项。如果存在运样的 表项，说明运条表项已经是比较旧的了，所W用接收到的新的路由信息覆盖运条比较旧的 表项。遍历完路由表后如果发现不存在节点号相同的表项，说明之前不存在运样的路由信 息，那么运条路由信息一定要加入到路由表中将运条信息加入到路由表中。如果出现路由 表已经满的情况，此时系统会用新的路由信息覆盖最没有价值的路由表项。每个节点都会 构建一个路由表，当节点发送数据的时候，会从路由表中选取跳数最少并且链路质量最好 的路由表项将数据发送出去。
[0012] 步骤2:当拓扑结构构建完成后，系统会进入功率调整阶段，自适应地调整每个节 点的发射功率，使其在保证数据正确传输的情况下，尽量降低每个节点在数据传输时的功 耗。每个节点维护了一个路由表信息，通过函数getRouteStatusO获取节点与其父节点之 间的路由状态信息，使用路由信息中RSSI(Receive Si即曰1 Shength Indicator)和LQI 化ink Quality Indicator)指标对无线通信信道进行分级，一共分为五个级别，它们分别 是VERYG00D、GOOD、PERFECT、BAD和VERYBAD。当信道的评级为VERYG00D和GOOD时表明信道质 量很好，可W适当降低节点的发射功率，降低节点的通信功耗；当信道评级为其他级别时， 节点仍采用最大的发射功率，保证网络的连通性与可靠性。
[0013] 步骤3:当传感器节点完成功率调整后W合适的发射功率进行通信，系统进入拓扑 维护阶段。由于传感器节点需要完成采集数据、处理数据和传输数据等任务，都需要消耗能 量，因此网络拓扑状态可能发生改变，因此需要对其进行维护使其保持最优状态。
[0014] 网络拓扑的维护是周期性的任务，采用定时器触发。定时周期的长度非常关键，时 间太短可能导致不必要的维护开销。另一方面，时间太长可能会由于网络拓扑结构变化导 致节点失效，无法传输数据。系统需要周期性地检查网络拓扑结构的变化，根据网络拓扑的 变化，适当调整节点的发射功率。拓扑维护的情况比较复杂，功率调整的方式也不一样。一 个节点的父节点失效后，它需要增加自身的发射功率增强通信的范围，重新寻找新的路由。 受到环境的影响信道质量急剧下降，也需要节点增强发射功率保证通信的可靠性。新的节 点加入网络，节点之间的通信距离变短，需要适当降低节点的发射功率，W适应新的网络拓 扑。
[0015] 本发明的有益效果是：
[0016] 1、本发明提出的方法不仅可W有效地控制节点的发射功率，降低节点的功耗，延 长网络的生命周期，而且还可W降低节点之间的通信干扰，提高数据传输的准确性；
[0017] 2、本发明提出的方法适用于计算能力和通信能力有限的传感器节点，功率调整的 依据是LQI和RSSI，运些指标只需要读取寄存器的值就可W获取，降低了功率调整的算法开 销；
[0018] 3、本发明提出的方法提出的具有自适应能力，周期性地检查网络的拓扑结构的变 化，动态调整传感器节点的发射功率，保证传感器节点W合适的发射功率工作。
【附图说明】
[0019] 为进一步说明本发明的技术内容W下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
[0020] 图1为传感器节点各种工作状态功耗分布图；
[0021 ]图2为无线传感器网络形成的树形网络拓扑结构图；
[0022] 图3为动态路由构建拓扑结构的流程图；
[0023] 图4为传感器节点调整发射功率流程图；
[0024] 图5为无线传感器网络系统结构示意图。
[00剧附图标记说明：
[00%] 1汇聚节点2-10传感器节点
【具体实施方式】
[0027] -种本发明中基于动态路由机制的无线传感器网络的具体实施例。该系统主要由 传感器节点，汇聚节点（网关)和上位机软件=个部分组成。系统结构示意图如图5所示，传 感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4G化的无线信号上传给汇聚节点，传感器 节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能;汇聚节点通过有线或WiFi或GPRS无线方式将 采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中屯、，汇聚节点用于传感器节点的数据汇 总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命令的功能;上位机软件用于处理汇 聚节点的数据信息，W便观测者实时监控网络数据;本地PC及远程数据中屯、的上位机软件 下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、节点重启功能。
[0028] 传感器节点的核屯、模块采用TI公司的CC2530忍片，该模块实现射频收发、存储控 制和执行控制的功能。传感器节点通常由4大功能模块组成，即电源模块、传感器模块、处理 器模块、无线通信模块，并且电源模块采用电池供电且不易更换。随着集成电路工艺的进 步，传感器节点的处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模 块上。无线通信模块存在发送、接收、空闲和睡眠四种状态，不同的工作状态下节点的功耗 不同。在睡眠状态下，射频模块关闭，只有处理器模块在工作，节点消耗的能量很小。在接收 状态下，节点需要侦听空中的射频信号，因此节点的功耗明显增加，空闲状态和接收状态能 量消耗接近。在发送状态下，由于射频模块在发送瞬间的工作电流很大，W及节点电路受电 容、电感等储能元件的共同影响，节点的功耗是所有状态中最大的。传感器节点传输数据时 要比执行计算时更加消耗能量，距离IOOm传输1比特数据需要的能量大约相当于执行3000 条计算指令消耗的能量。
[0029] 图1描述的传感器节点各部分能量消耗情况。减小节点的发射功率可有效减少节 点的功耗，延长整个无线传感器网络的生命周期。
[0030] 本专利提出的拓扑控制算法的核屯、思想是通过动态路由协议建立树形网络拓扑 结构，无线传感器网络的拓扑结构通常是树形结构如图2所示，根据路由信息对节点之间通 信信道进行评级，评级所采用的指标包括RSSI和LQI，最后根据评级的结果动态地调整传感 器节点的发射功率，使节点W合适的发射功率工作，避免能量的浪费。汇聚节点作为整个网 络的根节点，网络采集的数据最终都将传输到汇聚节点。传感器节点不仅是数据采集节点， 同时也是路由中继节点。传感器节点将采集的数据发送给自己的父节点，同时也转发其他 节点发送的数据，数据最终通过层层转发传输至汇聚节点。
[0031] 功率控制算法具体分为=个步骤，它们分别是拓扑结构构建阶段、功率调整阶段 和拓扑维护阶段。
[0032] 1)拓扑构建阶段
[0033] 拓扑构建的流程如图3所示。系统采用动态路由机制构建网络拓扑结构，动态路由 是通过节点之间不断地交换彼此的信息，按照特定的算法选择最优的寻路效果，同时也可 W适应不断变化的网络，动态的调整网络的拓扑结构。一个节点加入网络，当有数据需要发 送时首先会检查路由表，如果路由表中不存在任何路由信息，那么该节点会发送一个广播 路由请求。其它节点在收到该节点路由请求的时候，如果自身有合适的路由信息则会将路 由信息回复给请求节点。请求节点在收到应答的时候会去更新路由表的信息，W保证路由 表的信息是最新的。其中更新路由表是动态路由协议中关键的部分，当接收到一个新的路 由信息时会首先遍历路由表，检查在路由表中是否存在新的路由信息中包含的节点号相同 的表项。如果存在运样的表项，说明运条表项已经是比较旧的了，所W用接收到的新的路由 信息覆盖运条比较旧的表项。遍历完路由表后如果发现不存在节点号相同的表项，说明之 前不存在运样的路由信息，那么运条路由信息一定要加入到路由表中将运条信息加入到路 由表中。如果出现路由表已经满的情况，此时系统会用新的路由信息覆盖最没有价值的路 由表项。每个节点都会构建一个路由表，当节点发送数据的时候，会从路由表中选取跳数最 少并且链路质量最好的路由表项将数据发送出去。
[0034] 2)功率调整阶段
[0035] 功率调整的流程如图4所示。当拓扑结构构建完成后，系统会进入功率调整阶段， 自适应地调整每个节点的发射功率，使其在保证数据正确传输的情况下，尽量降低每个节 点在数据传输时的功耗。通过获取路由状态判断是否存在合法路由信息，不存在则更新路 由表。当存在合法路由时，每个节点维护了一个路由表信息，通过函数getRouteStatus获取 节点与其父节点之间的路由状态信息，使用路由信息中RSSI和LQI指标对无线通信信道进 行分级，一共分为五个级别，它们分别是VERYG00D、G00D、阳RFECT、BAD和VERYBAD。当信道的 评级为VERYG00D和GOOD时表明信道质量很好，可W适当降低节点的发射功率，降低节点的 通信功耗;当信道评级为其他级别时，节点仍采用最大的发射功率，保证网络的连通性与可 靠性。重复此过程则最终确定传感器节点的发射功率。
[0036] 信道评级所采用的指标是RSS巧化QI，它们反映了通信信道的状态。RSSI是衡量接 收到射频信号功率的方式，CC2530忍片中有专口读取RSSI值的寄存器，当数据包接收后， CC2530忍片中的协处理器将该数据包的RSSI值写入寄存器。RSSI值和接收信号功率Pr的换 算关系如下：
[0037] Pr = RSSI_VAL+RSSI_OFFSET[dBm]
[003引其中，RSSIJFFSET是经验值，一般取-45，在收发节点距离固定的情况下，RSSI值 随发射功率线性增长。LQI反映了信道的链路质量，表示接收数据帖的能量与质量，其大小 基于信号强度W及检测到的信噪比（SNR)，通常情况下与正确接收到数据帖的概率有关。 LQI相对于RSSI的动态范围更大，并且拥有更高的分辨率，然而RSSI的响应速度比LQI快，所 WRSSI可W更快的反映网络的状态变化。结合RSSI和LQI两个指标来评估网络的状态可W 做到准确和快速，保证功率调整的准确性和有效性。
[0039] 发射功率调整的方法实现是通过修改TinyOS操作系统中RfConfi评组件，该组件 负责射频模块参数的配置，使用变量m_tx_power来控制发射功率的等级，分别实现了 gainTXPower()和reduceTX化wer ()两个函数，用来调整射频模块的发射功率。CC2530射频 忍片支持16个发射功率等级，最大发射功率是4.5地m，最小发射功率是-22地m。可W通过软 件对CC2530的TXPOWER寄存器进行设置，达到设置发射功率的目的。当中屯、频率设置为 2.440G化时，TXPOWER设置的典型输出功率和电流消耗如下表1所示。
[0040] 表 1 [00411
[0042] 功率控制函数的具体实现如下：
[0043] //增加节点的发射功率
[0044] command void RfConfig.gainTXF^owerO
[0045] {
[0046] if (m_tx_power= =OxFS)
[0047] return；
[004引 m_tx_power+ = 16;
[0049] writeTxPower()；
[(K)加 ]}
[0051] //降低节点的发射功率
[0052] command void RfConfig.reduceTXF^owerO
[0化3] {
[0054] if (m_tx_power= =0x05)
[0055] return；
[0056] m_tx_power- = 16 ；
[0057] writeTxPower()；
[0化引 }
[0059] 3)拓扑维护阶段
[0060] 当传感器节点完成功率调整后W合适的发射功率进行通信，系统进入拓扑维护阶 段。由于传感器节点需要完成采集数据、处理数据和传输数据等任务，都需要消耗能量，因 此网络拓扑状态可能发生改变，因此需要对其进行维护使其保持最优状态。网络拓扑的维 护是周期性的任务，采用定时器触发。定时周期的长度非常关键，时间太短可能导致不必要 的维护开销。另一方面，时间太长可能会由于网络拓扑结构变化导致节点失效，无法传输数 据。系统需要周期性地检查网络拓扑结构的变化，根据网络拓扑的变化，适当调整节点的发 射功率。拓扑维护的情况比较复杂，功率调整的方式也不一样。一个节点的父节点失效后， 它需要增加自身的发射功率增强通信的范围，重新寻找新的路由。受到环境的影响信道质 量急剧下降，也需要节点增强发射功率保证通信的可靠性。新的节点加入网络，节点之间的 通信距离变短，需要适当降低节点的发射功率，W适应新的网络拓扑。
[0061] W上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，W上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于动态路由机制的无线传感器网络，由传感器节点、汇聚节点和上位机软件 三个部分组成，传感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4GHz的无线信号上传给 汇聚节点，传感器节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能;汇聚节点通过有线或WiFi 或GPRS无线方式将采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中心，汇聚节点用于传 感器节点的数据汇总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命令的功能;上位 机软件用于处理汇聚节点的数据信息，以便观测者实时监控网络数据;本地PC及远程数据 中心的上位机软件下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、节点重启功 能。2. 如权利要求1所述的基于动态路由机制的无线传感器网络，其特征在于，其中所述传 感器节点由电源模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和大功能模块组成。3. 如权利要求1所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，包括如 下步骤： 1) 拓扑结构构建阶段:采用动态路由机制构建网络拓扑结构，动态路由机制是通过传 感器节点之间不断地交换彼此的信息，按照特定的算法选择最优的寻路效果，同时适应不 断变化的网络，动态的调整网络的拓扑结构； 2) 功率调整阶段：自适应地调整每个传感器节点的发射功率，使其在保证数据正确传 输的情况下，尽量降低每个传感器节点在数据传输时的功耗； 3) 拓扑维护阶段：当传感器节点完成功率调整后以合适的发射功率进行通信，系统进 入拓扑维护阶段，网络拓扑的维护是周期性的任务，采用定时器触发。4. 如权利要求3所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于，其中在所述2)功率调整阶段，根据节点之间的路由信息对通信节点之间的信道进行 评级，然后根据信道的评级结果动态地调整节点的发射功率，使节点以合适的发射功率工 作，避免能量的浪费。5. 如权利要求4所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于，其中所述通信信道评级的方法是，根据动态路由机制所构建的网络拓扑获取通信节 点之间的LQI和RSSI信息，作为信道评级所采用的指标，将信道分为5个等级，分别是 VERYGOOD、GOOD、PERFECT、BAD和VERYBAD，其中RSSI是衡量接收到射频信号功率的方式， RSSI值和接收信号功率Pr的换算关系如下： Pr = RSSI_VAL+RSSI_OFFSET [dBm] 其中，RSSI_OFFSET是经验值;LQI反映了信道的链路质量，表示接收数据帧的能量与质 量，其大小基于信号强度以及检测到的信噪比。6. 如权利要求5所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于：其中 RSSI_OFFSET 取-45。7. 如权利要求4所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于:其中所述传感器节点调整发射功率的方法为，通过软件设置发射功率寄存器的数值， 选择不同的发射功率。8. 如权利要求6所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于:其中所述传感器节点调整功率的策略是，当信道的评级为VERYGOOD和GOOD时表明信 道质量很好，适当降低节点的发射功率，降低节点的通信功耗；当信道评级为其他级别时， 节点仍采用最大的发射功率，保证网络的连通性与可靠性。9. 如权利要求3所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于:其中步骤3)网络拓扑维护的策略是，一个节点的父节点失效后，增加自身的发射功率 增强通信的范围，重新寻找新的路由；受到环境的影响信道质量急剧下降，节点增强发射功 率保证通信的可靠性;新的节点加入网络，节点之间的通信距离变短，适当降低节点的发射 功率，以适应新的网络拓扑。10. 如权利要求3所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征 在于:其中步骤3)拓扑维护的周期采用定时器触发。
【文档编号】H04W40/24GK105979565SQ201610312888
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】王亚聪, 赵柏秦
【申请人】中国科学院半导体研究所