CN102547916A - 基于时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无线传感网络领域的基于时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，该方法同时使用了时分复用和频分复用两种通信方式，弥补了传统无线传感器网络通信速率过低、节点数目较少和数据传输可靠性低等缺点。本发明设计了具备两个频点通信的无线传感器网络接收节点，一个频点用作信令通信，另一个用作数据通信；无线传感器节点首先与无线传感器网络接收节点的信令频点建立联系、分配时隙，再跳频到指定的数据频点进行时分复用的无线通信。无线传感器网络接收节点最终将数据发送至远程服务器。本发明的无线传感网络具有可靠性高、加入时间短、网络速率快、容纳节点多的特点，发明适用于对数据传输可靠性或速率要求较高的无线传感器网络。

Description

基于时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法

技术领域

本发明涉及一种时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，属于信息技术中的无线传感器网络协议技术领域。 

背景技术

无线传感器网络是指大量无线传感器节点通过无线通信的方式组成的信息传播网络，在军事、工业、交通、安全、医疗、家庭和办公环境等众多场合有着非常广泛的应用，是当前国内外研究和应用的热点技术之一，也是物联网应用的核心技术之一。 

随着物联网应用的普及，针对无线传感器网络组网方法和协议不断涌现，比如：目前广泛使用的IEEE 802.15.4和Zigbee协议，该协议将节点分为了协调器、路由器和传感器三种类型，其中协调器和路由器功耗较大，都需要持续电源供电。数据通过多跳方式路由至协调器。该协议适合数据量较小、时间延时要求不严格和抗干扰性要求小的环境下使用，比如智能家庭中的电器开关控制。中国专利申请号为CN200710065720.6的文件中公开了一种增大无线传感器网络监测范围的方法，该发明在IEEE 802.15.4和Zigbee协议基础上，针对数据密度低、监控面积大的场合改进其网络拓扑结构。仅在多条网格线中的一条上布置全功能节点和部分功能节点达到扩增网络的监控范围。但其仅扩展了网络的覆盖范围，随着范围增大数据速率和可靠性将进一步降低，延时更长。中国专利申请号为CN 200810105863.X公开了一种基于网格分簇的机会路由方法。使用网格式分簇方法和机会路由算法，使传感器网络在节能的前提下达到数据吞吐 量的优化。但是其方法实现的前提是要求每一个传感器节点知道自己的网络结构和物理位置，比如使用GPS定位坐标。而在现实中满足这个条件的环境并不多见，实用性不强。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法及其应用系统，实现较大数据速率、较大覆盖范围的实时可靠、无碰撞传输和传感器节点的移动切换。 

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

待拷贝权利要求 

由于采用了以上的技术方案，本发明具有如下优点： 

(1)本发明的无线传感器网络接收节点采用双天线和双频点，将设备的加入或切换过程与通信过程从时域上和频域上分开，无线传感器节点首先在默认的公共信令频点和接收节点进行通信，选择范围内通信效果最好的接收节点申请加入，在获得申请的情况下跳频至数据频点。这样设计好处在于无线传感器节点在任一时刻醒来或者有突发信息需要发送时都有一个特定的频点快速响应，无线传感器节点可以以最快的方式加入到某一个双天线的接收节点中，降低了网络的整体功耗，提高了数据传输效率。 

(2)本发明由于无线传感器网络接收节点采用了双天线和双频点，使得处于正常通信过程中的无线传感器如果发生意外或者由于移动原因脱离了通信中的某个接收节点，其可以很快调频到公共的信令频点再次选择一个此刻对此节 点而言最适合的接收节点快速加入。从而实现了网络恢复和移动节点的切换功能。由于加入时间短，较小数据量和数据产生间隔较长的无线传感器节点在发送完一次数据后可以完全脱离网络进入深度休眠，直到下一次有数据传输时醒来加入网络，避免网络维护开销，节省能耗。 

(3)本发明的无线传感器网络接收节点通过自动排除其周围其他接收节点数据频点，并挑选的自身数据频点。在同一空间区域可能出现信号重叠的两个接收节点，其数据频点都是不同的。因此无线电波在空中由于采用了频分复用，对于同时处于通信状态的相邻几个接收节点而言，其通信过程从物理上完全独立，互不干扰，整体上扩大了无线传感器网络的通信带宽和数据速率。 

(4)本发明的接收节点在数据频点中采用时分复用的通信方式，所有加入此接收节点的无线传感器节点都与接收节点时间同步，并采用带有优先级的时间轮转片通信方式：每一无线传感器节点都有一个特定的设备速率字段，接收节点根据加入的无线传感器节点数量和每个无线传感器节点速率字段分配时间片的长度。无线传感器节点在接收节点的统一调度下无碰撞的通信，从而保证了数据的延时可控性和带宽可靠性。 

(5)本发明无线传感器网络接收节点在数据频点的选择上采用了避让算法，接收节点在选择数据频点的时候首先通过信令频点询问通信范围内的其他接节点各自的数据频点。此接节点选择与这些数据频点频域上距离加权最远的数据频点作为自身数据频点。当在一段时间内通信失败次数达到一定门限时，接收节点认为此数据频点可能存在外接干扰，将避开已选择的数据频点重新选择适合的数据频点。 

(6)无线传感器网络接收节点同时也为现有通信方式的接入网关，负责将无线传感器网络传输来的数据发送到传统的以太网或者无线通信网络中，通过 TCP/IP封装，与远程服务器实现交互。 

附图说明

图1为本发明系统组成结构的整体示意图； 

图2为本发明无线传感器节点功能结构框图； 

图3为本发明无线传感器网络接收节点功能结构框图； 

图4为本发明无线传感器节点工作流程示意图； 

图5为本发明无线传感器网络接收节点工作流程示意图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明包括三个主要部分：无线传感器节点、双天线无线传感器网络接收节点和远程数据库服务器端，无线传感器节点与无线传感器网络接收节点之间采用无线传感器网络(WSN，Wireless Sensor Network)连接，接收节点与远程服务器端之间通过Internet或3G手机网络连接，接收节点和远程服务器为通用的TCP/IP协议连接。 

其中，远程服务器端主要负责收集和汇总双天线无线传感器网络接收节点接收到的传感器数据，并整理存入数据库，提供数据查询接口，互联网上的用户可以通过数据查询接口访问服务器的数据库。 

无线传感器节点，指采集数据并发送至接收节点的通信设备。如图2所示，图中显示了无线传感器节点设备的内部结构，每个无线传感器节点包含数据接口、基于片上系统(SoC，System on a Chip)技术的超低功耗低成本集成化的SoC处理器、拥有较大容量的信息存储监测模块、无线数据传输模块、含有电源并向各模块进行供电的电源监测模块。传感器节点通过数据接口获得需要传 输的数据，并将获得的数据存储在信息存储模块中。SoC处理器检测到信息存储模块中有需要传输的数据，唤醒无线数据传输模块，首先跳到信令频点搜索节点周围能够通信的无线传感器网络接收节点，并对信号质量和通信成功率进行评估，加入通信效果最好的接收节点并传输数据。电源检测模块在SoC的控制下打开或者关闭无线数据传输模块的电源，当数据传输完成，并且一定时间内没有新的数据产生时，电源监控模块将无线传输模块电源关闭，达到节省能耗的目的。 

双天无线传感器网络接收节点，如图3所示，主要包括工作在两个不同频点的无线数据接收模块1和无线数据接收模块2、基于SoC技术的功率效能比较高的SoC处理器(ARM系列)、较大规模的存储模块和以太网络或者3G网络接入模块，各模块均连接在SoC处理器相应的引脚。双天无线传感器网络接收节点主要负责数据实现无线传感器网络的调度和无线传感器网络数据向TCP/IP协议的转换。接收节点首先与附近的其他接收节点在信令频点通信，确定自己的数据频点。等待无线传感器节点通过信令频点加入，接着通过数据频点与传感器节点进行时分复用的调度通信，实现数据交换，并将每个与之相连接的无线传感器节点数据存储在较大容量的存储模块中。最后无线传感器网络接收节点通过以太网络或者3G网络接入模块与远程服务器建立连接，将存储在存储模块中的传感器数据转换为TCP/IP格式数据包发送到远程服务器。当远程服务器需要传输数据给某一个无线传感器节点时，数据首先存储在节点加入的无线传感器网络接收节点，并在无线传感器节点的通信时隙交换给此无线传感器节点。同时双天线接收节点负责维护无线传感器网络的时隙分配，负责定期检查选择的数据频点是否受到干扰，若频点收到干扰，双天线接收节点将重新选择适合的数据频点。 

图4为本发明无线传感器节点工作流程图，无线传感器节点负责将需要传输的数据通过无线数据传输模块有序的无碰撞的发送到接收节点。其工作步骤如下： 

步骤401，无线传感器节点处于休眠状态并等待时间点开始，SoC处理器在大多数运行时间中，都运行在低功耗的休眠模式下。通过控制程序软件，设定SoC处理器的触发条件，当触发成功之后，用户终端的集成的电路进入活跃状态； 

步骤402，无线传感器节点生成需要数据，SoC处理器根据本次触发所对应的条件，采集到需要发送的数据，可以由传感器节点自身产生数据，也可以由集成电路通信接口收集其他电路产生的发送数据，将数据采集后保存在存储器中； 

步骤403，与步骤402相同接收通过数据接口传送的数据； 

步骤404，无线传感器节点检查存储器中是否有需要发送的数据，若有数据需要发送则开始无线传感器网络通信步骤405，若没有，则回到休眠状态，即步骤401，等待下一次触发条件； 

步骤405，打开无线模块的供电电源，并初始化无线模块硬件设备； 

步骤406，将无线模块的通信频点设置到信令频点，开始搜索通信范围内的无线传感器网络接收节点，若搜索成功，进入步骤407，若搜索失败，则循环搜索接收节点，当搜索失败次数达到一定数量，则跳转步骤401； 

步骤407，步骤406搜索成功后，无线传感器节点对搜索到的所有接收节点其信号质量和通信成功情况进行排序，选择一个通信质量最可靠的接收节点申请加入，进入步骤408； 

步骤408，无线传感器节点首先在信令频点申请加入通信质量最可靠的接收 节点，收到此接收节点反馈后设置通信频点为此接收节点的数据频点，进入步骤409； 

步骤409，无线传感器节点在新设置的数据频点等待接收节点为自己分配的通信时隙到达，若通信时隙到达，则转入410； 

步骤410，无线传感器网络节点与接收节点在指定的时隙进行通信，当时隙用完或者数据交互完成时，转入步骤411； 

步骤411，判断是否存储区域内还有数据发送，若有数据发送，则回到步骤409等待下一次时隙分配的到来，若存储区域内已经没有数据需要发送，则转入步骤412； 

步骤412，无线传感器节点进入低功耗状态，等待下一次数据传输流程的开始，此步骤等同于步骤401。 

图5为本发明双天线无线传感器网络接收节点工作流程图，双天线无线传感器网络接收节点负责组织无线传感器节点、构建无碰撞的无线传感器网络，并将接收到的交互信息发送到指定的远程服务器。其工作步骤如下： 

步骤501：双天线的接收节点开始运行程序，并初始化两个天线模块和时钟模块，转入步骤502； 

步骤502：双天线接收节点设置第一个无线模块的频点为信令频点，负责新的模块接入与和其他接收节点信息交互； 

步骤503：双天线接收节点通过信令频点搜索通信半径范围内的其他接收节点，并得到其他接收节点的数据频点信息； 

步骤504：双天线接收节点在获取其通信半径范围内的其他接收节点数据频点信息之后，选择与其他接收节点数据频点相异度较大频点，作为自身数据频点，并用广播方式在信令频点告知其他接节点，设置第二个通信模块为挑选的 数据频点，并转入步骤505； 

步骤505：双天线接收节点通过运行的操作系统建立两个分支任务，两个任务同时运行，一个负责管理公共信令频点，包括节点搜索和加入，另一个负责数据频点的通信维护； 

步骤506：此步骤为步骤505建立的公共信令频点管理任务，主要负责管理双天线接收节点的公共信令频点无线模块； 

步骤507：接收节点在信令频点上搜索是否有无线传感器节点申请加入，如果有节点申请加入，转入步骤508，否则持续在信令频点上进行搜索； 

步骤508：接收节点将自己的数据频点信息发送至需要加入的无线传感器节点，告知其在什么时间什么数据频点进行通信，同时任务一通过操作系统间的消息机制告诉任务二有节点加入，转入步骤507，继续在信令频点搜寻需要加入的无线传感器节点； 

步骤509：此步骤与步骤506并列，为步骤505通过操作系统建立的数据频点管理任务，其设置无线传感器网络接收节点无线模块二为数据频点后转入步骤510； 

步骤510：无线传感器网络接收节点的数据频点管理任务统计目前已经通过信令频点管理任务成功申请加入的无线传感器节点数目，并转入步骤511； 

步骤511：无线传感器网络接收节点通过步骤510统计到的成功申请加入的传感器节点数目和每个传感器节点的数据量大小标识，确定分配给每一个加入的无线传感器节点的时间片大小，并转入步骤512； 

步骤512：无线传感器网络接收节点检查每一个加入的无线传感器节点是否进入了通信的时间范畴，如果没有传感器节点需要通信，则继续等待，否则转入步骤513； 

步骤513：无线传感器网络接收节点在某一个传感器节点的时间片内唤醒此传感器节点，如果此无线传感器节点无响应，则进入步骤514，如果节点成功被唤醒进入步骤516； 

步骤514：无线传感器网络接收节点认为某一个未被唤醒的节点脱离网络，则在已加入的无线传感器节点列表中删除此节点，并转入步骤515； 

步骤515：由于删除了无线传感器节点，无线传感器网络接收节点的加入节点列表有更新，所以需要重新计算每一个存在的节点的通信时间片长度，计算完成后回到步骤512等待； 

步骤516：通信时间片到达的无线传感器节点成功被唤醒后，无线传感器网络接收节点告诉此无线传感器节点其本次通信的时间片长度和下一次需要等待被唤醒的时间，转入步骤517； 

步骤517：在此步骤内，被唤醒的无线传感器网络节点和接收节点之间建立可靠连接，并以最大速率交换需要传输的信息； 

步骤518：无线传感器网络接收节点判定与此被唤醒的无线传感器节点通信时间片是否用尽，或者需要传输的数据是否已经传输完成，如果条件满足，则进入步骤519，否则回到步骤517继续传输数据； 

步骤519：无线传感器网络接收节点将与无线传感器节点交互的数据通过以太网或者3G手机网络发送至远程服务器，完成一个无线传感器节点数据交互过程，并回到步骤512等待下一时间片的到达。 

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种时分复用多频点覆盖无线传感器网络组网方法，其特征在于，无线传感器网络接收节点采用了双天线双频点技术，可以同时侦听两个无线频点。

2.根据权利要求1所述的时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，其特征在于，无线传感器网络接收节点具有一个信令频点和一个特定的数据频点，传感器节点在已知的信令频点申请加入，切换到特定的数据频点进行数据通信。

3.根据权利要求1所述的时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络接收节点，在其数据频点采用时分复用的通信方式与所有加入本接收节点的无线传感器节点进行通信。

4.根据权利要求1所述的时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，其特征在于，所述无线传感器网络接收节点，能够在信令频点与其他接收节点进行交互，从而选择在本区域内唯一的数据频点，保证数据通信过程中对其他接收节点无信道干扰。

5.一种时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，其无线传感器网络中无线传感器节点设计为低功耗单天线节点，具有通信频点自动选择功能。

6.根据权利要求5所述的时分复用多频点覆盖无线传感器网络组网方法，其特征在于：无线传感器节点加入和通信步骤为：

a)在已知的信令频点广播节点信息；

b)收到多个无线传感器网络接收节点在信令频点的回复；

c)选择信号质量和通信可靠度最高的接收节点申请加入；

d)申请加入的接收节点发送时隙信息和特定数据频点；

e)无线传感器节点切换到数据频点，并睡眠等待自己的通信时隙；

f)通信时隙到达，无线传感器节点和接收节点开始通信。

7.根据权利要求1、2、3、4、5、6所述的时分复用多频点覆盖无线传感器网络实现方法，其特征在于，具有双频点的无线传感器接收节点通过现有的各种网络方式，如以太网或者手机网络，将数据可靠传出至远程服务器。

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