CN102647472B - 一种无线传感器网络的组网方法及其系统 - Google Patents

一种无线传感器网络的组网方法及其系统 Download PDF

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Abstract

本发明无线传感器网络的组网方法通过上位机触发集中器或簇头节点发送广播消息,并根据应答消息完成逐级组网。其中综合考虑了无线传感器网络节点的跳数、位置信息、剩余能量和外界环境等多个因素,通过等效距离来选举簇头节点和叶节点,并采用经典的二叉树结构来组网,更加科学的分配簇头节点和叶节点,有效地增大了单个节点能量的利用率,使节点可以保证在3年甚至更长时间内稳定工作,避免了整个网络因部分节点的过早失效而瘫痪。本发明的无线传感器网络系统上位机结构简单,配置方法灵活,开发者不需要深入了解无线协议,只需要在上位机上对无线传感器网络节点进行相应的网络配置便可以完成网络的构建与应用,组网方便灵活。

Description

一种无线传感器网络的组网方法及其系统
技术领域
[0001] 本发明属于无线传感器网络技术领域,具体涉及一种基于等效距离和二叉树的超低功耗无线传感器网络的组网方法及其系统。
背景技术
[0002] 无线通信技术、计算机技术和半导体技术的进步以及融合,推动了多功能、低功耗传感器应用的快速发展,使其能够在极为有限的体积内集成诸如感知及采集、数据的处理融合、无线通信和组网管理、极低功耗的实现等多项功能。因此,无线传感器网络具有广阔的应用前景,在军事国防、工农业、城市管理、家居管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的使用价值,已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视,被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。
[0003] 所谓无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的传感器节点组成,它们以自组织多跳方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者。这些传感器节点体积小,成本低,功耗小,计算能力弱,由电池供电,而且部署区域环境复杂,有些区域甚至人员不能到达,以到不能频繁地更换电池或是不可更换电池,所以对于整个网络来说,有可能因为部分节点的过早失效而面临瘫痪的境地。为此,如何减少节点的能量消耗来延长网络的生命周期,成为无线传感器网络设计中的一个重要目标。
[0004] 目前多种新的无线中短距离通信网络技术方兴未艾,如WiF1、Bluetooth、Zigbee等无线技术。其中尤其是Zigbee技术的发展,其技术标准是在2002年被提出,并不断被更新和完善,获得了广泛的支持。ZigBee作为一种新兴的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准,在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需很少的能量,以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器,所以它们的通信效率非常高。
[0005] 但是,Zigbee技术作为一种标准协议,有其一套完整的过于复杂的机制,要求开发者需要对整个协议堆栈的流程和各种状态进行深入的了解,挑战这些难点,所付出的代价将是巨大的。同时由于其标准性,为了确保其产品的兼容性,ZigBee需要具有能够让所有参与方满意并确保其能够互通作业的附加功能,这就增大了协议规模、降低了效率,最终增加了功耗,所以Zigbee有关功耗的问题,还是有待提闻的。除此以处,Zigbee网络的路由节点不能采用电池供电,并且其成本也没有达到预期的低成本。
[0006] 综上所述,如何提高无线传感器网络节点能量的利用率,延长网络的生命周期,使整个网络可以在3年,甚至是更长的时间内依然稳定地运行,仍然是无线传感器网络设计所要面临的一个难题。同时,无线传感器网络分布广,数量多,环境复杂,组网复杂成本高也是要解决的一个问题。
发明内容[0007] 本发明的目的是通过基于等效距离的无线传感器网络组网方法,实现快速的组网,同时提高无线传感器网络节点能量的利用率。
[0008] 一种无线传感器网络的组网方法,所述无线传感器网络包括上位机,集中器节点和分布在网络中的至少一个无线传感器网络节点,所述集中器节点与各无线传感器网络节点用于通信的通道总数均为N个,两个节点间进行通信的通道须配置相同的通道ID,包括以下步骤:
[0009] 步骤1、初始化,上位机建立位置信息数据库,上位机配置并开启集中器节点,设置共享通道,其他所有无线传感器网络节点设置后台扫描通道,所述后台扫描通道的通道ID设置为通配符,可以扫描接收任何通道发送的消息;
[0010] 步骤2、上位机触发集中器节点通过共享通道广播分组消息,各无线传感器网络节点通过后台扫描通道接收广播分组消息,并根据广播分组消息设置一应答通道与集中器节点共享通道建立通信,返回应答消息,集中器节点将应答消息传送到上位机,上位机根据应答消息,构建包括集中器节点,簇头节点和叶节点的一级网络;
[0011] 步骤3、判断是否所有无线传感器网络节点都组网完成,如果是则结束,否则进入下一步骤;
[0012] 步骤4、上位机触发上一步骤建立的各簇头节点构建下级网络,然后返回步骤3。
[0013] 进一步地,所述初始化还包括,将无线传感器网络节点跳数h均设为0,设定能量阀值。
[0014] 进一步地,所述分组消息包括通道ID、跳数h = O、分组标记,所述通道ID为共享通道的通道ID。
[0015] 进一步地,所述应答消息包括地址Addr、剩余电量Er、跳数h。
[0016] 进一步地,所述步骤2还包括步骤:
[0017] 步骤2.1、接收到广播分组消息的无线传感器网络节点根据分组标记判断接收到的消息是分组消息后,将消息中携带的跳数加I存储为本地跳数,即存储跳数h = h+Ι,且根据分组消息中的通道ID配置应答通道与集中器节点共享通道相连,然后回传应答消息,集中器节点将收到的应答消息发送给上位机;
[0018] 步骤2.2、上位机根据应答消息中的节点地址Addr,从位置信息数据库中检索出各个节点的位置坐标,并计算出这些节点的中心位置,然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的M个节点作为簇头节点,其中M不大于N,所述接收到广播消息的其余无线传感器网络节点作为叶节点,选取离其距离较近的簇头节点作为父节
占.[0019] 步骤2.3、上位机为集中器节点及选举出的每个簇头节点和叶节点生成配置信息,并将配置信息发送给其对应节点;然后上位机触发集中器节点关闭共享通道,根据配置信息中分配好的通道ID配置M个通道与M个簇头节点对应;而各个簇头节点和叶节点收到对应消息后,关闭其后台扫描通道及应答通道,再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道,其中簇头节点配置上传通道直接与集中器节点通信,并保留X个通道作为构建下级网络用,X大于等于1,但小于N,其余通道配置为与叶节点通信;叶节点则配置上传通道与对应的簇头节点通信,集中器节点通过串行口与上位机通信;对应通信的通道,通道ID相同。[0020] 进一步地,除了已经组网的无线传感器网络节点外,其他无线传感器网络节点仍然是初始化状态,称上一步骤选举出的簇头节点为上级簇头节点,其他未组网的无线传感器网络节点为下级无线传感器网络节点,所述步骤4包括步骤:
[0021] 步骤4.1、上位机触发上级簇头节点设置保留的通道之一为共享通道,广播分组消息;
[0022] 步骤4.2、接收到广播分组消息的下级无线传感器网络节点将消息中携带的跳数加I存储为本地跳数,即存储跳数h = h+Ι,且根据分组消息中的通道ID配置一应答通道与上级簇头节点共享通道相连,然后通过上级簇头节点回传应答消息给上位机;若上级簇头节点没有收到任何应答消息,则该上级簇头节点发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点;
[0023] 步骤4.3、上位机暂存各个下级无线传感器网络节点的应答消息,并标记其在上级簇头节点的通信范围之内;然后遍历每一个上级簇头节点,重复上述步骤4.1,4.2,直至所有上级簇头节点都广播了分组消息,上位机接收应答消息完毕为止;
[0024] 步骤4.4、如果下级无线传感器网络节点在2个以上上级簇头节点的通信范围之内,则上位机重新标记该下级无线传感器网络节点在距离自己等效距离比较近的上级簇头节点的通信范围之内;
[0025] 步骤4.5、针对上级簇头节点的下级无线传感器网络节点集,上位机根据节点集中的各个下级无线传感器网络节点地址Addr,从位置信息数据库中检索出各个下级无线传感器网络节点的位置坐标,并计算出这些节点的的中心位置;然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的Y个节点作为下级簇头节点,且Y不大于X ;所述接收到广播消息的其余下级无线传感器网络节点作为下级叶节点,选取离其距离较近的下级簇头节点作为父节点;
[0026] 步骤4.6、上位机为上级簇头节点及选举出的下级簇头节点和下级叶节点生成配置信息,并将配置信息发送给其对应节点;然后上位机触发上级簇头节点关闭共享通道,根据配置信息中分配好的通道ID配置Y个保留通道为下传通道与下级簇头节点通信;而各个下级簇头节点和下级叶节点收到对应消息后,关闭其后台扫描通道及应答通道,再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道,其中下级簇头节点配置上传通道与上级簇头节点通信,并保留X个通道作为构建下级网络用,其余通道配置为与下级叶节点通信;下级叶节点则配置上传通道与对应的下级簇头节点通信;对应通信的通道,通道ID相同。
[0027] 进一步地,所述的等效距离为实际空间距离与阻挡物折算距离及余量折算距离之和,所述步骤3还包括步骤:组网结束后根据等效距离为各无线传感器网络节点选择满足通信的较低发射功率进行通信。
[0028] 进一步地,所述无线传感器网络节点设置有应答等待时间,若上级簇头节点广播分组消息后,在应答等待时间内没有收到任何应答消息,则该上级簇头节点发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点。
[0029] 进一步地,当同一级的所有簇头节点都为边界节点,则表示所有无线传感器网络节点组网完成。
[0030] 本发明还公开了一种无线传感器网络系统,包括上位机,集中器节点和分布在网络中的多个无线传感器网络节点,所述集中器节点与各无线传感器网络节点包括微处理器模块、电源模块、无线通信模块,所述无线传感器网络节点还包括数据采集模块,所述电源模块设置有电源能量检测模块,用于检测电源能量;所述上位机包括位置信息数据库,控制单元,判断单元,选举单元和配置单元,其中所述位置信息数据库用于通过图纸信息,自动提取无线传感器网络节点的空间位置信息;所述控制单元用于控制集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点发布广播分组消息,并在收到应答消息后,触发集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点关闭共享通道,将各无线传感器网络节点配置信息下发到各自对应的无线传感器网络节点;所述选举单元用于根据应答消息选举簇头节点和叶节点;所述配置单元用于生成各无线传感器网络节点配置信息。
[0031] 本发明无线传感器网络的组网方法通过上位机触发发送广播消息,并根据应答消息逐级组网,提高了组网的速度,避免了复杂的组网工作量,降低了作业成本;同时综合考虑了无线传感器网络节点的跳数、位置信息、剩余能量和外界环境等多个因素,通过等效距离来选举簇头节点和叶节点,更加科学的分配簇头节点和叶节点,有效地增大了单个节点能量的利用率,使节点可以保证在3年甚至更长时间内稳定工作,避免了整个网络因部分节点的过早失效而瘫痪。
[0032] 本发明在分簇算法基础上引入等效距离和经典的二叉树结构,应用于分簇路由和数据传输的过程中,从而在节点能耗进一步降低的情况下,提高了数据路由查询节点的速度,保证了数据传输的高效性和可靠性。
[0033] 基于等效距离,在组网完成后,根据网络节点间的等效距离,选择较低的发射功率进行通信,避免了发射功率的浪费,对节约能耗具有很大的帮助。
[0034] 在簇头节点发布广播消息后,约定一个等待时间,若超过等待时间还未收到应答消息,则该上级簇头节点发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点。可以快速有效判断组网是否完毕,节省簇头节点的功耗,快速完成组网。
[0035] 同时本发明采用的硬件功耗极低,平均功耗可达IOuA左右,休眠时甚至可低于
0.5uA ;电源模块能够上报电源剩余能量信息,在组网中可以选择满足能量阀值要求的网络节点作为簇头节点,有利于组网的稳定性,也便于网络维护。
[0036] 本发明的上位机结构简单,配置方法灵活,开发者不需要深入了解无线协议,只需要在上位机上对无线传感器网络节点进行相应的网络配置便可以完成网络的构建与应用,组网方便灵活。
附图说明
[0037] 图1为无线传感器网络节点结构示意图;
[0038] 图2为微处理器Msp430FG479与无线射频收发器nRF24AP2异步串行接口示意图;
[0039] 图3为本发明无线传感器网络组网方法流程图;
[0040] 图4为本发明一级网络组网流程图;
[0041] 图5为本发明逐级网络组网流程图;
[0042] 图6为本发明等效距离示意图;
[0043] 图7为本发明无线网络二叉树组网结构示意图。具体实施方式
[0044] 下面结合附图和实施例对本发明技术方案做进一步详细说明,以下实施例不构成对本发明的限定。
[0045] 本发明以一个上位机,一个集中器节点和分布在网络中的若干无线传感器网络节点为例来阐述组网方法,所述的上位机可以是一台PC机,上位机设置有位置信息数据库,其中,位置信息数据库是通过DWG图纸信息自动提取技术捕获的无线传感器网络节点的空间位置信息。
[0046] 如图1所示,本发明采用的集中器和无线传感器网络节点都是由微处理器模块、数据采集模块、电源模块、无线通信模块组成,其中集中器可以不包括数据采集模块。
[0047] 数据采集模块采用了超声波传感器TCF1M-21T/R1,其中心频率为1M,与微处理器模块、供电模块分别相连,其根据微处理器指令或者自行周期性地实时采集监测区域的信息,并将采集数据实时上传给微处理器;
[0048] 供电模块采用一节3.6V干电池,与微处理器模块、数据采集模块、无线通信模块相连,其用于给各个模块提供能量,保证各模块的正常工作;且其包括一供电能量检测模块,用于定时地向微处理器报告剩余能量信息,实现簇头选举的均匀性,延长无线网络的生命周期。
[0049] 无线通信模块采用无线射频收发器nRF24AP2,与微处理器模块、供电模块相连,其发射模块用于将微处理器提供的数据通过无线通道发射给其他通信节点;其接收模块实时接收其他节点发送的数据,并及时地通知微处理器进行数据处理;且无线通信模块是由无线网络无线射频收发器HRF24AP2芯片组成,其通过同步或异步串行接口甚至可以采用I/O口来实现与微处理器的连接。
[0050] 微处理器模块采用单片机Msp430FG479,与数据采集模块、供电模块、无线通信模块相连,其实现各个模块之间的协调工作,并对相应的实时数据进行处理,进而根据各个模块的工作情况,调整各模块处于活动或是空闲休眠状态,实现系统的节能,提高供电能量的利用率。
[0051] 如图2所示,我们选择了具有超低功耗微特点的单片机Msp430FG479来作为系统的微处理器,选择了无线射频收发器HRF24AP2无线通信模块收发器。图2所描述的则是单片机Msp430FG479与无线射频收发器nRF24AP2间的异步串行接口:
[0052] 无线射频收发器nRF24AP2输入引脚P0RTSEL为低电平,用于选择通信模式为异步模式;
[0053] 无线射频收发器nRF24AP2输入引脚BRl、BR2、BR3高低电平8种组合,用于选择单片机Msp430FG479与无线射频收发器nRF24AP2的异步串行通信的速率;
[0054] Msp430FG479的P2.1引脚与无线射频收发器nRF24AP2的SLEEP引脚相连,用于实现微处理器实时地控制无线射频收发器nRF24AP2进入休眠的低功耗状态或是唤醒无线射频收发器nRF24AP2 ;
[0055] Msp430FG479的Ρ2.2引脚与无线射频收发器nRF24AP2的/SUSPEND引脚相连,用于实现微处理器实时地控制无线射频收发器nRF24AP2进入掉电状态,以使系统节能;
[0056] Msp430FG479的Pl.1引脚与无线射频收发器nRF24AP2的RTS引脚相连,用于实现异步通信时的流控制,即只有当无线射频收发器nRF24AP2将RTS拉低时,Msp430FG479才可以发送数据到无线射频收发器HRF24AP2 ;但需要注意的是从无线射频收发器nRF24AP2到Msp430FG479的数据发送没有流控制信号,所以Msp430FG479必须确保在任何时候都可接收来自无线射频收发器nRF24AP2的数据;
[0057] Msp430FG479 的 UCA0RXD、UCA0TXD 引脚分别与无线射频收发器 nRF24AP2 的 UART_TX、UART_RX引脚相连,用于实现两者之间的通信数据传输。
[0058] 上述无线传感器网络节点通信模块发射功率都只有4个级别:0dBm、-5dBm、-10dBm、-20dBm,所有无线传感器网络节点最多只能开通N = 8个独立通道,分别为通道0,通道1,…通道7,每个通道设置有通道ID。每个无线传感器可以设置各个通道的工作频率,对应进行通信的通道必须采用相同的工作频率,且通道ID相同。为方便起见,本实施例集中器,无线传感器网络节点采用相同的工作频率工作,本技术领域技术人员容易想到的是,采用不同频率进行组网,只要对应的通道配置为相同频率也是可以实现的。
[0059] 具体地在本实施例中,一般将通道O配置为上传通道,通道I与通道2作为下传通道;当作为簇头节点发送广播分组消息时,通道I设置为共享通道。
[0060] 如图3所示,在由上述上位机,集中器节点和无线传感器网络节点组成的网络组网方法,具体包括以下步骤:
[0061] 步骤301、初始化,上位机建立位置信息数据库,上位机配置并开启集中器节点,设置共享通道,其他所有无线传感器网络节点设置后台扫描通道。
[0062] 具体地,集中器节点设置通道I为共享信道,假设配置的通道ID为IDl ;其他无线传感器网络节点设置通道I为后台扫描通道,通道ID设置为通配符0,扫描接收其他无线传感器网络节点的任何通道的消息。
[0063] 步骤302、上位机触发集中器节点通过共享通道广播分组消息,各无线传感器网络节点通过扫描通道接收广播分组消息,并设置应答通道与集中器节点共享通道建立通信,返回应答消息,集中器节点将应答消息传送到上位机,上位机根据应答消息,构建包括集中器节点,簇头节点和叶节点的一级网络。
[0064] 具体地,接收到广播分组消息的无线传感器网络节点设置通道O为应答通道,设置其通道ID为ID1,从而建立与集中器节点共享通道的通信。
[0065] 步骤303、判断是否所有无线传感器网络节点都组网完成,如果未完成,则进入步骤304,如果全部无线传感器网络节点都组网完成,则进入步骤305,组网完毕。
[0066] 步骤304、上位机触发上一步骤建立的各簇头节点构建下级网络;返回步骤303。
[0067] 步骤305、所有无线传感器网络节点组网完毕。
[0068] 其中初始化阶段,上位机通过RS232串口与集中器节点相连,然后上位机配置并开启集中器节点通道I为共享通道;其他所有无线传感器网络节点初始化如下:
[0069] 配置并开启通道I为低优先级后台扫描通道,且各个节点的跳数h均设为O。初始化各无线传感器网络节点的通道I配置通道ID为通配符0,可以扫描接收其他无线传感器网络节点的任何通道的消息。
[0070] 本实施例构建一级网络具体流程如图4所示,具体包括步骤:
[0071] 步骤401、上位机触发集 中器节点以最高功率(OdBm)广播分组消息,消息内容包括通道ID、跳数h = O、分组标记;其中包含的通道ID为共享通道的通道ID,即IDl。[0072] 步骤402、接收到广播分组消息的无线传感器网络节点根据分组标记判断接收到的消息是分组消息后,存储跳数h = h+Ι,且根据分组消息中的通道ID配置通道O的通道ID为ID1,从而与集中器节点通道I进行通信,回传应答消息,应答消息内容包括该节点的地址Addr、剩余电量Er、跳数h ;集中器节点再通过RS232串口将收到的应答消息发送给上位机;这样接收到广播分组消息的无线传感器网络节点都上报本节点的地址Addr、剩余电量Er、跳数h的信息到上位机,构成一个网络节点集G。
[0073] 步骤403、上位机根据应答消息中的节点地址Addr,从位置信息数据库中检索出网络节点集G中各个节点的位置坐标,并计算出这些节点的中心位置O;然后选取各节点到中心位置O等效距离d最近且剩余能量Er >= Eu (Eu为能量阀值)的M个节点作为簇头节点,且M < =无线传感器网络节点通道数N;其余节点作为叶节点,选取离其距离较近的簇头节点作为父节点。其中能量阀值为自定义的阀值,一般设置为最大能量的80%,设置一定的能量阀值可以保证作为簇头节点的网络节点具有一定的稳定性。
[0074] 这样就通过等效距离的计算,将网络节点集G中的所有网络节点都分为簇头节点和叶节点,各网络节点都能通过通道O与集中器通信。
[0075] 步骤404、根据上述步骤的簇头选举结果,上位机为集中器节点及上述每个簇头节点和叶节点生成配置信息,配置信息包括各节点的配置规则,即各节点通道及其对应通道ID信息;并将配置信息通过步骤402建立的通道发送给其对应节点;然后上位机触发集中器节点关闭通道1,集中器配置所有的通道为普通通道,根据分配好的通道ID配置各个的通道;而各个网络节点集G中的网络节点收到对应消息后,关闭其通道I及通道0,再根据消息中的配置信息重新配置并开启各自通道。
[0076] 其中簇头节点配置通道O为上传通道,与集中器对应的通道通信;保留X个通道,本实施例为保留通道I和通道2两个通道作为构建下级网络预留通道,其他通道作为普通通道与叶节点通信。叶节点配置通道O为上传通道,与簇头节点的对应通道进行通信。
[0077] 这里根据所要建立网络树的结构,簇头节点保留2个通道时,可以用于构建基于二叉树的网络结构,当然也可以预留3个通道用于构建三叉树的网络结构,本实施例采用二叉树为例来进行说明。这样每个簇头节点最多可以连接5个叶节点。
[0078] 至此,集中器节点、簇头节点及其叶节点形成一级网络,并且可以正常通信,即一级簇头直接与集中器节点通信,叶节点则通过各自对应的一级簇头节点与集中器节点通信,而集中器节点与上位机串口通信。
[0079] 除了一级网络中的所有节点外,其他无线传感器网络节点仍然是配置并开启通道1,处于低优先级后台扫描状态。为了描述方便,规定刚刚构建好的网络为上级网络,欲要构建的网络为其下级网络。若判断网络中还有无线传感器网络节点未完成组网,则继续进行下级网络的构建,如图5所示,包括步骤:
[0080] 步骤501、上位机触发上级簇头节点j配置并开启通道I为共享通道,以最高功率(OdBm)广播分组消息,消息内容包括通道ID、跳数h、分组标记;可见j不大于M,为上级簇头节点之一。
[0081] 步骤502、若在一定At时间内,如果下级无线传感器网络节点都不能接收到广播分组消息,即上级簇头节点j没有收到任何回传应答消息,则该上级簇头节点j发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点j为边界节点。[0082] 否则,接收到广播分组消息的下级无线传感器网络节点存储跳数h = h+Ι,且根据分组消息中的通道ID配置通道O与上级簇头节点共享通道相连,然后通过上级簇头节点回传应答消息给上位机,消息内容包括下级节点的地址Addr、剩余电量Er、跳数h ;这样上级簇头节点j的下级网络节点集Gj收集完毕。
[0083] 步骤503、上位机暂存下级网络节点集Gj的应答消息,并标记其在上级簇头节点j的通信范围之内;然后变换上级簇头节点,重复上述步骤501,502,直至上级所有簇头节点都广播了分组消息,上位机接收应答消息完毕为止;
[0084] 步骤504、如果所标记的下级网络节点在2个以上(包括2个)上级簇头节点的通信范围之内,则上位机处重新标记该下级节点在距离自己等效距离比较近的上级簇头节点的通信范围之内,至此所有的上级簇头节点拥有了互不相同的下级网络节点集,完成簇区域的划分; [0085] 步骤505、针对上级簇头节点的下级网络节点集Gj,上位机根据节点集Gj中的各个下级节点地址Addr,从位置信息数据库中检索出各个下级网络节点的位置坐标,并计算出这些节点的的中心位置O ;然后选取各节点到中心位置等效距离d最近且剩余能量Er >=Eu(Eu为能量阀值)的Y个网络节点作为下级簇头节点,且Y <= X ;其余下级网络节点集Gj中网络节点作为下级叶节点,选取离其距离较近的下级簇头节点作为父节点。
[0086] 遍历所有下级网络节点集,为每一个下级网络节点集选取下级簇头节点及下级叶节点。具体地,本实施例中选定的下级簇头节点数为2。
[0087] 步骤506、根据上述步骤选举的下级簇头节点结果,上位机为每个下级簇头节点和下级叶节点生成配置信息,并将配置信息发送给其对应网络节点;然后上位机触发上级簇头节点关闭通道I后,配置通道I为左下传通道,通道2为右下传通道;而下级网络中的下级网络节点收到对应消息后,关闭其通道I及通道0,再根据消息中的通道ID重新配置并开启各自通道。
[0088] 其中下级簇头节点配置通道O为上传通道,与上级簇头节点通信,保留通道I和通道2作为构建下级网络预留通道,其他通道作为普通通道与叶节点通信。叶节点配置通道O为上传通道,与簇头节点的对应通道进行通信。
[0089] 若所有上级簇头节点都被标记为边界节点,则判断所有无线传感器网络节点都组网完毕,组网完毕。否则重复步骤304,完成网络组网。通过查询位置信息库也可以确认是否所有无线传感器网络节点都组网完毕。
[0090] 在上述网络组网步骤中采用的等效距离计算方法如图6所示,其中:
[0091] 电波传播损耗与工作频率以及距离的关系如下:
[0092] Pt-Pr-Loss = 32.44+201gd+201gf (I)
[0093] 其中:Pt为发射功率,单位dB ;Pr为接收灵敏度,单位dB ;Loss为周围环境所造成的损耗,单位dB ;d为等效距离,单位m ;f为工作频率,单位MHz。
[0094] 室外大气、雨雾和室内地板、隔墙、门等环境对无线电波有吸收与阻挡作用,通常根据不同的结构和材质来考虑,可以假定大气、遮挡等造成的损耗为10dB,则通过公式
(I),令Pt、Pr为0,Loss为10dB,即可以折算出此损耗的等效距离dl ;
[0095] 周围环境无线电波也会对通信距离产生影响,所以为了保证通信的可靠性,在距离计算时预留IOdB左右的余量,同理可以计算出此余量折算过后的等效距离d2 ;[0096] 两节点的等效距离d等于实际距离d0与上述折算出来的等效距离之和,即d =
d0+dl+d2ο
[0097] 除此之外,在等效距离的引入后,网络可以在保证节点之间可靠通信的前提下,根据等效距离合理地选择较低的发射功率,进一步减小节点能量消耗,提高节点能量的利用率。所述合理的较低的发射功率是指只须选择满足两个网络节点间通信的发射功率即可,避免采用过大的发射功率造成网络节点能耗的浪费。
[0098] 本实施例完成组网后的网络如图7所示,在上述网络构建步骤中引入了经典的二叉树算法,此无线传感器网络节点包括集中器节点、各级簇头节点(head)、叶节点,它们之间的连接与通道配置具体如下:
[0099] (a)在集中器节点最多开通8个独立通道,分别与最多8个一级簇头节点相连;
[0100] (b)所有簇头节点之间的相连通信采用二叉树结构,即:一级簇头节点最多与2个二级簇头节点相连通信,二级簇头节点最多与2个三级簇头相连通信,依此类推;
[0101] (C)所有的无线传感器网络节点通道配置都遵循如下规则:通道O为上传通道,与上级簇头相通;通道I为左下传通道,与二叉树结构中左边的下级簇头相通;通道2为右下传通道,与二叉树结构中右边的下级簇头相通;其他通道为普通通道,与叶节点相通。
[0102] (d)每个簇头节点最多带有5个叶节点。
[0103] 本发明同时公开了一种无线传感器网络系统,包括上位机,集中器节点和分布在网络中的多个无线传感器网络节点,所述集中器节点与各无线传感器网络节点包括微处理器模块、电源模块、无线通信模块,所述无线传感器网络节点还包括数据采集模块,所述电源模块设置有电源能量检测模块,用于检测电源能量;所述上位机包括位置信息数据库,控制单元,判断单元,选举单元和配置单元。
[0104] 其中所述位置信息数据库用于通过图纸信息,自动提取无线传感器网络节点的空间位置信息;所述控制单元用于控制集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点发布广播分组消息,并在收到应答消息后,触发集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点关闭共享通道,将各无线传感器网络节点配置信息下发到各自对应的无线传感器网络节点;所述选举单元用于根据应答消息选举簇头节点和叶节点;所述配置单元用于生成各无线传感器网络节点配置信息。
[0105] 以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的一般技术人员来说,本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种无线传感器网络的组网方法,所述无线传感器网络包括上位机,集中器节点和分布在网络中的至少一个无线传感器网络节点,所述集中器节点与各无线传感器网络节点用于通信的通道总数均为N个,两个节点间进行通信的通道须配置相同的通道ID,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1、初始化,上位机建立位置信息数据库,上位机配置并开启集中器节点,设置共享通道,其他所有无线传感器网络节点设置后台扫描通道,所述后台扫描通道的通道ID设置为通配符,可以扫描接收任何通道发送的消息; 步骤2、上位机触发集中器节点通过共享通道广播分组消息,各无线传感器网络节点通过后台扫描通道接收广播分组消息,并根据广播分组消息设置一应答通道与集中器节点共享通道建立通信,返回应答消息,集中器节点将应答消息传送到上位机,上位机根据应答消息,构建包括集中器节点,簇头节点和叶节点的一级网络; 所述步骤2还包括步骤: 步骤2.1、接收到广播分组消息的无线传感器网络节点根据分组标记判断接收到的消息是分组消息后,将消息中携带的跳数加I存储为本地跳数,且根据分组消息中的通道ID配置应答通道与集中器节点共享通道相连,然后回传应答消息,集中器节点将收到的应答消息发送给上位机; 步骤2.2、上位机根据应答消息中的节点地址,从位置信息数据库中检索出各个节点的位置坐标,并计算出这些节点的中心位置,然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的M个节点作为簇头节点,其中M不大于N,所述接收到广播消息的其余无线传感器网络节点作为叶节点,选取离其距离较近的簇头节点作为父节点; 步骤2.3、上位机为集中器节点及选举出的每个簇头节点和叶节点生成配置信息,并将配置信息发送给其对应节点;然后上 位机触发集中器节点关闭共享通道,根据配置信息中分配好的通道ID配置M个通道与M个簇头节点对应;而各个簇头节点和叶节点收到对应消息后,关闭其后台扫描通道及应答通道,再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道,其中簇头节点配置上传通道直接与集中器节点通信,并保留X个通道作为构建下级网络用,X大于等于1,但小于N,其余通道配置为与叶节点通信;叶节点则配置上传通道与对应的簇头节点通信,集中器节点通过串行口与上位机通信;对应通信的通道,通道ID相同; 步骤3、上位机判断是否所有无线传感器网络节点都组网完成,如果是则结束,否则进入下一步骤; 步骤4、上位机触发上一步骤建立的各簇头节点构建下级网络,然后返回步骤3 ; 除了已经组网的无线传感器网络节点外,其他无线传感器网络节点仍然是初始化状态,称上一步骤选举出的簇头节点为上级簇头节点,其他未组网的无线传感器网络节点为下级无线传感器网络节点,所述步骤4包括步骤: 步骤4.1、上位机触发上级簇头节点设置保留的通道之一为共享通道,广播分组消息; 步骤4.2、接收到广播分组消息的下级无线传感器网络节点将消息中携带的跳数加I存储为本地跳数,且根据分组消息中的通道ID配置一应答通道与上级簇头节点共享通道相连,然后通过上级簇头节点回传应答消息给上位机;若上级簇头节点没有收到任何应答消息,则该上级簇头节点发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点; 步骤4.3、上位机暂存各个下级无线传感器网络节点的应答消息,并标记其在上级簇头节点的通信范围之内;然后遍历每一个上级簇头节点,重复上述步骤4.1,4.2,直至所有上级簇头节点都广播了分组消息,上位机接收应答消息完毕为止; 步骤4.4、如果下级无线传感器网络节点在2个以上上级簇头节点的通信范围之内,则上位机重新标记该下级无线传感器网络节点在距离自己等效距离比较近的上级簇头节点的通信范围之内; 步骤4.5、针对上级簇头节点的下级无线传感器网络节点集,上位机根据节点集中的各个下级无线传感器网络节点地址,从位置信息数据库中检索出各个下级无线传感器网络节点的位置坐标,并计算出这些节点的中心位置;然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的Y个节点作为下级簇头节点,且Y不大于X ;所述接收到广播消息的其余下级无线传感器网络节点作为下级叶节点,选取离其距离较近的下级簇头节点作为父节点; 步骤4.6、上位机为上级簇头节点及选举出的下级簇头节点和下级叶节点生成配置信息,并将配置信息发送给其对应节点;然后上位机触发上级簇头节点关闭共享通道,根据配置信息中分配好的通道ID配置Y个保留通道为下传通道与下级簇头节点通信;而各个下级簇头节点和下级叶节点收到对应消息后,关闭其后台扫描通道及应答通道,再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道,其中下级簇头节点配置上传通道与上级簇头节点通信,并保留X个通道作为构建下级网络用,其余通道配置为与下级叶节点通信;下级叶节点则配置上传通道与对应的下级簇头节点通信;对应通信的通道,通道ID相同; 所述的等效距离为实 际空间距离与阻挡物折算距离及余量折算距离之和,所述步骤3还包括步骤:组网结束后根据等效距离为各无线传感器网络节点选择满足通信的较低发射功率进行通信。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的组网方法,其特征在于,所述初始化还包括,将无线传感器网络节点跳数均设为O,设定能量阀值。
3.根据权利要求2所述的无线传感器网络的组网方法,其特征在于,所述分组消息包括通道ID、跳数、分组标记,所述通道ID为共享通道的通道ID。
4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的组网方法,其特征在于,所述应答消息包括地址、剩余电量、跳数。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的组网方法,其特征在于,所述无线传感器网络节点设置有应答等待时间,若上级簇头节点广播分组消息后,在应答等待时间内没有收到任何应答消息,则该上级簇头节点发送消息给上位机,表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点。
6.根据权利要求5所述的无线传感器网络的组网方法,其特征在于,当同一级的所有簇头节点都为边界节点,则表示所有无线传感器网络节点组网完成。
7.一种无线传感器网络系统,包括上位机,集中器节点和分布在网络中的多个无线传感器网络节点,所述集中器节点与各无线传感器网络节点包括微处理器模块、电源模块、无线通信模块,所述无线传感器网络节点还包括数据采集模块,其特征在于: 所述电源模块设置有电源能量检测模块,用于检测电源能量;所述上位机包括位置信息数据库,控制单元,判断单元,选举单元和配置单元,其中所述位置信息数据库用于通过图纸信息,自动提取无线传感器网络节点的空间位置信息;所述控制单元用于控制集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点发布广播分组消息,并在收到应答消息后,触发集中器和选举为簇头节点的无线传感器网络节点关闭共享通道,将各无线传感器网络节点配置信息下发到各自对应的无线传感器网络节点;所述选举单元用于根据应 答消息选举簇头节点和叶节点;所述配置单元用于生成各无线传感器网络节点配置信息。
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