一种延长zigbee网络生命周期的方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及Zigbee网络领域，具体的说属于在分簇策略下降低节点能量消耗延长 Zigbee网络的生命周期的方法。
【背景技术】
[0002] 物联网是一种可W实现全IP覆盖，无所不在的网络。物联网包含了大量通信技术， 而Zigbee技术由于其自身的低功耗，低成本，大容量等优势，被广泛应用于智能家居，智能 医疗，工业自动化等领域。如今能源的消耗已经成为全球关注的问题，虽然Zigbee技术自身 采用了很多降低能量消耗的方法，但是研究成果显示，Zigbee技术在能量消耗部分仍然有 很大的改进空间。由于Zigbee技术起步不久，很多理论系统还未成熟，加上其硬件系统的复 杂性，致使很多研究人员将目光放到了 Zigbee协议的网络层，针对实际构造的Zigbee无线 传感器网络采用的路由协议进行相应改进，更大的提高网络通信效率，降低网络能耗，从而 解决Zigbee技术在实际应用中遇到的网络能量不均衡，网络分割，网络易擁痕等问题。
[0003] 分簇算法采用混合式的网络结构形成处理和转发数据的骨干网络，具有可拓展性 好，伸缩性强，灵活性高的特点，能够有效降低路由开销，节约能量消耗，易于网络通信与维 护，减少拓扑结构变化，增强网络稳定性等。近年来，分簇算法在无线传感网络取得了良好 的效果，但由于Zigbee网络和其他无线传感网络的异构性，现有的分簇算法不能直接应用 于Zigbee网络中，因此本专利使用一种专口针对Zigbee网络的分簇方法，优化网络层路由 协议，用W减少单个节点不必要的能量消耗，延长单个节点的生存周期，尽可能的均衡整体 网络负载，延缓网络分割出现时间，从整体上减少能量消耗，延长网络生命周期，满足实际 中供电情况和网络性能的要求。
[0004] Zigbee无线传感网络协议基于IE邸802.15.4标准，将OSI网络互相参考模型简化 为物理层(PHY)，媒体接入控制层(MAC)，网络层(NWK)，应用层(A化）。其中网络层是国内外 研究者研究和改进的热点和重点。而针对网络层的研究大致分为=个方面，分别为簇树路 由研究，网状路由研究和混合路由研究。本方法结合了 Cluster-化ee和AODV jr路由各自的 特点，对混合路由算法进行改进。ZigBee在实际中将Cluster-化ee和AODVjr两种路由算法 相混合使用，但并未提供一种完整的调度机制来有效的对它们进行整合，致使他们工作相 对独立，不仅不能提高路由效率，反而为整体网络带来负担。对于AODVjr来说，尽管它可W 较容易地发现最佳路由路径，但所有节点都参与到路由发现过程，产生大量冗余的RREQ分 组，浪费网络资源，造成网络拥塞。随着网络规模的逐渐扩大，W上问题会越来越严重，充分 暴露出W上算法所存在的缺陷。
[0005] 大量学者对Zigbee路由算法的完善和能量优化进行研究，如Zhang和Zhou等人(A 民outing algorithm for Zigbee Network based on dynamic energy consumption deci S ive path)提出一种针对路径选择的路由算法，将节点的剩余能量和AODVjr路由算法 相结合，W便找到能量感知路由和最短路径路由之间的平衡点.Lee和Kim等人(Cluster-based zigbee routing protocol with high scalability)是将zigbee分成若干个逻车茸 簇，并用簇标签对簇进行标识。Ran等人（zigbee routing selection strategy based on data services and ene;ry-balanced ZigBee routing)考虑zigbee规范中虽然使用了 Cluster-化ee+AODVjr的混合路由算法，但几乎没有通过平衡二者来提高网络性能的设计 方法，并由此提出一种基于数据服务和邻居节点能量平衡的zigbee网络路由选择策略，但 该方法仅根据数据流的不同来设置协议中路由发现域相关的参数，并没有从路由本身出发 来减少能量的消耗。
[0006] 本发明在对zigbee协议规范深入研究后，发现虽然zigbee网络层采用Cluster-Tree+AODVjr的混合路由算法，但是现阶段几乎都是将二者各自分开研究，而现有的研究和 规范中没有提及如何设置参数来进行路由策略的选择，缺少将二者优点结合使二者平衡的 方法。本发明采用分簇策略，并将节点能量分级，动态评测各个节点及网络整体能量状况， 并根据节点能量的不同选择不同的路由策略，平衡了通信效率和能耗二者关系，延长了整 个网络的生命周期。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是降低zigbee网络中节点的能量消耗，延长网络生命周期，能够有 效的平衡通信效率和能量消耗，提高网络性能。
[0008] 为了实现本发明的上述目的，提供W下技术方案：
[0009] 本发明公开了一种延长zigbee网络生命周期的方法，包括如下步骤：
[0010] Dzigbee 逻辑分簇
[0011] 利用zigbee网络的网形拓扑结构，将网络进行分簇，并同步建立网络链路，缩短路 由路径，减少节点W及网络消耗；
[0012] 2)判断节点能量状态；
[0013] 3)结合AODVjr的路由算法，建立源节点和目的节点之间的最优路径。
[0014] IE邸802.15.4标准将网络中节点按存储和计算能力分为全功能节点（FFD，Full Function Device)和半功能节点（R抑，Reduced Function Device)两类。FFD具有路由功 能，拥有充足的存储空间和较好计算能力，可W与FFD或RFD之间进行数据接收和转发;而由 于受存储空间和能量等方面的限制，RFD只能将数据传给对应的FF的受备，由FFD设备选择有 效路径进行传输。ZigBee联盟又将运两类节点细分为协调器(ZC，Zi浊ee Coordinator),路 由节点（ZR,Zi浊ee Router)和终端节点（Z抓，ZigBee化d Device),其中，ZC是网络的发起 者，网络中屯、;ZR是整个网络的主体，负责网络中的节点的链接和数据的转发。所述的步骤 1)中的Z igbee逻辑分簇方法具体包括如下步骤：
[0015] SOI:网络中第一个簇由中屯、协调器作为簇首形成，由它和它通信范围内的节点构 成，记为簇0,在该簇形成后，中屯、协调器广播信息给它发现的节点，如果发现的节点与它是 父子关系，则该节点成为簇0的簇成员，如果发现的节点与它不是父子关系，则它们之间建 立一条mesh链路，用于它们之间的通信；
[0016] S02: W簇0中的簇内节点为当前节点，分别在自己的通信范围内发现新的节点，若 发现的节点是簇0的叶子节点，则它们之间为兄弟关系，并在它们之间建立一条mesh链路， 且兄弟关系会被记忆，若发现的节点为新节点且与当前节点非父子关系，则该新节点作为 下一个新簇簇首，建立新簇，并在它们之间建立相应的mesh链路；
[0017] S03:将新簇首作为当前节点，重新进行节点发现过程，若新发现的节点已成簇首， 且与当前簇之间存在父子关系，那么将两个簇合并，父节点当成为合并后的新簇簇首，若它 们之间没有父子关系，那么将选择连通度大的节点担当该簇簇首，如果连通度持平，则拥有 较小网络地址值得节点将会成为簇首;若新发现的节点为孤立节点，不在任何簇中，则它将 W簇成员的身份加入当前节点的簇中，并建立mesh链路；
[0018] S04: W新建立的簇的叶子节点作为当前节点，重新进行节点发现过程，若被发现 的节点是其父节点的所在簇的叶子节