基于线形无线传感器网络的跳频与定位功能的实现方法
【专利摘要】本发明设计了一种基于线形无线传感器网络的跳频与定位功能的实现方法，可以进一步增强线形无线传感器网络的抗干扰性能和可读性能。跳频包括三种方式，分别为自适应跳频、主动跳频和被动跳频，自适应跳频可以使整个无线网络更加智能的分析信道干扰并更改当前的通信信道，主动跳频可以保证当前网络可以由管理者自行更改当前网络的通信信道，被动跳频方式用于网络中断时由无线网络节点自行查询当前可用信道并进行更改，增强网络的可靠性，具体使用过程中可以根据不同的实际情况采用不同的跳频方式。定位功能依据电磁波在自由空间内的损耗公式以及损耗功率计算得出接收与发送方的距离来进行定位。
【专利说明】基于线形无线传感器网络的跳频与定位功能的实现方法
【技术领域】
[0001]本发明设计了一种可以在线形无线传感器网络中实现跳频与定位功能的方法，这一方法能够增强整个网络的抗干扰性能，保证网络的稳定可靠通信，便于控制方快速掌握无线传感器结点的地理拓扑结构。
技术背景
[0002]在我国经济高速发展的过程中，各级公路、通信线路、电力线路、石油天然气管线等关乎国家经济命脉的运输线通常需要及时掌握各部分的运行状况的信息，而这些线路通常具有地理位置偏僻，拓扑结构呈现线形，分布距离广，工作人员难以第一时间得知事故的发生位置等特点，因此线形无线传感器网络可以使用在这些线路管道中使管理者能够快速及时的掌握整个管线的运行情况。跳频功能的加入可以保证整个无线传感器网络的抗干扰性能，定位功能可以便于管理者快速了解网络中无线结点的分布情况。
【发明内容】
[0003]本发明设计了一种实现无线传感器网络通信协议的跳频与定位功能的方法，跳频方式主要包括自适应跳频、主动调频和被动调频三种。
[0004]线形无线传感器网络由物理地址依次为1-N的呈线形分布的网络节点组成，其中，N为自然数。物理地址为I的网络节点称为控制节点，其余节点称为数据采集节点，节点之间的距离随着物理地址的增大而增大，根据需要可增加或减少网络节点的数量。
[0005]线形无线传感器网络只允许相邻节点之间的通信，其中相邻节点为物理地址相邻的节点，跨越多个网络节点的通信必须有相邻网络节点接力完成。
[0006]整个网络共有M个信道，当采用自适应跳频时，每个网络节点定时检测当前网络信道下干扰信号的强度，当某一网络节点见到到干扰信号的强度大于某阈值时向控制节点发送跳频请求数据包，其中，阈值大小可根据实际环境进行设置。控制节点累积收到3个或3个以上跳频请求数据包时，表示当前网络信道内干扰严重，需要进行跳频。控制节点发送跳频遍历数据包，目的物理地址为N，物理地址由I至N的后向传递通信中的每个网络节点在收到跳频遍历数据包后执行如下操作:首先依次检测M个信道的干扰信号强度，然后将这些强度值与数据包对应信道内的干扰强度值累加，最后将此数据包后向传递，直至威力地址为N的网络节点收到并执行了以上步骤后，通过比较各个信道的干扰值并找到干扰值最小的信道X，组件跳频执行数据包并将信道X写入数据包内，进行物理地址由N至I的前向传递通信过程，该过程中每个网络节点收到跳频执行数据包后进行如下操作:先将跳频执行数据包发送给前向传递的下一个网络节点，确定发送成功后将自己网络节点的通信信道改为X信道，直至控制节点收到跳频执行数据包并将自己的信道改为X信道后整个网络的自适应跳频工作完成。
[0007]当采用主动调频方式时，控制节点在收到计算机发送来的主动跳频数据包后进行后向传递，目的物理地址为N，后向传递中的每个节点收到主动跳频数据包后直接进行后向转发，直至物理地址为N的网络节点收到主动跳频数据包后提取信道Y，组建跳频执行数据包，将信道值Y写入数据包后进行前向传递，确认发送成功后将当前通信信道改为Y，前向传递过程中的每个网络节点收到跳频执行数据包后先进行前向传递，确认发送成功后将通信信道改为Y，直至控制节点收到跳频执行数据包后将通信信道改为Y，至此整个全网主动跳频完成。
[0008]当采用被动跳频方式时，节点每隔一定时间与上一个节点发送探请求ACK数据包，若无法收到ACK，表示节点无法与上一个节点正常通信，需要进行被动跳频，现将本网络节点的通信信道改为1，组建请求ACK数据包，目的地址为本网络节点物理地址-1，然后进行转发，如果没有收到ACK，则将通信信道+1后再次转发请求ACK数据包，直至收到接收方的ACK为止，至此被动跳频完成。
[0009]本发明设计了一种网络节点的距离定位功能的实现方法，由于网络拓扑结构为线形，因此任意两个网络节点之间的距离等于其中两两网络节点之间的距离之和。计算相邻节点之间距离的原理是根据接收方根据发送方发送来的数据包内的发送功率与接收功率计算功率损耗，利用电磁波在自由空间内的损耗公式:
[0010]Los (dBm) = 32.44+20Igd (Km)+20Igf (MHz)
[0011]在已知发送频率f的情况下根据功率损耗计算出相邻网络节点之间的距离d。
[0012]当控制节点收到计算机发送来的请求网络节点距离信息指令后，组件请求位置数据包，目的地址为N，在数据包内初始化N个字节的空间来存放相应两个节点之间的距离信息，后向传递中每个节点收到请求位置数据包后根据发送功率和接收功率计算出距离信息后写入到请求位置数据包的相应位置，并继续后向传递，当物理地址为N的网络节点收到请求位置数据包后再写入其相应距离信息后回传并进行前向传递，前向传递中每个网络节点收到请求位置数据包，再次计算距离信息并与初次的距离信息进行平均值计算后覆盖到相应位置，直至控制节点再次收到请求位置数据包并完成上述操作后将距离信息发送给计算机，至此获得整个网络的距离信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是整个线形无线传感器网络的拓扑结构图
[0014]图2是控制节点自适应跳频流程图
[0015]图3是数据采集节点自适应跳频流程图
[0016]图4是控制节点全网主动跳频流程图
[0017]图5是数据采集节点全网主动跳频流程图
[0018]图6是网络节点被动跳频流程图
[0019]图7是网络节点请求位置信息示意图
【具体实施方式】
[0020]本发明是基于线形无线传感器网络通信协议设计实现的，此线形无线传感器网络是采用四层协议架构，分别为物理射频层，媒体接入控制层，网络层和用户应用层，本发明开发工作主要在网络层和用户应用层进行。
[0021]本发明适用的网络拓扑结构为线形(参见图1)，物理地址由0x01至OxN，其中N的大小可以根据具体网络的大小自行设置，物理地址为OxOl的网络节点为控制节点，可以与计算机进行信息交互工作，是主动发起网络控制信息的起始节点，也是整个无线传感器网络的核心，其余网络节点为数据采集节点，负责线形网络中数据的采集工作。所有网络节点的物理地址在使用前已经写入芯片寄存器内，在布放时按照物理地址由小到大依次布放。
[0022]应用层与网络层的交互通过数据包内的端口号，以下简称为PORT。接收方收到数据包后通过分析数据包的PORT来完成相应的用户应用层功能函数。
[0023]本发明中自适应跳频的【具体实施方式】为:(参考图2和图3)设置发起自适应跳频的阈值P，P值的大小可以根据地理环境的具体情况与对通信干扰的容忍度自行设置，网络中每个节点每隔一段时间便通过寄存器内的接收信号强度值，以下简称RSSI，若RSSI大于P，则组件跳频请求数据包，端口号为OxfO，目的地址为0x01，然后进行转发，前向传递中每个节点收到端口号为OxfO的数据包时只进行前向转发，当控制节点收到此数据包后通过分析端口号OxfO得知有网络节点请求跳频，但只有当累积收到此端口号的数据包3次时才开始进行全网跳频，这是为了避免当一个瞬时干扰发生时便立即进行全网跳频容易造成网络资源的浪费，当累积跳频请求数据包达到3个时，控制节点组建全网跳频数据包，端口号为Oxfl，将各个信道内的RSSI写入数据包，目的地址为OxN，进行后向转发。后向传递中每个网络节点收到端口号为Oxfl的数据包后将各个信道内RSSI累加在数据包对应部分后进行后向转发，直至物理地址为OxN的网络节点将各个信道内的RSSI值累加完成后比较得出RSSI最小的信道X，组建跳频执行数据包，端口号为0xf2，目的地址为0x01，进行前向转发。前向传递中的每个网络节点收到端口号为0xf2的数据包后先前向转发，确认收到前向相邻节点的ACK后将当前通信信道改为X。当控制节点收到端口号为0xf2的数据包并将当前通信信道改为X后整个自适应跳频工作完成。
[0024]本发明中主动跳频的【具体实施方式】为:(参考图4和图5)当网络管理者发现网络中存在较为严重的干扰时可以通过计算机向控制节点发起主动跳频指令，制定跳频到信道Y，控制节点收到指令后建立主动跳频数据包，信道Y写入数据包，端口号为0xf3，目的地址为OxN，进行后向转发。后向传递中的网络节点收到端口号为0xf3的数据包后不进行任何处理只进行后向转发，直至物理地址为OxN的网络节点收到主动跳频数据包后组建跳频执行数据包，信道Y写入数据包，端口号为0xf2，目的地址为0x01，进行前向转发。前向传递中的每个网络节点收到端口号为0xf2的数据包后先前向转发，确认收到前向相邻节点的ACK后将当前通信信道改为Y。当控制节点收到端口号为0xf2的数据包并将当前通信信道改为Y后整个主动跳频工作完成。
[0025]本发明中被动跳频的【具体实施方式】为:(参考图6)网络节点每个一段时间向前向相邻节点发送请求ACK数据包，当无法收到ACK时表示与相邻接点工作在不同的通信信道上，需要进行被动跳频来和相邻节点信道同步，首先将当前信道设置为1，组建请求ACK数据包，进行前向转发，若还是无法收到ACK，将信道+1，重复以上的步骤直至收到ACK时表示当前通信信道与前向相邻节点的通信信道同步，被动跳频工作完成。
[0026]本发明定位功能的【具体实施方式】为:(参考图7)由于整个网络的拓扑结构为线形结构，要获得任意两个网络节点之间的距离只需获得其之间各个相邻网络节点之间的距离信息后即可通过相加取得。当管理人员需要获得整个网络的距离位置信息时通过计算机向控制节点发送请求位置指令，控制节点收到指令后组建起请求位置数据包，端口号为0xf4,目的地址为OxN，写入发送功率，并在数据包的数据部分预留大小为N字节的距离信息空间，用来存放距离信息，进行后向转发。后向传递中的网络节点收到端口号为0xf4，目的地址为OxN的数据包后根据发送功率与接收功率算出功率损耗，依据电磁波在自由空间的损耗公式:
[0027]Los (dBm) = 32.44+20Igd (Km)+20Igf (MHz)
[0028]无线传感器网络通信协议采用433MHZ的频率，由功率损耗即可计算出相邻节点的距离d，写入到相应数据包内相应字段的距离信息空间内并进行后向转发，当物理地址为OxN的网络节点收到端口号为0xf4的数据包后完成上述操作后将数据包内的目的地址改为OxOl并进行前向转发，前向传递中的网络节点收到端口号为0xf4，目的地址为OxOl的数据包后将计算得出的距离d后与相应位置上的距离信息相加后除以2得到平均值再写入相应字节内，视为最终交付给控制节点的距离信息，并进行前向转发。控制节点收到端口号为0xf4并且目的地址为OxOl的数据包后先进行上述操作,然后将数据包内N个字节的距离信息发送给计算机，至此管理者即可通过控制节点发来的距离信息了解整个无线传感器网络的地理位置分布情况。
【权利要求】
1.基于线形无线传感器网络的跳频与定位功能的实现方法，其特征在于: 1)线形无线传感器网络由N个线形排列的无线网络节点组成，物理地址依次为1，2，3...N，其中N为自然数，物理地址为I的无线网络节点成为主控节点，其余的无线网络节点成为数据采集节点； 2)无线通信仅限于相邻物理地址的无线网络节点之间进行，非相邻物理地址的无线网络节点之间的通信必须由相邻物理地址的无线网络节点接力完成； 3)基于线形无线传感器网络的跳频功能的实现方法，可以增强线形无线传感器网络的抗干扰性能，适应复杂多变的通信环境，本专利设计了三种实现跳频功能的方法:自适应跳频、主动跳频、被动跳频，可以根据实际环境选择不同的跳频方式: a)自适应跳频:无线网络节点在空闲状态下每隔I秒检测一次周围环境的干扰值，当干扰值大于设置的阈值时向主控节点发送请求跳频数据包，主控节点首次收到请求跳频数据包后开始计时，IOs内累积收到的请求跳频数据包多于3个时向线形无线传感器网络发送全网跳频数据包，在后向通信过程中，无线网络节点将所有信道的干扰值写入全网跳频数据包，其中，后向为物理地址递增，线形无线传感器网络共有M个信道，分别为1，2，3...M，物理地址为N的无线网络节点通过比较比较得到干扰值最小的信道X，写入跳频执行数据包并进行前向通信，其中，X为自然数，前向通信为物理地址递减，前向通信中的无线网络节点将当前信道跳至信道X ; b)主动跳频:网络管理者向主控节点发送主动跳频指令，指示线形无线传感器网络跳频至信道X，主控节点将信道X写入主动跳频数据包并进行后向通信，物理地址为N的无线网络节点收到主动跳频数据包后进行前向通信，前向通信中的无线网络节点将当前信道跳至信道X ； C)被动跳频:每隔I分钟无线网络节点向前向相邻的无线网络节点发送请求ACK数据包，在5秒内没有收到ACK后重发此数据包，连续3次没有收到ACK后该无线网络节点执行被动跳频，无线网络节点的信道由I依次切换为M并执行上述过程，在某一信道收到ACK后停止被动跳频； 4)基于线形无线传感器玩过的定位功能的实现，可以使网络管理者快速掌握无线网络节点的地理位置分布情况，其特征在于无线网络节点根据接收功率和发送功率得出数据包在通信过程中的功率损耗，并根据电磁波在自由空间中的功率损耗公式Los (dBm)=32.44+20Igd(Km) +20Igf (MHz)得出距离信息。
【文档编号】H04W64/00GK103957031SQ201410195595
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】赵同刚, 吴磊 申请人:北京邮电大学