CN103929344A - 一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法。该网络由协调器和若干个路由器组成。所述路由器通过多跳的方式将信息无线发送给协调器。所述协调器与计算机通过有线方式相连，负责收集网络中所有路由器的信息。协调器与路由器通过制定相应的数据通信命令就能够组建网络。该方法组网简单，通用性强，网络具有自组织入网和网络自愈能力，能够防止孤立网络的存在，根据协调器收集到的信息可以确定整个网络的结构。本方法尤其适合应用在小型数据采集的无线网络。

Description

一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法

技术领域

本发明属于无线网络技术领域，涉及一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法。

背景技术

目前无线网络是国际上最为关注、涉及多学科高度交叉、知识高度集中的热点研究领域。无线网络节点可以按照需求布置在环境中，通过自组网方式形成网络，能够完成对各种环境信息的实时感知和采集。这些信息以无线方式发送出去，并以多跳方式传送到客户端。与有线通信方式相比，无线通信具有无需布线，低成本，灵活机动等特点。目前无线网络技术在军事、工业、医疗、交通等领域具有广阔的应用前景。

但是目前无线网络组建的在过程中，必须有相应的无线通信标准，和组网协议，网络组建流程比较复杂，组建网络的硬件设备受标准和协议的限制。要想了解组网过程和网络结构，必须进入设备的网络层。这就使得研究人员必须了解设备的通信标准，深入研究设备的网络层。才能够对整个网络结构以及网络的组建进行了解。而且目前很多网络不具备自组网能力，网络中有一个设备出现问题时，整个网络就不能正常工作，整个网络不具备自愈能力。

发明内容

本发明的目的是提出一种组网简单，通用性强，能够自组织组建网络并且整个网络能够自愈的无线树型网络及其组建方法。

本发明的技术解决方案是，组建的网络由协调器和若干路由器组成，协调器与计算机相连，负责收集网络中所有路由器的信息，协调器通过网络中所有路由器的地址、路由器的网络层数、协调器与路由器之间的父子关系、路由器与路由器之间的父子关系来确定整个网络的结构，网络的层数设定为N层；

其中协调器的工作流程如下：

(A)协调器上电后，判断是否收到新路由器的入网请求信息，如收到，回复入网请求信息到该路由器，然后，进入步骤(B)，如未收到，直接进入步骤(B)；

(B)协调器判断是否收到新路由器入网确认信息，如收到，回复入网确认信息到该路由器，然后，进入步骤(C)，如未收到，直接进入步骤(C)；

(C)协调器判断是否收到路由器的心跳信息或者路由转发信息，如收到，进行信息处理并回复该路由器，然后，进入步骤(D)，如未收到，直接进入步骤(D)；心跳信息和路由转发信息的数据格式相同，包括命令字，序列号，目标地址，本地地址，父节点地址，源地址，源地址网络层数，数据长度，采集的数据信息和CRC校验；

(D)协调器判断自己的心跳时间是否到达，如时间到达，发送自己的心跳信息到计算机，然后，返回到步骤(A)，如时间未到达，直接返回到步骤(A)；协调器的心跳信息包括网络中的路由器地址，路由器父节点地址，路由器所在网络层数，路由器采集的数据信息；

路由器的工作流程如下：

(1)路由器上电后，首先判断自己是否在网络中，如未在网络中进入步骤(2)，如在网络中，进入步骤(5)；

(2)路由器广播发送入网请求信息，如收到回复，将第一个回复的协调器或者路由器作为自己的父节点，自己为该父节点的子节点，提取该父节点的网络层数并加1来作为自己的网络层数，然后，进入步骤(3)，如未收到回复，直接返回步骤(1)；

(3)路由器判断自己的网络层数是否大于N，如不大于N，向自己的父节点发送入网确认信息，然后，进入步骤(4)，如大于N，直接返回步骤(1)；

(4)路由器判断是否收到父节点的入网确认信息的回复，如收到，置入网成功标志，然后，返回步骤(1)，如未收到，直接返回步骤(1)；

(5)路由器判断自己在网络中后，判断是否收到新路由器的入网请求信息，如收到，回复入网请求到该路由器，然后，进入步骤(6)，如未收到，直接进入步骤(6)；

(6)路由器判断是否收到新路由器入网确认信息，如收到，回复入网确认信息到该路由器，然后，进入步骤(7)，如未收到，直接进入步骤(7)；

(7)路由器判断是否收到子节点的心跳信息或者路由转发信息，如收到，回复信息到该子节点，然后，向自己的父节点转发该信息，然后，进入步骤(8)，如果未收到，直接进入步骤(9)；

(8)路由器判断是否收到自己父节点的回复，如收到，进入步骤(9)，如未收到，置离开网络的标志，然后，进入步骤(9)；

(9)路由器判断自己是否仍在网络中并且心跳时间到达，如在网络中且时间到达，向自己的父节点发送心跳信息，然后，进入步骤(10)，如已经离开网络或者时间未到达，直接返回步骤(1)；

(10)路由器判断是否收到父节点的心跳信息回复，如收到回复，返回步骤(1)，如未收到回复，置离开网络标志，然后，返回步骤(1)。

网络中的路由器会每隔3秒钟发送一次心跳信息到自己的父节点，该父节点再转发给自己的父节点，直到父节点为协调器。协调器会根据收到的心跳信息来确定路由器是否仍在网路中，如果协调器在设定的时间内收不到路由器的信息，协调器在整个网络结构表中删除该路由器。

网络中设备的物理地址是固定的，无线数据传输中的地址均为设备的物理地址。

网络的最大层数设定为5层。

协调器通过收集到的所有路由器的心跳信息确定整个网络的结构。

本发明的优点是：

1.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，网络组建的方法简单，不需要关注设备的网络层，不需要研究复杂的通信标准和组网协议，只要按照设定的数据通信命令就能组建网络；

2.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，该方法组建网络通用性强，相同设备甚至不同设备之间只要能够进行无线数据的收发就能够组建网络；

3.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，具有自组织入网能力，将新路由器放在网络覆盖范围内，能够自行的加入到网络中并上传数据。该网络的稳定性强，具有自愈能力，其中一个路由器出现问题，该路由器的子节点会寻找其他的路由器加入网络，不会影响整个网络的稳定运行，保证了数据传输的实时性和完整性。

4.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，通过本方法组建的网络由于限定了网络的层数，能够防止孤立网络的存在，因为当孤立网络存在时，网络的层数会超出设定的范围，这时路由器会放弃这个孤立网络从新寻找路由器加入网络，保证协调器能够采集到网络中所有路由器的信息。孤立网络指几个路由器之间相互通信，但不在协调器所在的网络中，所采集的信息最终不能传输给协调器。

5.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，该网络为树型网络，网络中的路由器具有数据转发的能力，这样增加了整个网络的覆盖能力，当环境中有障碍物影响通信效果时，可以在障碍物处放置路由器转发信息，保证数据的采集准确性和完整性。该网络尤其适合应用在小型数据采集的无线网络，如室内，煤矿井下和隧道等环境复杂的位置。

附图说明

图1是本发明协调器工作流程图

图2是本发明路由器工作流程图

图3是本发明实施例的网路结构图

图4是本发明实施例在自愈后的网路结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。本实例将对无线网络的组建，网络的运行和多跳传输以及网络的自愈进行讲述。煤矿井下环境复杂，瓦斯煤尘爆炸、煤与瓦斯突出等重特大事故频繁发生。为了保证井下人员和财产的安全，对于瓦斯浓度的实时监测至关重要。井下综合采煤机工作在采煤的掘进面，由于煤矿井下环境因素复杂且综采机又处在行进过程中，使铺设通信电缆十分困难，想要采集综合采煤机附近的瓦斯浓度以及瓦斯断电仪的状态，只能通过无线通信的方式。而单纯的点对点通信在复杂的煤矿环境下运行并不稳定，容易出现数据丢失的情况。本实施例中将无线树型网络应用到煤矿井下，完成了对综合采煤机附近的瓦斯浓度以及瓦斯断电仪的状态的实时采集。

其中协调器的物理地址为0x0001，协调器所在的网络层数为1。协调器通过有线方式经过井下、井上数据传输接口最终与计算机相连。其他的设备为路由器。0x0005和0x0002的网络层数为2。0x0006、0x0007、0x0008、0x0003、0x0004的网络层数为3，0x0009、0x0010的网络层数为4。其中0x0005为0x0006、0x0007、0x0008的父节点。各个节点的地址为设备的物理地址，在加入网络前已经设置好。

网络中路由器0x0003放置在综合采煤机上，实时采集综合采煤机附近的瓦斯浓度和瓦斯断电仪的工作状态，并通过路由器0x0002和协调器0x0001最终将采集的数据发送给计算机，完成数据的采集。网络中其他的路由器可以放置在井下不同位置，完成井下多种环境参数的采集和上传。

网络的组建流程如下：首先协调器0x0001正常工作在井下且与井下传输接口相连，然后将路由器0x0002上电，路由器0x0002上电后会广播发送入网请求，入网请求的格式如下：因为入网请求数据是广播发送的，所以目标地址为0xFFFF，入网请求的命令字为0xF00F，本地地址为0x0002。

协调器0x0001在收到0x0002的入网请求后会发送回复给0x0002，回复的格式如下：目标地址为0x0002，本地层数也就是协调器的网络层数为0x01。

路由器0x0002在收到了协调器的回复后，会解析回复内容，并把协调器当做自己的父节点，将自己的网络层数在父节点的层数上加1，也就是0x0002的层数变为2。

在确认自己的网络层数没有超过限定后，0x0002会发送入网确认信息到0x0001，发送的数据格式如下：

协调器0x0001在收到0x0002的入网确认信息后会发送回复到0x0002，回复的格式如下：

路由器在收到了父节点的入网确认回复后，将自己已经加入网络的标志置为1，然后每隔3秒钟发送一次心跳信息到自己的父节点。其中目标地址为本条信息要到达的地址为0x0001，本地地址是发送当前信息的地址0x0002，源地址指的发出此条心跳信息的路由器的地址为0x0002，父节点地址为路由器0x0002的父节点0x0001，数据长度为路由器0x0002要发送数据的字节数，没有数据时长度为0。数据指的是0x0002要上传的信息，没有数据时为空。

发送的数据格式如下：

以上是路由器0x0002加入网络的过程，当路由器0x0003准备加入网络时，路由器0x0003会广播发送入网请求，协调器0x0001和路由器0x0002在收到入网请求后，都会回复路由器0x0003，而0x0003会以第一个收到回复的节点作为父节点进行入网确认，然后加入网络。本实施例中0x0003以0x0002为自己的父节点加入了网络，当路由器0x0002到路由器0x0010都加入网络后，网络也就组建完成。

以下实例是网络的运行和多跳传输过程。所有路由器的信息是通过心跳最终转发到协调器然后发送给计算机。

以路由器0x0003的心跳信息为例，0x0003的父节点为0x0002，每隔3秒钟，路由器0x0003发送的心跳格式如下：其中目标地址为本条信息要到达的地址为0x0002，本地地址是发送当前信息的地址0x0003，源地址指的发出此条心跳信息的路由器的地址为0x0003，父节点地址为路由器0x0003的父节点0x0002，数据长度为路由器0x0003要发送数据的字节数。数据在本实例中为瓦斯的浓度和断电仪的工作状态。

路由器0x0002在接收到0x0003的心跳信息后，根据命令字判断为心跳信息，会回复此信息，回复格式如下：

然后路由器0x0002会将此心跳信息转发到自己的父节点，转发的数据格式如下：其中目标地址为此条信息要达到的地址，也就是0x0002的父节点地址0x0001，本地地址是发送此条信息的地址为0x0002，源地址仍为发送此条心跳信息的路由器地址0x0003，源地址层数仍为0x0003所在的层数3，父节点仍为源地址0x0003的父节点0x0002。

协调0x0001在收到了路由器0x0002转发的路由器0x0003的信息后，会回复此信息，回复格式如下：

经过转发后0x0003的心跳信息就已经发送到协调器0x0001。这条心跳信息包括命令字，序列号，目标地址，父节点地址，源地址，源地址网络层数，数据长度，采集的数据信息和CRC校验。当协调器收到所有路由器的心跳信息时，就可以分析出整个网络的结构。

协调器会发送所有路由器的心跳信息到计算机，达到了收集各个路由器节点的信息的目的。

以下是整个网络的自愈流程，当整个网络正常运行如图3所示时，假设路由器0x0008突然出现问题不能正常工作，路由器0x0010在发送自己的心跳信息到0x0008后一直得不到回复，经过5秒后，0x0010节点会置离开网络标志，然后会重新发送入网请求命令，在所有网络中的路由器的回复中，0x0010最先收到0x0006的回复，所以0x0010会以0x0006为自己的父节点，重新加入到网络中，形成了如图4所示的网络。

Claims (5)

1.一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，其特征在于：组建的网络由协调器和若干路由器组成，协调器与计算机相连，负责收集网络中所有路由器的信息，协调器通过网络中所有路由器的地址、路由器的网络层数、协调器与路由器之间的父子关系、路由器与路由器之间的父子关系来确定整个网络的结构，网络的层数设定为N层；

其中协调器的工作流程如下：

(A)协调器上电后，判断是否收到新路由器的入网请求信息，如收到，回复入网请求信息到该路由器，然后，进入步骤(B)，如未收到，直接进入步骤(B)；

(B)协调器判断是否收到新路由器入网确认信息，如收到，回复入网确认信息到该路由器，然后，进入步骤(C)，如未收到，直接进入步骤(C)；

(C)协调器判断是否收到路由器的心跳信息或者路由转发信息，如收到，进行信息处理并回复该路由器，然后，进入步骤(D)，如未收到，直接进入步骤(D)；心跳信息和路由转发信息的数据格式相同，包括命令字，序列号，目标地址，本地地址，父节点地址，源地址，源地址网络层数，数据长度，采集的数据信息和CRC校验；

(D)协调器判断自己的心跳时间是否到达，如时间到达，发送自己的心跳信息到计算机，然后，返回到步骤(A)，如时间未到达，直接返回到步骤(A)；协调器的心跳信息包括网络中的路由器地址，路由器父节点地址，路由器所在网络层数，路由器采集的数据信息；

路由器的工作流程如下：

(1)路由器上电后，首先判断自己是否在网络中，如未在网络中进入步骤(2)，如在网络中，进入步骤(5)；

(2)路由器广播发送入网请求信息，如收到回复，将第一个回复的协调器或者路由器作为自己的父节点，自己为该父节点的子节点，提取该父节点的网络层数并加1来作为自己的网络层数，然后，进入步骤(3)，如未收到回复，直接返回步骤(1)；

(3)路由器判断自己的网络层数是否大于N，如不大于N，向自己的父节点发送入网确认信息，然后，进入步骤(4)，如大于N，直接返回步骤(1)；

(4)路由器判断是否收到父节点的入网确认信息的回复，如收到，置入网成功标志，然后，返回步骤(1)，如未收到，直接返回步骤(1)；

(5)路由器判断自己在网络中后，判断是否收到新路由器的入网请求信息，如收到，回复入网请求到该路由器，然后，进入步骤(6)，如未收到，直接进入步骤(6)；

(6)路由器判断是否收到新路由器入网确认信息，如收到，回复入网确认信息到该路由器，然后，进入步骤(7)，如未收到，直接进入步骤(7)；

(7)路由器判断是否收到子节点的心跳信息或者路由转发信息，如收到，回复信息到该子节点，然后，向自己的父节点转发该信息，然后，进入步骤(8)，如果未收到，直接进入步骤(9)；

(8)路由器判断是否收到自己父节点的回复，如收到，进入步骤(9)，如未收到，置离开网络的标志，然后，进入步骤(9)；

(9)路由器判断自己是否仍在网络中并且心跳时间到达，如在网络中且时间到达，向自己的父节点发送心跳信息，然后，进入步骤(10)，如已经离开网络或者时间未到达，直接返回步骤(1)；

(10)路由器判断是否收到父节点的心跳信息回复，如收到回复，返回步骤(1)，如未收到回复，置离开网络标志，然后，返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，其特征在于：网络中的路由器会每隔3秒钟发送一次心跳信息到自己的父节点，该父节点再转发给自己的父节点，直到父节点为协调器。协调器会根据收到的心跳信息来确定路由器是否仍在网路中，如果协调器在设定的时间内收不到路由器的信息，协调器在整个网络结构表中删除该路由器。

3.根据权利要求1所述的一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，其特征在于：网络中设备的物理地址是固定的，无线数据传输中的地址均为设备的物理地址。

4.根据权利要求1所述的一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，其特征在于：网络的最大层数设定为5层。

5.根据权利要求1所述的一种自组织可自愈无线树型网络及其组建方法，其特征在于：协调器通过收集到的所有路由器的心跳信息确定整个网络的结构。