CN105491646A - 无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络 - Google Patents

无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络。所述方法包括：传感器节点向基站节点发送请求分配级别的请求指令；判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；若在第一预设时间内未收到分配级别指令，判断传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；若达到第一预设次数，传感器节点向全网发送广播命令；判断传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；若达到第二预设次数，传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。本发明可以快捷的实现无线传感器网线物自组网，且大大降低了系统的功耗。

Description

无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络
技术领域
本发明涉及无线传感器网络领域，特别是涉及一种无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络。
背景技术
无线传感器网络具有非常广阔的应用前景。但是无线传感器网络通常采用电池供电，放置在没有基础结构的地方，节点的通信能力十分有限。这就要求传感器节点具有自组织的能力，自动形成转发监测数据的多跳无线网络。
现有技术中已经存在多种针对无线传感器网络的自组网的实现算法，例如：
1、传统的洪泛算法(Flooding)，也是最早、最简单的路由协议。节点以广播的形式发送消息，接收到消息的节点再以广播形式转发数据包给所有的邻节点，这个过程重复执行，直到数据包到达目的地或者达到预先设定的最大跳数。
2、层次型自组织算法(LEACH，LowEnergyAdaptiveClusteringHierarchy)。LEACH是为无线传感器网络设计的低功耗自适应聚类路由算法，主要通过随机选择聚类首领、平均分摊中继通信业务来实现。
3、以数据为中心的自组织算法SPIN(SensorProtocolsforInformationViaNegotiation)。它的主要思想是通过高层的描述方式——元数据来命名传感数据。在发送真实的数据之前，传感器节点广播采集数据的描述信息元数据，当有相应的请求时，才有目的地发送数据信息。
现有的研究均在无线传感器网络的自组织算法上取得进展，但是也有其缺点：
如1)Flooding存在消息“内爆”和“重叠”的缺陷；2)LEACH的动态分簇带来了拓扑变换和大量广播这样的额外开销；3)SPIN中的元数据没有统一的形式，且其拓扑变化是局部性的，因此不适用于需要高可靠性的应用。
并且，现在的无线传感器网络的自组网的实现方式复杂，且功耗较高，如何简单快捷的实现无线传感器网络的自组网就成为本领域技术人员亟待解决的问题之一。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络，用于解决现有技术中无线传感器网络的自组网方式复杂且功耗高的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种无线传感器网络的自组网方法，所述无线传感器网络的自组网方法包括以下步骤：传感器节点向基站节点发送请求分配级别的请求指令；判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；若在第一预设时间内未收到分配级别指令，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；若达到第一预设次数，所述传感器节点向全网发送广播命令；判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间；若达到第二预设时间，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；若达到第二预设次数，所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
于本发明的一实施例中，所述方法还包括：若在第一预设时间内收到分配级别指令，所述传感器节点向基站节点发送自组织信息的数据包。
于本发明的一实施例中，所述方法还包括：若所述传感器节点发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数，所述传感器节点再次发送请求分配级别的请求指令。
于本发明的一实施例中，所述方法还包括：若所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数，所述传感器节点再次向全网发送广播命令。
于本发明的一实施例中，所述无线传感器网络的自组网方法还包括：在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
本发明提供一种无线传感器网络的自组网系统，所述无线传感器网络的自组网系统包括：传感器节点，用于向基站节点发送请求分配级别的请求指令；第一时间判断模块，用于判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；第一次数判断模块，用于在第一预设时间内未收到分配级别指令时，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；若达到第一预设次数，所述传感器节点还用于向全网发送广播命令；第二时间判断模块，用于判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间；第二次数判断模块，用于在达到第二预设时间时，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；所述传感器节点还用于在达到第二预设次数时，根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同时节点和下级节点的自组织信息。
于本发明的一实施例中，所述传感器节点还用于在第一预设时间内收到分配级别指令时，向基站节点发送自组织信息的数据包。
于本发明的一实施例中，所述传感器节点还用于在发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数时，再次发送请求分配级别的请求指令；或者，在所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数时，再次向全网发送广播命令。
于本发明的一实施例中，在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点还用于向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
本发明提供一种无线传感器网络，所述无线传感器网络包括：前述任一项所述的无线传感器网络的自组网系统。
如上所述，本发明的无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络，具有以下有益效果：
本发明的无线传感器网络的自组网方法通过简单的逻辑判断即可实现自组网，从而大大提高了无线传感器网络自组网的效率；进一步地，本发明的方法中基站节点和无线传感器节点通常处于低功耗状态，从而大大降低了系统的功耗。
附图说明
图1显示为本发明无线传感器网络的自组网方法于一实施例中的流程示意图。
图2显示为本发明无线传感器网络的自组网系统于一实施例中的结构示意图。
元件标号说明
2无线传感器网络的自组网系统
21传感器节点
22基站节点
23第一时间判断模块
24第一次数判断模块
25第二时间判断模块
26第二次数判断模块
S11～S18步骤
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
正如背景技术中所述的，现有中基本上均是从无线传感器网络在自组网的算法上入手来实现无线传感器网络的自组网。这些方式的实现复杂、效率不高，并且无线传感器网络的功耗高。本发明正是基于此，提出一种简单易实现的自组织协议，简单快捷地实现了一种低功耗无线传感器网络。
下面首先对本发明的无线传感器网络的自组网方法的基本协议进行说明。
表1示出了协议格式：
Pre Key From Final Data Check Flag
表1
其中，Pre表示前导码，这些字符杂波不容易产生，通过测试和试验发现，噪声中不容易产生0x55和0xAA等非常有规律的信号；Key表示关键字，用来区分各种情况下的数据，接收节点会根据这些关键字分别进入不同的数据处理单元；From表示源地址，是发送数据的节点自身信息；Final表示数据的目标地址；Data表示有效数据，这些数据随着字符Key的不同采用不同的格式，可携带不同的信息；Check表示检验位，可避免接收错误的数据包；Flag表示数据包的结束标志位。
根据协议格式中的Key，可以将节点通信时捎带的数据包分为自组网信息、环境突变信息、上位机的控制命令、广播信息等。
表2示出了节点在发送状态突变时的数据包格式：
0x55 0xAA 0xFF 0x11 0x00 0x01 0x01 0x15 0x20 0x03 0x00…0X00 0x3A 0xBB
表2
其中，0x55和0xAA为数据前导码，0xFF为传感器节点在感测到其状态突变时向外发送数据的关键字，0x11表示发送节点的地址，0x00为数据包要到达的目标地址，0x01表示数据包在网络传输中的跳数，接着的0x01表示节点在当前网络中的级别，0x15表示节点当时采集的温度，0x20表示节点当时采集的电源电压值，0x03表示节点的状态量,0x00…0x00为11个字节的有效数据，可记录数据包经过节点的地址，0x3A为前面核心数据和的低8位，作为数据包的检验码，0xBB为数据包的结束标志。
接收节点需要向发送节点做出应答，应答状态突变时的数据包格式如表3所示：
0x55 0xAA 0xFF 0x00 0x11 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00 0x00…0X00 0x00 0xBB
表3
其中，0xFF就表示应答状态突变的关键字，后面分别是发送节点和接收节点的地址。
本发明的无线传感器网络的自组网方法正是基于上述的基本协议内容实现的。下面再结合附图对本发明的无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种无线传感器网络的自组网方法，所述无线传感器网络的自组网方法包括以下步骤：
S11，传感器节点向基站节点发送请求分配级别的请求指令；
S12，判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；
在本实施例中，若在第一预设时间内收到分配级别指令，执行步骤S18，所述传感器节点向基站节点发送自组织信息的数据包。
若在第一预设时间内未收到分配级别指令，执行步骤S13，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；
若达到第一预设次数，执行步骤S14，所述传感器节点向全网发送广播命令；若所述传感器节点发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数，返回执行步骤S11，即所述传感器节点再次发送请求分配级别的请求指令。
接着执行步骤S15，判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间；
若达到第二预设时间，执行步骤S16，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；
若达到第二预设次数，执行步骤S17，所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。若所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数，返回执行步骤S14，即所述传感器节点再次向全网发送广播命令。
本实施例中，所述无线传感器网络的自组网方法还包括：执行完步骤S17后，即在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
下面再结合具体的应用对本实施例的无线传感器网络的自组网方法进行详细说明。
在实际应用中，无线传感器网络包含一个与上位机相连接的基站节点和若干传感器节点。在本实施例中，基站节点上电初始化后即进入低功耗模式；而若干个传感器节点随机布放。
在上电初始化后，传感器节点首先会向基站节点发出请求分配级别的命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。若在设定时间内收到基站节点分配的级别，该传感器节点就会向基站节点发送自组织信息的数据包。如果在设定时间内没有收到基站节点分配的级别，该节点会从低功耗状态唤醒，再次发送请求分配级别的命令，如此循环。
当传感器节点发出请求基站分配级别的命令达到设定上限后，但仍然没有确定自己在网络中的级别时，该节点就会向全网发出广播命令，然后进入低功耗状态并打开定时器。定时时间到，节点重新回到发射广播命令状态。
当传感器节点发射广播的次数达到设定值时，该节点就会将接收到的应答信息进行整理，确定自己在网络中的级别，并确定上级、同级和下级节点的相关信息。该节点再向上级节点发送包含这些信息的数据包，直到数据包传送到基站节点，从而确定整个网络的拓扑结构。
通过本实施例的自组网方法可以在低功耗的状态下，简单快速的实现无线传感器网络的自组网，因此，本实施例的方法不仅可以大大提高自组网的效率而且还降低了无线传感器网络的功耗。
参考图2，本发明提供一种无线传感器网络的自组网系统，所述无线传感器网络的自组网系统2包括：传感器节点21，第一时间判断模块23，一时间判断模块23，第一次数判断模块24，第二时间判断模块25，以及第二次数判断模块26。
所述传感器节点21用于向基站节点22发送请求分配级别的请求指令。
所述第一时间判断模块23用于判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令。
所述第一次数判断模块24用于在第一预设时间内未收到分配级别指令时，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；若达到第一预设次数，所述传感器节点21还用于向全网发送广播命令。
所述第二时间判断模块25用于判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间。
所述第二次数判断模块26用于在达到第二预设时间时，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；所述传感器节点21还用于在达到第二预设次数时，根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同时节点和下级节点的自组织信息。
本实施例中，所述传感器节点21还用于在第一预设时间内收到分配级别指令时，向基站节点发送自组织信息的数据包；或者，在发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数时，再次发送请求分配级别的请求指令；或者，在所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数时，再次向全网发送广播命令。
本实施例中，在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点还用于向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
本实施例的无线传感器网络的自组网系统的具体工作过程可参考前述关于无线传感器网络的自组网方法的详细描述，在此不再赘述。
本发明还提供一种无线传感器网络，所述无线传感器网络包括：前述的无线传感器网络的自组网系统，在此也不再赘述。
综上所述，本发明无线传感器网络的自组网方法、系统及无线传感器网络，在不增加功耗的情况下，大大提高了无线传感器网络的自组网效率，其实现方式简单快捷，同时还大大降低了成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种无线传感器网络的自组网方法，其特征在于，所述无线传感器网络的自组网方法包括以下步骤：
传感器节点向基站节点发送请求分配级别的请求指令；
判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；
若在第一预设时间内未收到分配级别指令，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；
若达到第一预设次数，所述传感器节点向全网发送广播命令；
判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间；
若达到第二预设时间，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；
若达到第二预设次数，所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
2.根据权利要求1所述的无线传感器网络的自组网方法，其特征在于：若在第一预设时间内收到分配级别指令，所述传感器节点向基站节点发送自组织信息的数据包。
3.根据权利要求1所述的无线传感器网络的自组网方法，其特征在于：若所述传感器节点发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数，所述传感器节点再次发送请求分配级别的请求指令。
4.根据权利要求1所述的无线传感器网络的自组网方法，其特征在于：若所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数，所述传感器节点再次向全网发送广播命令。
5.根据权利要求1所述的无线传感器网络的自组网方法，其特征在于，所述无线传感器网络的自组网方法还包括：在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
6.一种无线传感器网络的自组网系统，其特征在于，所述无线传感器网络的自组网系统包括：
传感器节点，用于向基站节点发送请求分配级别的请求指令；
第一时间判断模块，用于判断在第一预设时间内是否收到基站节点的分配级别指令；
第一次数判断模块，用于在第一预设时间内未收到分配级别指令时，判断所述传感器节点发送请求分配级别的次数是否达到第一预设次数；
若达到第一预设次数，所述传感器节点还用于向全网发送广播命令；
第二时间判断模块，用于判断发送广播命令的时间是否达到第二预设时间；
第二次数判断模块，用于在达到第二预设时间时，判断所述传感器节点发送广播命令的次数是否达到第二预设次数；
所述传感器节点还用于在达到第二预设次数时，根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同时节点和下级节点的自组织信息。
7.根据权利要求6所述的无线传感器网络的自组网系统，其特征在于：所述传感器节点还用于在第一预设时间内收到分配级别指令时，向基站节点发送自组织信息的数据包。
8.根据权利要求6所述的无线传感器网络的自组网系统，其特征在于：所述传感器节点还用于在发送请求分配级别的次数未达到第一预设次数时，再次发送请求分配级别的请求指令；或者，在所述传感器节点发送广播命令的次数未达到第二预设次数时，再次向全网发送广播命令。
9.根据权利要求6所述的无线传感器网络的自组网系统，其特征在于：在所述传感器节点根据接收到的应答信息确定该传感器节点在网络中的级别，并确定上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息后，所述传感器节点还用于向上级节点发送数据包，所述数据包包括：该传感器节点在网络中的级别，上级节点、同级节点和下级节点的自组织信息。
10.一种无线传感器网络，其特征在于，所述无线传感器网络包括：如权利要求6-9任一项所述的无线传感器网络的自组网系统。
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