CN106341858B - 用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统及方法，采用动态网络生成树协议对网络进行自组网，使得整个网络能够在移动的情况下快速组网，解决了现场快速布置传感器节点和组网的问题。并在网络中时刻监测数据通路的质量，权衡比较网络中每条路径的通信质量，使得整个网络的传输质量达到最高。

Description

用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统及方法
技术领域
本发明属于智能化领域，具体涉及到为物联网与工业控制以及智能化应用提供动态自组网协议系统及方法。
背景技术
当前的的物联网和工业中现场中布置了大量的传感器，需要采集和传输大量的数据信息.因此对传感器的布置和组网是当前研究的问题。如果对传感器的布置采取有线布置，会对现场产生复杂的布线方式，大大增加了布设成本和安装时间。而且其中的主干线路遭到破坏会使整个网络信息传输瘫痪。因此多采用无线组网的方式对传感器进行布设和组网。
1.自组网
自组网是指预先架设基础网络设施(诸如基站和路由器等)的网络，它们将处于网络中的无线移动节点加入到网络中，使移动的无线节点之间能够相互通信。在有网络的地方，移动中的无线节点可自动加入到网络中，但远离无线网络的接入范围，则会断开网络。
自组网在网络建设前已经预设网络架构，但在网络中除了路由器以外，其他的节点无法自动寻找路径，基础的网络设施的移动或者破坏，会造成整个网络通信的瘫痪。
2.动态自组网
由于自组网除了路由器节点以外，其他的节点无法自动寻找路径，因此可自动寻址节点的移动或者破坏，会造成整个网络通信的瘫痪。动态自组网指由多个移动终端组成的无线网络，它们不需要通过固定通信网络基础设施，也不需要预设的网络架构，可以快速独立的组织网络。整个网络中没有中心实体，网络中两个无法直接通信的节点可以借助中间节点跳发，形成多跳的通信模式。网中任意节点的移动和破坏，并不会影响其他节点的传输。
举例来说，如图1，当前的自组网主流协议如Zigbee协议，Zigbee协议网络有以下三种设备：协调器(Coordinator)、可自动寻址节点(Router)、传感器节点(EndDevice)组成。其中协调器和可自动寻址节点是关键性节点，负责网络中的数据传输的路由寻址，其他的节点不具备路由功能。
其中zigbee协议组网的步骤如下：
第一步.协调器选择一个频道和PANID，组建网络；
第二步.路由器选择协调器并加入到网络中；
第三步.传感器节点选附近的路由器加入网络。当路由器出现故障时，会寻找另外一个路由器接入网络中；
第四步.协调器或者路由器均允许其他设备加入网络，并做为其路由数据。
但该网络存在以下的问题：
1.网络中存在关键节点，如果网络中的路由器遭到破坏和移动，而且周围的可自动寻址节点距离比较远，则周边的传感器节点组成的网络会发生瘫痪。周边的传感器的节点数据无法上传下载
2.虽然传感器节点可工作在休眠模式下，但协调器和路由器一直常电供电，因此对于这些节点电池的消耗比较大。
3.该网络采用单频率进行传输，当频道繁忙时，会造成数据通信的瘫痪
4.当网路中数据传输，当某个节点繁忙时，在其路径上传输的数据会受到影响。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统及方法，解决网络中关键性节点的破坏，导致整个网络瘫痪的问题。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统，包括：对网络进行自组网的节点设备；所述节点设备提供一动态网络生成树协议，用以在节点设备位置发生变化时，声明节点的新位置，调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路，同时评估选择最优的数据传输路径。
进一步的，所述节点设备设有低频和高频双通信链路，在一方信号差或不工作的情况下，启动另外一方。
进一步的，所述节点设备包括：
主节点设备，以连接后端的服务器，监听整个网络的通信质量，规划整个网络的通信链路；
多个可自动寻址节点设备，各自连接其他的各节点设备，以提供网络中的路由与控制；
多个可移动终端节点设备，各自连接邻近的可自动寻址节点设备，作为网络的终端节点。
更进一步的，所述主节点设备为多个，相互影响，主节点之间相互协调工作，当其中的任何一个主节点位置发生变化，会通知整个网络并对网络中节点重新分配管理和规划。
更进一步的，主节点设备设有监听模块，主节点设备工作在监听状态，每隔一段时间监听网络中的各个设备的状态；其他各节点设备设有休眠模块，可自动寻址节点设备、可移动终端节点设备在工作完成后处于休眠状态。
本发明还提供了一种动态网络生成树的方法，包括：网络中各节点包括主节点、可自动寻址节点、可移动终端节点，各节点位置发生变化时，网络的拓扑结构发生变化；网络中的节点在新的位置声明自己的存在，整个网络调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路；同时选择最优的数据传输路径对数据进行传输。
进一步的，针对主节点的方法为：
(101)主节点被破坏或者移动时，网络中与原主节点无关的节点的通信不会受到影响；
(102)主节点被破坏，新主节点加入网络中，对整个网络全部调整，通告网络中所有节点有新的主节点加入，删除原有主节点信息；新主节点与周围的节点产生的新的链接并生效。
(103)当主节点移动时，到达新的地点，首先声明自己的存在，连接相邻的可自动寻址节点，然后通知网络中每个节点，该主节点产生改变，需要做相关的修改；原先主节点相连的链路会失效并且删除，该主节点与新地点周围的节点产生的新的链接并生效。
进一步的，针对可自动寻址节点的方法为：
(201)可自动寻址节点被破坏或者移动时，原先与其连接的节点的连接链路失效并且删除，网络中与可自动寻址节点无关的节点的通信不会受到影响，整个网络的的数据传输并不会因此受到影响；
(202)当新可自动寻址节点加入或可自动寻址节点移动到新的位置时，可自动寻址节点在网络中声明自己的存在，与周围节点产生新的连接。
进一步的，针对可移动终端节点的方法为：
(301)可移动终端节点加入网络中只与其相邻的两个可自动寻址节点通信；
(302)可移动终端节点被破坏或者移动时，会断开与两个可自动寻址节点之间的通信，其他节点之间的通信完全不受影响，对其整个网络的数据传输不会产生影响；
(303)当新可移动终端节点加入或可移动终端节点移动到新的位置时，会在整个网络中声明自己的存在，与相邻的两个可自动寻址节点产生新的连接，并在网络中的路由表中更新路径。
进一步的，最优的数据传输路径选择方法为：对网络中各种链路进行权重比较，从而选择最优的通路对数据进行传输。
相对于现有技术，本发明所述的用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统及方法具有以下优势：
(1)本发明提出基于动态网络生成树协议的动态组网，解决了网络中任意一个节点的破坏和移动，只会影响到与其相关节点的通信，不会对整个网络的通信造成任何影响；完全实现了在网络在移动中组网，解决了传感器的布设问题；
(2)本发明对网络采用低频和高频频率进行备传备通和跳频功能，对整个网络的通信功能进行保护，加强了整个网络的健壮性；
(3)本发明采用动态网络生成树协议对网络进行自组网，当网路中的节点位置发生改变，会在新的位置提出声明，并且使网络自动快速的组网；解决了现场快速布置传感器节点和组网的问题；
(4)本发明在网络中时刻监测数据通路的质量，权衡比较网络中每条路径的通信质量，使得整个网络的传输质量达到最高。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是现有技术中Zigbee协议组网示意图；
图2是本发明实施例动态自组网示意图；
图3是本发明实施例MP主节点移动时网络动态自组示意图；
图4是本发明实施例RP可自动寻址节点移动时网络动态自组示意图；
图5是本发明实施例CP可移动终端节点移动时网络动态自组示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本发明针对网络中关键性节点的破坏，导致整个网络瘫痪的问题，提出采动态网络生成树协议对网络组网。
网络生成树协议一是在利用生成树算法在网络中创建一个以某台交换机的某个端口为根的生成树，避免环路。二是在网络拓扑发生变化时，通过生成树协议达到收敛保护的目的。
动态网络生成树协议是当网络中节点位置发生变化时，网络的拓扑结构发生变化。网络中的节点在新的位置声明自己的存在，整个网络会调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路，使得整个网络生成树协议根据外界的变化动态生成。该协议还会对网络中各种链路进行权重比较，从而选择最优的通路对数据进行传输。
本发明采用动态网络生成树协议对网络进行自组网，使得整个网络能够在移动的情况下快速组网。解决了现场快速布置传感器节点和组网的问题。并在网络中时刻监测数据通路的质量，权衡比较网络中每条路径的通信质量，使得整个网络的传输质量达到最高。
本发明针对网络采用的频率产生堵塞的问题，同时采用低频频率与高频频率两条通信链路的实现了备传备输，同时实现跳频功能加强了网络的健壮性。
两条通信链路的具体实现方法为在节点设备中设有低频通信控制模块和高频通信控制模块，在一方信号差或不工作的情况下，启动另外一方。
本专利采用低频和高频通信链路可在一方数据通信质量差的情况下采用另外一方通信链路。
如图2所示，本专利对网络组网分别采用三种设备:
MP：主节点
RP：带路由功能的子节点
CP：无路由功能的末端可休眠节点
MP工作在监听状态，每隔一段时间监听网络中的各个设备的状态；而RP，CP工作完成后处于休眠状态。极大降低了工作中耗电量。
MP为系统中的关键节点，它连接后端的服务器，监听整个网络的通信质量，规划整个网络的通信链路。当网络中存在两个MP时，它们之间会相互影响。因此该节点是该网络中不能轻易移动的节点。每次移动会使整个网络结构发生改变，需要重新通告整个网络并进行规划，花费时间较长
RP是网络中的路由和控制节点，该节点的移动会影响到周围的节点设备的工作，但本网络可做快速调整，生成新的链路。
CP是网络中移动终端，他只与其相临的节点产生连接，对网络中的结构并不产生影响。因此每次的断开与连接并不会对网络产生任何影响。
动态网络生成树协议与动态变更声明处理机制
动态网络生成树协议是当网络中节点位置发生变化时，网络的拓扑结构发生变化。网络中的节点在新的位置声明自己的存在，整个网络会调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路。该协议也会对网络中各种链路进行权重比较，从而选择最优的通路对数据进行传输。
当网络中的主节点MP被破坏或者移动时。网络中与MP无关的节点的通信不会受到影响，当MP加入网络中时，需要对整个网络全部调整，需要通告各个节点有新的MP的加入，删除原有MP节点信息。如图3，当网络中的MP02节点移动时，到达新的地点，首先声明自己的存在，连接相邻的RP节点02,03；然后通知网络中每个网络设备,MP02节点的产生改变，需要做相关的修改:原先的MP02相连的链路会失效并且删除；MP02与周围的节点产生的新的链接将会生效,由于MP节点需要通知网络中每个节点,因此修改时间长短与整个网络规模的大小有关。
当网络中的可自动寻址节点RP被破坏或者移动时，网络中与RP无关的节点的通信不会受到影响，网络中与其相关的节点会受到影响，但整个网络的的数据传输并不会因此受到影响。如图4，当节点RP01移动到新的位置时，RP01节点在网络中声明自己的存在，原先的连接链路会失效并且删除,且和RP节点03和04产生新的连接.由于RP01节点的移动只会影响到与其连接的节点.所以网络因此修改的时间比较短。
当网络中的可移动终端节点CP被破坏或者移动时。节点之间的通信完全不受影响，CP加入网络中只与其相邻的两个RP节点，通信时只选择较好的通路进行通信。当离开时会断开与两个RP之间的通信，对其整个网络的数据传输不会产生影响。如图5，当节点CP01移动到新的位置时，会在整个网络中声明自己的存在，原先的连接链路会失效并且删除。该节点与节点RP05和RP06产生新的连接，并在网络中的路由表中更新路径。
网络动态生成树协议促使网络检测各个节点的变化和移动，因此及时的对各个网络节点的链路进行修改，当系统中的网络节点发生变化时，会及时有效的通知到与其相邻的节点，不会影响其他节点的工作。
同时它会使节点MP相对比较各个链路中的通信质量，从而选择比较好的通信链路进行通信，因为它时刻监测整个网路的通信链路，总会选择比较好的通信链路进行通信。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.用于物联网和工业智能化的动态自组网协议系统，其特征在于，包括：对网络进行自组网的节点设备；所述节点设备提供一动态网络生成树协议，用以在节点设备位置发生变化时，声明节点的新位置，调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路，同时评估选择最优的数据传输路径；
所述节点设备包括：
主节点设备，以连接后端的服务器，监听整个网络的通信质量，规划整个网络的通信链路；
多个可自动寻址节点设备，各自连接其他的各节点设备，以提供网络中的路由与控制；
多个可移动终端节点设备，各自连接邻近的可自动寻址节点设备，作为网络的终端节点；
所述主节点设备为多个，相互影响，主节点之间相互协调工作，当其中的任何一个主节点位置发生变化，会通知整个网络并对网络中节点重新分配管理和规划。
2.根据权利要求1所述的动态自组网协议系统，其特征在于，所述节点设备设有低频和高频双通信链路，在一方信号差或不工作的情况下，启动另外一方。
3.根据权利要求1所述的动态自组网协议系统，其特征在于，主节点设备设有监听模块，主节点设备工作在监听状态，每隔一段时间监听网络中的各个设备的状态；其他各节点设备设有休眠模块，可自动寻址节点设备、可移动终端节点设备在工作完成后处于休眠状态。
4.一种动态网络生成树的方法，其特征在于，包括：网络中各节点包括主节点、可自动寻址节点、可移动终端节点，各节点位置发生变化时，网络的拓扑结构发生变化；网络中的节点在新的位置声明自己的存在，整个网络调整与其相关的节点，并添加新的链路和删除无效链路；同时选择最优的数据传输路径对数据进行传输；
针对主节点的方法为：
（101）主节点被破坏或者移动时，网络中与原主节点无关的节点的通信不会受到影响；
（102）主节点被破坏，新主节点加入网络中，对整个网络全部调整，通告网络中所有节点有新的主节点加入，删除原有主节点信息；新主节点与周围的节点产生的新的链接并生效；
（103）当主节点移动时，到达新的地点，首先声明自己的存在，连接相邻的可自动寻址节点，然后通知网络中每个节点，该主节点产生改变，需要做相关的修改；原先主节点相连的链路会失效并且删除，该主节点与新地点周围的节点产生的新的链接并生效；
针对可自动寻址节点的方法为：
（201）可自动寻址节点被破坏或者移动时，原先与其连接的节点的连接链路失效并且删除，网络中与可自动寻址节点无关的节点的通信不会受到影响，整个网络的的数据传输并不会因此受到影响；
（202）当新可自动寻址节点加入或可自动寻址节点移动到新的位置时，可自动寻址节点在网络中声明自己的存在，与周围节点产生新的连接；
针对可移动终端节点的方法为：
（301）可移动终端节点加入网络中只与其相邻的两个可自动寻址节点通信；
（302）可移动终端节点被破坏或者移动时，会断开与两个可自动寻址节点之间的通信，其他节点之间的通信完全不受影响，对其整个网络的数据传输不会产生影响；
（303）当新可移动终端节点加入或可移动终端节点移动到新的位置时，会在整个网络中声明自己的存在，与相邻的两个可自动寻址节点产生新的连接，并在网络中的路由表中更新路径。
5.根据权利要求4所述的一种动态网络生成树的方法，其特征在于，最优的数据传输路径选择方法为：对网络中各种链路进行权重比较，从而选择最优的通路对数据进行传输。
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