CN101459979A

CN101459979A - 基于无线传感器网络的系统组网方法

Info

Publication number: CN101459979A
Application number: CNA2008101641125A
Authority: CN
Inventors: 王健伟; 赵勍波; 宋执环
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2008-12-25
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2028-12-25
Also published as: CN101459979B

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的系统组网方法，该方法首先布置并初始化节点与基站，建立基站为簇首的第一层簇层次网络结构后建立其它层次簇层次网络结构，节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息，当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小时，进行路由变换。本发明的方法易于实现，同时没有丧失传感器网络本身的特点：使用小的传输功率而扩展网络覆盖范围，并且可以在网络的特性发生变化时而不影响网络的使用，从而增加了网络的稳定性。本发明能应用于建立实用传感器网络的各种场合。

Description

基于无线传感器网络的系统组网方法

技术领域

本发明涉及一种组网方法，特别地，涉及一种基于无线传感器网络的系统组网方法。

背景技术

近年来微机电系统(MEMS)和低功耗高集成数字设备的发展，导致了低成本、低功耗、微体积传感器节点的出现。这种微传感节点由传感单元、数据处理单元、通信单元和便携式电源组成，能完成数据采集、信号监测和传送信息的任务。随着传感器技术和通信技术的发展，无线传感器网络技术开始提出，并因为其应用的广泛性而得到越来越多的高度重视。无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用特殊方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。无线传感器网络在环境与军事监控，地震与气候预测、地下、深水以及外层空间探索等许多方面都具有广泛的应用前景。可以说无线传感器网络是信息感知和采集的一场革命，是21世纪最重要的技术之一。

从目前的技术来看，对于节点的组网，无线传感器网络还处于理论研究阶段，研究文献较多，但真正的实际应用较少。考虑实际应用情况，由于很多方面可以人为进行一些预考虑，所以可以简化一些在传感器网络中的相关协议及算法。

1.节点的布置。学术文章中，大量假设在监控地点随机散布大量的节点。这在工业或民用的一些场合是不必要的。进行一些预布置能有效减少成本和网络实现算法的复杂度。

2.数据中心型。传感器网络理论并不强调节点的ID。在很多应用场合，节点其实只用少量布置，使用ID并不会增加多少数据传输量。同时也减少了节点定位和路由算法的复杂度。

3.多跳。在传感器网络中，多跳增加了很大的灵活性。但与单跳相比，多跳出错的几率相当高，应用时尽量避免使用跳数较多的多跳。

也许经过这么一些处理，传感器网络已不是纯粹的传感器网路。但这也使传感器网络能从学术研究走向实际应用，从仿真走向能实现特定功能的物理实物。

发明内容

本发明的目的在于针对现有理论难以利用于实际的不足，提供一种易于实现的基于传感器网络的系统组网方法。

本发明的目的是通过以下方案来实现的：一种基于无线传感器网络的系统组网方法，包括以下步骤：

(1)布置节点与基站；

(2)初始化节点与基站；

(3)建立基站为簇首的第一层簇层次网络结构：节点进入自动运行状态，基站开始广播信息，节点接收到基站发出的信息后基于竞争信道回复确认。这些节点可直接单跳到基站，称为一级节点；基站收到回复确认后，根据一级节点数量和监控时间间隔广播TDMA表，每个一级节点收到TDMA表后回复确认；

(4)建立其它层次簇层次网络结构：一级节点与基站建立好第一层簇结构后，一级节点在自己分得的TDMA时间段内广播信息，与其它未成为一级节点的节点形成第二层簇结构与TDMA时间表。临近一级节点也可能收到某一级节点的信息，但不加入这一级节点的二级节点，只加入临近节点列表。依次类推，最后会形成一个完整的簇结构，同时会形成一个完整的TDMA时间表；

(5)节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息；

(6)当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小时，进行路由变换。

本发明的有益效果是：本发明提出的组网方法易于实现，同时并没有丧失传感器网络本身的特点：使用小的传输功率而扩展网络覆盖范围，并且可以在网络的特性发生变化时而不影响网络的使用，从而增加了网络的稳定性。本发明能应用于建立传感器网络的各种场合。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

图1是基于簇层次结构的路由算法的传感器网络结构图；

图2是监控节点结构框图；

图3是基站结构框图；

图4是基于TDMA的路由算法的时间片图；

图5是本发明实施例的结构层次图；

图6是本发明实施例的路由变换图；

图7是本发明实施例的对应TDMA时间片图。

具体实施方式

无线传感器网络是由一组传感器节点通过无线介质连接构成的无线网络，它采用特别方式配置大量微型的智能传感节点，通过节点的协同工作来采集和处理网络覆盖区域中的目标信息。

节点由传感单元、数据处理单元、通信单元等组成，能完成数据采集、信号监测、传送信息或执行相关操作的任务。基站是一种特殊节点，并且具有与外部网络的接口，是连接节点所在无线网络与用户所在的外部网络的中介。

节点放置于需要实时监控的区域，负责采集或传送监控区域信息，节点构架框图如图2，包括核心处理器、环境参量检测模块，无线通信模块，人机交互模块，现场执行模块。环境参量检测模块负责采集监控区域的信息，包括温度、湿度、入侵、烟火等状态信息。可选用0～+5V输入的集成温度、湿度传感器，连接到AD接口。同时可选用集成入侵、烟火探头，连接到IO接口。无线通信模块负责传送或转发节点之间信息，可以选用声表电子公司的FSK-2A与CZS-7搭建。人机交互模块提供人机交互接口，可以选用清达光电的1602液晶与普通按键搭建，当不需要人机交互时可不安装此模块。现场执行模块负责执行用户命令，如打开冷气操作等，可以选用L298等芯片搭建。当不需要执行相关操作时可不安装此模块。节点的核心处理器基于51内核，拥有8路AD接口、16路I/O接口，可以选用ATMEL公司的AT89C52等芯片搭建，可根据需要连接各种不同的传感器。

基站放置于监控区域边缘，负责汇集节点采集的信息到用户计算机或把用户计算机的命令传送到节点所在无线网络。基站构架框图如图3，基站是一种特殊的节点，与一般节点相似，只是省略了环境参量感知与采集部分，增加了与外部网络的接口。外部网络接口模块用于与外部网络的接口，可以使用美信(maxim)公司的max232搭建。无线通信模块负责传送或转发节点之间信息，可以选用声表电子公司的FSK-2A与CZS-7模块搭建。人机交互模块提供人机交互接口，可以选用清达光电的1602液晶与普通按键搭建，当不需要人机交互时可不安装此模块。现场执行模块负责执行用户命令，如打开冷气操作等，可以选用L298等芯片搭建。当不需要执行相关操作时可不安装此模块。节点的核心处理器基于51内核，拥有8路AD接口、16路I/O接口，可以选用ATMEL公司的AT89C52等芯片搭建。

簇层次结构：考虑图1所示的局部网络结构，每一簇有一个簇首，它汇集簇成员的数据，数据融合后发送到基站或更上级的簇首。例如，节点2.1.1，2.1.2和2.1形成簇，且簇首为节点2.1。同样存在着其它诸如2.2等簇首。这些簇首，反过来形成一簇，且节点2为它们的簇首。因此，节点2也成为第二级簇首。这种格局是反复的形成一个簇等级层次，最高等级簇首直接向基站传输。基站形成等级层次的根结点，监控整个网络。

时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)：时分多址是把时间分割成周期性的帧(Frame)。每一个帧再分割成若干个时隙向基站发送信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以分别在各时隙中接收到各节点的信号而不混扰。同时，基站发向多个节点的信号都按顺序安排在予定的时隙中传输，各节点只要在指定的时隙内接收，就能在多路的信号中把发给它的信号区分并接收下来。

无线传感器网络的一个簇结构层次一般有很多节点、若干个基站、用户计算机。为了便于分析与实现，一个簇采用一个基站为例，这样并没有丧失一般性。因为网络可分为若干簇，而基站一般为一个簇的簇首。

本发明基于无线传感器网络的系统组网方法，包括以下步骤：

①.节点与基站的布置：

首先在应用场所(如仓库)布置节点及基站。节点任意布置，但布置密度和安装地点可根据应用人为处理。基站可有多个，并且布置地点有利于信号采集。节点ID必须与监控区域相匹配，例如ID为002A的节点对应于监控区域的2号仓库A号点。

②.节点与基站的初始化：

对单个节点供电并手工初始化，包括节点系统时间、检测参数设置、检测时间间隔等。

③.基站为簇首的第一层簇层次网络结构的建立：

节点全部进入自动运行状态，基站开始广播“邀请”信息，节点接收到基站发出的“邀请”信息后基于竞争信道回复确认。这些节点可直接单跳到基站，称为一级节点。基站收到回复确认后，根据一级节点数量和监控时间间隔广播TDMA表，每个一级节点收到TDMA表后回复确认。

以如图5(a)的拓扑结构为例，节点A为基站，节点B、C、D、E为节点。基站A广播“邀请”信息，在A的通信覆盖范围内的B、C、D接收到“邀请”信息。B，C，D基于竞争信道回复确认。在无线接收器没有接收到其它节点发送的信息时，随机发送数据给基站。反之，当节点接收到其它节点数据时，说明信道被占用，停止发送，并等待随机时间发送。A收到B、C、D的确认后，根据监控时间间隔(如1分钟)和一级节点数量(3个)，广播TDMA时间表，每个时间片为60/3＝20s，且顺序为B、C、D。

④.其它层次簇层次网络结构的建立：

一级节点与基站建立好第一层簇结构后，一级节点在自己分得的TDMA时间段内广播“邀请”信息，与其它未成为一级节点的节点形成第二层簇结构与TDMA时间表。临近一级节点也可能收到某一级节点的“邀请”信息，但不加入这一级节点的二级节点，只加入临近节点列表。依次类推，最后会形成一个完整的簇结构，类似如图1所示。同时会形成一个完整的TDMA时间表，类似如图4所示。

以如图5(a)的拓扑结构为例，节点A为基站，且经过步骤③，节点B、C、D已经成为一级节点。节点B在自己的TDMA时间片段中广播“邀请”信息，节点E回复确认，加入B的下一级节点，同时B向其下一级节点广播TMDA时间表。而与B同级的C虽然接收到邀请，但不加入B的下一级节点，只把B加入临近节点列表。之后节点C在自己的TDMA时间片段中广播“邀请”信息，情况与B类似。经过③④步骤，会形成如图5(b)的层次结构。节点A为基站，节点B、C、D为一级节点，节点E为节点B的下一级节点，且节点B的临近节点有C；节点C的临近节点有B、D；节点D的临近节点有C。

⑤.节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息。

假设TDMA表顺序依次为B、C。信息交换顺序如下，B的下级节点根据节点B内的TDMA表([1-1.1]、[1-1.2]……)发监控状态给B，B回确认与命令；B与其下级节点交换完信息后，B汇集相关监控状态信息在[1-Base]时间段内给A，并接收A的确认和命令。等到节点C的时刻到来，C先与其下级节点按TDMA表([2-2.1]、[2-2.2]……)交换信息命令，之后在[2-Base]时间段内与基站交换信息。直至完成一次TDMA表，又从头开始。

⑥.当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小时，进行路由变换。

如图5(a)的拓扑结构经过初始化后，得到图5(b)的层次结构。节点A为基站，节点B、C、D为一级节点，节点E为节点B的下一级节点，且节点B的临近节点有C，节点C的临近节点有B、D。若这些节点原先均在各自的覆盖范围之内，在信息监控阶段，信息传输过程如图6(a)。当由于电能不足或干扰等因素造成传输覆盖范围变小时，覆盖半径由原来的RB1变成RB2，如图6(b)。此时B已经不能直接与A通信。但此时B可从临节点列表中得知C，其可以通过C转发到达基站。节点B先按原计划发送状态信息给基站A，而基站A没收到，因而没有回复。节点B将信息发送给C(此时还在B的时间段内)，C将信息发送给基站；再将基站的确认和命令发回给B，如图6(b)。相应的时间片如图7(a)和7(b)。

当通信恢复正常时，节点可以不用人为干预恢复到失效前的网路。

Claims

1.一种基于无线传感器网络的系统组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)布置节点与基站；

(2)初始化节点与基站；

(3)建立基站为簇首的第一层簇层次网络结构：节点进入自动运行状态，基站开始广播信息，节点接收到基站发出的信息后基于竞争信道回复确认，这些节点可直接单跳到基站，称为一级节点；基站收到回复确认后，根据一级节点数量和监控时间间隔广播TDMA表，每个一级节点收到TDMA表后回复确认；

(4)建立其它层次簇层次网络结构：一级节点与基站建立好第一层簇结构后，一级节点在自己分得的TDMA时间段内广播信息，与其它未成为一级节点的节点形成第二层簇结构与TDMA时间表。临近一级节点也可能收到某一级节点的信息，但不加入这一级节点的二级节点，只加入临近节点列表，依次类推，最后会形成一个完整的簇结构，同时会形成一个完整的TDMA时间表；

(5)节点根据自己的TDMA时间段与周围节点交换信息；

2.根据权利要求1所述基于无线传感器网络的系统组网方法，其特征在于，所述步骤(2)具体为初始化节点系统时间、检测参数设置、检测时间间隔等。