CN103889020A - 一种基于动态路由的无线传感网络系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于动态路由的无线传感网络系统，用于工业应用，包括源节点簇与中继节点簇、汇聚节点以及控制中心，路由链路由源节点簇的簇首节点、中继节点簇的簇首节点以及汇聚节点组成；在工业网络空闲阶段，进行链路测试以获得链路质量数据，根据链路质量数据选择簇首节点，动态选择路由链路。本发明提供的基于动态路由的无线传感网络系统及其动态路由选择方法，提出了一种分簇结构，将工作节点分为多个模块，使其符合流程工业的特点；考虑了流程工业周期化特点，利用流程工业空闲时隙完成链路测试，动态选择路由链路，提高了传感网络数据传输时的可靠性；引入数据重传机制以及应急机制，能够有效地应对环境的突变等问题。

Description

一种基于动态路由的无线传感网络系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种无线网络技术领域的系统，具体是面向工业应用的基于动态路由的无线传感网络系统及其方法。

背景技术

无线传感网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，得到学术界和工业界的高度重视。早期的无线技术作为有线技术的补充，只是单纯的通信手段，以解决长距离数据传输为目的，多为点到点通信。到了21世纪，无线技术以解决低成本的信息获取为目的，实现大规模网络化。工业无线技术是从无线传感网络技术中发展而来的满足工业现场高可靠、低功耗、易维护等需求的一类特殊无线传感网络技术。通过工业无线网络技术，用户可以以低成本实现对于工业生产全流程的监控，获取由于场地限制或成本因素无法监测到的工业过程参量，并可以利用这些数据来提高产品质量以及降低生产成本、提高能源利用率。与传统有线工业监测系统相比，采用工业无线技术的监测系统，主要有以下优势：低成本。工业无线监测系统无需大量布线，大大缩短了施工时间和费用；易使用，灵活性高。由于无线节点的布设更加方便，所以工厂可以更好的配置生产设备。高可靠，易维护。有线系统中电缆以及连接器易损坏，且检修较困难，采用无线技术可以很好地解决这一问题。

目前在工业生产过程测量和控制领域，引起业界广泛关注的工业无线通信标准主要有：Wireless HART、ISA100.11a、WIA-PA。Wireless HART在可靠性、安全性以及能源的管理方面有很大的优势，具有信道跳频、低功耗、安全性高等特点。ISA100.11a主要面向过程控制应用的工业无线技术，用于向非关键性的监测、警报、预测控制、开环控制、闭环控制提供安全可靠的操作。WIA-PA是一种高可靠的自组织网络，具有分层组织模式以及能耗低的特点。流程工业生产装置通常都是需要长期连续生产，所以对于整个系统的可靠性同样有非常高的要求。工业现场环境的复杂性使得无线通信对比与有线通讯更容易受到多种外界因素的干扰，环境的动态性也对无线传感网络提出了自适应环境变化的要求。

然而，现有的工业无线通信协议无法很好地适应环境变化带来的影响。虽然协议中通过引入多项技术来保证网络中信息的可靠传输，但是其无法很好地同时满足流程工业对于可靠性和实时性的要求，增加了网络延时的同时也没有完全解决环境实时变化的问题。

经对现有技术文献资料的检索发现，中国专利公开号为：CN102781059A，名称为：智能化无线网络路由方法，该系统中引入了蚁群算法，模拟蚂蚁寻找最短路径进行路由的选择，目的是均衡传感网络中的能量消耗，延长网络的生存时间。但是，在路由的选择过程中需要获取过多的信息，造成过多的额外消耗。除此之外，这样的路由选择是基于多跳次数，无法很好地适用于工业无线传感的拓扑结构。

又经检索发现，中国专利公开号为：102076048A，名称为：基于节点位置动态变化的无线传感网络路由协议的控制方法。该发明中模型为分簇网络，其中各个分簇内节点位置动态变化，根据节点能量，选择簇首节点，以达到能量均衡，并提高通信质量。对于工业无线传感网络而言，信号采集节点往往是固定的，因此并不存在由于节点位置动态变化导致的能量变化，因此本发明同样不适用于工业无线传感网络。

又经检索发现，中国专利公开号为：101854695A，名称为：基于能量和时延蚁群算法来确定无线传感网络路由的方法。该发明中能够基于信号能量和时延确定路由，以达到实时性和能量效率的要求，然而不能解决环境的突变造成的通信问题，在工业环境中应用时会有限制。

发明内容

针对以上所述现有工业无线通信协议的不足，本发明提出了一种基于动态路由的无线传感网络系统，通过采用一种分簇网络架构，使得网络拓扑能够很好地解决流程工业中的远端传输问题；同时在这样的网络架构下，利用流程工业周期性特点进行链路测试并选择路由，保证了数据传输的可靠性和实时性；引入应急切换机制来应对环境突变造成的影响；本发明提供的无线传感网络数据采集传输过程的动态路由协议来满足流程工业的需求。

本发明提供一种基于动态路由的无线传感网络系统，用于工业应用，无线传感网络系统包括源节点簇与中继节点簇、汇聚节点以及控制中心，

源节点簇中的节点用于采集数据，源节点簇的簇首节点汇总源节点簇中的节点采集的数据，源节点簇的通信由源节点簇的簇首节点完成；

中继节点簇中的节点用于中继源节点簇传输的数据，中继节点簇的通信由中继节点簇的簇首节点完成；

汇聚节点用于汇总数据，并传输至控制中心；

控制中心用于处理数据，并进行相应的控制；

路由链路由源节点簇的簇首节点、中继节点簇的簇首节点以及汇聚节点组成；

在工业网络空闲阶段，进行链路测试以获得链路质量数据，根据链路质量数据选择源节点簇的簇首节点与中继节点簇的簇首节点，动态选择路由链路。

进一步地，源节点簇与汇聚节点之间设置一个或多个中继节点簇。

进一步地，链路质量数据为RSSI值，RSSI为接收信号强度指示值。

进一步地，中继节点簇的簇首节点为中继节点簇中价值量最大的节点。

本发明还提供一种动态路由选择方法，其特征在于，动态路由选择方法包括以下步骤：

（1）在无线传感网络建立阶段，对节点进行分簇，采用轮询方式确定源节点簇的簇首节点；

（2）在工业网络空闲阶段，进行链路测试与路由选择；

（3）在工业网络工作阶段，进行数据采集并按照步骤（2）中选择的路由传输数据。

进一步地，步骤（2）中网络测试与路由选择包括以下步骤：

（21）源节点簇中的节点与中继节点簇中的节点，依次发起与下级簇中的节点之间的链路测试，下级簇中的节点回复链路质量数据，其中，沿路由链路发送数据的簇为上级簇，沿路由链路接收数据的簇为下级簇；

（22）根据步骤（21）中得到的链路质量数据，中继节点簇中的各节点各自计算节点价值量；

（23）中继节点簇中的各节点交换步骤（22）中得到的各节点的价值量，确定价值量最大的节点为中继节点簇的簇首节点。

进一步地，步骤（21）包括以下步骤：

（211）由上级簇中的i号节点，i为大于或等于0的整数，发送测试数据包至下级簇的所有节点或者汇聚节点；

（212）下级簇中的节点接收测试数据包时，记录接收数据时的RSSI值；

（213）当所有测试数据包发送结束，上级簇中的i号节点发送测试结果请求指令至下级簇中的节点，请求测试结果；

（214）下级簇节点接收到测试结果请求指令，将测试得到的RSSI值发送至上级簇中的i号节点；

（215）上级簇中的i号节点接收到RSSI值后，将RSSI值存储至数据表中；

（216）上级簇内第i+1号节点，重复步骤（21）-步骤（25）直至上级簇中的所有节点测试完毕。

进一步地，步骤（22）中计算节点价值量的方法包括以下步骤：

（221）对于簇n中的每一个节点，节点的当前价值量为：

$T_{n,i}=\frac{1}{m}{R}_{h,n,i,j}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{n,n+1,i,j},$

其中，R_h,n,i,j为节点与其上级簇的簇首节点的链路质量数据，R_n,n+1,i,j为节点与其下级簇中的节点的链路质量数据，m为簇n中节点的个数；

（222）节点的价值量为：

V_n,i＝αT_n,i+(α-1)B_n,i，

其中，B_n,i为上一次计算的价值量，α为平移权重。

进一步地，步骤（3）中还包括应急机制。

进一步地，应急机制包括以下步骤：

（31）上级簇的簇首节点发送数据包至下级簇的簇首节点，下级簇的簇首节点回复Ack信号至上级簇的簇首节点；

（32）如果上级簇的簇首节点收到Ack信号，转至步骤（31）；如果上级簇的簇首节点未收到Ack信号，转至步骤（33）；

（33）上级簇的簇首节点重新发送数据包，记录重传次数，转至步骤（32）直至重传次数达到设定值；

（34）上级簇的簇首节点发送数据包至下级簇中节点价值量次优的节点，上级簇的簇首节点记录改变次数，转至步骤（32）；

（35）改变次数达到设定值，下级簇的簇首节点改为下级簇中节点价值量次优的节点，转至步骤（31）。

本发明提供的一种基于动态路由的无线传感网络系统及其动态路由选择方法的有益效果是：

（1）提出了一种分簇结构，将工作节点分为多个模块，使其符合流程工业的特点；

（2）考虑了流程工业周期化特点，利用流程工业空闲时隙完成链路测试，动态选择路由链路，提高了传感网络数据传输时的可靠性；

（3）引入数据重传机制以及应急机制，能够有效地应对环境的突变等问题。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的无线传感网络系统示意图；

图2是图1所示的无线传感网络的时序图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步描述。本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明的一个实施例的无线传感网络系统，使用OURS-IOTV2物联网套件中无线传感节点作为传感节点，在图中用圆点表示。使用无线网络协调器作为汇聚节点，在图中用方形表示。图中方框表示了工业轧钢中的传输带，实施例整个过程模拟工业无线轧钢温度监测过程。

图1所示的无线传感网络系统包括源节点簇C0与中继节点簇C1、C2、C3、汇聚节点以及控制中心，

源节点簇C0中的节点用于采集数据，源节点簇C0的簇首节点汇总源节点簇中的节点采集的数据；

中继节点簇C1、C2、C3中的节点用于中继源节点簇C0传输的数据，源节点簇C0的通信由源节点簇C0的簇首节点完成、中继节点簇C1、C2、C3由中继节点簇C1、C2、C3的簇首节点完成；

汇聚节点用于汇总数据，并传输至控制中心；

控制中心用于处理数据，并进行相应的控制；

路由链路由源节点簇C0的簇首节点、中继节点簇C1、C2、C3的簇首节点以及汇聚节点组成；

在工业网络空闲阶段，进行链路测试以获得链路质量数据，链路质量数据为RSSI值，RSSI为接收信号强度指示值。

源节点簇的簇首节点，根据节点编号顺序轮询确定；中继节点簇的簇首节点为中继节点簇中价值量最大的节点，根据链路质量数据选择源节点簇C0的簇首节点与中继节点簇C1、C2、C3的簇首节点，动态选择路由链路。

源节点簇C0与汇聚节点之间设置一个或多个中继节点簇，本实施例中设置了3个中继节点簇C1、C2和C3。

本发明中通过分析流程工业的工作周期，将协议工作时隙划分为三个阶段：网络结构建立阶段、网络测试阶段以及通信阶段。

网络结构建立阶段，在此阶段中完成节点分簇以及初始信道、初始功率的分配，轮询确定源节点簇的簇首节点。

网络测试阶段，此阶段位于流程工业网络空闲阶段，即工业无线传感网络处于非工作状态。在此阶段中完成网络的链路质量测试以及路由选择，

通信阶段，此阶段为工业无线传感网络工作阶段，完成对采集数据的多跳传输。

传感器节点使用TI公司的CC2530作为无线芯片，使用温度传感器采集温度数据。温度传感器参数：量程：-20℃～+130℃；分度：0.1℃。

传感节点采用Zigbee协议的MAC层和物理层，工作频段在2.4G Hz，传输速率最高可达250kbps。场景为工业轧钢现场带钢温度监测，利用传感节点采集位于传输带上带钢的温度和湿度。

第一步，在网络结构建立阶段，节点自组织分簇，根据工业传感网络所在的环境，分配初始功率及信道。

在本实施例中，利用传感节点的相对位置可以将节点分为4个簇，C0为源节点簇，C1至C3为中继节点簇，每个簇中有3个传感节点。

源节点簇C0中根据节点编号顺序轮询各个节点，若节点存在数据发送任务，则将此节点作为数据发送端，同时也是源节点簇中的簇首节点。采集到的数据信息从源节点簇C0沿梯度向外层传播，依次经过其他3个簇传输到汇聚节点；汇聚节点通过有线传输将数据传送至远程控制中心。

第二步，工业网络空闲，各簇节点依次发起与下级簇之间的链路测试，下级簇回复链路统计的RSSI值，链路质量的好坏由RSSI值（Received signal strengthindication）表示。

获得两个簇之间的链路质量数据，包括如下步骤：

步骤2.1测试开始时，首先由本簇簇内i号点（i从0开始）发送测试数据包至下级簇的所有节点，发送采取广播的形式，由一个点向多个点发送，其中最后一级中继簇中的节点仅进行点对点传送，发送测试数据包至汇聚节点。

步骤2.2下级簇节点接收测试数据包时记录接收数据时的RSSI值。本例中记为R_n,n+1,i,j。其中i表示节点为本簇内i编号的节点，j表示为下级簇中编号为j的节点。若测试包为多个，则取其平均值作为链路测试结果。当所有测试数据包发送结束，上级簇内发起测试的节点发送查询测试结果指令至下级簇内节点请求测试结果。

步骤2.3下级簇节点接收到测试请求指令，将测试得到的测试值R_n,n+1,i,j发送回发起测试的节点。

步骤2.4上级簇内节点接收到测试结果后将信息存储至数据表中，上级簇内第i+1号节点开始重复步骤2.1的过程。

在本实例中需要完成4个簇内共计12个节点的测试。

第三步，根据第二步测试得到的与上下级簇之间的链路质量，并结合历史的测试统计数据，中继节点簇簇内节点各自计算节点价值量。

在本实例中，对于簇n中的每一个节点，可以得到其与上级簇中簇首节点的链路统计质量R_h,n,i,j，以及与下级簇中的链路统计质量R_n,n+1,i,j。依据以上测试结果，定义节点的当前价值量为

$T_{n,i}=\frac{1}{m}{R}_{h,n,i,j}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{n,n+1,i,j},$

m为每个簇内的节点数，本实例中m为3。

除此之外引入历史价值量B_n,i，此价值量的定义为上一次计算的价值量。总价值量的计算公式如下。

V_n,i＝αT_n,i+(α-1)B_n,i，

其中α为平移权重，α值影响了当前时刻测试值对于节点真实价值的影响程度。α值越大表示簇首选择侧重于当前测试结果，环境变化的情况较多。α越小则越侧重于历史数据，在环境的变化相对平缓，突变情况发生概率较小。由此可以依次求出各簇中节点的价值量。

第四步，中继节点簇簇内节点交互第三步中计算得到的各节点的价值量，确定簇首节点。

源节点簇中簇首节点由第一步中所描述的轮询选择决定。

对于每个簇，通过以上的三步可以根据节点价值量V_n,i排序。依据节点价值量对节点进行排序，排序越靠前，价值量越高，节点的通信质量越好。簇首节点的确定是由节点价值量决定的，价值量最高的节点成为簇首节点。在本实例中，通过以上步骤在中继节点簇C1至C3簇内的三个节点中选取簇首节点。

第五步，在工业网络工作阶段，源节点簇内节点采集数据汇总至源节点簇的簇首节点，并通过由中继节点簇的簇首节点形成的路由链路传输至汇聚节点。其中传输过程引入数据重传机制以及应急机制。应急机制分为两种，一种为单次链路切换，第二种阶段链路切换。

以本实例中单次测试传输为例。选取C0，C1，C2，C3簇中的簇首节点依次为簇内的1号，0号，1号，2号节点。则在工作时隙内，各簇中节点采集到的数据汇总至簇首节点，C0中的1号节点将数据打包发送至簇C1中的0号节点，再由C1中的0号节点将所有数据打包发送至簇C2中的1号节点，再由簇C2中的1号节点将数据发送至簇C3中的2号节点，最后由簇C3中的2号节点将所有数据传输至终端执行器节点。

本实例中短时间链路切换举例，以簇C1为例，C1中的节点价值量由大到小排序依次为0号，2号，1号，因此其中0号为簇首节点。当0号簇首节点发生阻塞时，C0簇中簇首节点首先进行多次重传，重传多次仍然无回复则C0簇首节点将数据传送至C1簇内2号节点，即次优节点，成功完成传输。

本实例中阶段性链路切换距离，上述短时间链路切换中C0簇首节点多次将数据传送切换至C1簇内2号节点，则在此通信阶段中将C1簇簇首节点永久更改为2号节点，舍弃1号节点。则在下一次数据传输中，C0簇首节点直接将数据传输至C1簇中2号节点。

需要说明的是，源节点簇中的节点作为信息传输的发起节点，在一个周期中仅有一个节点参与信息传输，因此源节点簇中节点没有次序之分。

第六步，开始下一个工作周期，重复执行第二步到第五步直至整个工业过程完全结束。

本发明提供的基于动态路由的无线传感网络系统及其动态路由选择方法，提出了一种分簇结构，将工作节点分为多个模块，使其符合流程工业的特点；考虑了流程工业周期化特点，利用流程工业空闲时隙完成链路测试，动态选择路由链路，提高了传感网络数据传输时的可靠性；引入数据重传机制以及应急机制，能够有效地应对环境的突变等问题。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于动态路由的无线传感网络系统，用于工业应用，其特征在于，所述无线传感网络系统包括源节点簇与中继节点簇、汇聚节点以及控制中心，

所述源节点簇中的节点用于采集数据，所述源节点簇的簇首节点汇总所述源节点簇中的节点采集的数据，所述源节点簇的通信由所述源节点簇的簇首节点完成；

所述中继节点簇中的节点用于中继所述源节点簇传输的所述数据，所述中继节点簇的通信由所述中继节点簇的簇首节点完成；

所述汇聚节点用于汇总所述数据，并传输至控制中心；

所述控制中心用于处理所述数据，并进行相应的控制；

路由链路由所述源节点簇的簇首节点、所述中继节点簇的簇首节点以及汇聚节点组成；

在工业网络空闲阶段，进行链路测试以获得链路质量数据，根据所述链路质量数据选择所述源节点簇的簇首节点与所述中继节点簇的簇首节点，动态选择所述路由链路。

2.如权利要求1所述的基于动态路由的无线传感网络系统，其特征在于，所述源节点簇与所述汇聚节点之间设置一个或多个所述中继节点簇。

3.如权利要求1所述的基于动态路由的无线传感网络系统，其特征在于，链路质量数据为RSSI值，所述RSSI为接收信号强度指示值。

4.如权利要求1所述的基于动态路由的无线传感网络系统，其特征在于，所述中继节点簇的簇首节点为所述中继节点簇中价值量最大的节点。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于动态路由的无线传感网络系统的动态路由选择方法，其特征在于，所述动态路由选择方法包括以下步骤：

（1）在无线传感网络建立阶段，对所述节点进行分簇，采用轮询方式确定源节点簇的簇首节点；

（2）在工业网络空闲阶段，进行链路测试与路由选择；

（3）在工业网络工作阶段，进行数据采集并按照步骤（2）中选择的路由传输数据。

6.如权利要求5所述的动态路由选择方法，其特征在于，步骤（2）中网络测试与路由选择包括以下步骤：

（21）所述源节点簇中的节点与所述中继节点簇中的节点，依次发起与下级簇中的节点之间的链路测试，下级簇中的节点回复链路质量数据，其中，沿路由链路发送数据的簇为上级簇，沿路由链路接收数据的簇为所述下级簇；

（22）根据步骤（21）中得到的所述链路质量数据，所述中继节点簇中的各节点各自计算节点价值量；

（23）所述中继节点簇中的各节点交换步骤（22）中得到的各节点的价值量，确定价值量最大的节点为所述中继节点簇的簇首节点。

7.如权利要求6所述的动态路由选择方法，其特征在于，步骤（21）包括以下步骤：

（211）由上级簇中的i号节点，i为大于或等于0的整数，发送测试数据包至下级簇的所有节点或者所述汇聚节点；

（212）所述下级簇中的节点接收所述测试数据包时，记录接收数据时的RSSI值；

（213）当所有所述测试数据包发送结束，所述上级簇中的i号节点发送测试结果请求指令至所述下级簇中的节点，请求测试结果；

（214）所述下级簇节点接收到所述测试结果请求指令，将测试得到的所述RSSI值发送至所述上级簇中的i号节点；

（215）所述上级簇中的i号节点接收到所述RSSI值后，将所述RSSI值存储至数据表中；

（216）所述上级簇内第i+1号节点，重复步骤（21）-步骤（25）直至所述上级簇中的所有节点测试完毕。

8.如权利要求6所述的动态路由选择方法，其特征在于，步骤（22）中计算节点价值量的方法包括以下步骤：

（221）对于簇n中的每一个节点，节点的当前价值量为：

$T_{n,i}=\frac{1}{m}{R}_{h,n,i,j}\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{n,n+1,i,j},$

其中，R_h,n,i,j为所述节点与其上级簇的簇首节点的链路质量数据，R_n,n+1,i,j为所述节点与其下级簇中的节点的链路质量数据，m为簇n中节点的个数；

（222）节点的价值量为：

V_n,i＝αT_n,i+(α-1)B_n,i，

其中，B_n,i为上一次计算的价值量，α为平移权重。

9.如权利要求5所述的动态路由选择方法，其特征在于，所述步骤（3）中还包括应急机制。

10.如权利要求9所述的动态路由选择方法，其特征在于，所述应急机制包括以下步骤：

（31）上级簇的簇首节点发送数据包至下级簇的簇首节点，所述下级簇的簇首节点回复Ack信号至所述上级簇的簇首节点；

（32）如果所述上级簇的簇首节点收到Ack信号，转至步骤（31）；如果所述上级簇的簇首节点未收到Ack信号，转至步骤（33）；

（33）所述上级簇的簇首节点重新发送所述数据包，记录重传次数，转至步骤（32）直至所述重传次数达到设定值；

（34）所述上级簇的簇首节点发送所述数据包至所述下级簇中节点价值量次优的节点，所述上级簇的簇首节点记录改变次数，转至步骤（32）；

（35）所述改变次数达到设定值，所述下级簇的簇首节点改为所述下级簇中节点价值量次优的节点，转至步骤（31）。

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