CN100366019C - 无线传感器网络节点与网关之间的通信方法 - Google Patents

无线传感器网络节点与网关之间的通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对目前的无线传感器网络节点和网关需要专用芯片或高性能处理器才能实现、且侦测与发射时间长、功耗大，不利于采用电池供电等问题，公开了一种新的无线传感器网络节点与网关的通信方法，它利用每个无线传感器节点的特性，采用了以传感器节点为“主Master”、传感器网关为“从Slave”的通信联络方式；每个传感器网关占用一个无线频道；每个传感器网关中保存所有被管理传感器节点的ID号并产生对应的顺序号SN；传感器节点先通过注册与网关建立连接和获取工作频率、采集周期等运行参数，再进入“发送采集数据”状态按工作时隙采集、发送监测数据。具有算法简单、便于在较低性能的单片机上使用以及多节点通信碰撞几率低、对环境无线辐射干扰小，并能延长传感器节点的工作寿命等特点。

Description

无线传感器网络节点与网关之间的通信方法
技术领域
本发明涉及一种通信方法，尤其是一种应用于无线传感器网络领域的节点与网关之间的节能型通信方法，具体地说是一种无线传感器网络的节点与网关之间的通信方法。
背景技术
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。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，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
图1所示的无线传感器网络是由很多自给供电的无线传感器节点(以下简称传感器节点或节点)和传感器网关(以下简称网关)组成的。每个传感器节点都可以进行周围环境数据的采集和简单计算，并通过网关与外界(用户终端或服务器)进行联系。
无线传感器网络的基础平台是传感器节点，它是一个微型化的嵌入式系统。目前国内外已经出现了许多种传感器节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信协议方式，比如采用802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。但这些协议都比较复杂，需要专用芯片或高性能处理器来实现。
此外，传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下，更换电池是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的使用寿命是无线传感器网络设计需要考虑的重要问题。
发明内容
本发明的目的是针对目前的无线传感器网络节点和网关需要专用芯片或高性能处理器才能实现、而且传感器节点的无线信号侦测与发射时间长、功耗大，不利于采用电池供电等问题，利用无线传感器节点本身所具备的特性发明一种新的无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，以便于在较低性能的无线传感器网络节点和网关之间实现双向无线通信，并能延长传感器节点的工作寿命，和降低产品成本。
本发明的技术方案是：
一种无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，其特征是：
a、以传感器节点为主Master、传感器网关为从Slave的通信模式，利用每个传感器节点具有一个唯一且不可更改的ID号的特性，将ID号作为每个收发数据包的一个字段，用于标识发出或接收数据包的传感器节点；
b、在每个网关中存放一张ID号列表，使网关事先知道与该网关通信的每个无线传感器节点的ID号，同时建立ID号与顺序号SN之间的一一对应关系；
c、使每个传感器网关占用一个无线频道，相邻安装使用的传感器网关工作于不同的无线频道；
d、传感器节点注册：
传感器节点加电后先工作于注册状态，每隔一定时间自动向外发送一次包括自身ID号的注册请求信号，发送信号的工作频率依次为整个数据采集控制系统中各网关的工作频率；如果传感器节点发出的注册请求信号被在某一网关所接收、而且注册请求信号中的ID号与该网关ID号列表中存储的某个ID号相同，则该网关回复含有传感器节点ID号和所对应的顺序号SN的响应信号，如果传感器节点收到网关回复的响应信号，则注册成功，该网关即为所述传感器节点的注册网关；如果传感器节点没有收到网关回复的响应信号，则进入休眠时段，休眠结束后再次发送注册请求信号，如此往复，直至注册成功；
e、传感器节点的数据发送：
传感器节点注册成功后进入发送采集数据状态，先根据收到的顺序号SN计算出其休眠时间Twait，并进入休眠时段；待休眠结束后开始采集传感数据，再以注册网关的工作频率发送所采集到的数据；注册网关在收到传感器节点发送的包括有ID号的采集数据信号后回复响应信号；传感器节点收到网关的响应信号后，重新计算Twait，并进入休眠时段，从而完成了一次数据采集和发送工作，此后，传感器节点将如此不断重复本步骤；
f、在传感器节点的数据发送阶段，如果传感器节点发送采集到的数据后，连续多次未能收到网关的响应信号，则重新进入注册状态，并按照步骤d再次注册。
与每个网关进行无线通信的传感器节点数理论上没有限制，实际实施时受网关的内存容量限制，每个网关管理255个节点较佳。
所述的休眠时间Twait的取值为：当(SN-1)×Δt≥Tu时，Twait＝(SN-1/2)×Δt-Tu；否则，Twait＝(Ts-Tu)+(SN-1/2)×Δt，其中：
SN为传感器节点ID号在网关内存中存放的顺序号
Ts为传感器节点发送采集数据的周期
Nt为网关管理的传感器节点数目
Tu为本发送采集数据周期已过去时间
Δt＝Ts÷Nt为网关分配给每个传感器节点的发送采集数据的时间
本发明的有益效果：
1、传感器节点只在注册和上传数据时主动与网关通信，且用于发送和接收无线信号的时间极短，使无线传感器的耗能很低，保证在采用小型电池供电时，传感器节点间隙工作的寿命可达5年以上。
2、算法的复杂度很低，便于在低档单片机上软件实现，有利降低产品成本。
3、无论是传感器节点还是网关都不连续发射无线信号，减少了对环境的无线干扰，符合国家相关无线电管理规则。
4、传感器节点与网关之间能够双向通信，方便传感器节点采集数据的上传，和随时更改传感器节点的工作参数。
5、具有较强的网络自适应能力，可以随时更换无线通信的工作频率。当网关的工作频率改变后，传感器节点能够适应变化，自动重新与网关建立新的通信连接。
6、多个传感器节点与同一个网关之间的通信碰撞几率极低，保证了数据上传的成功率，也降低了传感器节点功耗。
附图说明
图1是本发明采用的无线传感器网络结构图
图2是本发明传感器节点的软件工作流程图
图3是本发明传感器网关的组成框图
图4是本发明传感器网关的通信软件工作流程图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的无线传感器网络节点与网关之间的通信方法采用了以传感器节点为“主Master”、传感器网关为“从Slave”的通信联络方式，而频道占用采用了频分复用FDMA和时分复用TDMA相结合的方式。
(1)由传感器节点每隔一定时间主动向外发送一次信号，以完成传感器节点在网关上的注册、以及上传采集数据。
(2)传感器网关只在接收到传感器节点发出的注册请求和上传数据后，才发送必要的响应信号，平时不主动向外发射任何无线信号。
(3)每个传感器网关只占用一个无线频道，在实际使用时相邻安装的传感器网关选择不同的无线频道工作，即同一地区的多个网关采用频分复用方式工作。
(4)传感器节点有两种工作状态：“注册状态”和“发送采集数据状态”。注册状态用于确定管理该传感器节点的网关，并获得节点必要的工作参数；发送采集数据状态用于每隔一定时间节点自动采集传感数据一次，再以注册网关相同的工作频率发送采集到的数据。
(5)采用时分复用TDMA工作方式解决多个传感器节点与同一个网关通信的冲突问题。节点在注册成功后，就确定了其所通信的网关，同时获得节点在该网关上的顺序号SN；根据顺序号SN，节点计算出自己的工作时隙，以后节点只在自己的时隙内与网关通信。由于每个节点的顺序号SN不同，其通信时隙也就不同，因此相互之间就不会发生与网关同时通信的冲突问题。
本发明所述的通信方法使用的每个传感器节点在出厂时应被统一分配“身份号ID”，该ID号在每次通信时都作为数据包中的一个字段，用来识别空中无线信号是哪个传感器节点正在收发数据。
本发明所述的通信方法需要事先知道每个传感器网关管理哪些传感器节点，而且要求不同网关管理的节点不重叠。每个网关所管理的全部传感器节点ID号在网关内存中存成一张列表，称为“节点ID号表”，表中ID号的存放顺序用“顺序号SN”表示。在系统运行过程中允许随时修改“节点ID号表”中的内容，以便新增或减少网络中的传感器节点。
下面结合附图作进一步的说明。
图1为本发明实施例采用的无线传感器网络结构图，该无线传感器网络属于层次结构网络，传感器节点1位于网络的最底层，传感器网关2处于中间层，传感器服务器3处于最高层。以传感器网关2为中心，在其周围的传感器节点1通过该网关2把采集的环境数据上传到传感器服务器3。传感器节点1与网关2之间采用无线方式通信，而网关2与服务器3之间一般采用有线方式通信。一个传感器网络中含有多个网关2，每个网关2又管理若干个传感器节点1。本实施例的传感器节点1相互之间不发生数据通信，每个网关2之间也不互相通信。
本发明实施例的传感器节点1在出厂时被统一分配“身份号ID”，并随程序一起固化在其EEPROM中，ID号的长度为32bits。
本发明实施例的传感器网关2的工作频道有5个，分别为433.1MHz，433.3MHz，433.5MHz，433.7MHz，433.9MHz。每个网关事先设定工作于其中的一个频道。
本发明实施例的传感器网关2每个最多可管理255个传感器节点1，这些被管理传感器节点1的ID号都存放在网关2的内存中，并按顺序编号，即每个ID号对应一个顺序号SN，SN的值为1～255。如果SN为0，表示对应的传感器节点不属于该网关管理。
图2为本发明实施例传感器节点1的软件流程图。传感器节点1有两种工作状态：
(1)注册状态：传感器在加电后处于注册状态。在该状态，传感器节点每隔30秒向外发送一次“注册数据包”，每次发送“注册数据包”的工作频道不同，依次为网关的5个工作频道中的一个。因此，只要传感器网关工作正常，传感器节点最多需要30×5＝150秒，就能注册成功。
“注册数据包”的格式如下：
 序号     字段名称   字段长度     说明
    1 开始标志STX  1Byte 固定为AAH
    2 数据包类型Type  1Byte 01H表示为注册数据包
    3 传感器ID号  4Bytes 为发出注册请求的传感器节点的ID号
    4 校验码CRC8  1Byte 为前2个字段的8位CRC校验码
    5 结束标志ETX  1Byte 55H
在该频道工作的传感器网关在收到传感器节点的注册数据包后，网关返回如下“通信控制信息包”：
序号     字段名称   字段长度     说明
    1 开始标志STX  1Byte 固定为AAH
    2 数据包类型Type  1Byte 81H表示为通信控制信息包
    3 传感器ID号  4Bytes 为接收该信息包的传感器节点的ID号
    4 顺序号SN  1Byte 为本传感器节点在该网关上
的顺序号。如果为0，表示本节点不属于该网关管理。
    5 管理传感器数目Nt  1Byte 该网关管理的传感器节点的总数量
    6 数据采集周期Ts  2Bytes 传感器节点采集监测数据的时间间隔，单位10ms
    7 本周期使用时间Tu  2Bytes 当前数据采集周期已消耗时间，单位10ms。
    8 校验码CRC8  1Byte 为前6个字段的8位CRC校验码
    9 结束标志ETX  1Byte 55H
如果传感器节点能在10ms内收到“通信控制信息包”，且包中的“顺序号SN”不为0，则注册成功，传感器节点进入发送采集数据状态工作。否则注册失败，传感器节点休眠30秒后再次注册，如此循环直到注册成功。
(2)发送采集数据状态：在该状态下，传感器节点等待Twait时间后自动采集监测数据一次，再以注册网关相同的工作频率发送“采集数据包”。网关在收到节点发来的“采集数据包”后，给节点返回应答信息-“通信控制信息包”；节点如果能够收到网关的应答信息，则再次进入休眠，等待下次采集和发送；如果连续三次未能收到网关的应答信息，则节点重新进入注册状态。
“采集数据包”的格式如下：
序号     字段名称   字段长度     说明
    1 开始标志STX  1Byte 固定为AAH
    2 数据包类型Type  1Byte 02H表示为采集数据包
    3 传感器ID号  4Bytes 为发出数据包的传感器节点的ID号
    4 上传数据Data  4Bytes 实际监测数据
    5 校验码CRC8  1Byte 为前3个字段的8位CRC校验码
    6 结束标志ETX  1Byte 55H
本发明实施例，每次网关收到传感器节点上传的数据后都返回“通信控制信息包”，其作用一是协调各节点发送数据的工作时隙；另一个是方便通知节点随时修改工作参数，这些参数包括：采集数据时间间隔Ts、增加或减少网关管理传感器的数目(表现为Nt、SN的改变)。
Twait的计算方法如下：
●每个传感器节点分配到的一段上传数据时间被称为时隙，每个时隙的时间长度为：
Δt＝Ts÷Nt
●顺序号为SN的传感器节点分配到的工作时隙为：
(SN-1)×Δt≤t＜SN×Δt
●每次收到“通信控制信息包”后，传感器节点需要等待Twait后，才能上传数据：
当(SN-1)×Δt≥Tu时，
Twait＝(SN-1/2)×Δt-Tu；
否则，
Twait＝(Ts-Tu)+(SN-1/2)×Δt。
其中：
SN为传感器节点ID号在网关内存中存放的顺序号
Δt为网关分配给每个传感器节点的采集发送数据的时间
Ts为传感器节点采集发送数据的周期
Nt为网关管理的传感器节点数目
Tu为本采集发送数据周期已过去时间
图3为本发明实施例传感器网关2的组成框图。传感器网关主要由三部分组成：(1)无线通信模块2-A，负责收发无线信号；(2)通信处理器2-B，它运行本发明通信方法的实现程序；(3)主控制模块2-C，负责对上传采集数据进行处理、并作临时存储；以及通过以太网络与传感器服务器3连接，上传数据和接收工作参数设定。通信处理器2-B内部含有一个时隙计时器2-B-1，它以计数方式工作，初值置为数据采集周期Ts，每10ms计数器自动减1，当计数值减为0后，再自动重新置初值，如此循环往复工作。通信处理器2-B内存中还建一个“节点ID号表”2-B-2，用于保存本网关管理的所有传感器节点的ID号。
图4为本发明实施例传感器网关2的通信处理器2-B上工作的软件流程图，流程说明如下：
1、从主控制模块2-C中下载网关工作参数，并建立“节点ID号表”。下载参数包括：网关工作频道CH、传感器节点数据采集周期Ts，网关管理的节点数量Nt和各节点的ID号；
2、设定通信模块2-A的工作频道为CH；置时隙定时器2-B-1初值为Ts，启动时隙定时器2-B-1。
3、置通信模块2-A于侦听方式，等待接收传感器节点1的注册请求或上传数据。如果收到节点发来的数据包，则进到下一步。
4、把收到数据包中的ID号与“节点ID号表”中的各ID号逐个比较，得到该传感器节点的“顺序号SN”。如果“节点ID号表”中没有该传感器节点的ID号，则SN＝0。
5、读取时隙定时器的当前值t，计算本采集周期已使用时间Tu＝Ts-t。
6、生成“通信控制信息包”，并把“通信控制信息包”发往传感器节点。
7、如果发送数据的传感器节点受本网关管理(SN≠0)，且收到的数据包为“采集数据包”，则把采集数据上传给主控制模块2-C。
8、跳转到步骤(3)，一直循环工作下去。
本发明所涉及的传感器节点和网关的硬件电路可参照本发明实施例所公开的内容、以及相关技术文件自行设计制造，它对于所属领域的技术人员而言是不言而喻的。

Claims (3)

1.一种无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，其特征是：
a、以传感器节点为主Master、传感器网关为从Slave的通信模式，利用每个传感器节点具有一个唯一且不可更改的ID号的特性，将ID号作为每个收发数据包的一个字段，用于标识发出或接收数据包的传感器节点；
b、在每个网关中存放一张ID号列表，使网关事先知道与该网关通信的每个无线传感器节点的ID号，同时建立ID号与顺序号SN之间的一一对应关系；
c、使每个传感器网关占用一个无线频道，相邻安装使用的传感器网关工作于不同的无线频道；
d、传感器节点注册：
传感器节点加电后先工作于注册状态，每隔一定时间自动向外发送一次包括自身ID号的注册请求信号，发送信号的工作频率依次为整个数据采集控制系统中各网关的工作频率；如果传感器节点发出的注册请求信号被在某一网关所接收、而且注册请求信号中的ID号与该网关ID号列表中存储的某个ID号相同，则该网关回复含有传感器节点ID号和所独立的顺序号SN的响应信号，如果传感器节点收到网关回复的响应信号，则注册成功，该网关即为所述传感器节点的注册网关；如果传感器节点没有收到网关回复的响应信号，则进入休眠时段，休眠结束后再次发送注册请求信号，如此往复，直至注册成功；
e、传感器节点的数据发送：
传感器节点注册成功后进入发送采集数据状态，先根据收到的顺序号SN计算出其休眠时间Twait，并进入休眠时段；待休眠结束后开始采集传感数据，再以注册网关的工作频率发送所采集到的数据；注册网关在收到传感器节点发送的包括有ID号的采集数据信号后回复响应信号；传感器节点收到网关的响应信号后，重新计算Twait，并进入休眠时段，从而完成了一次数据采集和发送工作，此后，传感器节点将如此不断重复本步骤；
f、在传感器节点的数据发送阶段，如果传感器节点发送采集到的数据后，连续多次未能收到网关的响应信号，则重新进入注册状态，并按照步骤d再次注册。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，其特征是与每个网关进行无线通信的传感器节点数理论上没有限制，实际实施时受网关的内存容量限制，每个网关管理255个节点。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，其特征是所述的休眠时间Twait的取值为：当(SN-1)×Δt≥Tu时，Twait＝(SN-1/2)×Δt-Tu；否则，Twait＝(Ts-Tu)÷(SN-1/2)×Δt，其中：SN为传感器节点ID号在网关内存中存放的顺序号，Ts为传感器节点发送采集数据的周期，Nt为网关管理的传感器节点数目，Tu为本发送采集数据周期已过去时间，Δt＝Ts÷Nt为网关分配给每个传感器节点的发送采集数据的时间。
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