CN102769894A - 一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法 - Google Patents

一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法 Download PDF

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付敬奇
徐利明
靳上
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Abstract

本发明公开一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法，实现节点对通信信道及网关对象的最优化选择。其具体的内容包括：（1）构建一个多网关，多节点的无线传感器网络。（2）网络初次建立阶段，多网关之间通过扫频对各个网络信道质量进行总体评估。（3）根据各个信道的质量评估结果网关划分频率集，选择合适的信道作为自身的工作信道及缺省信道。（4）节点入网阶段在缺省信道上和不同网关进行通信，通过判别自身和不同网关在缺省信道上的通信质量，选择最优通信质量的网关作为自己的管理者，实现节点的自适应入网。本发明可以提高无线传感器网络节点入网的灵活性及准确性，提高接入网节点的自适应能力。

Description

一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法
技术领域
本发明涉及嵌入式技术，网络控制技术，分布式技术，无线通信技术等多种现代先进技术，特别涉及到了一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法，包括网络组建过程，实现了节点对信道及网关的优化选择，为无线传感器网络提高后续网络正常工作的可靠性打下坚实基础。
背景技术
       无线传感器网络已经得到了广泛应用。随着网关，节点的不断增加，网络规模也随之越来越大。由于每个网关的覆盖范围都是有限的，因此常常使用增加网关数量的办法来实现网络的高覆盖率，同时为了使得网关的网络覆盖信号不会产生盲区，多个网关安装部署的时候，往往会有一小块区域出现网关覆盖重叠的现象，即节点加入任何一个在该区域内有覆盖信号的网关都是可行的。对于网关单覆盖区域出现的节点要想入网比较简单。由于只有一个网关，只需直接搜索在该区域内出现的网关信号，便可直接入网。对于网关覆盖区域重叠的地方，节点入网相对复杂，不仅需要合理的评判各个网关与自身的通信质量，还需要综合考虑节点功耗，及各个网关的网络负载等多方面的问题。因此，合理选择网关，对于节点的寿命，及该节点发送数据可靠性都有着至关重要的影响。
此外，由于整个无线传感器网络网关及节点众多，又存在网关覆盖重叠现象，当传感器网络进行正常工作的时候，如果所有的节点及网关都采用的是同一个无线信道，就会产生网络数据碰撞，信道拥堵，数据重发等现象，产生这种现象会大大的增加节点及网关的网络开销，不仅数据传输可靠性低，整个网络的生存周期也会受到很大影响。为了避免产生上述现象，可以采用网关与网关之间的信道相互错开的方法，而本身对于2.4Ghz加载IEEE802.15.4协议的无线传感器网络只有有限的16个网络信道。因此必须采用跳频的方式，保证相邻的网关，在自身簇内进行正常数据收发时不处于同一个信道上，降低网络数据碰撞，提高可靠性。另外，当簇内所有的节点都进入休眠期时，所有的网关都跳转到缺省信道上，发布网络建立帧，使得新加入的节点能够自适应的选择最优的网关，实现整个网线传感器网络性能的优化。
目前，在国内专利检索中，在无线传感器网络在网络组建方面也有相关专利，上海交通大学的孔令和与2010年8月31日申请的“无线传感器网络快速组网方法”，通过先验估计在节点布撒前预估簇头节点数量，布撒后各簇头立刻开始并行组成一跳分簇的网络并行融合成整个网络，从快速响应方面，探讨了无线传感器网络的组网。毛宏伟与2008年3月14日申请的“一种无线传感器网络、建立方法及通信方法”，根据网络结构变化、业务应用数据传输需求变化、网络管理命令变化、调整网络节点通讯调度的建立无线传感器网络。
本发明公开一种无线多网关的无线传感器网络的节点自适应入网机制，有别于上述专利的节点入网机制，提出无线传感器网络的建立期间，网关合理选择缺省信道及工作信道，及节点优化选择网关管理者。实现整个无线传感器网络性能的优化。
发明内容
       本发明目的在于正对现有的技术不足，提供一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法，当多网关覆盖到同一个区域时，节点的加入会出现多种选择，提出一个节点自适应择优选择网关的入网机制。通过网关合理选择信道，节点合理选择网关，实现无线节点入网的性能优化。
       为了达到上述目的本发明的构思是：
       在网络组建初期，网关对2.4Ghz频段的16个信道进行通信性能测试，网关按照两两分组的形式实现逐个扫频，建立频率表配置集，通过频率表配置集的排序，划分，更新等相应的操作，网关选择合适的工作信道，缺省信道，备用频率集一与备用频率集二。缺省信道作为所有节点的初始化信道，在此信道上发送网络建立帧，以使得新加入的节点能在缺省信道上择优选择网关进行入网。工作信道作为网络正常工作时的一个网关与节点直接的数据收发信道。备用频率集作为候补信道，为整个网络提供相应的服务。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种多网关多节点的无线传感器网络，包括多个网络簇及后台的上位机，其特征在于：
有多个网络簇，每个网络簇中包括多个节点，和一个网关。
所述的节点主要完成数据采集，数据处理，及无线收发的功能。
所述的网关，主要完成数据的无线收发，无线协议栈的调度管理，无线数据的聚合，及通过工业以太网与上位机之间的通信。
       所述的上位机，主要实现无线传感器网络数据监视，及相关网络命令的发布。
一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法，在网络初次建立阶段，多网关扫频，评估信道质量，其特征在于，具体实现步骤如下：
1）  将所有网关上电并接入工业以太网。
2）  上位机通过工业以太网与所有网关建立连接。
3）通过后台的上位机服务器发布一个扫频命令，整个无线传感器网络的所有网关开始依次扫频。
4）扫频采用两两分组的形式进行。每两个网关为一组，一个网关作为无线信号发送器，一个网关作为无线信号接收器，对16个信道分16个时间戳逐个扫频。
5）扫频时，在固定的一段时间戳T内，每个信道上发送1000个数据包，统计该时间T内的包接收率PRR，若包接收率高，表示该信道的通信质量好，信道较为干净；若包接收率低，表示该信道的通信质量较差，信道干扰较大。
一种网关缺省信道及工作信道选择方法，应用于上述的无线传感器网络系统，利用上述的网关扫频后的信道评估结果，对信道进行择优选择，其特征在于，具体实现步骤如下：
1）每个网关按照信道的其固有顺序构成一张频率集配置表。
2）对每个网关的信道评估结果按通信质量的高低，由PPR高的信道到PPR低的信道进行排序，使得频率集配置表的信道排列顺序为信道质量高到信道质量低。并且将信道质量高的前8个信道作为使用信道频率集，后8个信道作为备用信道频率集。
3）上位机通过工业以太网在网关的读取所有簇头节点的信道频率集配置表。
4）上位机通过评估所有网关的频率集配置表，在使用频率集中选出相对于所有网关来说信道质量较佳的信道作为所有网关的缺省信道。并在每一张频率集配置表中，选择除了缺省信道以外最好的信道作为每个网关的工作信道。
5）上位机通过工业以太网更新所有网关的频率集配置表。将原先的频率集配置表的组成，更新为缺省信道，工作信道，备用频率集一，备用频率集二。
一种多网关多节点无线传感器网络及其多网关信道选择和节点自适应入网方法，应用于上述的无线传感器网络，其信道采用经过频率集配置表更新后的缺省信道与工作信道，其特征在于节点入网的多网关选择机制实现步骤如下：
1）在网络建立初期，所有的网关处于缺省信道，并在缺省信道处定时广播网络建立帧。
2）节点上电并处于缺省信道，侦听所有网关的网络建立帧。
3）节点在缺省信道从收到第一条网络建立帧开始，等待一个网络周期，收集在其所处的物理位置下，所有网关的网络建立帧。
4）节点将收集到所有的网络建立帧，按网关地址进行分类。每一个网关对应与其发送的所有网络建立帧。
5）网关处于等待状态409，节点对每一个网关的所有网络建立帧进行评估。节点对多网关的质量评估，将网络建立帧中的RSSI值取平均，每个网关一条通信质量评估信息。
Figure 2012102282395100002DEST_PATH_IMAGE004
为通信质量评估信息，
Figure 2012102282395100002DEST_PATH_IMAGE006
为第
Figure 2012102282395100002DEST_PATH_IMAGE008
个网关，第
Figure 2012102282395100002DEST_PATH_IMAGE010
条网络建立帧的接收信号强度，
Figure 2012102282395100002DEST_PATH_IMAGE012
表示的是节点一共接受了
Figure 480251DEST_PATH_IMAGE012
条网络建立帧。
6）节点选择通信质量最高的网关作为自身的管理者，并发送相应的入网帧给网关。
7）网关收到来自节点的入网帧后，回复节点一条地址分配帧，为每一个节点在自己的簇内分配一个逻辑地址。
8）节点收到地址分配帧，回复网关一个确认帧。节点入网成功。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著进步：本发明在网络初次建立阶段，多网关之间通过扫频对各个网络信道质量进行总体评估。根据这个信道质量评估结果划分频率集，选择合适的信道作为自身的工作信道机缺省信道。节点入网阶段在缺省信道上和不同的网关进行通信，通过判断自身和不同网关在缺省信道上的通信质量，选择最优信道质量的网关作为自己的管理者，实现节点的自适应入网。本发明可提高无线传感器网络节点入网的灵活性及准确性，提高入网节点的自适应能力。
附图说明
       图1为网络结构体系图
       图2为网关信道评估流程图
       图3为网关扫频表
       图4为网关信道选择流程图
       图5为网关频率集配置表更新图
图6为节点自适应网关选择入网流程图。
具体实施方法
       本发明优选实例结合附图说明如下：
实施例一：
参见图1，本多网关（2）多节点（3）的无线传感器网络的结构体系，具体包括：
有多个网络簇（1），每个网络簇（1）中包括多个节点（3），和一个网。簇（1）间通信通过工业以太网完成，簇（1）内通信由无线收发完成。
所述的节点（3）的核心为CC2530，通过两节普通的干电池供电，无线收发通过集成于符合IEEE802.15.4协议带8051内核的CC2530实现，整个节点（3）完成数据采集，数据处理，及无线收发的功能。
所述的网关（2）的无线通信，通过无线芯片CC2530和射频前端CC2591相结合实现远距离的数据传输，协议栈的调度管理，无线数据的聚合。并通过工业以太网与上位机之间的以MODBUS-TCP实现数据交换。
       所述的上位机，主要实现无线传感器网络数据监视，及相关网络命令的发布。发布的命令主要有网关（2）连接命令，扫频命令等。
实施例二：
参见图2，图3。本实施为一种网络初次建立阶段，多网关（2）通过扫频评估各个通信信道质量的方法，该方法应用于实施例一所述的无线传感器网络，具体的实现步骤参见图2和图3：
1）图2步骤201，将所有网关（2）上电并接入工业以太网。
2）图2步骤202，上位机通过工业以太网与所有网关（2）建立连接。
3）图2步骤203，通过后台的上位机服务器发布一个扫频命令，网关（2）收到扫频命令后，整个无线传感器网络的所有网关（2）开始依次扫频。
4）图2步骤204及图3，扫频采用两两分组形式进行。每两个网关（2）为一组，一个网关（2）作为无线信号发送器，一个网关（2）作为无线信号接收器，按照图三的跳频序列图从2.405GHz开始到2.480GHz，每隔5MHz的中心频率，对16个信道分16个时隙逐个扫频，每隔个时隙，留足相应的无线收发测试时间。
5）图2步骤205及图3，扫频时，在每个信道上，驻留固定的一段时隙T，在该时隙内，每个信道上发送1000个数据包，共16次测试结果。统计该时间T内的包接收率PRR，若包接收率高，表示该信道的通信质量好，信道较为干净；若包接收率低，表示该信道的通信质量较差，信道干扰较大。
实施例三：
参见图4，图5。一种网关（2）缺省信道及工作信道的选择方法，该方法应用于实施例1所述的无线传感器网络系统，采用实施2所述的信道质量评估结果进行具体的选择，其特征在于，具体实现步骤如下：
1）图4步骤301，每个网关（2）按照信道的其固有顺序构成一张频率集配置表。
2）图4步骤302，对每个网关（2）的信道评估结果按通信质量的高低，由PPR高的信道到PPR低的信道进行排序，使得频率集配置表的信道排列顺序为信道质量高到信道质量低。并且将信道质量高的前8个信道作为使用信道频率集，后8个信道作为备用信道频率集。
3）图4步骤303，上位机通过工业以太网读取所有网关（3）的信道频率集配置表。
4）图4步骤304，上位机通过评估所有网关（2）的频率集配置表，在使用频率集中选出相对于所有网关（2）来说信道质量较佳的信道作为所有网关（2）的缺省信道。并在每一张频率集配置表中，选择除了缺省信道以外最好的信道作为每个网关（2）的工作信道。
5）图4步骤305，上位机通过工业以太网更新所有网关（2）的频率集配置表。将原先的频率集配置表的组成，更新为缺省信道，工作信道，备用频率集一，备用频率集二。
实施例四：
参见图6，一种节点（3）入网的多网关（2）选择机制，应用于实施例一的无线传感器网络系统，节点（3）入网期间网关（2）处于实施例三所述的缺省信道。该机制的具体实现步骤如下：
1）图6步骤401，在网络建立初期，所有的网关（2）处于缺省信道，并在缺省信道处定时广播网络建立帧。
2）图6步骤402，节点（3）上电并处于缺省信道等待状态，侦听所有网关（2）的网络建立帧。
3）图6步骤403，节点（3）在缺省信道从收到第一条网络建立帧开始，等待一个网络周期，收集在其所处的物理位置下，所有网关（2）的网络建立帧。
4）图6步骤404，网关（2）网络建立帧发送完毕，进入等待状态409，节点（3）将收集到所有的网络建立帧，按网关（2）地址进行分类。每一个网关（2）对应与其发送的所有网络建立帧。网络建立帧中还附带接收信道强度RSSI。
5）图6步骤405，网关（2）处于等待状态409，节点（3）对每一个网关（2）的所有网络建立帧进行评估。节点（3）对多网关（2）的质量评估，将网络建立帧中的RSSI值取平均，每个网关（2）一条通信质量评估信息。
Figure 397392DEST_PATH_IMAGE002
Figure 177129DEST_PATH_IMAGE004
为通信质量评估信息，
Figure 572338DEST_PATH_IMAGE006
为第
Figure 199760DEST_PATH_IMAGE008
个网关（2），第
Figure 22222DEST_PATH_IMAGE010
条网络建立帧的接收信号强度，
Figure 289256DEST_PATH_IMAGE012
表示的是节点（3）一共接受了
Figure 488156DEST_PATH_IMAGE012
条网络建立帧。
6）图6步骤406，节点（3）选择通信质量最高的网关（2）作为自身的管理者，并发送相应的入网帧给网关（2）。此时网关（2）处于等待状态409。
7）图6步骤407，网关（2）收到来自节点（3）的入网帧后，回复节点（3）一条地址分配帧，为每一个节点（3）在自己簇（1）内分配一个逻辑地址。该地址分配帧中还附带网关（2）的工作信道。节点（3）处于等待状态接收地址分配帧402。
8）图6步骤408，节点（3）收到地址分配帧，回复网关（2）一个确认帧。网关（2）处于等待状态409，接收来自节点（3）回复确认帧，以确认节点（3）收到自身的地址分配帧，节点（3）入网成功。

Claims (4)

1.一种多网关多节点无线传感器网络，由多个网络簇及后台的上位机组成，其特征在于：
有多个网络簇（1），每个网络簇（1）中包括多个节点（3），和一个网关（2）；网络簇（1）内通信为无线通信，网络簇间通过工业有线的现场总线通信；
所述的节点（3）主要完成数据采集，数据处理，及无线收发的功能；
所述的网关（2），主要完成数据的无线收发，无线协议栈的调度管理，无线数据的聚合，及通过工业以太网与上位机（4）之间的通信；
       所述的上位机（4），主要实现无线传感器网络数据监视，及相关网络命令的发布。
2.一种多网关多节点无线传感器网络多网关信道选择方法，应用于根据权利要求1所述的多网关多借点无线传感器网络，在网络初次建立阶段，多网关（2）通过扫频评估各个通信信道质量，其特征在于，具体实现步骤如下：
1）步骤201，将所有网关（2）上电并接入工业以太网；
2）步骤202，上位机（4）通过工业以太网与所有网关（2）建立连接；
3）步骤203，通过后台的上位机（4）服务器发布一个扫频命令，整个无线传感器网络的所有网关（2）开始依次扫频；
4）步骤204，扫频采用两两分组的形式进行；每两个网关（2）为一组，一个网关（2）作为无线信号发送器，一个网关（2）作为无线信号接收器，对16个信道分16个时间戳逐个扫频；
5）步骤205，扫频时，在固定的一段时间戳T内，每个信道上发送1000个数据包，统计该时间T内的包接收率PRR，若包接收率高，表示该信道的通信质量好，信道较为干净；若包接收率低，表示该信道的通信质量较差，信道干扰较大。
3.根据权利要求2所述的多网关多节点无线传感器网路多网关信道选择方法，其特征在于网关（2）缺省信道及工作信道选择的具体实现步骤如下：
       1）步骤301，每个网关（2）按照信道的其固有顺序构成一张频率集配置表；
2）步骤302，对每个网关（2）的信道评估结果按通信质量的高低，由PPR高的信道到PPR低的信道进行排序，使得频率集配置表的信道排列顺序为信道质量高到信道质量低；并且将信道质量高的前8个信道作为使用信道频率集，后8个信道作为备用信道频率集；
3）步骤303，上位机（4）通过工业以太网读取所有网关（2）的信道频率集配置表；
4）步骤304，上位机（4）通过评估所有网关的频率集配置表，在使用频率集中选出相对于所有网关（2）来说信道质量较佳的信道作为所有网关（2）的缺省信道；并在每一张频率集配置表中，选择除了缺省信道以外最好的信道作为每个网关（2）的工作信道；
5）步骤305，上位机（4）通过工业以太网更新所有网关（2）的频率集配置表；将原先的频率集配置表的组成，更新为缺省信道，工作信道，备用频率集一，备用频率集二。
4.一种多网关多节点无线传感器网络节点自适应入网方法，应用于权利要求1所述的无线传感器网络，其信道采用权利要求2评估及权利要求3所选择的缺省信道与工作信道，其特征在于节点（3）入网的多网关（2）选择机制实现步骤如下：
1）步骤401，在网络建立初期，所有的网关（2）处于缺省信道，并在缺省信道处定时广播网络建立帧；
2）步骤402，节点（3）上电并处于缺省信道，侦听所有网关（2）的网络建立帧；
3）步骤403，节点（3）在缺省信道从收到第一条网络建立帧开始，等待一个网络周期，收集在其所处的物理位置下，所有网关（2）的网络建立帧；
4）步骤404，节点（3）将收集到所有的网络建立帧，按网关（2）地址进行分类；每一个网关（2）对应与其发送的所有网络建立帧；
5）步骤405，网关（2）处于等待状态409，节点（3）对每一个网关（2）的所有网络建立帧进行评估；节点（3）对多网关（2）的质量评估，将网络建立帧中的RSSI值取平均，每个网关（2）一条通信质量评估信息：
Figure 799754DEST_PATH_IMAGE001
Figure 767710DEST_PATH_IMAGE002
为通信质量评估信息，
Figure 863842DEST_PATH_IMAGE003
为第
Figure 533637DEST_PATH_IMAGE004
个网关（2），第
Figure 2012102282395100001DEST_PATH_IMAGE005
条网络建立帧的接收信号强度，
Figure 398825DEST_PATH_IMAGE006
表示的是节点一共接受了
Figure 537682DEST_PATH_IMAGE006
条网络建立帧；
6）步骤406，节点选择通信质量最高的网关作为自身的管理者，并发送相应的入网帧给网关（2）；
7）步骤407，网关（2）收到来自节点（3）的入网帧后，回复节点（3）一条地址分配帧，为每一个节点（3）在自己的簇（1）内分配一个逻辑地址；
8）步骤408，节点（3）收到地址分配帧，回复网关（2）一个确认帧；节点（3）入网成功。
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