CN102802249B - 基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点 - Google Patents

基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点 Download PDF

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Abstract

本发明提供基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信单元和电源，其中，所述电源与所述传感单元、所述处理单元、所述通信单元相连接，所述传感单元与所述处理单元相互连接，所述通信单元与所述处理单元相互连接，所述处理单元使用ARM7TDMI-S？LPC2131微控制器；所述通信单元使用CC2420无线收发芯片。本发明针对现有的分簇MAC协议存在的问题，提出了以减少握手信号为目标的改进方法，并提出将传感节点的任务具体地分为突发业务和非突发业务的改进方法，传感节点针对不同性质的业务按照不同的方式处理，从而节约空闲侦听时间，降低了节点能耗，提高节点工作效率，延长了节点寿命。

Description

基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点
技术领域
本发明涉及无线传感器网络技术，更具体地说，涉及一种基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点。
背景技术
无线传感器网络是由部署在目标区域的大量传感节点相互协作、感知、自组织构成的一种多跳网络。传感节点间通过相互分工和合作来监测被部署的目标区域的信息。传感节点实质上是一种特殊的微小型的嵌入式系统，传感节点包括由传感器和具有AD模数转换功能的模块组成的传感单元、由CPU和嵌入式操作系统等组成的处理单元、由无线通信模块组成的通信单元和电源。
传感节点实质上是一种特殊的微小型的嵌入式系统，传感节点包括由传感器和具有AD模数转换功能的模块组成的传感单元、由CPU和嵌入式操作系统等组成的处理单元、由无线通信模块组成的通信单元和电源。所述传感节点受到工艺及成本的约束，一般采用电池作为电源，致使传感节点的能量非常有限。由于传感节点的数量大，分布区域广，并且在需要的情况下还要将传感节点部署在环境非常恶劣或人员不能接触的地方，所以给传感节点更换电池或充电是不太现实的。因此，在保证无线传感器网络能够正常工作的情况下降低传感节点的能量消耗，进而延长无线传感器网络的寿命是传感器网络设计的一个挑战。
在分簇MAC（MediumAccessControl媒体访问控制）协议中，引入了网络分簇机制。所有传感节点被固定划分或自动形成多个簇，每个所述簇内有一个簇头节点，其余传感节点为簇成员节点。所述簇头节点的计算能力和数据处理能力较一般簇成员节点的能力要更强一些，其负责协调簇内的通信，对簇内节点进行时隙分配，收集和处理簇内节点发来的数据，并将数据转发给汇聚节点(SinkNode)。这样就使得各传感节点间的通信变得有序而简洁，节省了能量，提高了网络性能。图3示出了分簇MAC协议的分簇结构的示意图。
在分簇MAC（MediumAccessControl媒体访问控制）协议中，接入请求一般可以分为两种：请求与簇内节点通信的FRTS消息和请求与簇头节点通信的RTS消息。
其中，请求与簇内节点通信的FRTS消息的接入请求的通信过程为：当发送节点请求与簇内节点进行通信时，首先向簇头节点发送FRTS消息申请通信时段；簇头节点收到该申请消息后会回发ACK消息作为应答，表示已经收到了该请求信息；然后簇头节点根据申请信息制定调度信息表，由SYNC帧将其捎送给簇内节点，簇内节点根据接收到的调度信息做好收发信息的准备。图4示出了簇外节点与簇内节点进行通信的示意图。其中，a代表发送节点，b代表簇头节点，c代表簇内节点。
请求与簇头节点通信的RTS消息的接入请求的通信过程为：当发送节点请求与簇头节点通信时，簇内节点向簇头节点发送RTS消息，簇头节点则直接回发CTS消息，按照RTS/CTS/DATA/ACK的流程直接完成数据通信。这种通信方式被形象地称为握手机制。图5示出了簇外节点与簇头节点进行通信的示意图。本领域技术人员可以理解的是，为了更直观地显示握手机制的过程，图5中画上了虚线，其代表的仍是原节点。
在下一侦听周期开始前，簇头节点会根据在上一侦听周期CSMA子帧内收集的通信申请生成新的时隙调度信息，并在将要发送的SYNC同步消息中捎带该信息。根据调度信息，相应的发送节点与接收节点会在簇头节点分配的TDMA子帧内将各自的射频通信模块设置为接收或发送模式，并按照DATA/ACK流程完成通信。此时，其他节点都处于休眠状态，有效地节约了能量。
当簇头节点需要向簇内节点发送数据时，只需简单地将其自身请求加入调度信息表，并在SYNC帧中发布，通知接收节点在相应的TDMA子帧内醒来，完成与簇头节点的通信。
在无线传感器网络中，节能是MAC（MediumAccessControl媒体访问控制）协议要考虑的首要因素。通过引入握手机制，分簇MAC协议有效地降低了信道中冲突的可能性，从而减少了由于冲突导致信息发送无效而造成的能源浪费。
但与此同时，在上述分簇MAC协议中，过多的握手信号占用了大量的网络资源，降低了效率，会造成了一部分的能源浪费。
发明内容
本发明提供基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信单元和电源，其中，所述电源与所述传感单元、所述处理单元、所述通信单元相连接，所述传感单元与所述处理单元相互连接，所述通信单元与所述处理单元相互连接，所述处理单元使用ARM7TDMI-SLPC2131微控制器；所述通信单元使用CC2420无线收发芯片。
优选的是，所述CC2420的SCLK引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的SCLK引脚相连。
优选的是，所述CC2420的SO引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的MISO引脚相连。
优选的是，所述CC2420的SI引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的MOSI引脚相连。
优选的是，所述CC2420的CSn引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO2引脚相连。
优选的是，所述CC2420的SFD引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的TimerCapture引脚相连。
优选的是，所述CC2420的CCA引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO1引脚相连。
优选的是，所述CC2420的FIFOP引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的Interrupt引脚相连。
优选的是，所述CC2420的FIFO引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO0引脚相连。。
采用如上所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点的通信方法，所述通信方法将发送的信息分为突发业务信息和非突发业务信息，并且所述突发业务信息的优先级高于所述非突发业务信息的优先级。
优选的是，所述突发业务信息是指需要立即进行处理的紧急信息；所述非突发业务信息是指不需要立即进行处理、可在任意时间进行处理的信息。
优选的是，针对突发业务信息的通信方法包括如下步骤：在发送之前，对所发送的信息进行预处理鉴别，将被发送的信息数据与RTS(或FRTS)进行比较；如果要发送的数据帧的大小小于或等于RTS(或FRTS)的大小，则直接进行传送，所述传送成功后，由接收节点发送应答信息ACK；如果要发送的数据帧的大小大于RTS(或FRTS)的大小时，则仍采用传统的RTS/CTS/DATA/ACK流程。
优选的是，针对非突发业务信息的通信方法采取由接收端驱动的方式，即发送端不主动发送信息，而是等接收端准备好信道资源时由接收端发送邀请信号RTR，发送端接收到所述邀请信号RTR后直接发送信息。
本发明的有益效果是：针对现有的分簇MAC协议存在的问题，提出了以减少握手信号为目标的改进方法，并提出将传感节点的任务具体地分为突发业务和非突发业务的改进方法，传感节点针对不同性质的业务按照不同的方式处理，从而节约空闲侦听时间，降低了节点能耗，提高节点工作效率，延长了节点寿命。
附图说明
为了使本发明便于理解，现在结合附图描述本发明的具体实施例。
图1示出了本发明的一优选实施例的嵌入式节点结构示意图。
图2示出了图1中的优选实施例的所述CC2420与所述微控制器的接口的示意图。
图3示出了分簇MAC协议的分簇结构的示意图。
图4示出了簇外节点与簇内节点进行通信的示意图。
图5示出了簇外节点与簇头节点进行通信的示意图。
图6示出了本发明的一优选实施例的针对突发业务信息处理过程的流程示意图。
图7示出了本发明又一优选实施例的基于邀请方式的非突发业务信息传送的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选的实施方式对本发明作进一步详细描述。权利要求中构成要件和实施例中具体实例之间的对应关系可以如下例证。这里的描述意图在于确认在实施例中描述了用来支持在权利要求中陈述的主题的具体实例，由于在实施例中描述了实例，不意味着该具体实例不表示构成要件。相反地，即使在此包含了具体实例作为对应一个构成要件的要素特征，也不意味着该具体实例不表示任何其它构成要件。
此外，这里的描述不意味着对应于实施例中陈述的具体实例的所有主题都在权利要求中引用了。换句话说，这里的描述不否认这种实体，即对应实施例包含的具体实例，但不包含在其任何一项权利要求中，即，能够在以后的修正被分案并申请、或增加的可能发明的实体。
应当注意的是，“系统”在此意味着由两个或更多设备构成的处理。
本发明提出了一种在分簇结构WSN中采用改进的新型节能Zigbee协议的无线传感器网络的节点。由于无线传感器网络的节点能量有限，所以采用一种节能的通信协议是十分重要的。
图1示出了本发明的一优选实施例的嵌入式节点结构示意图。如图所示，在所述的优选实施例中，采用CC2420和LPC2131搭建符合ZigBee标准的嵌入式传感节点。所述传感节点的通信单元的射频部分选用CC2420作为IEEE802.15.4RF芯片。微控制器部分选用ARM7TDMI-SLPC2131。
CC2420是面向2.4GHzIEEE802.15.4兼容的单片RF（无线）收发器，其具有高度集成、低成本、低电压、低功耗等特点，内置数字直接序列扩频调制解调模块，数据通信速率可达250Kb/s。LPC2131微控制器是飞利浦公司推出的基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMS-SCPU，并带有嵌入式的高速Flash存储器。
图2示出了图1中的优选实施例的所述CC2420与所述微控制器的接口的示意图。如图所示，所述CC2420的SCLK引脚与所述LPC2131的SCLK引脚相连。所述CC2420的SO引脚与所述LPC2131的MISO引脚相连。所述CC2420的SI引脚与所述LPC2131的MOSI引脚相连。所述CC2420的CSn引脚与所述LPC2131的GIO2引脚相连。所述CC2420的帧开始定界符，即SFD引脚与所述LPC2131的TimerCapture引脚相连。所述CC2420的CCA引脚与所述LPC2131的GIO1引脚相连。所述CC2420的FIFOP引脚与所述LPC2131的Interrupt引脚相连。所述CC2420的FIFO引脚与所述LPC2131的GIO0引脚相连。此外，如果所述微控制器有硬件SPI接口，则可以更方便地操作所述CC2420。
在上述Zigbee嵌入式系统中，LPC2131通过四线SPI总线（SI、SO、SCLK和CSn）与所述CC2420进行双向通信，向所述CC2420发送控制命令，并通过SPI总线读取所述CC2420的状态信息。所述LPC2131利用中断的方式来读取所述CC2420的先进先出寄存器（FIFO），获取无线通信数据。所述LPC2131读取所述CC2420的CCA引脚状态信息来进行空闲信道评估。所述LPC2131通过与所述CC2420的SFD引脚相连，向所述CC2420发送时序信息，表示一帧数据的开始。
本发明的一优选实施例为，针对选有的分簇MAC协议，在协议的启动和维持阶段，以及数据转发的过程中都应该使用尽量少的控制分组或握手信号，来实现传输的可靠性，以减少控制分组或握手信号的的发送能耗，简单来说，就是需要从减少握手信号的方面来对分簇MAC协议进行改进。要根据不同的具体情况减少握手信号，就要对需要被发送的信息进行鉴别、分类，然后建立不同的优先级。
在本发明中，将所要发送的信息分为突发业务信息(burstbusinessmessage)和非突发业务信息(non-burstbusinessmessage)。将所述突发业务信息的优先级设定为高于所述非突发业务信息的优先级。所述突发业务信息是指需要立即进行处理的紧急信息，例如火灾、爆炸等信息；所述非突发业务信息是指不需要立即进行处理、可在任意时间进行处理的信息，例如温度、湿度等信息。同时，根据所发送信息的种类，将节点分为突发业务节点与非突发业务节点。
针对突发业务信息的通信过程为：首先，将突发业务信息设定为需要立即进行处理的最高优先级，一旦有突发信息立即进行发送。在发送之前，由发送节点，即突发业务节点，对所发送的信息进行预处理鉴别，将被发送的信息数据与RTS(或FRTS)进行比较。图6示出了本发明的一优选实施例的针对突发业务信息处理过程的流程示意图。
如果要发送的数据帧大小跟RTS(或FRTS)相差不大，我们将其称之为数据帧较小，可直接进行传送，如果发送成功，则由接收节点发送应答信息ACK。在该情况下将分簇MAC协议中原来的RTS/CTS/DATA/ACK流程省略为DATA/ACK，这样就减少了握手次数，节省了能量。但必须注意的是，需要发送的数据帧的大小与RTS(或FRTS)的大小相差不大，此时发送RTS与直接发送数据帧所耗能量差不多，才可以直接发送数据帧，从而省去了RTS/CTS握手过程，节约了网络资源，提高了网络性能。因为FRTS与RTS基本相同，此处以RTS为例对通信过程进行介绍，FRTS的情况类似。
而当要发送的数据帧经发送节点鉴定，发现需要发送的数据帧的大小与RTS(或FRTS)的大小相差较大时，则仍采用传统的RTS/CTS/DATA/ACK流程。
针对非突发业务信息的通信过程为：针对非突发业务信息的通信，采取由接收端驱动的方式。即发送端不主动发送信息，而是等接收端准备好信道资源时由接收端发送邀请信号RTR（ReadytoReceive），发送端（非突发业务节点）接收到所述邀请信号RTR后直接发送信息。这种方式称为邀请方式，主要是针对非突发业务节点而设置的。图7示出了本发明又一优选实施例的基于邀请方式的非突发业务信息传送的示意图，其中，a代表接收节点，b代表发送节点。
例如，对于感知诸如环境温度、湿度等非突发业务信息的传感节点，不需要其主动发送信息，当信道空闲时接收方可以向其发送邀请信号RTR，发送端知道接收方可以接收信息，再将信息发送给接收方。
该邀请方式把传统的由业务的发起节点开始一次业务请求改为由接收节点主动邀请其他节点向自己发送业务信息，这样便节省了发送RTS采用握手机制所占用的资源，减少了空闲侦听，避免了冲突，从而更高效地利用了信道资源。
上述详细描述通过实施例和/或示意图阐明了系统和/或过程的各种实施例。就这些示意图和/或包含一个或多个功能和/或操作而言，本领域技术人员将理解，这些示意图或实施例中的每一个功能和/或操作都可由各种各样的硬件、软件、固件、或实际上其任意组合来单独地和/或共同地实现。
应该理解，本文描述的方法可以结合硬件或软件，或在适当时结合两者的组合来实现。因此，本发明的方法，可以采用包含在诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他机器可读存储介质等有形介质中的程序代码（即，指令）的形式，其中，当程序代码在可编程计算机上执行的情况下，计算设备通常包括处理器、该处理器可读的存储介质(包括易失性存储器和/或存储元件)、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备。一个或多个程序可以例如，通过使用API，可重用控件等来实现或利用结合本发明描述的过程。这样的程序优选地用高级过程语言或面向对象编程语言来实现，以与计算机系统通信。然而，如果需要，该程序可以用汇编语言或机器语言来实现。在任何情形中，语言可以是编译语言或解释语言，且与硬件实现相结合。
需要说明的是，本发明的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点的方案的范畴包括上述各部分之间的任意组合。
尽管具体地参考其优选实施例来示出并描述了本发明，但本领域的技术人员可以理解，可以作出形式和细节上的各种改变而不脱离所附权利要求书中所述的本发明的范围。以上结合本发明的具体实施例做了详细描述，但并非是对本发明的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，均仍属于本发明技术方案的范围。

Claims (11)

1.基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，所述节点包括传感单元、处理单元、通信单元和电源，其中，
所述电源与所述传感单元、所述处理单元、所述通信单元相连接，
所述传感单元与所述处理单元相互连接，
所述通信单元与所述处理单元相互连接，其特征在于，
所述处理单元使用ARM7TDMI-SLPC2131微控制器；
所述通信单元使用CC2420无线收发芯片，针对突发业务信息时，所述节点的通信方法包括：（1）在发送之前，对所发送的信息进行预处理鉴别，将被发送的信息数据与RTS(或FRTS)进行比较；（2）如果要发送的数据帧的大小小于或等于RTS(或FRTS)的大小，则直接进行传送，所述传送成功后，由接收节点发送应答信息ACK；（3）如果要发送的数据帧的大小大于RTS(或FRTS)的大小时，则仍采用传统的RTS/CTS/DATA/ACK流程；针对非突发业务信息的通信方法采取由接收端驱动的方式，即发送端不主动发送信息，而是等接收端准备好信道资源时由接收端发送邀请信号RTR，发送端接收到所述邀请信号RTR后直接发送信息。
2.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的SCLK引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的SCLK引脚相连。
3.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的SO引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的MISO引脚相连。
4.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的SI引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的MOSI引脚相连。
5.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的CSn引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO2引脚相连。
6.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的SFD引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的TimerCapture引脚相连。
7.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的CCA引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO1引脚相连。
8.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的FIFOP引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的Interrupt引脚相连。
9.如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点，其特征在于，所述CC2420的FIFO引脚与所述ARM7TDMI-SLPC2131的GIO0引脚相连。
10.采用如权利要求1所述的基于新型节能通信协议的无线传感器网络的节点的通信方法，其特征在于，所述通信方法将发送的信息分为突发业务信息和非突发业务信息，并且所述突发业务信息的优先级高于所述非突发业务信息的优先级。
11.如权利要求10所述的通信方法，其特征在于，所述突发业务信息是指需要立即进行处理的紧急信息；所述非突发业务信息是指不需要立即进行处理、可在任意时间进行处理的信息。
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