CN102843758B - 无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法，源节点与目标节点之间遵循Timeout？MAC（T-MAC）协议进行数据传输，其特征在于所述方法还包括节点定时器进行计时，根据节点的状态在外部晶振电路和MCU内部的RTC模块间切换进行计时的步骤；当节点处于唤醒状态时，节点采用外部晶振电路进行计时；当节点处于休眠状态时，节点切换到使用MCU内部的RTC模块进行计时。该方法有效降低冲突产生的概率，从而显著降低了网络延时，并且一定程度上减少了由重发数据带来的额外功耗；在休眠和唤醒时采用不同的模块进行计时，从而达到了大幅降低无线传感器网络节点平均功耗的目的。

Description

无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法

技术领域

本发明属于无线传感器网络数据传输技术领域，具体涉及一种无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法。

背景技术

在野外环境监测这类WSN应用中，无线传感器网络使用蓄电池供电，并且一般处于较为偏僻的野外，无法经常指派人员专门前往现场为这些无线传感器节点充电，因此，这类WSN应用对于功耗控制有着严格要求。此外在野外环境监测这类WSN应用中，一片区域内可能需要同时监测水质、水温、空气等环境参数，这就需要各种不同的传感器同时工作相互协调完成环境监测任务，在一定时间段内可能会需要这些传感器节点同时向监测站发送环境参数，此时网络中数据量较大，容易导致冲突从而引起数据重发。

现有的无线传感网MAC层协议大部分都是采用外部晶振计时，这样在节点进入休眠状态时节点的晶体振荡器模块及其外围电路仍然处于工作状态，从而导致了额外的能量消耗。本发明因此而来。

发明内容

本发明目的在于提供一种无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法，解决了现有技术中网络中数据量较大，容易导致冲突从而引起数据重发；另外无线传感器网络内节点能量消耗太大等问题。

为了解决现有技术中的这些问题，本发明提供的技术方案是：

一种无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法，源节点与目标节点之间遵循Timeout MAC（T-MAC）协议进行数据传输，其特征在于所述方法还包括节点定时器进行计时时，根据节点的状态在外部晶振电路和MCU内部的RTC模块间切换进行计时的步骤；当节点处于唤醒状态时，节点采用外部晶振电路进行计时；当节点处于休眠状态时，节点切换到使用MCU内部的RTC模块进行计时。

优选的，所述方法中节点的协议栈在初始化时已将其实时时钟中断模块(RTI)中断的时间间隔设置为T；当节点在进入到休眠模式之后，每隔时间T唤醒节点进入到RTI中断服务程序中对节点时钟进行修正。

优选的，所述方法中节点判断距离下一次唤醒的时间是否小于实时时钟中断模块(RTI)中断的间隔；若是，则节点在唤醒时间到达时进入唤醒模式；若否，则进入RTI中断服务程序中对节点时钟进行修正。

优选的，所述方法中进行数据传输时，采用多信道传输机制进行数据收发。

优选的，所述多信道传输方法包括以下步骤：

（1）当节点需要发送数据时优先选择上次成功发送数据所使用的信道；当数据传输产生冲突时，动态切换到空闲信道；

（2）当消息长度大于阈值时，首先将长消息分割为断帧再根据序号将其顺序发送。

本发明专门用于解决在野外环境监测这类使用蓄电池供电并且无法经常充电的WSN应用场景中，现有MAC协议在传输延时、能耗等方面存在不足等问题。本发明在同步周期内采用双时钟方案计时的时钟同步方法；在数据周期内采用多信道传输机制进行数据收发，因此称其为DM-MAC协议（Dual-clock Multi-Channel MAC Protocol）。

T-MAC(Timeout MAC)协议是在S-MAC协议的基础上M5671-A1提出来的。因为S-MAC协议采用周期性侦听的工作方式，其侦听周期是固定不变的。周期长度受限于延迟的要求和缓存的大小，由于消息速率是实时变化的，这样就出现一个问题——延迟要求和缓存大小往往不满足这种变化的信息速率。为了保证可靠及时的消息传输，节点的活动时间必须适应最离通信负载。当负载动态较小时，节点处于空闲侦听的时间相对增加。针对这个问题，T-MAC协议在保持周期长度不变的基础上，根据通信流量动态的调整活动时间，用脉冲突发方式发送信息，减少空闲侦听时间。

本发明在休眠和唤醒时使用不同的计时模块进行计时。在休眠时，节点使用MCU内部的RTC模块进行计时；在唤醒时，节点使用外部晶体振荡器进行计时。

根据不同的网络复杂度采用了不同的时钟同步方式。当网络复杂度较低，也就是当网络中所有节点均可直接从主节点接收消息时，协议采用从主节点向从节点单向发送同步消息的方式进行同步；当网络复杂度较高，也就是网络中不是所有节点均可直接从主节点接收消息时，协议采用主从节点间单向与双向通信相结合的方式进行同步。

在数据周期内进行数据传输产生冲突时，动态切换到空闲信道。在休眠时根据设置好的RTI中断间隔周期性醒来调节节点的本地时钟，弥补由低精度的RTC计时模块导致的误差。当节点需要发送数据时优先选择上次成功发送数据所使用的信道，这样就可以提高信道预约和数据发送成功的概率。当需要一次发送一个长消息时，首先将长消息分割为断帧再根据序号将其顺序发送。

本发明涉及无线传感器网络的数据传输方法，尤其涉及无线传感器网络低功耗应用场合的数据传输方法。本发明在节点进入休眠状态时使用节点MCU内部的RTC模块进行计时便节省了这部分的能耗。除此之外，现有的无线传感网MAC层协议大部分都是采用单信道传输机制进行数据收发，这样在网络中节点同时发送数据时便很可能产生冲突从而导致数据的重发，进而产生额外的功耗以及延时，本发明在节点进入到数据周期时采用多信道传输机制进行数据收发，在产生冲突时动态切换到空闲信道，这样便有效降低了冲突发生的可能。

本发明针对现有MAC协议在野外环境监测这类使用蓄电池供电并且无法经常充电的WSN应用场景中存在的不足（网络延时较大、能耗较高等）而提出了一种多信道时钟同步MAC协议。通过对现有单信道MAC协议以及单信道计时方案时钟同步算法的分析研究提出的这种方法在休眠状态时使用节点MCU内部功耗较低的RTC模块计时，在节点进入唤醒状态时使用节点外部晶体振荡器计时；进入数据周期后，节点采用多信道传输机制进行数据的收发。本发明所提出的这种方法在没有影响网络中节点正常时钟同步的同时显著降低了平均功耗及传输延时，提高了网络性能，满足野外环境监测这类WSN应用的需求。详细发明内容如下所述：

本发明通过研究现有时钟同步算法的分析研究发现，当前无线传感器网络一般采用单时钟方式计时，也即节点在休眠和唤醒时都采用外部晶体振荡器计时，这样，在节点进入休眠状态关闭其外围电路时，晶体振荡器及其外围电路仍然处于工作状态。本发明在节点进入休眠状态时使用其MCU内部功耗较低的RTC模块计时，而在节点进入唤醒状态时使用外部晶体振荡器计时，在节点睡眠时根据设置的RTI中断间隔周期性醒来对节点的本地时钟进行校准，这样便达到了在同步精度没有明显降低的前提下显著降低功耗的目的。

由于常用的MAC协议只有一个信道用于数据传输，当节点向其下一跳节点转发数据时如果和其临节点发送的数据产生了冲突，节点必须要等到其邻节点发送完数据之后才能继续发送，这样便导致了数据的重发，从而产生了由数据重发导致的额外能耗，并且延长了数据包由源节点发往目的节点的总时间，这显然不能满足野外环境监测低功耗的要求。为了解决该问题，本发明采取了多信道传输机制。当节点发送数据和邻节点产生冲突时将动态切换到空闲信道继续进行数据发送过程，这样当两个节点同时发送数据时，由于采用的是不同的信道，所以不存在相互干扰的问题。本发明使用一个控制信道和十五个数据信道进行控制帧和数据帧的收发，在冲突产生时，节点将查询其余可用信道进行数据传输，因此，本发明在网络负载较重时产生冲突的可能性大为降低，从而减少了数据重发的过程，降低了网络延时和平均功耗，提高了网络传输效率。

相对于现有技术中的方案，本发明的优点是：

本发明在同步周期内的休眠和唤醒状态时采用不同的计时方案，降低了平均功耗；在数据周期内采用多信道传输机制进行数据收发，降低了冲突发生的可能，从而减少了数据重发的过程，进而降低了网络延时和平均功耗。

本发明专门针对野外环境监测这类使用蓄电池供电并且无法经常充电的无线传感器网络应用的MAC层协议。在野外环境监测这类WSN应用中，无线传感器网络节点使用蓄电池供电，并且一般处于较为偏僻的野外，无法经常指派人员专门前往现场为这些节点充电，因此，这类WSN应用对于功耗控制有着严格要求。本发明设计并实现了一种使用无线传感器网络多信道时钟同步算法的数据传输方法。该协议在每个数据周期使用多信道传输机制进行数据收发，这样能够有效降低冲突产生的概率，从而显著降低了网络延时，并且一定程度上减少了由重发数据带来的额外功耗。此外，该协议还使用了一种新型的双时钟计时方案进行计时，该方案在休眠和唤醒时采用不同的模块进行计时，从而达到了大幅降低无线传感器网络节点平均功耗的目的。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是本发明信道预约和数据发送示意图。

图2是本发明双时钟计时方案示意图。

图3是本发明双时钟计时流程图。

图4是本发明主节点和从节点之间同步方式示意图。

图5是本发明单跳网络时钟同步流程图。

图6是本发明多跳网络时钟同步流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。

实施例

（1）本实施例的信道预约和数据发送流程

第一步，源节点在信道0上发送RTS包

RTS(0)[2]{1,2,3}表示源节点在信道0上发送RTS包，同时RTS包中附带了数据包的个数为2，以及可用的空闲信道为信道1、2和3。由于所有节点的控制包都在信道0上，所以各个节点可以串音邻节点的CONFIRM包，就可以知道邻节点们在哪些信道上传输数据包，则源节点在发送RTS包时应将这些信道排除。

第二步，目的节点回复CTS包

CTS(0)[2]{3}表示目的节点知道自己应该连续接收2个数据包，并给出了自己的可用空闲信道为信道3。同样的，目的节点也应该将串音到的邻节点的CONFIRM包中的信道排除。

第三步，源节点再次回复CONFIRM包

CONFIRM(0)[2]{3}表示源节点选择在信道3上发送2个数据包。

作为控制包，RTS、CTS、CONFIRM都在信道0上收发。

第四步，数据包收发

源节点按照CONFIRM包中确定的信道发送数据包，目的节点在相同的信道上回复ACK包。如有多个数据包，则源和目的节点连续收发数据包。

（2）双时钟计时方案流程

本实施例双时钟计时方案示意图如图2所示，具体实现的流程图如图3所示。

当节点处于唤醒模式，在该模式下，节点使用其外部的晶振进行计时。使用晶振计时的优点在于其计时精度较高，并且在现实使用时可以选择使用精度较高的晶振便可实现提高节点时钟精度的目的。当节点进入休眠模式，在该模式下，节点使用MCU内部的RTC模块进行计时。使用MCU内部RTC模块计时的有点在于此时可以将节点晶振模块及其外围电路的电源关闭，达到进一步降低功耗的目的。但是该模式下，使用MCU内部RTC模块计时的精度有所降低。

本实施例节点的工作模式在休眠和唤醒状态切换时，可以通过配置芯片内部的“时钟源选择”寄存器，即可在外部时钟源和内部时钟源之间切换。对于每个时钟源，都有变量记录各自的运行时间。

本实施例节点的协议栈在初始化时已将其RTI中断的间隔设置为T。则节点在进入到休眠模式之后，每隔时间T便会醒来进入到RTI中断服务程序中，在该中断服务程序中对节点时钟进行修正，也就是将节点时钟的值加上T。节点判断距离下一次唤醒的时间是否小于RTI中断的间隔，若是，则节点在唤醒时间到达时进入唤醒模式；若否，则仍然进入RTI中断服务程序中对节点时钟进行修正。重复以上过程。

（3）时钟同步流程

本实施例时钟同步方式的示意图如图4所示，具体流程如图5所示。

1）层次发现阶段

层次发现阶段的主要任务就是为无线传感器网络中的节点分配一个唯一的网络ID号和一个非唯一的网络层次号。网络选取其根节点为0级节点，并且向其外围广播分层数据包，接收到该分层数据包的节点若没有被分层便取出数据包中的层次号，并将自己的层次号设置为接收到数据包中层次号加上1，然后将广播发送这个分层数据包的节点ID号记录下来；如果接收到该分层数据包的节点已经被分层，则将其忽略。网络中的节点不断重复该过程直至所有节点都被分层。在有新的节点想要加入到网络中时，该网络可能已经结束了网络分层过程，那么该节点就需要再等待一次网络发现周期才可以加入到该网络中来。网络中每个路由节点都记录着上一级路由节点的ID号，这样整个网络中的同步消息便只通过路由节点进行传送，其它节点只是作为路由节点的从节点而存在，它们并不需要转发接收到的同步消息。

2）路由节点选取阶段

为了减少网络中节点实现时钟同步过程中同步数据包所经过的节点数量。本实施例首先在无线传感器网络中选取一定数量的路由节点，从而减少不必要的数据发送，降低了网络的通信开销。

如图4所示，设根节点为0级节点。首先由根节点向外广播发送同步消息，在其广播范围内的节点设为1级节点；其次在1级几点中选取一定数量的1级路由节点；重复以上动作从而将网络中所有节点分级并且选定每级的路由节点。

网络中各级路由节点的产生由各节点从上一级路由节点接收到的同步信标的信号强度RSSI所决定。RSSI的取值范围由设计者预先人为指定（RSSI值由2个字节组成，取值范围从0-255，0表示信号强度极低，255表示信号强度最高）。本发明中RSSI值处于RSSImin<RSSI<RSSImax范围内的节点才有作为路由节点的资格。例如，某节点接收到由根节点发送的同步信标并且根据信号强度RSSI值处于RSSImin<RSSI<RSSImax范围内，则将该节点具备作为1级路由节点的资格。具备成为1级路由的节点进行竞争从而确定最终由哪些节点担任1级路由节点，具体的竞争方式为：等待一段随机时间trandom之后，若其未收到由其它1级路由节点发来的同步信号，或者RSSI<RSSImin，则该节点宣布自己成为1级路由节点。所有1级路由节点确定之后，再重复以上步骤生成2级路由节点，由此周而复始直至生成网络中所有的路由节点。对于网络中没有接收到任何路由节点发送来同步信息的节点而言，它需要主动向其邻节点提出申请作为其子节点，并且将他的邻居节点中等级最高的节点作为它的路由节点。而如果某个节点接收到多个路由节点，则选择其中等级最高的作为它的路由节点。

3）同步阶段

同步阶段所完成的任务主要是将网络中所有节点的时钟实现和根节点之间的同步。而该阶段又可分为路由节点和根节点之间的同步以及普通节点和路由节点之间的同步。

路由节点和根节点之间同步的方式为：根节点首先广播发送同步数据包，外围节点接收到同步数据包之后将其保存，若该节点发现此数据包是由其上一级的路由节点（对于第一级的路由节点来说也就是根节点）发送而来，它便向其上一级路由节点回复应答消息。该节点的上一级路由节点在收到应答消息之后便可以采用双向延时估计的办法来计算所需同步的参数。

普通节点和路由节点之间的同步和单跳网络中时钟同步的情况类似。各级的路由节点在接收到上一级路由节点发送来的同步消息并完成同步过程之后便使用单跳网络同步的方法向外广播自己的同步消息进行时钟同步，各级路由节点的从节点在接收到同步消息之后只对自己的时钟进行调整而不向外转发该同步消息。

上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种无线传感器网络内节点间数据节能传输的方法，源节点与目标节点之间遵循Timeout MAC（T-MAC）协议进行数据传输，其特征在于所述方法还包括节点定时器进行计时时，根据节点的状态在外部晶振电路和MCU 内部的RTC 模块间切换进行计时的步骤；当节点处于唤醒状态时，节点采用外部晶振电路进行计时；当节点处于休眠状态时，节点切换到使用MCU 内部的RTC 模块进行计时；节点的协议栈在初始化时已将其实时时钟中断模块(RTI) 中断的时间间隔设置为T ；当节点在进入到休眠模式之后，每隔时间T 唤醒节点并进入到RTI 中断服务程序中对节点时钟进行修正。

2. 根据权利要求1 所述的方法，其特征在于所述方法中节点判断距离下一次唤醒的时间是否小于实时时钟中断模块(RTI) 中断的间隔；若是，则节点在唤醒时间到达时进入唤醒模式；若否，则进入RTI 中断服务程序中对节点时钟进行修正。

3. 根据权利要求1 所述的方法，其特征在于所述方法中进行数据传输时，采用多信道传输机制进行数据收发。

4. 根据权利要求3 所述的方法，其特征在于所述多信道传输方法包括以下步骤：

（1）当节点需要发送数据时优先选择上次成功发送数据所使用的信道；当数据传输产生冲突时，动态切换到空闲信道；

（2）当消息长度大于阈值时，首先将长消息分割为断帧再根据序号将其顺序发送。