CN102457902A

CN102457902A - 一种无线传感器网络

Info

Publication number: CN102457902A
Application number: CN2010105095743A
Authority: CN
Inventors: 何兵
Original assignee: SHANGHAI FULAI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: SHANGHAI FULAI INFORMATION TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2010-10-18
Filing date: 2010-10-18
Publication date: 2012-05-16

Abstract

本发明提出了一种无线传感器网络，包括无线传感器网络的节点结构和通信协议，它能够在低速率的、节点密集的无线传感网络中有效地缓解无线冲突、节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中影响更为显著，能极大的降低系统的能量消耗。本发明的无线传感器的节点结构，包括节点主板、电池和发送模块，其特征是，节点中还包含RFID模块，该RFID模块为一半有源RFID标签结构，包括天线、射频前端、控制器、存储器和系统激活单元。

Description

一种无线传感器网络

技术领域：

本发明属于无线传感器网络领域，具体涉及一种无线传感器网络的节点结构及通讯协议。

背景技术：

无线传感器网络(英文Wireless Sensor Networks，简称WSN)是一种全新的信息获取平台，能够实时监测和采集网络分布区域内的各种检测对象的信息，并将这些信息发送到网关节点，以实现复杂的指定范围内目标检测与跟踪，具有快速展开、抗毁性强等特点，有着广阔的应用前景。

无线传感器网络基于微机电系统(英文Micro-Electro-Mechanism System，简称MEMS)、片上系统(英文System on Chip，简称SOC)、无线通信和低功耗嵌入式技术，并以其低功耗、低成本、分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革。无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络。

无线传感器网络具有众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。基于MEMS的微传感技术和无线联网技术为无线传感器网络赋予了广阔的应用前景。这些潜在的应用领域可以归纳为：军事、航空、反恐、防爆、救灾、环境、医疗、保健、家居、工业、商业等领域。

无线传感器网络多采用五层协议标准：应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。其中数据链路层是被研究最多的一层，多媒体研究接入控制，原因在于无线传感器携带能量的局限性。媒体访问控制(英文Media Access Control，简称MAC)是数据链路层的底级组成部分，它定义在局域网上用载波监听多路访问冲突检测和在令牌环局域网上如何共享访问传输介质，是其中的一项重要协议。

传感器网络研究的核心之一是功耗管理，射频模块是节点中最大的耗能模块，是优化的最主要的目标，MAC协议直接控制射频模块，对节点的耗能有极大的影响。

目前无线传感器网络采用的底层通信协议，特别是MAC协议都是沿袭因特网及IEEE802.11协议的扩展技术。在这些通信协议中，仍然采用传统的载波侦听和基于随机退避机制的冲突避免方法作为底层的信道管理机制，而能量有效性则依赖于节点间协同的睡眠/唤醒机制。因此，除节点间的同步开销外，将节点间的通信限制在狭窄的通信窗口内不可避免的会增加冲突概率和无关的数据侦听。因此在低速率的、节点密集的无线传感器网络中采用这种传统技术并不能有效的缓解无线冲突、节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中，这种影响更为显著，从而进一步增加了系统的能量消耗。

发明内容：

为了解决上述无线传感器网络技术的不足，本发明提出了一种无线传感器网络，包括无线传感器网络的节点结构和通信协议，它能够在低速率的、节点密集的无线传感网络中有效地缓解无线冲突、节省能量，尤其在大规模的无线传感器网络中影响更为显著，能极大的降低系统的能量消耗。

本发明的无线传感器的节点结构，包括节点主板、电池和发送模块，其特征是，节点中还包含RFID模块，该RFID模块为一半有源RFID标签结构，包括天线、射频前端、控制器、存储器和系统激活单元。

在上述节点结构的基础之上，本发明提供了一种无线传感器网络的通讯协议，该MAC协议采用非传统的交错的唤醒机制IWS，采用数据包交错的，逐跳的转发模式。该机制的主要思想是：让节点更频繁的唤醒来缓解基站周围的拥塞状况，且利用频谱空间的交替使用以降低冲突概率。每个节点从一个时间周期中随机选择一个时间点作为初始唤醒点，然后进行周期性的调度。交错的唤醒机制IWS只有相邻的一组节点才共享一个时间周期。该机制的具体内容为：将一个唤醒-催眠周期设置为Tc，ui表示传感器节点u到基站的跳数为I；为了计算节点与基站的距离(跳数)i，基站可以通过在网络的初始化阶段发送一个广播数据包，携带一个计算距离的字段，初始值设定为0，每被中转节点转发一次，该字段加1，直到遍历整个网络

将路由上的所有节点分成不同的虚拟组，每个组包含G个节点。在单个组中，根据该节点到sink点的跳数，每个节点会被赋值一个不同但连续的唤醒时间窗口Tr/G，在时间段Tr/G内均匀随机的选择一个唤醒时间点，进行唤醒和数据发送。传输路径后面的其他分组则采用相同的调度方法。IWS利用频谱空间的复用，及G的大小所控制的唤醒频率来降低冲突概率。

附图说明：

图1为本发明所述一种无线传感器网络的节点结构示意图；

图2为本发明所述一种无线传感器网络的节点的一个实施例的示意图。

图中10.电池，20.RFID模块，21.天线，22.射频前端，23.控制器，24.存储器，25.系统激活单元，30.传感模块，40.节点主板，41.节点内存，42.节点CPU，50.发送模块。

具体实施方式：

下面结合附图来对本发明做进一步的说明。

图1中，无线传感器网络节点由电池(10)，RFID模块(20)，传感模块(30)，节点主板(40)，发送模块(50)组成，其中RFID模块(20)由天线(21)，射频前端(22)，控制器(23)，存储器(24)，系统激活单元(25)组成，节点主板(40)由节点内存(41)，节点CPU(42)组成。节点一般情况下处于休眠状态，当节点感应到外界的射频信号时，系统激活单元(25)在电池(10)的支持下激活RFID模块(20)，RFID模块(20)接收信息，传送至节点主板(40)，节点CPU(42)、节点内存(41)处理来自RFID模块(20)和传感模块(30)的信息，并将处理信息通过发送模块(50)发送出去。

图2所示的实施例中，节点CPU选择了Atmegal 128L型芯片，发送模块为CC1110芯片，工作中，RFID模块接收信号传输到Atmegal 128L芯片的MISO接口，经该芯片处理后，将处理信息由MOSI接口输出并由CC1110芯片发送出去。该选择具有高度集成、低功耗、处理速度快、稳定可靠等优点，是较理想的选择。

Claims

1.一种无线传感器网络，包括传感器节点及通讯协议，其特征是，所述传感器节点包括电池，半有源RFID模块，传感模块，节点主板和输出模块，所述通讯协议中媒体访问控制协议采用交错的唤醒机制。

2.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络，其特征是，所述半有源RFID模块包括天线，射频前端，控制器，存储器和系统激活单元。

3.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络，其特征是，所述节点主板包括节点CPU和节点内存。

4.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络，其特征是，所述媒体访问控制协议的主要思想是：让节点更频繁的唤醒来缓解基站周围的拥塞状况，且利用频谱空间的交替使用以降低冲突概率。每个节点从一个时间周期中随机选择一个时间点作为初始唤醒点，然后进行周期性的调度。

5.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络，其特征是，所述节点主板为Atmegal 128L型芯片。

6.根据权利要求1所述的一种无线传感器网络，其特征是，所述输出模块为CC1110型芯片。