专利名称：一种蓝牙无线传感器网络组网与路由方法
技术领域：
本发明是一种应用于无线传感器网络的组网与路由方法。属于无线通信和信息传播技术领域。
技术背景无线传感器网络是指由大量传感器节点用无线通信的方式组成的信息 传播网络，它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信 技术、分布式信息处理技术等。大量的廉价微型传感器节点部署在监测区 域内，通过短距离无线通信方式形成一个多跳自组织网络系统，其目的是 协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送给观察者。如果说Internet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式， 那么，无线传感器网络就是将逻辑的信息世界与客观上的物理世界融合在 一起，改变人类与自然界的交互方式。人们可以通过传感网络直接感知客 观世界，从而极大地扩张现有网络的功能和人类认识世界的能力。该技术 在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常 广泛的应用，是目前国内外研究和应用的热点技术之一。蓝牙技术是一种全球开放性的、低成本的短距离无线通信规范，它使 用2.4GHz频段，采用快速跳频、前向纠错和优化编码等技术，使得其具有 抗干扰能力强、通信质量稳定的优点，同时它还具有低功耗、低成本、使 用便捷和电磁污染小等特点。蓝牙技术的这些优势，为其在无线传感器网 络中的实际应用提供了有利条件。目前无线传感器网络的组网和路由主要考虑传统的网络运行指标，如 网络连通性、覆盖度、通信效率、节省能量等，而没有考虑实际无线通信 方式的物理层及MAC层协议的工作特点。蓝牙AD HOC网络的研究是在 蓝牙组网技术基础上考虑连通性、路由健壮性、网络直径、消息复杂度等 问题，很少考虑到将蓝牙AD HOC网络应用到传感器网络的特定情况。 发明内容本发明针对无线传感器网络组网与路由很少考虑特定的物理层和MAC层协议特点，将无线传感器网络与蓝牙技术相结合，提出了一种蓝牙 无线传感器网络组网与路由方法。在蓝牙网络的主从结构、微微网内节点 数受限制、蓝牙桥节点技术、主从切换技术等特定MAC层技术条件下，实 现了蓝牙无线传感器网络组网与路由，同时保证网络的健壮、简捷、有效、 稳定和可靠。本发明针对能量可知的无线传感器网络节点，设计具有较长网络生存 时间和较高灵活性、可靠性的组网和路由方法。无线传感器网络中的节点 一般采用电池供电，可以使用的电量非常有限，而且对于有大量节点的无 线传感器网络来说，对电池的更换是非常困难的。但是无线传感器网络的 生存时间却要求长达数月甚至数年，因此，如何在不影响功能的前提下， 尽可能节约无线传感器网络的电池能量，延长整个网络的生存时间成为无 线传感器网络软硬件设计中的核心问题。同时无线传感器网络还应具备较 好的可靠性和灵活性，在保证网络可靠的前提下，能够满足部分节点移动， 加入网络，退出网络的需求。考虑传感器网络的传感信息数据传输方向是由传感器终端节点往数据 汇集点(sink)传输，本发明采用树型层次拓扑结构，由汇集点，即根节点 发起网络的组建。整个网络的组建过程首先是根节点的选取，然后以根节 点为中心进行网络扩张，先形成根微微网，然后以根微微网向外延伸，形 成第二级微微网，整个网络逐步向外扩张。在选取根节点和桥节点以及微 微网主节点时，根据节点剩余能量值来确定。在形成微微网时使微微网内 的成员(包括主节点)不超过7个，尽可能等于和接近7个，使网络分层 的级数较少，同时提供微微网的扩展性，满足部分节点移动、加入网络的 需求。桥节点全部采用(从/从)桥节点，使网络分层级数尽可能少。每个 微微网内提供1个备份节点对本微微网的主节点和上行(从终端节点到汇 集点方向)桥节点进行备份，可适用于微微网主节点、桥节点失效或节点 离开时代替原节点的工作而不用重新组网。网络扩张，交换组网信息的同 时，交换各级节点的路由信息，路由信息表在网络组网完成时同时形成。 (1)根节点选取网络组网的第一步是根节点的选取，本发明所设计的传感器网络的每个节点都有剩余能量指示，组网算法是基于节点能量可知的前提。由于传 感器网络的所有数据都要通过根节点传到外部网络，所以对传感器网络的 根节点的能量要求较高，根节点的选取有两种方法 一种是在网络设计时 设计出1个高性能、高能量的特定节点来固定充当根节点，网络在运行过程中不必更换根节点来平衡网络总体能量的消耗；第二种方法是在没有提供指定的高能量根节点时，采用分布式算法在网络内选出能量较高的节点 作根节点，网络在运行时需要定期进行根节点的重选来平衡整个网络的能量消耗。每个节点都有变量ENERGY表示节点的剩余能量，另设变量 TIMEOUT表示根节点选举的时间限制。根节点的选举分为能量信息互通和 根信息广播两个阶段。① 能量信息互通阶段根节点选举开始时，节点随机进入查询 (Inquiry)或查询扫描(Inquiry scan)状态，当两个蓝牙传感器网络节点互相发现后，便进行ENERGY值的互通，包括本节点已知的能量最高节点 的ENERGY值的互通，然后又随机进入Inquiry或Inquiry scan状态，继续 进行信息交换，直到TIMEOUT计时到时。② 根信息广播阶段经过能量信息互通阶段后所有认为自己是 ENERGY值最大的节点采取洪泛法向全部节点广播自己的ENERGY值并 宣布自己为根节点，当有多个节点发出广播时，ENERGY值较大的成为根 节点，所有非根节点进入Inquiry scan状态。(2)根微微网形成 根节点选出后的第二步是形成根微微网，根微微网的形成分为根微微 网成员选举，根微微网成员编号，根微微网路由信息记录三步。① 根微微网成员选举根节点在选举过程中已经收集到其所有相邻节点的地址信息和部分节点的ENERGY值信息，对于还不知道ENERGY值 信息的节点依次进行连接、取ENERGY值、断开连接的操作，然后对其周 围所能直接连接节点的ENERGY值进行比较，选出最大的6个，与这6个 节点建立连接，形成根微微网。② 根微微网成员编号根节点自身的ID编号标记为0，其连接的6 个从节点的ID编号标记为1、 2、 3、 4、 5、 6。此微微网由l个主节点、6个从节点构成，微微网络留有1个空位以便在网络运行过程中，部分的新 节点可以方便加入而不用重新组网。③根微微网路由信息记录根微微网的主节点记录6个从节点的下行 (从汇集点到终端节点方向)路由地址，6个从节点在自己的路由表中记录 到根节点的上行路由地址。(3)网络扩张根微微网形成后开始进行网络扩张，扩张方式为由网络末端节点进行 网络扩张，此时的网络末端节点为根微微网的从节点，先以根微微网的每 个从节点为二级微微网的主节点进行网络扩张，然后通过角色转换形成以 根微微网的每个从节点作为连接根微微网和二级微微网的桥节点的网络结 构。网络扩展步骤如下-① 根微微网的从节点作为主设备进入Inquiry状态，若有设备响应查 询，则与该设备进行连接，直到连接到6个设备；若在设定时间内没有6 个设备响应查询，则停止査询操作并向根节点报告査询情况。至此形成1 个二级微微网络。② 在步骤①形成的微微网中选举出除主节点外的能够连接本微微网 内所有其它节点的能量最高节点和次高节点并标记。③ 新微微网形成后，主节点要做的工作标记自身为主节点/从节点 (M/S)桥角色；保存从节点的BD一ADDR;在自身的ID编号的末尾加0，如ID为3，加0后变为30;根据自身的ID编号对本微微网内的从节点分 配ID编号，如当主设备ID为30时，将本微微网中的选举出的能量最高节 点的ID记为3，能量次高节点标记为31，其它节点依次记为32、 33、 34、 35;给从节点发送一个数据包，数据包应该包含主节点ID编号、角色、从 节点ID编号。 新微微网形成后，从节点要做的工作禁止査询扫描和呼叫扫描， 即不响应新的査询和呼叫；标记自身为从节点角色；保存主节点BD一ADDR 和ID编号、角色、自身分配到的ID编号；收到数据包后回送一个数据包 用于身份认证。 身份认证完毕后，主节点发起主从设备角色的转换，完成主节点与能量最高节点的主从角色转换，转换成功后，能量最高节点成为主节点，原先的主节点变成了从节点，此时它要标记自身为从节点/从节点(s/s)桥 节点角色，主节点在路由表中记录到s/s桥节点的上行路由信息和到其它从节点的下行路由信息。其它从节点在自己的路由表中记录上行路由信息，s/s桥节点通知根节点修改(或者登记)它的角色信息，并通知根节点己完成本阶段工作。⑥ 其它网络末端节点也根据步骤① ⑤的方法进行网络扩展，当所有 网络末端节点的网络扩张都完成时，第二级微微网形成。⑦ 网络继续扩张第二级微微网形成后，网络将在第二级微微网的基础上继续扩张。若网络中还有节点未加入网络，由根节点发出网络扩张命令，网络末端节点响应扩张命令。扩张方式为除s/s桥节点和能量次高节点外，其它二级微微网内的从节点作为新的主节点进行网络扩张，能量次高 节点不进行网络扩张以便于其可以作为二级微微网主节点和上行桥节点的 备份节点。当所有二级微微网从节点都向根节点报告本阶段完成或者査询 超时，根节点将再次广播网络扩张命令。⑧ 根节点反复命令网络扩张，直到连续两次网络扩张都没有找到新节 点为止，至此，可认为组网过程已经完成。-组网完成后网络开始运行，进行传感信息的采集和传输工作，蓝牙传 感器网络工作时，利用蓝牙网络所固有的低功耗呼吸模式，网络周期性的 传输传感信息，延长整个网络的生存时间。本发明的组网与路由方法有如下优点一、 将传感器网络与蓝牙技术相结合，在传感器网络组网时充分利用 蓝牙网络的MAC层技术和组网技术，系统组网方便、快捷；在实施蓝牙网络组网时充分考虑其作为传感器网络的应用背景，组成的蓝牙网络适合完 成无线传感器网络的传感信息采集任务。二、 采取基于能量可知前提和延长网络生存时间的组网方法，在着重 考虑网络生存时间最长的要求下，使组成网络的网络级数较小且具有较好 的可靠性和灵活性。三、 组成无线传感器网络的所有微微网中留有空位'，以适应在不重新组网的情况下加入部分节点；每个微微网中有1个主节点和上行桥节点的 备份节点，可适应于微微网中部分节点失效、移动离开本微微网等情况。 网络具有较好的可靠性、灵活性和.自愈能力。四、系统组网的同时进行路由信息的交互，在网络组网完成的同时其 所有节点的路由信息表一并建立，所形成的路由路径长度较短。
图1根节点选举中能量信息互通阶段示意图 图2根节点选举中根信息广播阶段示意图 图3根微微网络参考拓扑结构图 图4 二级微微网络参考拓扑结构图 图5三级微微网络参考拓扑结构图
具体实施例方式下面结合附图和蓝牙传感器网络用于传感信息采集的具体应用对本发 明作进一步的说明。本发明将传感器网络技术与蓝牙技术相结合，在传感器网络的组网中 充分利用蓝牙成熟的物理层和MAC技术以及抗干扰能力，设计的蓝牙散射 网组网考虑无线传感器网络的具体应用，基于传感器网络节点能量可知的 情况下使整个网络的生存时间尽可能长，同时也满足部分节点的加入、移 动、离开等情况要求，具有较好的可靠性、灵活性和可自愈性。利用传感 器网络传感信息数据向根节点汇聚流动的特性，在形成网络拓扑的同时建 立节点的路由表。蓝牙无线传感器网络的组网具有以下特性參根节点为指定的高能量节点或根据能量高低从全网中选举产生； *每个微微网的节点个数不超过7个，留有1个空位以便新节点灵活 加入；*每个微微网的节点个数尽可能接近或等于7个，使网络直径较小； —个桥节点只连接两个微微网；*两个微微网之间只有一个桥节点连接；*桥节点的类型为S/S型，使网络有较好的通信性能；*每个微微网通过1个上行S/S桥与上级微微网通信；*每个微微网最多通过4个下行S/S桥与下级微微网通信；*每个微微网中至少有l个不充当桥的纯从节点，对本微微网的主节点和上行桥节点形成备份。 网络组网首先是进行根节点选举，在进行传感器网络设计时，考虑传 感器网络根节点的特殊性，尽可能设计一个高能量、高性能节点来固定充 当根节点，以避免周期性的根节点重新选举和整个网络重组网所带来的对 整个网络的能量消耗。在传感器网络中没有设计特殊高能量、高性能节点 的情况下，采用分布式算法在网络内选出能量最高的节点作根节点，但网 络运行时需要定期进行根节点的重选来平衡整个网络的能量消耗。每个节 点都有变量ENERGY表示节点的剩余能量，其值是由8bit的A/D对电压信 号进行采样得到，值的范围是0 255。每个节点的变量TIMEOUT表示根节 点选举时间限制，当TIMEOUT计时到时后节点停止相互的能量信息交互， 进入根节点信息广播阶段。根节点选举开始时，节点随机进入Inquiry或Inquiry scan状态，当两 个蓝牙节点互相发现后，便进行ENERGY信息的互通，包括本节点所知的 最高能量节点的ID及其ENERGY值，然后又随机进入Inquiry或Inquiry scan状态，继续进行信息交换，直到TIMEOUT计时到时。如图1所示， 所有节点在与其他节点交换信息前，认为自己是能量最高节点，即临时能 量最高节点，如节点3的M (Max)参数为3 (125)，表示本节点所知的能 量最高节点为3，其能量值为125。所有节点随机与其相邻节点交换 ENERGY信息，如一段时间后，2、 7节点交换了信息，5、 25节点交换了 信息，9、 14节点交换了信息。信息交互后，2、 7节点获知节点7为最高 能量节点，其能量为189; 5、 25节点获知节点25为最高能量节点，其能 量为172; 9、 14节点获知节点9为最高能量节点，其能量为201。所有节 点不断对其所知的最高能量节点信息进行交互，经过TIMEOUT时间后， 停止进行交互，此时将有1个或多个节点认为自己是能量最高节点， TIMEOUT时间值的确定根据网络规模的大小，要求经过能量信息交互阶段后形成的局部能量最高节点数量不多于5个，并且时间尽量短。TIMEOUT 计时到后，形成如图2所示的情况，其中节点7和节点9都认为自己是能 量最高的节点。能量信息互通阶段后的临时最高能量节点(如节点7和节点9)采取洪泛法向全部节点广播自己的ENERGY值并宣布自己为根节点，网络的节点在转发广播包时，将判断本次要转发的包中所广播节点的能量大小，只有 大于等于其之前所转发的节点能量值时才进行转发，以减少网络广播信息流量。临时最高能量节点将收到其它临时最高能量节点发出的广播包，当 有多个节点发出广播时，ENERGY值较大的成为根节点，当有ENERGY值 一样的节点时，BD一ADDR最小的成为根节点，所有非根节点随后进入 Inquiry scan状态。指定根节点或选举出根节点后，以根节点为主节点，组成根微微网。 根节点在选举过程中已经收集到其相邻节点的全部地址信息和部分节点的 ENERGY值信息，对于未知ENERGY值信息的相邻节点依次进行连接、取 ENERGY值、断开连接的操作。然后对其相邻节点的ENERGY值进行比较， 选出最大的6个，与这6个建立连接，形成根微微网。如图3所示，根节 点自身的ID编号标记为O，其连接的6个从节点ID编号标记为1、 2、 3、4、 5、 6。根节点O在其路由表中记录其下行地址为1、 2、 3、 4、 5、 6 (实 际访问时的地址是节点的BD_ADDR和ACL连接句柄号)，从节点在其路 由表中记录其上行地址0。此时形成的微微网共由7个节点组成，包括1个 主节点和6个从节点。微微网络预留一个空闲位置以便在网络运行过程中， 部分新节点可以方便加入。蓝牙无线传感器网络组网的第三步是以根微微网为中心，进行网络扩 张。根节点广播网络扩张命令，网络末端节点都会响应这个命令，此时的 网络末端节点为根微微网的6个从节点，如图3中的ID为1、 2、 3、 4、5、 6的节点。从节点均进入Inquiry状态，若有设备响应查询，则与该设备 进行连接，直到连接到6个设备；若在设定时间内没有设备响应査询，则 停止査询操作并向根节点报告查询情况。此时形成的二级微微网如图4所 示，这里只给出了由节点2扩张产生的全部节点和由节点3扩张产生的部分节点的示意图，实际在网络节点数目较多时，节点1 6都会扩张出新的 微微网。图4中的节点A (根微微网络形成后，ID暂为2的节点)在接到网络 扩张命令后，以自己为主节点连接了 6个设备B、 C、 D、 E、 F、 G，形成 一个临时的二级微微网络。节点A在此微微网络中选出除自己之外的能量 最高的节点C和能量次高的节点E，将自己的ID号3传给能量最高节点C (即C的ID命为3)， A节点的ID号更改为30 (原ID号后加一个O)，对 能量次高节点的ID命为31,其它节点依次为32、 33、 34、 35。节点A将 所有从节点的BD一ADDR地址表和能量次高节点E的记录传给节点C。从 节点B、 C、 D、 E、 F、 G此时禁止新的査询扫描和呼叫扫描；标记自身为 从节点角色；保存主节点BD一ADDR和ID编号、角色、自身分配到的ID 编号；收到数据包后回送一个数据包用于身份认证。以节点A为主节点的 微微网连接和ID号分配等工作完成后，由节点A对节点C发起主从节点 角色的转换命令，完成主节点与能量最高节点C的主从角色转换，转换成 功后，能量最高节点C成为主节点，原先的主节点A变成了从节点。此时 节点A标记自身为S/S桥节点角色，在自己的路由表中记录下行地址为2， 上行地址为O,并发数据包通知上级节点(此时为根节点)自己的ID编号 的修改。新建立的以C为主节点的二级微微网中，主节点C在其路由表中记录 上行地址为20,下行地址为21、 22、 23、 24、 25，各从节点在自己的路由 表中记录上行地址为2。节点C将本微微网所有的信息发给能量次高节点E， 桥节点A也将自己信息发给E，由节点E对节点A和C的数据进行备份， 以便在A或C失效时代替其工作。其它根微微网的从节点也进行同样的扩 张活动，当扩张完成时，通知根节点，至此二级微微网形成。二级微微网形成后，若网络中还有节点未加入网络，则网络继续进行 扩张，根节点再次广播网络扩张命令，该命令沿所有下行链路传到网络末 端节点(此时的网络末端节点为二级微微网的纯从节点)，除微微网备份节 点外，所有网络末端节点采用二级微微网形成的方法进行扩张，如图5所示， 由二级微微网的从节点D，扩张出以H为主节点，D、 I、 J等节点为从节点的三级微微网。备份节点专用于对本微微网的主节点和上行桥节点进行备 份，不能进行网络扩张。当所有二级微微网从节点都向根节点报告本阶段 完成或者查询超时，根节点将再次广播网络扩张命令。如此反复，通过根 节点反复命令网络扩张，直到连续两次网络扩张都没有找到新节点为止。 至此，可认为组网过程已经完成。组网完成后网络开始运行，进行传感信 息的采集和传输工作，蓝牙传感器网络工作时，利用蓝牙网络所固有的低 功耗呼吸模式，网络周期性的传输传感信息，延长了整个网络的生存时间。
权利要求
1、一种蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征在于将传感器网络技术与蓝牙技术相结合，在传感器网络的组网中充分利用蓝牙成熟的物理层和MAC技术以及抗干扰能力，设计的蓝牙散射网组网考虑无线传感器网络的具体应用，基于传感器网络节点能量可知的情况下使整个网络的生存时间尽可能长，同时也满足部分节点的加入、移动、离开等情况要求，具有较好的可靠性、灵活性和可自愈性，利用传感器网络数据向根节点汇聚流动的特性，在形成网络拓扑的同时建立节点的路由表。
2、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征 在于将传感器网络与蓝牙技术相结合，在传感器网络组网时充分利用蓝 牙网络的MAC层技术和组网技术，系统组网方便、快捷；在实施蓝牙网络 组网时充分考虑其作为传感器网络的应用背景，组成的蓝牙网络适合完成 无线传感器网络的传感信息采集任务。
3、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征在于网络使用树型拓扑结构，组网分为根节点选取，根微微网形成，网 络扩张几个阶段，采取基于能量可知前提和延长网络生存时间的组网方法， 在着重考虑网络生存时间最长的要求下，使组成网络的网络级数较小且具 有较好的可靠性和灵活性。
4、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征在于组成无线传感器网络的每个微微网的节点个数不超过7个，至少留 有1个空位，以适应在不重新组网的情况下加入部分节点的情况。
5、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征在于每个微微网的节点个数尽可能接近或等于7个，桥节点的类型为S/S型，使网络直径较小。
6、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征在于每个微微网中至少有1个不充当桥的纯从节点，对本微微网的主节 点和上行桥节点形成备份，当主节点或上行桥节点失效时，备份节点代替 失效节点在网络中的工作，而不用改变网络现有拓扑结构，可适应于微微 网中部分节点失效、移动离开本微微网等情况，网络具有较好的可靠性、灵活性和自愈能力。
7、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征 在于系统组网的同时进行路由信息的交互，在网络组网完成的同时其所 有节点的路由信息表一并建立，所形成的路由路径长度较短。
8、 根据权利要求1所述蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，其特征 在于蓝牙传感器网络工作时，利用蓝牙网络所固有的低功耗呼吸模式， 网络周期性的传输传感信息，延长整个网络的生存时间。
全文摘要
一种蓝牙无线传感器网络组网与路由方法，将传感器网络技术与蓝牙技术相结合，在传感器网络组网时充分利用蓝牙网络成熟的物理层和MAC技术以及抗干扰能力，系统组网方便、快捷。设计的蓝牙散射网组网考虑无线传感器网络的具体应用，使用树型拓扑结构，组网分为根节点选取，根微微网形成，网络扩张三个阶段，采取基于能量可知前提和延长网络生存时间的组网方法，在着重考虑网络生存时间最长的要求下，组成的无线传感器网络中每个微微网留有空位和备份节点，使组成网络具有较好的可靠性、灵活性和可自愈性，可以满足部分节点的加入、移动、离开网络等情况。系统组网的同时进行路由信息的交互，在网络组网完成的同时其所有节点的路由信息表一并建立，网络运行时使用蓝牙网络所固有的低功耗呼吸模式，网络周期性的传输传感信息，延长整个网络的生存时间。
文档编号H04L12/56GK101217490SQ200810045160
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者春 伍, 姚远程, 张晓琴, 李磊民, 虹 江, 宾 韩, 黄玉清 申请人:西南科技大学