CN102170687B - 一种面向无线传感网络应用的rfid通信网络分组建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向无线传感网络应用的RFID通信网络分组建立方法。现有的方法在传感器节点数量很大的情况其建网速度较慢。本发明首先基站向所有无线传感器节点发送唤醒信号，让无线传感器节点处于建网工作状态，其次预收集没有发生冲突的无线传感器节点；然后分组收集直至无线传感器节点都入网；最后基站向所有无线传感器节点发送网络组建完成信号，让其从睡眠状态切换至正常通信状态，至此通信网络建立完成。本发明提高了建网效率、降低了通信需求、减小了功耗。

Description

一种面向无线传感网络应用的RFID通信网络分组建立方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种面向无线传感网络应用的RFID通信网络分组建立方法。

背景技术

RFID技术是一项利用射频信号通过空间耦合（交变磁场或电磁场）实现的无接触式信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目的的技术。可以快速读写、长期跟踪管理。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，用于控制、检测和跟踪物体，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，同时识别多个标签，操作快捷方便。

RFID技术的工作原理为：当带有电子标签的物品在读写器的可读范围时，读写器发出的查询信号将会激活标签，标签根据接收到的查询信号要求反射信号，读写器接收到标签反射回的信号后，经过内部电路的解码处理可无接触地读取并识别电子标签中所保存的电子数据，从而达到自动识别物体的目的。然后进一步通过计算机及计算机网络实现对物体识别信息的采集、处理及远程传送等治理功能。

上述技术主要应用领域有：物流、零售、制造业、服装业、医疗、身份识别、防伪、资产管理、交通、食品、动物识别、图书馆、汽车、航空、军事、门禁、考勤、电子巡逻、一卡通、消费、电子停车场等。

传统的的RFID建网方法如图2所示，建网时间由一个唤醒周期和多个收集周期构成，每个收集周期又由同步周期、监听周期和应答周期构成，其中，监听周期和应答周期拥有相同数量的固定时隙个数n。

发出唤醒信号后，基站对所有未入网的无线传感器节点都放在单个收集周期处理，对于当前收集周期内仍未入网的无线传感器节点，基站尝试在下一个收集周期对它们进行处理，依次重复，直至所有的无线传感器节点都已加入到当前网络。

这种方法简单，对于传感器节点数很少的情况下，效果不错，但是对于无线传感器节点数量大于时间窗时隙个数的5倍时，建网所需的时间呈现快速增长的趋势， 所以对于传感器节点数量很大的情况，这种方法显然难以满足要求。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供了一种面向无线传感网络应用的RFID通信网络分组建立方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1：基站向所有无线传感器节点发送唤醒信号，让无线传感器节点处于建网工作状态。

步骤2：预收集，具体包括以下步骤：

2-1．基站向无线传感器节点发送同步信号，告知无线传感器节点向基站发出应答信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个。

2-2．无线传感器节点向基站发送响应信号；基站读取没有发生冲突的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，并统计发生冲突的无线传感器节点数量，记为Total，将Total与监听周期所占时隙数n相除，并将该相除结果做上取整运算得分组数m，即m =                                                

。

2-3．基站向步骤2-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该无线传感器节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应。

步骤3：分组收集，具体包括以下步骤：

3-1．基站向无线传感器节点发送同步信号，让无线传感器节点与基站重新同步，并告知尚未入网的无线传感器节点向基站发出应答信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个；如果该组收集周期是本次m个分组中的第一个组收集周期，基站在同步信号中将分组数m发送给尚未入网的无线传感器节点，尚未入网的无线传感器节点接收到同步信号中的m值后，随机分配到m组中的一组。

3-2．尚未入网的无线传感器节点判断该组收集周期是否就是自己所属于的组收集周期，如果是自己所属于的组收集周期，则在监听周期的n个时隙中随机选择一个时隙，在该时隙内向基站发送响应信号；基站读取没有发生冲突的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，更新Total，即Total = Total-本次新入网节点数；如果该组收集周期是本次m个分组中的最后一个组收集周期，基站计算分组数m，即m = 

。

3-3．基站向步骤3-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应。基站查看Total是否为0，即查看是否所有无线传感器节点已入网，如果Total为0，则执行步骤4，否则跳转至步骤3-1。

步骤4：基站向所有无线传感器节点发送网络组建完成信号，让其从睡眠状态切换至正常通信状态，至此通信网络建立完成。

本发明相对于现有技术具有以下有益效果：对于无线传感器节点数量大于时间窗时隙个数的5倍时，随着无线传感器节点数量逐渐增大，建网时间并不会急剧增长，而是呈类线性增长的趋势，提高建网效率，降低通信需求，减小功耗。这种面向无线传感网络的RFID通信网络建立方法能够满足新一代物联网通信需求。

附图说明

图1：无线传感器网络拓扑图；

图2：传统无线传感器网络组建时序图；

图3：传感器节点入网时序图，每一次重新分组计算分组数m时，m的值都可能不一样，图中的m在不同的时刻数值不一定相同；

图4：时间窗为60个时隙时，无线传感器节点传统建网和分组建网所需时间仿真对比图；

图5：时间窗为600个时隙时，无线传感器节点传统建网和分组建网所需时间仿真对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明：

本发明中的网络主要由一个基站和多个无线传感器节点组成，如图1所示，特别针对无线传感器节点数量大于时间窗时隙个数的5倍的场合。在基站和无线传感器节点都能相互正确、稳定地发送、接收对方的信号的范围内（以下称该范围为通讯范围），基站根据无线传感器节点的身份信息，组建网络，定位、跟踪、识别标识，以获取温度、湿度、烟雾等信息。

术语解释：

唤醒周期：基站对无线传感器节点发送唤醒命令，让本来处于间断性收信号状态的无线传感器节点一直处于接收状态，随时等候后面的同步命令。

收集周期：基站收集未发生冲突的无线传感器节点入网。每个收集周期都由同步周期、监听周期和应答周期组成。

预收集周期：基站收集未发生冲突的无线传感器节点入网，并统计尚未入网无线传感器节点数，计算分组数。每个预收集周期都由同步周期、监听周期和应答周期组成。组收集周期长度与收集周期时间长度相等。

组收集周期：每个收集周期都由同步周期、监听周期和应答周期组成，在组收集周期里面，基站对某一组传感器节点进行收集。

同步周期：基站向无线传感器节点发送同步信号，让它们在n个时隙中随机选择一个时隙，向基站发送响应信号。

监听周期：基站接收从无线传感器节点发来的响应信号，并将未发生冲突的无线传感器节点收集入网。一个监听周期即为一个时间窗，有n个时隙。

应答周期：基站向传感器节点发送应答信号，表示该传感器节点已入网，并命令其休眠。一个应答周期即为一个时间窗，有n个时隙。

结束周期：网络建立完成，网络节点间可以进行正常的通信。

时间窗：n个时隙。

具体实施方式如下（参见图3）：

步骤1：基站在唤醒周期时间段内，连续向所有无线传感器节点发送唤醒信号，让无线传感器节点切换到建网工作状态，无线传感器节点等待接收同步信号。无线传感器节点在接收到唤醒信号前，处于间断性打开接收机的状态，建网工作状态时无线传感器节点的接收机一直处于打开状态，默认唤醒周期时间段的长度足够让处于通讯范围内的无线传感器节点接收到唤醒信号并切换状态。

步骤2：预收集：

2-1.在同步周期时间段，基站向无线传感器节点发送同步信号，告知无线传感器节点向基站发出应答信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个。

2-2.无线传感器节点根据同步周期与基站同步后，在监听周期时间段n个时隙中的一个里面，向基站发送响应信号。基站读取没有与其他无线传感器节点发生冲突（在该时隙内有且只有一个无线传感器节点向基站发出响应信号即为不冲突，在该时隙内有多个无线传感器节点向基站发出响应信号即为冲突）的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，同时基站统计在本次监听期间发生冲突的无线传感器节点（这部分无线传感器节点为尚未入网的节点）数量Total，用Total对监听周期（时间窗）所占时隙数n相除，并对该除运算的结果做上取整运算，得出分组数m，即m = 

。

2-3.基站在应答周期时间段内向步骤2-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该无线传感器节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应。睡眠时无线传感器节点处于间断性打开接收机的状态。

步骤3：分组收集：

3-1.进入一个新的组收集周期，基站在同步周期时间段内向无线传感器节点发送同步信号，让无线传感器节点与基站重新同步，并告知尚未入网的无线传感器节点向基站发出应答信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个。如果该组收集周期是本次m个分组中的第一个组收集周期，基站在同步信号内将分组数m发送给尚未入网的无线传感器节点，尚未入网的无线传感器节点接收到同步信号中的m值后，随机将自己分配到m组中的一组。

3-2.尚未入网的无线传感器节点判断该组收集周期是否就是自己所属于的组收集周期，如果是自己所属于的组收集周期，则在监听周期的n个时隙中随机选择一个时隙，在该时隙内向基站发送响应信号。基站读取没有发生冲突的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，统计在本监听周期内新入网的节点数，更新Total，即Total = （Total – 本次新入网节点数）。如果该组收集周期是本次m个分组中的最后一个组收集周期，基站计算分组数m，即m = 。

3-3.基站在应答周期内向在步骤3-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应。基站查看Total是否为0，即查看是否所有无线传感器节点已入网，如果Total为0，则执行步骤4，否则，跳转至步骤3-1。

步骤4：基站在建立完成周期内向所有无线传感器节点发送网络组建完成信号，让其从睡眠状态切换至正常通信状态，至此，通信网络建立完成。

另需要说明的是：无线传感器节点只有在其响应时隙内跟其他的无线传感器节点不冲突时，方可入网；若有冲突，则该无线传感器节点需等待后面重新分组后，再尝试入网。

根据本发明的技术方案，其仿真出来的建网时间见表1、表2。图4、图5分别与表1、表2对应。表1、表2中数据是根据不同传感器节点数仿真建网1000次所需的平均时间。表1中，当传统建网方式节点数大于800时，由于计算机仿真时间较长，未做统计。表2中，当传统建网方式节点数为8000时，由于计算机仿真时间较长，这里只统计了组网41次所需的时间，节点数大于8000的情况，未做统计。为了能让更多的测试坐标点在图上能够有更全面的视觉效果，图4和图5用的显示方法是非线性的log（对数）方式。

表1：时间窗为60个时隙时，无线传感器网络组建所需时间

表2：时间窗为600个时隙时，无线传感器网络组建所需时间

Claims (1)

1.一种面向无线传感网络应用的RFID通信网络分组建立方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：基站向所有无线传感器节点发送唤醒信号，让无线传感器节点处于建网工作状态；

步骤2：预收集，具体包括以下步骤：

2-1．基站向无线传感器节点发送同步信号，告知无线传感器节点向基站发出响应信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个；

2-2．无线传感器节点向基站发送响应信号；基站读取没有发生冲突的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，并统计发生冲突的无线传感器节点数量，记为Total，将Total与监听周期所占时隙数n相除，并将该相除结果做上取整运算得分组数m，即m = ；

2-3．基站向步骤2-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该无线传感器节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应；

步骤3：分组收集，具体包括以下步骤：

3-1．进入一个新的组收集周期，基站向无线传感器节点发送同步信号，让无线传感器节点与基站重新同步，并告知尚未入网的无线传感器节点向基站发出响应信号的时机为监听周期n个时隙中的任意一个；如果该组收集周期是本次m个分组中的第一个组收集周期，基站在同步信号中将分组数m发送给尚未入网的无线传感器节点，尚未入网的无线传感器节点接收到同步信号中的m值后，随机分配到m组中的一组；

3-2．尚未入网的无线传感器节点判断该组收集周期是否就是自己所属于的组收集周期，如果是自己所属于的组收集周期，则在监听周期的n个时隙中随机选择一个时隙，在该时隙内向基站发送响应信号；基站读取没有发生冲突的无线传感器节点身份数据，将其收集入网，更新Total，即Total = Total-本次新入网节点数；如果该组收集周期是本次m个分组中的最后一个组收集周期，基站计算分组数m，即m = 

；

3-3．基站向步骤3-2中新加入的无线传感器节点发送应答信号，告知该节点已入网，并让其进入睡眠状态，对后续从基站发来的建网信号不予响应；基站查看Total是否为0，即查看是否所有无线传感器节点已入网，如果Total为0，则执行步骤4，否则跳转至步骤3-1；

步骤4：基站向所有无线传感器节点发送网络组建完成信号，让其从睡眠状态切换至正常通信状态，至此通信网络建立完成。

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