CN102413180A

CN102413180A - 灌区监测无线传感器网络及其通讯协议

Info

Publication number: CN102413180A
Application number: CN2011103615574A
Authority: CN
Inventors: 严锡君; 李亚东; 严妍; 孙桐; 余敏; 张洪学; 张腾宇; 孟祥薇
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Jiangsu Shuike Shangyu Energy Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2011-11-15
Filing date: 2011-11-15
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2031-11-15
Also published as: CN102413180B

Abstract

本发明公开一种灌区监测无线传感器网络及其通讯协议，所述无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围、以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点。所述通讯协议针对STAR-WSN汇聚节点能量不限、较多采用星型结构的特点，对基于TDMA的MAC协议进行改进，采用面向单覆盖WSN监测应用的MAC协议—STARMAC。本发明能够实现灌区现场信息的自动采集、传输、显示、存储和处理，提高了灌区管理效率；提高了水的利用率，实现了科学用水、节约用水的目的；对发展灌区农业经济和水利经济，有效扩大灌溉面积，建设良好生态环境，实现灌区经济可持续发展可产生积极的作用。

Description

灌区监测无线传感器网络及其通讯协议

技术领域

本发明公开了一种灌区监测无线传感器网络及其通讯协议，属于无线传感器网络和电子测控领域。

背景技术

现有的灌区信息化系统，大多采用有线方式将水位、雨量、闸位、土壤含水量等传感器和数据采集器进行连接，传输水情、雨情、工情、墒情、旱情和气象等信息，这种方法存在布线复杂、线路易受意外损坏、安装和维护成本高的缺陷。同时，当需要增加测量参数时，往往需要对数据采集器硬件和软件进行修改，系统的扩展性较差，使用不方便。为了克服以上缺陷，用无线通信取代有线通信，是灌区监测等工业应用的一个发展趋势。

随着无线传感器网络技术的发展，因其具有通信便利、部署方便的优点，而得到了广泛的应用。将无线传感器网络技术应用于灌区信息化系统，构建面向灌区监测的无线传感器网络，以无线传输方式代替有线传输方式，可降低安装和维护成本，提高系统可靠性和扩展性。

灌区信息化系统以对水情、雨情、工情、墒情、旱情和气象等自动化监测为基础，融合计算机、现代通讯、人工智能、数据库等技术，对水资源信息的自动采集、传输和处理，从而实现防汛、供水、发电、灌溉等优化调度，提高灌区水资源的合理开发利用。

对于小型灌区，因其涵闸规模小，闸孔数不多，且只需监测水位、闸位和雨量等水情、雨情和工情数据，闸位传感器节点、水位传感器节点和雨量传感器节点部署在汇聚节点周围，均以一跳的方式与汇聚节点交换信息，采用星型结构构建网络，可提高网络数据传输的可靠性和实时性。

发明内容

本发明的首要目的在于克服现有灌区数据采集系统的上述缺陷，提供一种灌区监测无线传感器网络，采用如下技术方案：

一种灌区监测无线传感器网络，其特征在于所述无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围，以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点，传感器节点分为水位传感器节点，闸位传感器节点和雨量传感器节点，传感器节点负责采集现场信息并进行处理获得有效数据，再将有效数据通过无线通信方式发送给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络和外部网络，对传感器节点发送来的数据进行分析，并将分析结果通过GPRS(General Packet Radio Service)网络发送给信息管理中心；信息管理中心根据接收到的数据判断传感器节点的工作状态，并采取相应措施。

本发明的另一目的在于提供基于上述无线传感器网络的通讯协议，采用面向单覆盖WSN(Wireless Sensor Networks)监测应用的MAC(Media Access Control)协议-STAR MAC(STAR Media Access Control)。采用星型拓扑结构的无线传感器网络中汇聚节点和传感器节点之间，普遍采用基于TDMA(Time Division Multiple Access)的MAC协议。针对STAR-WSN(STAR-Wireless Sensor Networks)汇聚节点能量不限、较多采用星型结构的特点，对基于TDMA的MAC协议进行改进。具体方案如下：

采用面向单覆盖WSN监测应用的MAC协议-STARMAC，在无线传感器网络建立和使用过程中，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络三个步骤，汇聚节点始终处于发送/接收的循环工作状态，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧，对网内节点进行同步并分配时隙；欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步并延时，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。

有益效果：灌区监测无线传感器网络(Irrigation Monitor Wireless Sensor Network，IMWSN)具有一般无线传感器网络的特点外，具有自身节点可部置、汇聚节点能量不限、单覆盖和数据流量不太大的特点。对多覆盖无线传感器网络的通讯协议等关键技术进行研究和改进，适用于IMWSN，可降低节点的功耗，延长节点的生命周期，并提高可靠性。

IMWSN实现了灌区水情、雨情、工情、墒情等信息的自动采集、传输、显示、存储和处理，提高了灌区管理效率；提高了水的利用率，实现了科学用水、节约用水的目的；对发展灌区农业经济和水利经济，有效扩大灌溉面积，建设良好生态环境，实现灌区经济可持续发展可产生积极的作用。

附图说明

图1是本发明的无线传感器网络体系结构。

图2是本发明专利的STAR-MAC协议改进MAC协议示意图。

图3是本发明专利的无线传感器网络功能说明图。

图4是本发明专利的汇聚节点结构图。

图5是本发明专利的汇聚节点硬件电路图。

图6是本发明专利的水位节点结构图。

图7是本发明专利的水位节点硬件电路图。

图8是本发明专利的雨量节点结构图。

图9是本发明专利的雨量节点硬件电路图。

图10是本发明专利的节点加入过程示意图。

图11是本发明专利的粗粒度的时间同步示意图。

图12完整的通信协议结构图。

图13平均能量消耗比较图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细阐述：

如图1所示，本发明的灌区监测无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围、以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点，传感器节点分为水位传感器节点，闸位传感器节点和雨量传感器节点，传感器节点负责采集现场信息并进行处理获得有效数据，再将有效数据通过无线通信方式发送给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络和外部网络，对传感器节点发送来的数据进行分析，并将分析结果通过GPRS网络发送给信息管理中心；信息管理中心根据接收到的数据判断传感器节点的工作状态，并采取相应措施。

其中，信息管理中心服务器上运行管理软件，负责接收汇聚节点通过GPRS网络上传的传感器节点工作状态数据。当上传数据显示有节点工作失常，或者“死亡”时，应能及时采取相应措施。

汇聚节点的处理能力、存储能力和通信能力比较强，它连接传感器网络与外部网络，把收集到的数据转发到外部网络上。它通过CC2420射频模块与传感器节点交换数据，同时通过GPRS模块通过Internet和信息中心交换数据。

汇聚节点的软件主要由看门狗初始化、CC2420初始化和数据传输三部分组成。系统上电完成初始化工作后，微处理器立即进入发送模式，向传感器节点发送同步信标帧和确认帧，然后进入接收模式，按时隙接收不同传感器节点发送过来的数据帧。若接收到实时数据，则通过串行口将该数据传送给GPRS模块，经GPRS网络和Internet网传送给信息中心，也即管理节点。在完成一个周期的处理后，进入下一个周期，不断循环，实现网络的功能。

本发明的传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块组成。传感器模块通常包括传感器和模数转换器ADCs，基于观测的模拟传感器信号通过ADC转换成数字信号，进而送给处理器处理；处理器模块负责控制整个传感器节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线通信模块负责与其他传感器节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；能量供应模块为传感器节点各部分提供运行所需能量，通常采用微型电池，如普通电池和太阳能电池等。大多数传感器网络的路由技术和传感任务需要高精度的定位知识，有时需要传感器节点执行特定任务，通常在传感器节点中包括定位和移动性能，节点中还可能包括定位、功率产生和移动等基于应用的组件。在灌区监测的无线传感器网络中主要由雨量传感器节点和水位\闸位传感器节点组成。

在水位/闸位传感器节点中常用的水位/闸位传感器有光电式编码器、机械式编码器等，采用格雷码、变形码等编码方式，大多采用并行方式输出编码值。微处理器MSP430F149通过内部I/O口读入传感器数据，进行处理后，通过射频模块CC2420发送。同时在测量河流、水库的水位时，由于船的航行等原因，水面会产生波浪，这会使得水位采集产生误差，因此，水位节点必须有消浪的功能。提高数据的准确性。

其中雨量传感器节点的雨量传感器通常采用型翻斗式雨量计，分辨率大多为1毫米。当有降雨时，其内部两个轮流储雨的翻斗带动光电转换器，产生一个通断脉冲信号，即为一个雨量，用微处理器MSP430F149对该脉冲信号进行记录、处理，就可得到实时雨量值，然后通过射频模块CC2420发送。

在雨量采样电路中，有可能产生干扰，可根据当地的最大雨强用定时器来进行消除干扰。电路中采用了RC滤波电路，并将雨量脉冲锁存到锁存中，用查询或中断的方式采集雨量信号。由于发生降雨的总时间不长，节点大部分时间处在掉电工作方式，掉电工作电流仅需18uA，干电池供电可工作很长时间。

本发明的通讯协议采用单覆盖监测WSN的MAC协议-STAR MAC，无线传感器网络中星型结构的汇聚节点和传感器节点之间采用分簇结构，簇首和簇成员之间普遍采用基于TDMA的MAC协议。针对星型结构的STAR-WSN汇聚节点能量不限的特点，STAR-MAC协议是以TDMA的MAC协议为原型的一种改进协议。

在STAR MAC协议中，在无线传感器网络建立和工作时，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络三个步骤，汇聚节点始终处于发送/接收状态的循环，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧对网内节点进行同步并分配时隙，欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。该协议如图2所示。

该无线传感器网络的功能说明图如图3所示。本具体方式中，无线传感器网络设置有1个信息管理中心1、n个汇聚节点2，n为自然数，每个汇聚节点周围部署有传感器节点，包括上游水位传感器节点3，下游传感器节点4，闸位传感器节点5、6以及雨量传感器节点7。传感器节点的传感器模块采集相应的现场信息(如水位，闸位，雨量等)，然后将采集到的信息经过传感器节点的处理器模块进行处理获得有效数据，将有效数据通过传感器节点的无线通信模块发送给无线传感器网络的汇聚节点，汇聚节点的处理器模块将无线接收模块接受的数据进行分析，将其分析结果通过GPRS网络发送给信息管理中心，当接收到的传感器节点工作状态数据显示有节点工作失常，或者“死亡”时，应能及时采取相应措施。该无线传感器网络的通信协议是对基于TDMA的MAC协议进行改进，基本思想为：汇聚节点始终处于发送/接收状态的循环，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧对网内节点进行同步并分配时隙，欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。

本发明的灌区监测无线传感器网络汇聚节点的结构如图4所示，第一电源电路8的输出端分别接串行接口电路9、第一单片机电路10和第一射频电路11的电源输入端，串行接口电路9的信号输出、输入端分别与第一单片机电路10的信号输入、输出端连接，第一单片机电路10的信号输入、输出端分别接第一射频电路11的信号输出、输入端。

本发明的灌区监测无线传感器网络汇聚节点的电路如图5所示，灌区汇聚节点的主控制器采用高性能ARM处理器LM3S6918，其中第一电源电路8的3.3V输出电压对其进行供电，串行接口电路9中的串行口收发器SP3223EEA的输出端R1O与第一单片机电路10的LM3S6918的输入端PD2端口连接，串行电路接口9的串行接口电路中的串行口收发器SP3223EEA的输入端T1I与LM3S6918的输出端PD3端口连接，串行接口电路9的SP3223EEA的R1IN和T1OUT端口与GPRS模块的串口进行连接，第一单片机电路10的LM3S6918的端口PC7、PC6、PC5、PC4、PA3、PA2、PA5、PA4、PB3和PB2分别与第一射频电路11中的射频芯片CC2420的端口FIFO、FIFOP、CCA、SFD、CSN、SCLK、SI、SO、RESETN和VREG_EN连接。第一射频电路11中还包含电容C26，C27，C28，C29，C30组成的滤波电路，电容C34，C35，C36组成的滤波电路，R_BIAS管脚接43K欧姆的电阻，由晶振XTAL_2，电容C43和C44组成的时钟电路，由电感L4，L5，L6和电容C31，C37，C39，C40组成的发送\接收路径与天线连接。

灌区检测的无线传感器网络的汇聚节点模块使用交流电供电，采用高性能的ARM处理器技术，射频技术和无线传感器网络技术。采用高性能的AC/DC变换模块产生工作电源，用串口收发器SP3223EEA构成RS232串口并通过GPRS实现与信息中心的数据交换，射频芯片CC2420通过天线接受传感器节点发送过来的数据，用嵌入式微处理器LM3S6918接收CC2420发送过来的数据，并及时通过RS232串口和GPRS将数据发送出去。

1.灌区水位/闸位、雨量传感器节点

1.1水位/闸位传感器节点：

本发明的水位/闸位传感器节点的结构如图6所示，第二电源电路12的输出端分别接水位/闸位接口电路13、第二单片机电路14和第二射频电路15的电源输入端，水位/闸位接口电路13的信号输出端与第二单片机电路14的信号输入连接，第二单片机电路14的信号输入、输出端分别接第二射频电路电路15的信号输出、输入端。

本发明的水位/闸位传感器节点的电路如图7所示，水位/闸位接口电路13中的水位传感器WATER(X24J19A)的16位并行输出端口P2分别连接第一缓冲器U4(74HC20)和第二缓冲器U3(74HC20)，第一缓冲器U4(74HC20)的输出端1Y1，1Y2，1Y3，1Y4，2Y1，2Y2，2Y3，2Y4与第二单片机电路14的MSP430F149的P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4，P1.5，P1.6，P1.7连接，第二缓冲器U3(74HC20)的输出端1Y1，1Y2，1Y3，1Y4，2Y1，2Y2，2Y3，2Y4与第二单片机电路14的MSP430F149的P6.0，P6.1，P6.2，P6.3，P6.4，P6.5，P6.6，P6.7连接，第二单片机电路14的MSP430F149的端口P2.0、P2.3、P2.1、P2.2、P5.0、P5.3、P5.1、P5.2、P2.5和P2.4分别与第二射频电路15中的射频芯片CC2420的端口FIFO、FIFOP、CCA、SFD、CSN、SCLK、SI、SO、RESETN和VREG_EN连接。第二射频电路15中还包含电容C3，C4，C5，C6，C7组成的滤波电路，电容C11，C12，C13组成的滤波电路，R_BIAS管脚接43K欧姆的电阻，由晶振XTAL_2，电容C21和C20组成的时钟电路，由电感L1，L2，L3和电容C10，C16，C18，C19组成的发送\接收路径与天线连接。

本发明的水位/闸位传感器节点模块使用干电池供电，采用高性能的单片机技术，射频技术和无线传感器网络技术。采用3节5号可充电电池供电，用水位传感器X24J19A连接两片缓冲器74HC20组成水位/闸位接口电路，采用MSP430F149处理器监测，采集和处理水位信号，并将处理后的水位数据输出给射频芯片CC2420，射频芯片通过无线方式将信息发送给汇聚节点。

1.2雨量传感器节点：

本发明的雨量传感器节点的结构如图8所示，第三电源电路电路16的输出端分别接雨量接口电路17、第三单片机电路电路18和第三射频电路电路19的电源输入端，雨量接口电路17的信号输出端与第三单片机电路电路18的信号输入连接，第三单片机电路电路18的信号输入、输出端分别接第三射频电路电路19的信号输出、输入端。

本发明的雨量传感器节点的电路如图9所示，雨量传感器RAIN(DY1090A)与雨量接口电路17中的反相器U12(74HC04)的输入端连接，反相器U12的输出端与锁存器U11(74HC74)的CLK端连接，锁存器U11的CD输入端和/Q输出端与第三单片机电路18中微控制器MSP430F149的P6.0输出端和P6.1输入端口连接，完成对雨量信息的采集，微控制器MSP430F149的端口P2.0、P2.3、P2.1、P2.2、P5.0、P5.3、P5.1、P5.2、P2.5和P2.4分别与第三射频电路19中的射频芯片CC2420的端口FIFO、FIFOF、CCA、SFD、CSN、SCLK、SI、SO、RESETN和VREG_EN连接。射频电路4中还包含电容C53，C54，C55，C56，C57组成的滤波电路，电容C61，C62，C63组成的滤波电路，R_BIAS管脚接43K欧姆的电阻，由晶振XTAL_2，电容C70和C71组成的时钟电路，由电感L7，L8，L9和电容C60，C66，C68，C69组成的发送\接收路径与天线连接。

本发明的水位传感器节点模块使用干电池供电，采用高性能的单片机技术，射频技术和无线传感器网络技术。采用3节5号可充电电池供电，用雨量传感器DY1090A连接反相器和锁存器组成雨量接口电路，采用MSP430F149处理器监测，采集和处理水位信号，并将处理后的雨量数据输出给射频芯片CC2420，射频芯片通过无线方式将信息发送给汇聚节点

2.通讯协议

本发明的通讯协议采用面向单覆盖监测WSN的MAC协议-STARMAC，在无线传感器网络建立和使用过程中，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作(采集信息和通讯)和退出网络三个步骤。

2.1节点的加入

由于STAR-WSN具有可部署性，节点可依次加入网络，汇聚节点广播的信标帧中具有专门的时隙，供新节点的加入使用。

新节点加入网络时，首先接收汇聚节点广播的信标帧，建立同步，然后延迟一定时间，待网络中工作传感器节点发送数据结束后，在剩余时隙向汇聚节点发送请求帧，申请加入网络。汇聚节点接收到新节点的加入申请后，若同意其加入，在发送状态的开始阶段回馈一个确认帧给新节点，同时更新设备地址表和各传感器节点的发送时隙分配。若汇聚节点因系统资源不足或其他原因拒绝其加入，则不作回应，新节点将在下一周期重试申请操作。如果超过一定的重试次数仍未成功，新节点就将转入休眠状态，过一段较长时间后重试。节点加入机制如图10所示。

2.2节点的退出

一定的工作时间之后，传感器节点会因电池能量耗尽而“死亡”，从网络中退出。当某个传感器节点电池电量低于一定值后，用剩余的能量在当前周期向汇聚节点发送一个数据帧，该数据帧包含的信息为电池低电量告警。信息管理中心收到告警信息后，进行相应的处理。下一周期开始时，汇聚节点向低电量节点发送确认帧，同时把该节点从网络设备地址表中删除，并将节点地址回收到可用地址表中，按一定顺序重新排序可用地址表，使得可用地址表的第一个地址一直具有最高优先级。

若某节点发生故障突然“死亡”，来不及向汇聚节点发送警告，则引入超时机制应对此类节点的退出。协议规定，若某节点超过一定周期未将监测数据传送给汇聚节点，汇聚节点就认为此节点可能因故障而“死亡”。汇聚节点在下一周期开始时向该节点发送确认帧，若汇聚节点长时间没有得到该节点的回复，则认定该节点已经“死亡”，同样将故障节点从设备地址表中删除，同时更新全网节点的时隙分配。

2.3粗粒度的时间同步

IMWSN实时性要求不高，不需要代价较高的精确的时间同步，粗粒度的时间同步就能满足应用要求。汇聚节点在发送阶段向全网广播一定数目的信标帧，作为网内各节点时间同步的依据。在汇聚节点发送阶段，等待发送数据的传感器节点可随机接收一帧信标帧，用来建立时间同步。由于各传感器节点在建网初期已经分配好发送时隙，这些节点在进行数据发送准备时只需获得一个依据来确定自己所在的时隙。粗粒度的时间同步如图11所示。

假设汇聚节点发送阶段共向全网广播0～n个信标帧，全网供传感器节点分配的时隙共0～j个。若某一节点用接收到的第i(i＝0，...n)帧信标帧建立自己的时间同步，而该节点的时隙分配为第k(k＝0，...j)个时隙，汇聚节点一个完整的发送/接收周期为T(ms)，那么该节点应在接收完成该信标帧后应延迟：

τ = \frac{n - i + k}{2 n} T (ms)

传统的基于TDMA的通讯协议，在争用周期固定的时隙内向接收节点发送1比特的控制信息，预约时隙；因此，就必须进行精确同步，否则就会因同步误差而无法接收控制信息，降低通讯的可靠性。由于改进协议的汇聚节点每次发送若干个信标帧，而非一个信标帧，传感器节点只要获得其中一个信标帧就可以实现同步，大大提高了数据通讯的可靠性，增强了抗干扰能力。

2.4帧格式

汇聚节点的一个发送/接收周期是从发送一系列的广播帧开始的，这些广播帧为传感器节点提供时间同步的依据。改进的MAC协议中定义了信标帧、确认帧、数据帧三种帧格式，它们都采用固定长度，在帧前面添加包含前导码和同步词汇的同步头就构成物理层数据包。

2.4.1信标帧

在汇聚节点发送阶段，等待发送数据的传感器节点可随机接收一帧信标帧，用来建立时间同步。信标帧的帧格式如下所示：

前导码

同步词汇

帧类型

信标帧序号

信标帧的长度固定为一个字节，帧类型位域中系统设置01b表示信标帧。信标帧序号则用来识别先后发送的不同信标帧，可取范围为0～n，可以支持几十个传感器的同步和数据传输。传感器节点随机接收到一帧信标帧后，提取信标帧序号，根据该序号以及规定的时隙确定延时发送数据来避免数据的碰撞。

2.4.2数据帧

数据帧用于承载数据，汇聚节点处于接收状态时在不同时隙接收来自不同节点的数据帧。

一帧完整的数据帧包括帧类型、数据类型、节点地址和数据。数据帧的结构如下所示：

前导码

同步词汇

帧类型

数据类型

节点地址

数据

IMWSN中的水位、雨量、闸位、土壤含水量等传感器的测量值都可以用两个字节来表示，因此数据帧的长度固定为3个字节。帧类型位域中系统设置10b表示数据帧。数据类型用来表示承载数据的类型，其定义如表1所示：

表1数据类型定义表

数据类型	描述	节点地址
			00b	正常传感器数据帧	节点地址
01b	低电量告警数据帧	节点地址
			10b	申请加入网络数据帧	传感器类型
11b	保留	默认值

2.4.3确认帧

若传感器节点发送的是告警数据帧或申请加入网络帧，那么汇聚节点需要在下一周期开始时做出应答。确认帧的格式如下所示：

前导码

同步词汇

帧类型

应答参数

参数值

一帧完整的确认帧包含了帧类型、应答参数和参数值，其长度为1字节，帧类型位域中系统设置11b表示确认帧。具体定义如表2所示：

表2确认参数定义表

应答参数	描述	参数值
			00b	节点超时	超时节点地址
01b	确认低电量警告	低电量节点地址
			10b	确认申请加入网络	分配新节点地址
11b	保留	默认值

2.5算法实现

汇聚节点正常工作后，进入发送状态，根据传感器节点的数量和状态，广播一定数目的信标帧，对网内传感器节点进行同步并分配时隙；然后切换到接收状态，按时隙接收来自传感器节点发送来的监测数据信息或者请求加入、退出网络的信息。再重复，始终处于发送/接收状态的循环。协议如图12所示：

若传感器节点需要发送监测数据信息或加入、退出网络请求信息时，在其休眠周期结束时立即进入接收状态，接收汇聚节点广播的信标帧；随后切换到发送状态、并根据接收到的信标帧号及本身的属性，进行延时，在相应的时隙发送数据帧，发送完成后再进入休眠状态。

汇聚节点实现协议的伪代码如下：

1、 Enter sending state

2、 If Recive request at last period then

3、 Assign address for new node

4、 Give a reply

5、 End If

6、 If One faulting happen in the net then

7、 Transport data to information center

8、 Give a reply

9、 End If

10、 While number of broadcasting frames＜n+1 do

11、 Broadcast to the net

12、 End While

13、 Enter reciving state

14、 While number of time cracks＜n+1 do

15、 Recive datas

16、 End While

17、 If need transport datas by GPRS or by RS485 then

18、 Transport data

19、 End If

20、 Return

传感器节点实现协议的伪代码如下：

1、 Enter reciving state

2、 Recive a broadcasting frame

3、 Wait a period of time and then wait a period of random time

4、 Enter sending state and transport request to sink

5、 Enter Low-power consumption state

6、 Enter reciving state

7、 If receive a reply then

8、 Record address and time crack

9、 If have new datas to transport then

10、 Enter reciving state

11、 Recive a broadcasting frame

12、 Wait a period of time

13、 Enter sending state and transport datas to sink

14、 End If

15、 Enter Low-power consumption state

16、 End If

17、 Else if

18、 Enter Low-power consumption state

19、 End If

20、 Return

2.6算法分析与仿真

2.6.1算法分析

IMWSN中汇聚节点能量不限，在数据传送过程中节点能耗即是通讯能耗。根据能量模型，将改进协议中传感器节点的能耗与BMA协议、R-MAC协议的能耗作一个比较。

假设网内传感器节点与汇聚节点间的距离为d米。改进协议中信标帧长度为1个字节，数据帧长度为3个字节。为了有可比性，其他三种协议同步帧长度为1个字节，数据帧长度也为3个字节。四种协议帧都要加上前导码及同步词汇，一共6个字节。根据能量模型接收和发送数据能耗公式：

发送每比特能耗：

e_{tr} = \frac{E_{st}}{1} + e_{te} + e_{ta} d^{β};

接收每比特能耗：

e_{re} = \frac{E_{sr}}{1} + e_{rx} .

每发送l比特数据节点能耗：E_tr＝E_st+le_te+le_tad^β；

每接收l比特数据节点能耗：E_re＝E_sr+le_rx。

E_st和E_sr分别是发送启动能量和接收启动能量，l是所要发送数据的长度e_te是发送一位数据发送电路的能量消耗，e_ta是成功发送一位数据通过一米距离的能耗，e_rx表示接收一位数据的能耗，d是发送端到接收端的距离，β是路径损耗常数，它与传输环境有关。

对于改进的协议，由于传感器节点进行同步时可能处于前一个信标帧快结束、后一个信标帧之前，因此节点接收的信标帧长应为一帧到两帧之间，一帧信标帧长度为56bit，取其平均值，节点一次接收的平均帧长度为84bit，这样可计算出该协议周期T内单个传感器节点的能耗由以下两部分组成：

(1)接收信标帧的能耗：E_re＝E_sr+84e_rx；

(2)发送数据帧的能耗：E_tr＝E_st+72e_te+72e_tad^β。

总能耗：E_new＝E_re+E_tr＝E_sr+84e_rx+E_st+72e_te+72e_tad^β。 (4-1)

对于BMA协议，一个周期内传感器节点传送数据的能耗由三部分组成：

(1)申请时隙的能耗：E_request＝E_st+49e_te+49e_tad^β；

(2)接收同步帧能耗：E_re＝E_sr+56e_rx；

(3)发送数据帧能耗：E_tr＝E_st+72e_te+72e_tad^β。

总能耗：E_BMA＝E_request+E_re+E_tr＝2E_st+121e_te+121e_tad^β+E_sr+56e_rx (4-2)

将式(4-2)和式(4-1)进行比较，很显然改进协议的总能耗小于BMA协议的总能耗。

对于R-MAC协议，传感器节点也采用兴趣分组预约时隙，其长度为4个比特。该协议中传感器节点能耗为：

(1)申请时隙的能耗：E_request＝E_st+52e_te+52e_tad^β；

(2)接收同步帧能耗：E_re＝E_sr+56e_rx；

(3)发送数据帧能耗：E_tr＝E_st+72e_te+72e_tad^β。

总能耗：E_R-MAC＝E_request+E_re+E_tr＝2E_st+124e_te+124e_tad^β+E_sr+56e_rx (4-4)

用(4-3)式减去(4-2)式，可得ΔE＝3e_te+3e_tad^β，即BMA协议传感器节点比R-MAC协议少消耗3e_te+3e_tad^β的能量。

用(4-2)式减去(4-1)式，可得ΔE＝E_st+49e_te+49e_tad^β-28e_rx (4-5)

因为每比特的接收能耗e_rx一般低于每比特的发送能耗e_te，故式(4-5)符号为正，即BMA协议中传感器节点能耗高于改进协议，改进的基于TDMA的STAR-MAC协议降低了传感器节点的能耗。

2.6.2算法仿真

用仿真软件NS2来进一步验证，改进协议降低传感器节点能耗情况。在仿真环境中，节点可设置成发送、接收和休眠三种状态，它们的能量消耗分别为发送功率为20mw、接收功率为15mw、睡眠功率为15uw。一个汇聚节点覆盖100m*100m的范围，如干传感器节点随机地分布在这个区域内。由仿真软件设定传感器节点的各种帧长度也由仿真软件设定。假设收发装置在打开电源进入接收或发送状态需要0.7ms，在接收和发送状态之间的转换时间是0.3ms。

实验中将BMA协议、R-MAC协议和改进的STAR-MAC协议进行仿真对比，不同数据流下各协议的平均能量损耗如图13所示。

仿真中的能量损耗跟据传感器节点的无线收发器分别处于接收、发送、睡眠状态的时间计算得出。

通过图13可以发现，改进的STAR-MAC协议能耗较少，比BMA协议和R-MAC协议都要少。BMA协议的能耗少于R-MAC协议，但还是明显大于STAR-MAC协议。仿真表明，无论何种情况下，改进的MAC协议节省能耗的效果都比较明显

2.7通信协议实验结果分析

在传感器节点和汇聚节点完成设计后，对该协议通信进行了可靠性测试，分别测试了一对一和五对一情况下的平均数据丢包率。

首先，用一个传感器节点和一个汇聚节点实现点对点的通讯，传感器节点发送3000个数据包，根据汇聚节点实际接收到的数据包数，得到数据丢包率数据，具体测试数据如表3所示：

表3点对点测试

数据包发送	数据包接收	丢包率(‰)
			3000	2991	3.0
3000	2987	4.3
			3000	2994	2.0
3000	2991	2.0
			3000	2990	3.3

用五个传感器节点和一个汇聚节点实现多点对一点的通讯，每个传感器节点同样发送3000个数据包，根据汇聚节点接收到的实际数据包数，得到每个传感器节点数据丢包率数据，具体测试数据如表4所示：

表4五点对一点测试

单个节点与中心节点通信时，没有其它节点的干扰，主要受定时器定时精度、硬件元器件的性能以及同步词汇的长度等因素的影响，所以数据包的丢失率比较低，基本保持在0.5％以下；多个传感器节点与一个汇聚节点通信时，还存在不同节点间的串扰，使得数据丢包率略微下降，但仍能保持在1％以内，能够满足通信的要求。

Claims

1.一种灌区监测无线传感器网络，其特征在于所述无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围、以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点，传感器节点分为水位传感器节点，闸位传感器节点和雨量传感器节点，传感器节点负责采集现场信息并进行处理获得有效数据，再将有效数据通过无线通信方式发送给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络和外部网络，对传感器节点发送来的数据进行分析，并将分析结果通过GPRS网络发送给信息管理中心；信息管理中心根据接收到的数据判断传感器节点的工作状态，并采取相应措施。

2.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于汇聚节点由第一电源电路（8）、串行接口电路（9）、第一单片机电路（10）和第一射频电路（11）组成；第一电源电路（8）的电源输出端分别接串行接口电路（9）、第一单片机电路（10）和第一射频电路（11）的电源输入端；串行接口电路（9）的信号输入、输出端分别接第一单片机电路（10）的信号输出、输入端；第一单片机电路（10）的信号输入、输出端分别接第一射频电路（11）的信号输出、输入端。

3.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于水位/闸位传感器节点由第二电源电路（12）、水位/闸位接口电路（13）、第二单片机电路（14）和第二射频电路（15）组成；第二电源电路（12）的电源输出端分别接接口电路（13）、第二单片机电路（14）和第二射频电路（15）的电源输入端；接口电路（13）的信号输出端接第二单片机电路（14）的信号输入端；第二单片机电路（14）的信号输入、输出端分别接第二射频电路（15）的信号输出、输入端。

4.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于雨量传感器节点由第三电源电路（16）、雨量接口电路（17）、第三单片机电路（18）和第三射频电路（19）组成，第三电源电路（16）的电源输出端分别接雨量接口电路（17）、第三单片机电路（18）和第三射频电路（15）的电源输入端；雨量接口电路（17）的信号输出端接第三单片机电路（18）的信号输入端，第三单片机电路（18）的信号输入、输出端分别接第三射频电路（18）的信号输出、输入端。

5.一种基于权利要求1所述无线传感器网络的通讯协议，其特征在于采用面向单覆盖WSN监测应用的MAC协议—STAR MAC，在无线传感器网络建立和使用过程中，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络三个步骤，汇聚节点始终处于发送/接收的循环工作状态，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧，对网内节点进行时间同步并分配时隙；欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步并延时，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。

6.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：新传感器节点加入网络时，首先接收汇聚节点广播的信标帧，建立同步，然后延迟一定时间，待网络中工作传感器节点发送数据结束后，在剩余时隙向汇聚节点发送请求帧，申请加入网络；汇聚节点接收到新节点的加入申请后，若同意其加入，在发送状态的开始阶段回馈一个确认帧给新节点，同时更新设备地址表和各传感器节点的发送时隙分配，若汇聚节点拒绝其加入，则不作回应，新节点将在下一周期重试申请操作，如果超过一定的重试次数仍未成功，新节点就将转入休眠状态，过一段较长时间后重试。

7.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于传感器节点因电池能量耗尽而退出网络的方法是：当传感器节点电池电量低于一定值后，用剩余的能量在当前周期向汇聚节点发送一个数据帧，该数据帧包含的信息为电池低电量告警，信息管理中心收到告警信息后，进行相应的处理，下一周期开始时，汇聚节点向低电量节点发送确认帧，同时把该节点从网络设备地址表中删除，并将节点地址回收到可用地址表中，按一定顺序重新排序可用地址表，使得可用地址表的第一个地址一直具有最高优先级。

8.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：若传感器节点发生故障突然“死亡”，来不及向汇聚节点发送警告，则引入超时机制退出，若某节点超过一定周期未将监测数据传送给汇聚节点，汇聚节点就认为此节点可能因故障而“死亡”，汇聚节点在下一周期开始时向该节点发送确认帧，若汇聚节点长时间没有得到该节点的回复，则认定该节点已经“死亡”，将故障节点从网络设备地址表中删除，同时更新全网节点的时隙分配。

9.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：所述时间同步采用粗粒度的时间同步，汇聚节点在发送阶段向全网广播一定数目的信标帧，作为网内各节点时间同步的依据，等待发送数据的传感器节点随机接收一帧信标帧，用来建立时间同步。

10.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：所述通讯协议定义了信标帧、确认帧、数据帧三种帧格式，它们采用固定长度，在帧前面添加包含前导码和同步词汇的同步头就构成物理层数据包。