CN104134332A - 一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，与现有技术相比解决了无线传感器网络的自组网方法无法适用于大规模网络的缺陷。本发明包括：预处理问候消息，无线传感器节点上电，根据网络情况设定信息发送时间间隔T，每个无线传感器节点建立自己的问候消息；问候消息更新处理，每个无线传感器节点发送问候消息，邻居节点根据接收到的问候消息更新本节点的问候消息；根据更新后的问候消息，组建通信网络；网络路径优化选择，利用所接收到的问候消息判断友好节点的数据发送优先级，从多条路由信息中选择最佳的路径发送数据。本发明只需更新每一个无线传感器节点的友好节点路由信息，降低了同一区域信道的占用时间。

Description

一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法

 

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术领域，具体来说是一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法。

 

背景技术

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域，它综合了传感器技术、信息处理技术和网络通信技术，是信息技术中的一个新的领域。无线传感器网络由成千上万个高密度分布的、处于被观测对象内部或周围的无线传感器节点组成，部署在楼宇、田间、山脉、桥梁、公路等地方，具有广泛的应用前景，范围涵盖医疗、军事、家庭等多个领域。无线传感器网络的实现采用的是自组织网络技术，由无线传感器节点采集到的信息，通过其他节点逐跳地进行传输，经过多跳后最终传回数据处理中心进行处理。但是当无线传感器节点的数目非常庞大时，部署这些节点需要耗费大量的人力、物力以及时间，手动配置也比较困难，所以在无线传感器网络中，通常需要满足无线传感器节点的零配置、零监管、自组织、自维护等条件。

为了实现无线传感器网络中节点之间的部署、配置、维护和数据传输，在现有的无线传感器网络路由协议中，一般采用的是集中式路由的方式或者广播式获取路由的方式：集中式路由方式是指对所有的传感器节点进行集中管理，利用中心节点收集数据并发出相应指令；而广播式获取路由的方式则指在需要的时候，实时性的发出请求以期得到所需节点的路由信息。

但是，现有技术中的这两种路由组网方式计算和处理都过于集中，需要统一的收集数据和发送指令，会在短时间内大量占用同一区域的信道，很容易引起网络拥堵，并且由于无线传感器节点自身的存储和计算能力限制非常大，无法支持比较深的路由深度，所以这些现有的路由协议无法满足大规模的无线传感器网络要求，不适合组建大规模无线传感器网络。台区集抄系统是电力数据获得的重要手段，其网络规模庞大、节点数量多，致使无线网络技术无法在台区集抄系统中很好的应用，在组网过程中经常出现网络堵塞、速度缓慢的问题。如何开发出一种可以适用于台区集抄系统的无线传感器网络自组网方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中无线传感器网络的自组网方法无法适用于大规模网络的缺陷，提供一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，包括以下步骤：

预处理问候消息，无线传感器节点上电，根据网络情况设定信息发送时间间隔T，每个无线传感器节点建立自己的问候消息；

问候消息更新处理，每个无线传感器节点发送问候消息，邻居节点根据接收到的问候消息更新本节点的问候消息；根据更新后的问候消息，组建通信网络；

网络路径优化选择，利用所接收到的问候消息判断友好节点的数据发送优先级，从多条路由信息中选择最佳的路径发送数据。

所述的预处理问候消息包括以下步骤：

根据网络情况设定时间间隔T，无线传感器节点上电，网内每一个无线传感器节点发送端在第一个时间间隔T内发送问候消息，问候消息包括自身路由信息；

每一个无线传感器节点接收端接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息；

根据问候消息中的自身路由信息建立邻居表信息，从接收到的问候消息中的自身路由信息，解析出发送端节点的MAC层源地址，建立领居表，邻居表包括邻居节点地址、接收到的邻居节点发送信息的信号强度、与邻居节点的链路质量、与邻居节点的链路可靠度；

解析收到的问候消息中邻居节点的自身路由信息，根据收到问候消息的节点组建友好节点列表，将其对应的自身路由信息组成友好节点路由信息；

将友好节点路由信息和邻居表信息加入问候消息中，建立各无线传感器节点新的问候消息，新的问候消息包括自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息。

所述的问候消息更新处理包括以下步骤：

待第二个时间间隔T，每一个无线传感器节点发送包含自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息；

每一个无线传感器节点接收端再次接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息，分别解析问候消息中的自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息；

解析发送端节点问候消息中的MAC层源地址，检索节点接收端的邻居表，若邻居表中没有该地址，则将该MAC层源地址添加至邻居表中并添加邻居表内的相关信息；若邻居表中存在该地址，则将邻居表中该MAC层源地址原信息进行邻居表的更新；

解析问候消息中友好节点路由信息，检索节点接收端的友好节点路由信息列表，若没有该路由信息，将收到的友好节点路由信息添加至友好节点路由信息列表中；若有该路由信息，将友好节点路由信息列表中该友好节点路由信息进行更新。

所述的网络路径优化选择包括以下步骤：

计算领居表中的与邻居节点的链路可靠度LR，其计算方法如下：

LR = A(TSysRun/TRecHello)

其中，LR为链路可靠度，A为运算系数，TSysRun为无线传感器节点上电后运行时间，TRecHello为无线传感器节点上电后接收到邻居节点发送的问候消息次数；

根据链路可靠度LR判断该节点所对应的邻居节点的数据发送优先级，当LR值越小时，TRecHello越大，则邻居节点越可靠，作为优先选择路径；当LR值越大时，TRecHello越小，则邻居节点越不可靠，作为最差选择路径。

 

有益效果

本发明的一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，与现有技术相比只需更新每一个无线传感器节点的友好节点路由信息，而无需转发整个问候消息，所传输的信息量较小，不受网络节点的存储和计算能力限制，不会引起同一时间大量转发信息造成的网络拥堵，降低了同一区域信道的占用时间。

本发明所述的方法灵活随机性较强，随时可以容纳新的节点自动加入网络而无需人工参与配置，并且极易维护，能够智能选择数据传输路径，大大提高了网络的自行修复更新能力，能够实现网络节点的零配置、零监管、自组织、自维护。能够达到20条左右较深的路由深度，远远大于现有技术的网络协议中仅能够支持5-10级网络，能够更好地满足大规模的无线传感器网络要求，适合用来组建大规模无线传感器网络，最大通信距离可以达到1200米。

 

附图说明                      

图1为本发明的方法流程图

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，包括以下步骤：

第一步，预处理问候消息，无线传感器节点上电，根据网络情况设定信息发送时间间隔T，每个无线传感器节点建立自己的问候消息。无线传感器节点在上电前，其问候消息中只有自己的信息，没有邻居节点的信息，因此先预处理问候消息，用于后面的问候消息更新。其具体包括以下步骤：

（1）无线传感器节点上电，打开无线传感器节点的射频开关，将问候消息在输出时进行信号放大并发送，根据网络情况设定时间间隔T，网内每一个无线传感器节点发送端在第一个时间间隔T内发送问候消息，问候消息包括自身路由信息。为了能够适应问候消息的大小和更新要求，需要选择适当的时间间隔T来发送和接收问候消息，时间过长则系统不能够及时获取最新信息，过短则会导致应用数据传输困难。优选的，时间间隔T为3分钟。为了适应行业应用中国家无线电管理委员会对国家无线电频谱划分的规定，将民用计量仪器仪表的无线电通信划分在470MHZ~510MHZ范围内，发射功率的最大限值为：50mW。所以优选地，无线传感器节点通信频率范围为470MHZ~510MHZ，发射功率为50mW。

由于此时无线传感器节点还未曾接收过友好节点的路由信息，所以这里无线传感器节点能够发送的只有自身路由信息。无线传感器节点发送广播消息，在此无线传感器节点范围内的其他邻居节点则接收消息，从而达到将自身路由信息发送给邻居节点的目的。

（2）每一个无线传感器节点接收端接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息。无线传感器节点判断接收到的是否是问候消息，如果不是，则继续等待接收；如果是，则顺利接收。在信息接收的过程中，无线传感器接收端的射频开关一直处于开启状态，在接收到问候信息后，将接收到的射频信号进行低噪声放大、滤波处理，将频率不同的波过滤，然后将同波段的信号接收并处理。

（3）根据问候消息中的自身路由信息建立邻居表信息，从接收到的问候消息中的自身路由信息，解析出发送端节点的MAC层源地址。网络节点根据监听接收到的问候消息中邻居节点的信息来建立邻居表并得到相应信息，这样可以更好地掌握自身节点周围一跳范围内的邻居节点的情况。建立邻居表，邻居表包括邻居节点地址、接收到的邻居节点发送信息的信号强度、与邻居节点的链路质量、与邻居节点的链路可靠度。邻居节点地址即邻居节点的MAC层源地址；接收到的邻居节点发送信息的信号强度、与邻居节点的链路质量、与邻居节点的链路可靠度用于后期在路径选择中进行优先级判断而使用。

（4）解析收到的问候消息中邻居节点的自身路由信息，根据收到问候消息的节点组建友好节点列表，将其对应的自身路由信息组成友好节点路由信息。友好节点路由信息则为邻居节点的自身路由信息，通过友好节点路由信息可以把自身节点附近的多个节点信息给统计归纳出来，这些友好节点均为本节点的邻居节点。

（5）将友好节点路由信息和邻居表信息加入问候消息中，建立各无线传感器节点新的问候消息，新的问候消息包括自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息。新的问候消息完成了问候消息的组建工作，自身路由信息是自己的路由信息，友好节点路由信息为与本节点相邻的邻居节点的路由信息（即本节点下一个路径可以选择的节点，可以有多个，也可以只有一个），邻居表信息则为邻居节点的相信信息，以供路径优先级选择而使用。

第二步，问候消息更新处理，每个无线传感器节点发送问候消息，邻居节点根据接收到的问候消息更新本节点的问候消息；根据更新后的问候消息，组建通信网络。由网络中的每一个无线传感器节点分别发送问候消息，从而能够将自身节点和友好节点的路由信息通过广播发送出去，并且可以根据从邻居节点接收到的信息来及时更新自身的友好节点路由信息，从而方便组建路径。其具体步骤如下：

（1）待第二个时间间隔T，每一个无线传感器节点发送包含自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息。此时的问候消息不仅包括了自身节点的路由信息，还包括了根据之前接收到问候消息所创建的友好节点列表和其路由信息，另外为了更好地掌握无线传感器节点的状态，问候消息中还包括了友好节点到自身节点的链路质量信息。

（2）每一个无线传感器节点接收端再次接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息，分别解析问候消息中的自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息。

（3）解析发送端节点问候消息中的MAC层源地址，检索节点接收端的邻居表。若邻居表中没有该地址，说明这可能是新加入的无线传感器节点，将该MAC层源地址添加至邻居表中并添加邻居表内的相关信息，以此实现了可以随时容纳新的节点自动加入网络而无需人工参与配置。若邻居表中存在该地址，则将邻居表中该MAC层源地址原信息进行邻居表的更新，成为最新的邻居表版本。

（4）解析问候消息中友好节点路由信息，检索节点接收端的友好节点路由信息列表。若有该路由信息，将友好节点路由信息列表中该友好节点路由信息进行更新，保证了友好节点路由信息的准确性。若没有该路由信息，将收到的友好节点路由信息添加至友好节点路由信息列表中，在此等于是添加了邻居节点的友好节点路由信息。通过这种添加，可以将原先多个非邻居节点连接起来。多个邻居节点在其中充当了路径中转站的作用，通过多个邻居节点形成多条路径。而这种路径的建立，并没有广播消息在整个无线网络上大范围传输，而只是存在于邻居节点之间这样的极小范围内，因此所传输的信息量较小，不受网络节点的存储和计算能力限制，不会引起同一时间大量转发信息造成的网络拥堵，降低了同一区域信道的占用时间。

第三步，网络路径优化选择，利用所接收到的问候消息判断友好节点的数据发送优先级，从多条路由信息中选择最佳的路径发送数据。由于每个无线传感器节点的邻居节点可能有多个，那么就可能会出现到达某一节点存在多条路径，则需要从多条路径中选择最优路径，最大程度优化网络。可以利用邻居表信息来判断数据发送优先级，以便从多条路由信息中选择更加可靠、更加快捷的路径发送数据。其具体步骤如下：

（1）计算领居表中的与邻居节点的链路可靠度LR，其计算方法如下：

LR = A(TSysRun/TRecHello)

其中，LR为链路可靠度；A为运算系数，与信号强度相关；TSysRun为无线传感器节点上电后运行时间；TRecHello为无线传感器节点上电后接收到邻居节点发送的问候消息次数。

（2）根据链路可靠度LR判断该节点所对应的邻居节点的数据发送优先级，从链路可靠度LR公式可以看出，当LR值越小时，TRecHello越大，则邻居节点越可靠，路径所经历的节点数越少或通信质量好，可以作为优先选择路径。当LR值越大时，TRecHello越小，则邻居节点越不可靠，作为最差选择路径，尽量避开此路径的选择。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，其特征在于，包括以下步骤：

11）预处理问候消息，无线传感器节点上电，根据网络情况设定信息发送时间间隔T，每个无线传感器节点建立自己的问候消息；

12）问候消息更新处理，每个无线传感器节点发送问候消息，邻居节点根据接收到的问候消息更新本节点的问候消息；根据更新后的问候消息，组建通信网络；

13）网络路径优化选择，利用所接收到的问候消息判断友好节点的数据发送优先级，从多条路由信息中选择最佳的路径发送数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，其特征在于，所述的预处理问候消息包括以下步骤：

21）根据网络情况设定时间间隔T，无线传感器节点上电，网内每一个无线传感器节点发送端在第一个时间间隔T内发送问候消息，问候消息包括自身路由信息；

22）每一个无线传感器节点接收端接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息；

23）根据问候消息中的自身路由信息建立邻居表信息，从接收到的问候消息中的自身路由信息，解析出发送端节点的MAC层源地址，建立领居表，邻居表包括邻居节点地址、接收到的邻居节点发送信息的信号强度、与邻居节点的链路质量、与邻居节点的链路可靠度；

24）解析收到的问候消息中邻居节点的自身路由信息，根据收到问候消息的节点组建友好节点列表，将其对应的自身路由信息组成友好节点路由信息；

25）将友好节点路由信息和邻居表信息加入问候消息中，建立各无线传感器节点新的问候消息，新的问候消息包括自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，其特征在于，所述的问候消息更新处理包括以下步骤：

31）待第二个时间间隔T，每一个无线传感器节点发送包含自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息；

32）每一个无线传感器节点接收端再次接收相邻的无线传感器发送端节点所发送的问候消息，分别解析问候消息中的自身路由信息、友好节点路由信息和邻居表信息的问候消息；

33）解析发送端节点问候消息中的MAC层源地址，检索节点接收端的邻居表，若邻居表中没有该地址，则将该MAC层源地址添加至邻居表中并添加邻居表内的相关信息；若邻居表中存在该地址，则将邻居表中该MAC层源地址原信息进行邻居表的更新；

34）解析问候消息中友好节点路由信息，检索节点接收端的友好节点路由信息列表，若没有该路由信息，将收到的友好节点路由信息添加至友好节点路由信息列表中；若有该路由信息，将友好节点路由信息列表中该友好节点路由信息进行更新。

4.根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络技术的台区集抄系统动态自组网方法，其特征在于，所述的网络路径优化选择包括以下步骤：

41）计算领居表中的与邻居节点的链路可靠度LR，其计算方法如下：

LR = A(TSysRun/TRecHello)

其中，LR为链路可靠度，A为运算系数，TSysRun为无线传感器节点上电后运行时间，TRecHello为无线传感器节点上电后接收到邻居节点发送的问候消息次数；

42）根据链路可靠度LR判断该节点所对应的邻居节点的数据发送优先级，当LR值越小时，TRecHello越大，则邻居节点越可靠，作为优先选择路径；当LR值越大时，TRecHello越小，则邻居节点越不可靠，作为最差选择路径。