CN104394570A - 一种无线数据采集节点网络路由建立的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及物联网无线传输信息采集领域。一种无线数据采集节点网络路由建立的方法，包括如下步骤：1）信息发送节点发送建立路由信标；2）信息采集节点转发所述建立路由信标；信息发送节点及采集节点之间采用主节点查询方式用于节点之间的识别和定位；信息发送节点发送节点查询信息，建立主节点查询链表，依次查询区域内所有节点，建立从节点查询链表，节点之间采用节点内信息传送方式用于信息的传递，完成节点间的通信。本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法，能够自适应查找变化的节点，建立节点网络拓扑结构，实现一个大的区域内无线节点的查找和数据通信。算法高效合理，能够提升无线数据采集节点网络路由建立的效率及可靠性。

Description

一种无线数据采集节点网络路由建立的方法

技术领域

本发明涉及物联网无线传输信息采集领域，特别是涉及一种无线数据采集节点网络系统中建立路由的方法。

背景技术

物联网无线传感网络数据传输与采集技术是一种以社区应用环境的无线数据系统的无线数据信息收集的路由建立方法，用以解决以社区应为应用环境的水、电、热、气、安全告警、视频监控等的智能社区应用。

目前小区的信息采集，基本是人工或人工参与的非智能采集系统，这种采集系统，浪费了大量的人力、物力成本，而且不够准确和及时。随着科学技术的发展，无线通信技术得到广泛应用。因其具有容易实现、工程量小、投入成本低、通信可靠等特点广泛应用于解决智能小区水、电、热、气、温度、湿度、安全告警、视频监控等信息的采集和处理。

而技术的进步和更新是永无止境的，为了保障无线信息接入系统通信的可靠性，目前本领域技术人员对固定节点无线数据采集接入系统及其建立路由和组网方法的研究，一直在不断地探索中。

发明内容

本发明针对现有技术不足，提出了一种无线数据采集节点网络路由建立的方法，提升了无线数据采集节点网络的路由建立的效率及可靠性。

本发明所采用的技术方案：

一种无线数据采集节点网络路由建立的方法，对于由信息发送节点以及信息采集节点建立的固定节点无线数据接入系统（所谓固定节点是指位置相对固定，例如无线计量表终端，接受数据的位置相对固定，接受其他节点发来的无线数据。典型的应用就是智能社区的计量表节点。下文所述的信息采集节点和信息发送节点均属于固定节点），其无线数据采集节点网络路由建立的方法包括如下步骤：

1）信息发送节点（ISU Information Send Unit）发送建立路由信标； 

2）信息采集节点（ICU Information Collect Unit）转发所述建立路由信标；

信息发送节点及信息采集节点之间采用主节点查询方式用于节点之间的识别和定位；所有节点不用地址设置，节点的地址通过查询得到；发送节点和采集节点之间采用节点内信息传送方式用于信息的传递；

所述主节点查询方式工作流程如下：

步骤a，设定任意一个信息发送节点为主节点，通过该主节点发送查询消息，查询其余所有的节点；根据每个节点的关键字，缩小查询范围，直到收到相应的关键字对应的从节点S1, S为节点英文代号，1为序列；

步骤b，重复步骤a的过程，查询信息发送节点无线信号覆盖区域，该无线信号覆盖的一定区域所有的节点相应；对所有查询的节点中，已经被正确查询的节点不再响应，没有被正确查询的节点响应发送节点的查询，根据查询结果，得到发送节点查询的节点集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}，S为所查询的节点集合名字，S1、S2、S3、…、Sn为所查到的节点。从1、2、3、开始排列。一直到第n个；

步骤c，以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}的节点为发送节点，重复步骤a、步骤b的过程，递归查询服务区域的所有信息采集节点；

步骤d，每个节点的信息发送节点和信息采集节点绑定在一起，信息采集节点采集信息，信息发送节点接收信息采集节点信息并发送采集到的信息。

所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，节点查询关键约束如下：

（1）、已经通过查询定位的子节点，不在响应之列；

（2）对于区域内没有定位的子节点，均需响应，以此找到最大区域的发送节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}，M为最大发送的节点序列集合。M1、M2、…、Mn为所查到的节点。从1、2、3、开始排列。一直到第n个；

（3）根据查找顺序，取得查询列表，以链表方式表示；

（4）主链表如下表示：Lm：{Lm1、Lm2、…、Lmn}，Lm为链表。Lm1、Lm2、…、Lmn为链表内的元素。共计Lm1、Lm2、…、Lm个元素。其中1、2、3、…、m为m个数据，表示m个序列；

（5）每个主链表下采集节点链表如下表示：Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}，Ls为采集的节点链表。Ls1、Ls2、…、Lsk为链表元素；

（6）根据查询结果，形成一个小区无线节点分布图。

所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，节点间采用内部协议通信，节点间通信方式如下：

（1）信息采集中心发命令，由信息发送节点定时查询集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}；

（2）以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}内的节点为发送节点，定时查询区域内的采集节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}；

（3）以集合M：{M1、M2、…、Mn}为发送节点，定时查询其下的采集节点链表Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}所有节点的信息上报。

所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，信息采集节点记录周围的场强信息并反馈回信息发送节点；信息发送节点接收信息采集节点反馈的场强信息后，建立相应的场强信息数据库，并通过对该场强信息数据库中的相应场强信息进行分析后，建立上述固定节点无线数据接入系统无线自组织网络的路由表，组建固定节点无线数据接入系统无线自组织网络。

信息发送节点发送节点查询信息。根据场强，信息接收节点收到信息发送节点查询信息，建立查询主节点。有主节点建立查询链表。建立从节点查询链表。依次查询区域内所有节点。完成节点的通信。

当信息发送节点发送采集信息时，信息发送节点有休眠变为激活状态，发送节点查询信息。信息采集节点收到信息发送节点发送的查询信息，有休眠变为激活状态，采集信息，发送所采集的信息。信息采集节点发送信息结束后，有激活状态转变为休眠状态。当信息发送节点收到信息采集节点发送的信息后，信息发送节点有激活状态变为休眠状态。如果在一定的时间，如1秒钟，没有收到信息采集节点的信息，也变为休眠状态。并记录信息采集节点失联。

发明的有益效果：

1、本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法，提出一个高效合理的算法，用该算法能够实现一个大的区域内，无线节点的查找和数据通信。当节点发生变化时，能够自适应查找变化的节点。根据新的查找节点表，而建立新的节点拓扑结构。可为用户实时准确的数据采集、监测、控制提供无缝的、高速实时的、可靠的、低成本的解决方案；且提升了路由建立的效率及可靠性。

2、本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法，提升了无线数据信息接入系统中路由建立的效率，具有低功耗、低成本、使用方便、操作简单的特点。无线节点间数据的传输快捷方便，不会因为节点的变化而有任何影响，有效可靠的解决了小区的各种信息采集。信息收集正确、完整，信息收集周期可以根据用户需求随时修改，极大的增强了系统收集的灵活性。

附图说明

图1：本发明无线数据采集节点网络系统总体结构示意图；

图2：本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法流程图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

参见图1、图2，本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法，对于由信息发送节点以及信息采集节点建立的固定节点无线数据接入系统，其路由建立的方法包括如下步骤：

1）信息发送节点（ISU Information Send Unit）发送建立路由信标； 

2）信息采集节点（ICU Information Collect Unit）转发所述建立路由信标；其与现有技术不同的是：信息发送节点及信息采集节点之间采用主节点查询方式用于节点之间的识别和定位；信息发送节点发送节点查询信息，其他信息发送节点收到信息发送节点查询信息，设置任一节点为主节点，建立主节点查询链表，依次查询区域内所有节点，建立从节点查询链表，发送节点和采集节点之间采用节点内信息传送方式用于信息的传递，完成节点间的通信。

实施例2

参见图1、图2，本实施例的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其与实施例1进一步不同的是：在信息发送节点和信息采集节点设置为内部方法休眠/激化方法，开始所有的节点均为休眠方式，主节点根据场强信号的大小查询区域内所有的节点，形成一个节点分布图；当信息发送节点发送采集信息时，信息发送节点有休眠变为激活状态，发送节点查询信息，信息采集节点收到信息发送节点发送的查询信息，由休眠变为激活状态，采集信息，发送所采集的信息；信息采集节点发送信息结束后，由激活状态转变为休眠状态；当信息发送节点收到信息采集节点发送的信息后，信息发送节点有又由激活状态变为休眠状态；信息发送节点如果在一定的时间内，没有收到信息采集节点的信息，也变为休眠状态，并记录信息采集节点失联。

实施例3

参见图1、图2，本实施例的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其与实施例1或实施例2进一步不同的是：所有节点不用地址设置，节点的地址通过查询得到；主节点查询方式工作流程如下：

步骤a，设定任意一个信息发送节点为主节点，通过该主节点发送查询消息，查询其余所有的节点；根据每个节点的关键字，缩小查询范围，直到收到相应的关键字对应的从节点S1；

步骤b，重复步骤a的过程，查询信息发送节点无线信号覆盖区域，该无线信号覆盖的一定区域所有的节点相应；对所有查询的节点中，已经被正确查询的节点不再响应，没有被正确查询的节点响应发送节点的查询，根据查询结果，得到发送节点查询的节点集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}；

步骤c，以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}的节点为发送节点，重复步骤a、步骤b的过程，递归查询服务区域的所有信息采集节点；

步骤d，每个节点的信息发送节点和信息采集节点绑定在一起，信息采集节点采集信息，信息发送节点接收信息采集节点信息并发送采集到的信息。

节点查询关键约束如下：（1）已经通过查询定位的子节点，不在响应之列；

（2）对于区域内没有定位的子节点，均需响应，以此找到最大区域的发送节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}；（3）根据查找顺序，取得查询列表，以链表方式表示；

（4）主链表如下表示：Lm：{Lm1、Lm2、…、Lmn}；（5）每个主链表下采集节点链表如下表示：Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}；（6）根据查询结果，形成一个小区无线节点分布图。

实施例4

本实施例的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其实施例3进一步不同的是：节点间采用内部协议通信，节点间通信方式如下：

（1）信息采集中心发命令，由信息发送节点定时查询集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}；

（2）以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}内的节点为发送节点，定时查询区域内的采集节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}。

（3）以集合M：{M1、M2、…、Mn}为发送节点，定时查询其下的采集节点链表Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}所有节点的信息上报。

所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，信息采集节点记录周围的场强信息并反馈回信息发送节点；信息发送节点接收信息采集节点反馈的场强信息后，建立相应的场强信息数据库，并通过对该场强信息数据库中的相应场强信息进行分析后，建立上述固定节点无线数据接入系统无线自组织网络的路由表，组建固定节点无线数据接入系统无线自组织网络。

参见图1、图2，本发明无线数据采集节点网络路由建立的方法，包括：步骤S10、信息发送节点发送建立路由信标；步骤S11、信息采集节点转发所述建立路由信标；步骤S12、信息采集节点记录周围的场强信息并反馈回信息发送节点。

采集节点查询工作流程如下：发送节点发送查询消息。由于是节点查询，需要查询所有的节点。每个节点都有其关键字，可以是时间序列。无线信号覆盖的一定区域，所有的节点相应。由于发送节点接受的信息是无序的，所以，发送节点缩小查询时间序列范围，继续查询。直到收到正常的查询时间序列，此时的采集节点为S1。S1为从接点。该固定节点无线数据的无线自组织网络中主要包括信息发送节点40、信息采集节点30、信息收集中心（ICC Information Collection Center）20、中央控制平台100。在固定节点无线数据接入系统中，ISU和ICU是与用户的数据采集设备以及数据处理设备，相互连接，协调工作，共同构成完整的数据采集接入系统。信息收集中心20通过网关10与中央控制平台100通讯。

固定节点无线数据接入系统无线自组网作为信息发送节点的下行采集通道，实现信息发送节点和电表之间的数据的透明传输，具体的方式如下：将电表作为一个计量点，同时也是一个数据采集点，ISU安装在电表侧；ISU的安装既可以嵌入到电表中，与电表形成一体化的设计，成为固定节点无线数据接入系统无线电表，同时也可以设置于信息采集节点与电表的485总线相连，形成485信息采集节点；将ICU安装在信息发送节点侧，信息发送节点可以将ICU嵌入到信息发送节点中，也可以通过485或232接口与信息发送节点连接。构建好以上的机构之后，即可开通组网，形成固定节点无线数据接入系统的下行网络，该网络可以形成信息发送节点和电表之间的透明的通信通道，实现电表和信息发送节点之间的透明数据采集，信息发送节点可以通过645规约，直接读取网内任意电表的参数。本实施例中，ISU设置于信息采集节点，ICU设置于信息发送节点。安装在信息发送节点的ICU与安装在信息采集节点的ISU之间可以通信，而ISU相互之间不能直接通信，但可以转发数据。

上述主站可用于规划网络结构，确定微蜂窝地域及数量，形成蜂窝结构；并根据该蜂窝结构确定ICU的编码方案；以及根据该ICU的编码方案，分配频率资源给ICU，确定ISU的物理ID及逻辑ID，形成两者的ID映射表。

设置有ICU的信息发送节点，可从该主站中下载该ID映射表，并在确定所有的ISU都在线后，指示ICU建路由，组网络。

首先，上述信息发送节点的ICU发出建立路由信标（组网信标），由于固定节点无线数据接入系统中网络特性，该组网信标只能发送至ICU附近的第一级信息采集节点中ISU，本实施例中的固定节点无线数据接入系统为多级多跳（MESH）的网络结构。因此，该组网信标还需通过接收到该组网信标的ISU继续转发，才能使其被固定节点无线数据接入系统中的所有ISU接收；且该ISU转发组网信标至其他ISU后，还可收集相应ISU的场强信息；该场强信息可包括：信息采集节点的ID以及信号强度等；该周围的场强信息可以是该信息采集节点可以转发到的其他信息采集节点的场强信息。上述信息采集节点可将收集的场强信息以多跳路由的方式进行传输，反馈至信息发送节点。该信息采集节点与信息采集节点之间，以及信息采集节点与信息发送节点之间通过Vifi方式进行通信。参照图2，上述步骤S12之前还包括：

步骤S120、信息发送节点发送场强收集指令。

上述信息发送节点的ICU在发送组网信标后的设定时隙内，再发送场强收集指令，进行场强信息的收集。该场强收集指令可通过多跳路由的方式在信息采集节点间转发，接收到该收集场强指令的信息采集节点可将相应的场强信息（其收集的场强信息）反馈给信息发送节点。

上述步骤S12之后还包括：

步骤S121、信息发送节点接收信息采集节点反馈的场强信息；

步骤S122、根据所述场强信息建立路由表。

上述信息发送节点接收信息采集节点反馈的场强信息后，建立相应的场强信息数据库，并通过对该场强信息数据库中的相应场强信息进行分析后，建立上述固定节点无线数据接入系统无线自组织网络的路由表，组建固定节点无线数据接入系统无线自组织网络。

上述步骤S11之前还包括：

步骤S110、信息采集节点通过TDMA（Time Division Multiple Access，时分多址）协议确认转发的时隙，以及通过CSMA（Carrier Sense Multiple Access，载波侦听多路访问）协议建立转发的侦测以及回避机制。增强了固定节点无线数据接入系统无线自组织网络中数据传输的可靠性，提升了传输效率。

上述固定节点无线数据接入系统无线自组织网络中存在两种数据传输方式：ISU发送数据给ICU或者ICU发送数据给ISU。同时，该固定节点无线数据接入系统无线自组织网络中，存在两种通信模式可供选择：信标使能通信和信标不使能通信。

在信标使能的通信模式中，ICU发起广播信标帧（组网指令或场强收集指令）。通信中使用基于TDMA时隙的CSMA-CA(CSMA with Collision Avoidance,载波侦听多路访问冲突检测)通道访问机制，ISU都通过ICU发送的信标帧进行同步。在时隙CSMA-CA机制下，每当ISU需要发送数据帧或命令帧时，首先定位下一个时隙的边界，即可在下一个可用时隙边界开始发送数据；如果通道忙，ISU需要重新等待随机个数的时隙，再检查通道状态，重复这个过程直到有空闲通道出现。在上述机制下，确认帧的发送不需要使用CSMA-CA机制，而是紧跟接收帧发送回源节点。

在信标不使能的通信模式中，ICU不发送信标帧，通信中使用非时隙CSMA-CA机制访问通道。该机制的通信过程如下：每当需要发送数据或者发送MAC（Medium Access Control，媒体访问控制）命令时，首先等待一段随机长度的时间，然后开始检测通道状态。如果信道空闲，立即开始发送数据。如果通道忙，则需要重复上面等待一段随机时间和检测通道状态的过程，直到能够发送数据。在设备接收到数据帧或命令帧而需要响应确认帧的时候，确认帧应紧跟着接收帧发送，而不使用CSMA-CA机制竞争机制。

信息发送节点的ICU发送组网信标开始组网过程后，进入组网进程第一阶段即网络测量阶段，在此阶段，网络拒绝响应任何操作指令；然后，进入组网进程第二阶段即网络学习阶段，在此阶段，网络可以响应主站的终止进程指令和回送学习结果指令；回送学习结果为组网进程第二阶段的一部分，将学习的结果根据回送学习结果指令进行回送，该指令为状态开关指令，如开启，则学习成功一个，回送一个，如关闭，则停止；再是，进程结束，ICU向信息发送节点的MCU发送进程结束指令。信息发送节点的MCU在收到该指令后，表示组网结束，在该指令中包括：在网节点数和不在网节点数。如此，可自动组建高效、可靠的固定节点无线数据接入系统无线自组织网络，进行电表参数的采集，极大地提高了电表参数采集的效率。

Claims (6)

1.一种无线数据采集节点网络路由建立的方法，对于由信息发送节点以及信息采集节点建立的固定节点无线数据接入系统，其路由建立的方法包括如下步骤：

1）信息发送节点发送建立路由信标； 

2）信息采集节点转发所述建立路由信标；

其特征是：信息发送节点及信息采集节点之间采用主节点查询方式用于节点之间的识别和定位；信息发送节点发送节点查询信息，其他信息发送节点收到信息发送节点查询信息，设置任一节点为主节点，建立主节点查询链表，依次查询区域内所有节点，建立从节点查询链表，信息发送节点和信息采集节点之间采用节点内信息传送方式用于信息的传递，完成节点间的通信。

2.根据权利要求1所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其特征在于：在信息发送节点和信息采集节点设置为内部方法休眠/激化方法，开始所有的节点均为休眠方式，主节点根据场强信号的大小查询区域内所有的节点，形成一个节点分布图；当信息发送节点发送采集信息时，信息发送节点有休眠变为激活状态，发送节点查询信息，信息采集节点收到信息发送节点发送的查询信息，由休眠变为激活状态，采集信息，发送所采集的信息；信息采集节点发送信息结束后，由激活状态转变为休眠状态；当信息发送节点收到信息采集节点发送的信息后，信息发送节点有又由激活状态变为休眠状态；信息发送节点如果在一定的时间内，没有收到信息采集节点的信息，也变为休眠状态，并记录信息采集节点失联。

3.根据权利要求1或2所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其特征在于：所有节点的地址通过查询得到；主节点查询方式工作流程如下：

步骤a，设定任意一个信息发送节点为主节点，通过该主节点发送查询消息，查询其余所有的节点；根据每个节点的关键字，缩小查询范围，直到收到相应的关键字对应的从节点S1, S为节点英文代号，1为序列；

步骤b，重复步骤a的过程，查询信息发送节点无线信号覆盖区域，该无线信号覆盖的一定区域所有的节点相应；对所有查询的节点中，已经被正确查询的节点不再响应，没有被正确查询的节点响应发送节点的查询，根据查询结果，得到发送节点查询的节点集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}，S为所查询的节点集合名字，S1、S2、S3、…、Sn为所查到的节点，从1、2、3开始排列，一直到第n个；

步骤c，以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}的节点为发送节点，重复步骤a、步骤b的过程，递归查询服务区域的所有信息采集节点；

步骤d，每个节点的信息发送节点和信息采集节点绑定在一起，信息采集节点采集信息，信息发送节点接收信息采集节点信息并发送采集到的信息。

4.根据权利要求3所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其特征在于：节点查询关键约束条件如下：

（1）已经通过查询定位的子节点，不在响应之列；

（2）区域内没有定位的子节点均需响应，以此找到最大区域的发送节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}，从1、2、3开始排列，一直到第n个；其中M为最大发送的节点序列集合，M1、M2、…、Mn为所查到的节点，所述n为大于1的自然数；

（3）根据查找顺序，取得查询列表，以链表方式表示；

（4）主链表如下表示：Lm：{Lm1、Lm2、…、Lmn},Lm1、Lm2、…、Lmn为链表内的元素，Lm1、Lm2、…、Lmn为m个数据，Lm为链表，表示m个序列；

（5）每个主链表下采集节点链表如下表示：Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}，Ls为采集的节点链表，Ls1、Ls2、…、Lsk为链表元素；

（6）根据查询结果，形成一个小区无线节点分布图。

5.根据权利要求4所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其特征在于：节点间采用内部协议通信，节点间通信方式如下：

（1）信息采集中心发命令，由信息发送节点定时查询集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}；

（2）以集合S：{S1、S2、S3、…、Sn}内的节点为发送节点，定时查询区域内的采集节点系列集合M：{M1、M2、…、Mn}；

（3）以集合M：{M1、M2、…、Mn}为发送节点，定时查询其下的采集节点链表Ls：{Ls1、Ls2、…、Lsk}所有节点的信息上报。

6.根据权利要求1、2、4或5所述的无线数据采集节点网络路由建立的方法，其特征在于：信息采集节点记录周围的场强信息并反馈回信息发送节点；信息发送节点接收信息采集节点反馈的场强信息后，建立相应的场强信息数据库，并通过对该场强信息数据库中的相应场强信息进行分析后，建立上述固定节点无线数据接入系统无线自组织网络的路由表，组建固定节点无线数据接入系统无线自组织网络。