CN102281558B - 一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，首先无线传感器网络中的中心节点及子节点上电初始化，中心节点发出组网信标，开始进入组网阶段，子节点将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息，将转发节点存入邻居节点列表中，并记录其场强，然后中心节点收集区域内的节点的场强信息，中心节点根据收集到的场强信息规划节点路由，并对子节点进行配置；中心节点对子节点配置完毕后，无线传感器网络进入正常工作阶段来实现物联网数据的传输。

Description

一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域，特别涉及一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法。

背景技术

传感器网络是由大量部署在作用区域内的、具有无线通信与计算能力的微小传感器节点通过自组织方式构成的能根据环境自主完成指定任务的分布式智能化网络系统。传感网络的节点间距离很短，一般采用多跳的无线通信方式进行通信。传感器网络可以在独立的环境下运行，也可以通过网关连接到互联网，使用户可以远程访问。传感器网络综合了传感器技术、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，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过随机自组织无线通信网络以多跳中继方式将所感知信息传送到用户终端。从而真正实现“无处不在的计算”理念。

低功耗是无线传感器网络的一大特点，为了延长网络寿命需要考虑提高能量效率，节点在无需参与网络工作时进入睡眠状态；节点会动态的加入和离开网络，要求网络具有良好的可扩展性；无线传感器网络要求不依赖于固定的基础设施，节点开机后就可以快速、自动地组成一个独立的网络、多跳(Multi-hop)路由、动态拓扑；网络中所有节点地位平等，是一个对等式网络。任何节点的故障不会影响整个网络的运行，具有很强的抗毁性。

自组网技术是无线传感器网络的核心技术。目前已有的技术中，Zigbee是相对成熟、应用较广的一种。Zigbee具有通讯速度快、抗干扰跳频速度快、组网协议稳定可靠等优点，但是也存在穿透性能差、同频干扰设备多(WIFI、蓝牙等)、对网络布设的要求较高、协议相对复杂等问题。

另外，无线传感器网络一个重要的特点就是它的应用特定性，即针对不同的应用，在网络协议算法和系统协议栈方面应提供不同的优化设置。目前的无线传感器网络协议大量的假设在监控地点随机散布大量的节点，并且节点的位置频繁移动，这在工业或民用的一些场合是不必要的，进行应用场景的划分能有效减少成本和网络实现算法的复杂度。

目前的现有技术中，还没有特定的针对这种节点位置相对固定、进行周期性数据传输的无线传感器网络的组网方法，都是大量的假设在监控地点随机散布大量的节点来设计组网方法，当此组网方法应用于电力用户用电信息采集、水表、气表集中抄表、工业无线数据采集、环境监测、物流仓储等物联网应用的数据传输领域时，会有视距传输的局限性，且在组网过程中需人工干预，并不能保证数据信息的抄收成功率等等缺点。因此，急需提出一种适用于节点位置相对固定、进行周期性数据传输的无线传感器网络的组网方法。

发明内容

本发明的目的在于，为解决上述问题，本发明提出一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，该方法应用于节点位置相对固定、进行周期性数据传输的物联网，实现易于快速组网、结构灵活、数据传输可靠。

为实现上述发明目的，本发明提出一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，该组网方法包括：

一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，该组网方法包括：

步骤1)：无线传感器网络中的中心节点及子节点上电之后，自动获取与自己关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并产生短地址；同时，子节点进入游离扫描阶段，在每一个信道组的第一频道中依次扫描接收组网命令，并每隔一个时间周期在第一频道中发出主动入网申请；

步骤2)：物联网无线传感器网络中的中心设备下发传感器档案或组网命令后，中心节点进入组网状态，构造MAC层信标负载内容，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧给子节点；

步骤3)：子节点在任一信道中接收到所述步骤2)中发出的组网信标后，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息，然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断当前节点的层数和时隙圈数是否大于节点总层数和时隙总圈数，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙及圈数发送出信标帧；否则终止本次处理；每个节点侦听其他节点转发的信标，将转发节点加入邻居表并记录其场强值；其中，节点层数指子节点到中心节点的最少跳数；时隙圈数指子节点发送信标的轮次，圈周期为一轮信标的总时隙数；

步骤4)：中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的1级子节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级子节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级子节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表，在收集完所有1级子节点的场强信息后，再以1级子节点为中继节点，继续收集2级子节点的场强信息表，以此类推，中心节点逐级收集所有子节点的场强信息；

步骤5)：中心节点根据所述步骤4)收集到的场强信息规划节点路由，并对子节点进行配置；

步骤6)：中心节点对子节点配置完毕后，无线传感器网络进入正常工作阶段来实现物联网数据的传输。

该方法还包括新增子节点的入网；所述新增子节点上电后处于游离状态时，以随机的时间间隔、依次在各个信道组的上报信道发出MAC层的入网申请命令，在网工作状态的邻居节点在收到新增子节点的入网申请命令时，邻居节点按自己的信标时隙在信道组内的第一信道回应一个入网申请帧应答帧，并附带参数信息；游离状态的新增节点在扫描某一信道组的第一信道时，如果收到一个或多个在网状态邻居节点的应答帧，则比较邻居节点的参数信息，选定一个在网状态邻居节点的上传路径，然后以这个上传路径向中心节点发送场强准备就绪命令，从而在中心节点备案，一旦主站下发了新增的子节点对应的设备档案给中心节点，中心节点就可以立即抄读到新增子节点的场强信息，并对其进行配置，此时，新增的子节点即从半游离状态转换成在网状态，完成了主动入网过程。

所处参数信息包括：邻居节点所处的层、接收场强、PanID和上传路径。

所述步骤6)还包括中心节点使用网络维护请求命令来对无线传感器网络进行维护。

所述中心节点对无线传感器网络的维护包括路由测试、节点点名和场强信息更新。

本发明具有如下优点，

(1)突破了视距传输的局限性，对使用环境的适应性强。节点数量和网络覆盖范围伸缩性强。

(2)传感器节点即放即用，无需任何初始化配置工作。

(3)无需人工干预，节点之间自动建立数据传输的路由关系；当新节点加入到系统中之后，能够立即建立新路由；中心节点能够在无人工干预情况下，自动管理下属无线节点的中继路由关系。

(4)节点上行和下行传输都具有冗余路径，当路由中的某个中继节点拆除或故障后，系统能够立即自动找到一条新路由，保证抄收成功率。

(5)信道组转换：中心能够按照指令或自动发起管理下属子节点的信道频率，从某个信道切换到另一个信道。

(6)发送方检测到信道干扰或冲突，自动切换到其他信道发送数据；接收方扫描多个信道，当定位到发送方的数据信道后，接收数据。

(7)无线节点具备载波侦听和冲突避让功能。

附图说明

图1为本发明的实施例中无线传感器网络组成结构图；

图2为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法流程图；

图3为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法中新增节点入网流程图；

图4为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法中的无线传感器网络协议栈结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明的技术方案进行进一步详细的说明。

本发明所述无线传感器网络是由一个中心节点和若干子节点组成，他们通过无线介质接连构成无线网络，通过节点的协同工作来采集节点信息和控制节点动作。子节点安装在目标信息所在位置，负责采集、传送信息，并根据预设的条件或实时命令控制传感器动作。中心节点负责汇聚子节点的信息到远程主站系统或者把远程主站系统的命令传送到节点所在无线传网络。中心节点是一种特殊的节点，它与子节点相似，增加了与外部网络的接口。

如图1所示，图1为本发明的实施例中无线传感器网络组成结构图。子节点2至6与中心节点1组成了一个多跳路由的无线传感器MESH网状网络。每个网络节点均可作为其他节点的路由节点。每个网络节点的上行、下行均具备多条路径，如子节点6可以经由节点2达到中心节点1，也可经由节点3达到中心节点1。

本发明所述无线传感器网络针对以下特征需求进行了系统设计：在无人值守的情况下，能够长期有效的工作；规模化子节点随机性发布，支持动态扩充和快速自组网，节点免配置，即放即用；支持节点随即布设、动态加入和移除；支持不同的组网规模。

如图2所示，图2为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法流程图。本发明的详细组网流程如下：

1、节点上电初始化：节点在上电或复位之后，自动获取其关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并且产生短地址。同时，节点进入游离扫描阶段，在多个信道组的第一频道中依次扫描接收，同时每隔一个时间周期在上述频道中发出主动入网申请。

2、开始组网阶段：在中心设备发出组网命令之后，中心节点进入组网状态，发出组网信标开始组网。

3、邻居发现和场强测量阶段：中心节点组网时，构造好MAC层信标负载内容后，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧。子节点扫描规定信道组时，如果接收到一个网络的信标帧时，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息。然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断当前节点的层数和时隙圈数是否大于节点总层数和时隙总圈数，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙及圈数发送出信标帧；否则终止本次处理；每个节点侦听其他节点转发的信标，将转发节点加入邻居表并记录其场强值；其中，节点层数指子节点到中心节点的最少跳数；在本实施例中，除中心节点外一共是7层；时隙圈数指子节点发送信标的轮次，圈周期为一轮信标的总时隙数；在本实施例中，本组网方法的圈数最大是8圈。

4、场强收集阶段：中心节点在发出组网信标帧之后等待整个网络的信标转发完成后，开始收集子节点的场强表信息。中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的1级子节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到1级子节点的“搜索场强信息回复命令”后，将1级子节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表。在收集完所有1级子节点的场强信息后，再以1级子节点为中继节点，继续收集2级子节点的场强信息表。以此类推，中心节点逐级收集所有子节点的场强信息，直到电能表档案中所有电能表对应子节点全部收集完毕，或者已经没有能够中继到达的子节点为止。

5、路由规划及配置阶段：中心节点在收集完所有的能够搜集到的子节点的场强信息表之后，开始按照节点档案，依次对本中心节点所管理的子节点进行配置，并且使之从半游离状态转换为在网工作状态。此功能通过发送配置子节点请求命令并接收到配置子节点回复命令来实现。配置子节点请求命令中同时为子节点配置了3条上行中继路径。

6、正常工作阶段：中心节点在完成对子节点的信息配置之后，即转入正常工作阶段。同时，子节点在半游离状态中如果接收到中心节点的配置命令之后亦进入到正常的在网工作阶段，以完成正常的数据采集任务。

如图3所示，图3为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法中新增节点入网流程图。新增的子节点可以主动申请入网。新增子节点上电后处于游离状态时，以随机的间隔，依次在各个信道组的上报信道发出MAC层的入网申请命令，命令的发送间隔时间约为6分钟。在网工作状态的邻居节点在收到游离节点的入网申请命令时，按自己的信标时隙在信道组内的第一信道回应一个入网申请帧应答帧，并附带自己所处的层、接收场强、PanID、上传路径等参数。游离状态的新增节点在扫描某一信道组的第一信道时，如果收到一个或多个在网状态邻居节点的应答帧，则比较其所处的层、和双向接收场强等参数，选定一个在网状态邻居节点的上传路径，然后以这个上传路径向中心节点发送场强准备就绪命令，从而在中心节点备案，一旦主站下发了新增的子节点对应的设备档案给中心节点并同步到中心节点，中心节点就可以立即抄读到新增子节点的场强信息，并对其进行配置，此时，新增的子节点即从半游离状态转换成在网状态，完成了主动入网过程。

本发明的无线传感器网络具备网络维护功能，即按照一定的网络维护前期，由中心节点使用网络维护请求命令来对无线传感器网络进行维护。中心节点使用路由测试、节点点名等方式判断有无节点脱网，同时更新各节点的场强信息，最后根据收集到的信息重新进行路由规划并配置子节点。

如图4所示，图4为本发明的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法中的无线传感器网络协议栈结构图。本协议栈包含物理层、MAC层、网络层及应用层。

1、物理层定义了物理无线通道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。物理层数据服务包括以下功能：启动和休眠射频收发机、通道能量检测、检测接收数据帧的链路质量指示、空闲通道评估、收发数据。

本发明无线节点采用多信道工作模式，在通信过程中，必须在有效信息之前完成信道定位。具体说来，在PPDU帧结构中，数据帧的第一项是前导码，前导码主要完成两个功能，第一为空中码元时钟同步，第二为支持多信道扫描的信道定位。将目前的信道资源分配为多个信道组，每个信道组多个工作信道，根据目前的信道工作模式，将前导码定义为两种类型，一种为长引导码类型，用于定位信道组的扫描，在组网阶段使用，另一种为短引导码类型，用于定位信道组内的信道扫描，其中长引导码在组网阶段使用，短引导码在组网完成后使用。

2、MAC子层提供两种服务：MAC层数据服务和MAC层管理服务(MLME)，前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中的正确收发，后者维护一个存储MAC子层协议状态相关信息的数据库。

MAC层处理所有物理层无线信道的接入，其主要的功能为：网络中心节点产生并发送网络信标；子节点接收并按时隙转发信标；信道接入方式支持免冲突载波检测多址接入(CSMA_CA)机制；在组网阶段支持TDMA；在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

3、网络层必须保证MAC子层的正确操作，并为应用层提供一个合适的服务接口。要和应用层通信，网络层概念地包括两个服务实体，以提供必要的功能。这两个服务实体分别是数据服务实体和管理服务实体。

网络层数据实体(NLDE)：NLDE应提供一个数据服务，以允许一个应用程序在两个或多个设备之间传输应用协议数据单元(APDU)。设备本身必须位于同一个网络。NLDE将提供以下服务：

生成网络层的PDU(NPDU)：NLDE应该可以通过增加一个合适的协议头，从一个应用层的PDU，生成一个NPDU；

拓扑指定的路由：NLDE应该可以传输一个NPDU给一个合适的设备，它是通信的最终目的地或是通信链中朝向最终目的地的下一步。

网络层管理实体(NLME)：NLME应提供一个管理服务，以允许一个应用程序与协议栈相互作用。NLME应提供以下服务：

路由发现：发现并记录通过网络的路径的功能，即信息可以有效地传送。

接收控制：一个设备控制何时接收者是激活的，以及激活多长时间，从而使MAC子层同步或直接接收。

路由：这个是使用不同路由机制的能力，例如单播，广播，多播或者多对一，在网络中高效交换数据。

4、应用层包括一个APS(应用支持子层)子层和一个设备管理平台。APS子层的职责包括：支持端到端的数据传输，确认和重传；支持网络地址搜索、4字节MAC地址到2字节NWK地址的地址映射，以及重复短地址修改等功能；支持网络信道切换；超长数据包的分割，重组等功能。

应用支持子层通过一组通用的服务，提供了网络层和应用层之间的接口，由设备管理平台和制造商定义的应用对象使用。这些服务通过两个实体提供：数据服务和管理服务。APS数据实体(APSDE)通过其相关的SAP提供了数据传输服务，即APSDE-SAP。APS管理实体(APSME)通过其相关的SAP提供了管理服务，即APSME-SAP，并维护管理对象的数据库，也叫APS信息库(AIB)。

设备管理平台的职责包括：管理设备的配置信息，并且定义网络中设备的角色(比如中心节点、子节点等)；定义设备应用接口。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，该组网方法包括： 

步骤1)：无线传感器网络中的中心节点及子节点上电之后，自动获取与自己关联设备的地址，以设备地址替换自己的扩展地址，并产生短地址；同时，子节点进入游离扫描阶段，在每一个信道组的第一频道中依次扫描接收组网命令，并每隔一个时间周期在第一频道中发出主动入网申请； 

步骤2)：物联网无线传感器网络中的中心设备下发传感器档案或组网命令后，中心节点进入组网状态，构造MAC层信标负载内容，然后启动MAC层在起始时隙发送一个信标帧给子节点； 

步骤3)：子节点在任一信道中接收到所述步骤2)中发出的组网信标后，将发送信标帧的源节点的PanID、短地址、扩展地址添加进自己的邻居表，并记录接收到信标帧的场强信息，然后检查信标负载中的信标标识字节，判断自己是否已转发过本次组网信标，如果已转发过，则终止本次处理；如果还没有转发过，则构建自己的信标帧负载信息，再判断当前节点的层数和时隙圈数是否大于节点总层数和时隙总圈数，如果均不大于，则调用MAC层信标发送服务在指定的时隙及圈数发送出信标帧；否则终止本次处理；每个节点侦听其他节点转发的信标，将转发节点加入邻居表并记录其场强值；其中，节点层数指子节点到中心节点的最少跳数；时隙圈数指子节点发送信标的轮次，圈周期为一轮信标的总时隙数； 

步骤4)：中心节点首先取自己的邻居表信息，依次向在自己周围一跳范围内的l级子节点发送“搜索场强信息请求命令”，在收到l级子节点的“搜索场强信息回复命令”后，将l级子节点的邻居场强信息添加进自己的场强信息表，在收集完所有l级子节点的场强信息后，再以l级子节点为中继节点，继续收集2级子节点的场强信息表，以此类推，中心节点逐级收集所有子节点的场强信息； 

步骤5)：中心节点根据所述步骤4)收集到的场强信息规划节点路由，并对子节点进行配置； 

步骤6)：中心节点对子节点配置完毕后，无线传感器网络进入正常工作阶段来实现物联网数据的传输。 

2.根据权利要求l所述的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，该方法还包括新增子节点的入网； 

所述新增子节点上电后处于游离状态时，以随机的时间间隔、依次在各个信道组的上报信道发出MAC层的入网申请命令，在网工作状态的邻居节点在收到新增子节点的入网申请命 令时，邻居节点按自己的信标时隙在信道组内的第一信道回应一个入网申请帧应答帧，并附带参数信息；游离状态的新增子节点在扫描某一信道组的第一信道时，如果收到一个或多个在网状态邻居节点的应答帧，则比较邻居节点的参数信息，选定一个在网状态邻居节点的上传路径，然后以这个上传路径向中心节点发送场强准备就绪命令，从而在中心节点备案，一旦主站下发了新增的子节点对应的设备档案给中心节点，中心节点就可以立即抄读到新增子节点的场强信息，并对其进行配置，新增的子节点即从半游离状态转换成在网状态，完成了主动入网过程。 

3.根据权利要求2所述的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述参数信息包括：邻居节点所处的层、接收场强、PanID和上传路径。 

4.根据权利要求l所述的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述步骤6)还包括中心节点使用网络维护请求命令来对无线传感器网络进行维护。 

5.根据权利要求4所述的一种应用于物联网数据传输的无线传感器网络组网方法，其特征在于，所述中心节点对无线传感器网络的维护包括路由测试、节点点名和场强信息更新。 

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