CN106507506B - 一种无线传感网络组网方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线传感网络领域，公开了一种组网方法，包括：S1：网关发出第一组网帧；S2：能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑；S3：满足预设条件，组网完毕。通过动态变化的多层拓扑组网的方式能够更灵活地配置无线传感网络，也更容易进行网络拓展。

Description

一种无线传感网络组网方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术，特别地涉及一种无线传感网络组网方法。

背景技术

无线传感网络是由部署在监测区域内大量的微型传感器支点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，在智能交通、环境监控、医疗卫生等多个领域得到广泛应用。现有的无线传感网络如图1，一般由传感支点采集信息，中继支点负责收集信息并将其中继到数据处理设备进行数据的处理。目前的无线组网系统中，传感支点和中继支点的功能都是预先设定好，传感支点只用于采集数据，中继支点只用于中继数据，这样在部署监测系统时就需要对网络进行预先设置，当监测环境复杂或发生变化时需要重新调整网络支点的布置，工作量较为繁琐，一旦中继支点被删除或出现故障时，整个网络传输功能出现瘫痪，无法完成数据传输。

发明内容

针对上述问题，本发明一个目的在于提供一种组网方法，包括：

S1：网关发出第一组网帧；

S2：能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑；

S3：满足预设条件，组网完毕。

进一步地，该多层拓扑中每层包括一个或多个支点。

进一步地，该多层拓扑包括网状、树状、星状、线状拓扑。

进一步地，支点收到组网帧时根据信号门限值，确认自身是否具备入网条件，如果具备则加入网络，否则不加入网络。

进一步地，所述确认自身是否具备入网条件包括比较组网帧信号强度与信号门限值，当大于门限值时则具备。

进一步地，所述满足预设条件为全部支点均已加入网络或者网络拓扑层数已达到上限；

进一步地，该上限为10层；

进一步地，还包括步骤S4：判断是否满足变更条件，如果否，保持当前状态，如果是，则改变所述多层拓扑。

进一步地，变更条件根据信号干扰、信号强弱、支点增减情况设置。

进一步地，多层拓扑每次改变时，网络中的支点重新确定自身所处的层，如果支点连续N次(N>1)处于同一网络层数，则该支点在一定时间段内固定在该层监听组网帧；

进一步地，N＝10。

进一步地，步骤S3后，如果支点出网且持续时间未达到第一门限值，则支点保持在网状态，监听同步帧，收到同步帧后重新入网。

进一步地，如果支点出网且持续时间超过第一门限值并未达到第二门限值，则支点为出网状态，监听同步帧，收到同步帧后重新回到在网状态，重新入网。

进一步地，如果支点出网且持续时间超过第二门限值，则支点为出网状态，在固定周期中的第一时间段内发送回网请求，在第二时间段内进入休眠状态；如果在第一时间段内收到回复则重新回到在网状态。

进一步地，网关和每个支点每隔预定时间发送一次同步帧，出网支点如果收到该同步帧，则根据帧中包含的信息回网。

进一步地，当支点连接的下层支点数量达到上限值后，对于请求连接的下层支点不再发送Ack确认帧；当一个支点连续若干次没有成功收到某一上层支点的Ack确认帧时，该支点将该上层支点列入自身的黑名单，下个周期仅选择向其它上层支点请求连接。

进一步地，第一层支点入网机制为分配式，每个一层支点之间间隔为4s；其它网络层支点对于父支点间隔为50ms。

进一步地，当组网完成后，采用隔层同传的工作模式，即当第一层支点在上传数据时，单数层支点同时传输；当第二层支点在上传数据时，双数层支点同时传输。

由上可见，应用本发明的技术方案，通过动态变化的多层拓扑组网的方式能够更灵活地配置无线传感网络系统，避免由于应用场景的变化或者中继支点的故障而导致重新进行复杂的网络配置或数据传输的失败，能够自适应具体场景的需求而容易地改变网络拓扑。进一步通过对出网支点的区分处理提高了网络的容错性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为现有的无线传感网络架构的示意图；

图2为根据本发明的无线传感网络组网方法的流程图；

图3为根据本发明的无线传感网络架构的示意图；

图4为根据本发明的支点组网过程的流程图；

图5为根据本发明的组网方法中出网支点的处理方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

图2为本发明的无线传感网络组网方法的流程图，包括步骤：

S1：网关发出第一组网帧；

S2：能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑。其中第一层支点均与网关连接，每个第一层支点发出各自的第二组网帧，第二层支点接收到第二组网帧后，与发出该第二组网帧的支点连接，然后分别发出第三组网帧，其它支点依次监听组网帧，与发出所接收到的组网帧的支点连接，再继续发出组网帧。

S3：满足预设条件，组网完毕。

所述预设条件为全部支点或符合条件的支点均已加入网络或者已经形成预定层数的网络拓扑。优选地，可以设定网络为10层，总组网时间为1秒，每1层的组网时间是100ms，在100ms内网关或支点每10ms发送一次组网帧，待入网支点听到组网帧后，先判断网络入网信号强度是否满足要求，如果是则加入网关或该支点的子网络，如果不是则继续处于监听状态，超过1s后仍未加入网络则此支点进入出网状态。通过把100ms时段等分10份，进一步精确了每一次的组网时间，支点通过判断听到的是哪一次组网帧，进一步精确了同步时间。通过以上方法，组成的无线传感网络架构如图3所示：多个支点形成了具有多层拓扑的多跳网络，每层可以包括一个或多个支点，最下层的支点将采集的数据向上面一层支点发送，最上层的支点将收到的数据和自身采集的数据发送给网关，其它层的支点接收来自下层支点的数据，并与本支点采集的数据一并发送给上层支点。多层拓扑包括网状、树状、星状、线状拓扑，并且可以根据网络负载情况、信号强度、信号干扰或支点数量增减等变更条件而动态变化，例如当存在外界物体的干扰(如列车通过，金属类障碍物阻隔等)、网络中某个支点的信号变强或变弱(如天线受损)、网络中增加(如监测规模增大而添加新的支点)或减少支点(如支点出现故障)或者满足其它预定的条件时，该多层拓扑的形状以及拓扑层数都可以相应改变以适应新的场景和网络状况。该多层拓扑的层数优选地为10层。进一步地，用第三方设备监听，可通过支点的信号强度(ED值)实现定位功能。

图4为据本发明的支点组网过程的流程图。支点上电或重启，发送扫频帧并监听有无来自网关或在网状态支点发送的组网帧，该操作可以持续1个小时，如果超过1个小时没有收到入网帧，则休眠23小时，然后自动重启、清空数据，再次回到上述步骤；如果收到入网帧则进入在网状态，并判断是否已连续N次(N>1)处于同一网络层数，是的话则只在该层监听组网帧，例如支点A连续10次网络拓扑变化时都处于第4层网络，则在一定时间段内第11次及以后的网络拓扑变化时支点A只针对形成第4层网络的组网帧接收，收到后加入网络作为第四层支点，进而节省不必要的无线组网帧接收时间，进一步降低了支点的功耗；否则监听全部组网帧，收到组网帧后判断组网帧的信号强度是否大于信号门限值，是的话则加入网络并形成网状网络，继续发送组网帧，之后立即进入休眠状态，例如收到第二组网帧且信号强度大于信号门限值，则加入网络作为第二层支点，发出第三组网帧；否则不进入网络。第一层支点入网机制为分配式，即每个一层支点之间间隔为4s(概率角度)；其它网络层支点对于父支点间隔为50ms(概率角度)。为提高网络效率，我们使用了隔层(网络层)同传的工作模式，即当第一层支点在上传数据时，第三、五、七、九层支点同时传输；当第二层支点在上传数据时，第四、六、八、十层支点同时传输。

支点可能由于多种原因处于出网状态，图5示出了根据本发明的组网方法中出网支点的处理方法流程图。图中的1T表示第一个周期，2T表示第2个周期，NT表示第N个周期。短时出网状态表示的是支点出网的第1个周期。因为某种不确定因素，子支点与父支点信号出现瞬间的阻隔，进而使得该支点无法获取动态网络入网信息，该支点在此周期保持在网状态，监听同步帧，收到同步帧后重新入网；临时出网状态表示的是支点出网后的第2到第N个周期，N＝12小时/T，T为支点的工作周期值。例如车辆临时停靠阻挡信号、支点天线短时受损等情况可能导致临时出网状态。在此过程中，该支点只做采集、数据保存与对于同步帧的监听，在成功获取同步帧后，回归正常组网状态。网关和每个支点每隔预定时间发送一次同步帧，同步帧包含SN号，回网时间，CRC等，出网支点通过获取此参数，可以从阶段性的监听状态立即进入休眠，在回网时间后，快速高效的重新入网。长期出网状态表示支点出网后已经超过N个周期，常见的原因包括支点先于网关在监测现场安装、网关或父支点长期不在网络、在运输途中支点因某种原因上电等，因为支点长时间无法回归网络，为了保证支点在此状态下，能够最大程度的节省电池电量，同时保证每天有一次重回网络的机会，出网支点在每天有1个小时时间通过对IEEE802.15.4中16个频道循环发送回归网络请求，在网支点/网关在特定频段收到此请求后做出回复，则该出网支点成功回归网络，如果1小时循环扫频后未收到回复，该出网支点自动进入休眠状态，此状态持续23小时。

为了避免某一层或某个支点下的子支点过多，导致数据拥塞，本发明还提供了一种黑名单机制，具体为：

每一个支点，可以同时携带10个下一层的子支点，在发出组网帧后每收到一个子支点的回复信息时，会发送一个Ack确认帧。当在一个周期里，有超过10个子支点回复时，该支点对收到的回复按时间排序，依据first in first serve(先来先服务)原则回复Ack，对于第10个之后的支点不做Ack回复。

在最佳Mesh路径的选择过程中，在同一层中往往会出现一个父支点相对于其他父支点的信号优秀许多，就会出现该父支点潜在的携带过多的子支点。则当一个子支点连续三次没有成功收到某一父支点的Ack确认帧(即收到该父支点的组网帧并回复后，没有收到Ack帧)，该子支点会将该父支点列入自身的黑名单，下个周期在选择父支点时就不再回复黑名单中的父支点，而选择向接收到组网帧的其它父支点进行回复并组成网络。如果所有父支点都在黑名单中则清除黑名单。

通过此机制使网络拓扑结构更加合理，父支点之间分工更加均匀，数据的丢包率进一步降低，网络的实时性进一步提高。

以上应用了具体个例对本发明实施例的原理以及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只适用于帮助理解本发明实施例的原理。虽然以多个实施例的方式阐释技术方案，但各实施例之间并不存在矛盾或抵触，本领域技术人员可以认识到各实施例可以任意组合地实施，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例，在具体实施方式以及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (14)

1.一种组网方法，其特征在于，包括：

S1：网关发出第一组网帧；

S2：能够收到第一组网帧的支点加入网络作为第一层支点，再发出第二组网帧；收到第二组网帧的支点加入网络作为第二层支点，再发出第三组网帧，依次类推形成多层拓扑；

S3：满足预设条件，组网完毕；

S4：判断是否满足变更条件，如果否，保持当前状态，如果是，则改变所述多层拓扑；

所述变更条件根据信号干扰、信号强弱和/或支点增减情况设置；

多层拓扑每次改变时，网络中的支点重新确定自身所处的层，如果支点连续N次(N>1)处于同一网络层数，则该支点在一定时间段内固定在该层监听组网帧；

当支点连接的下层支点数量达到上限值后，对于请求连接的下层支点不再发送Ack确认帧；当一个支点连续若干次没有成功收到某一上层支点的Ack确认帧时，该支点将该上层支点列入自身的黑名单，下个周期仅选择向其它上层支点请求连接；

当组网完成后，采用隔层同传的工作模式，即当第一层支点在上传数据时，单数层支点同时传输；当第二层支点在上传数据时，双数层支点同时传输。

2.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于该多层拓扑中每层包括一个或多个支点。

3.根据权利要求1或2所述的组网方法，其特征在于该多层拓扑包括网状、树状、星状、线状拓扑。

4.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于支点收到组网帧时根据信号门限值，确认自身是否具备入网条件，如果具备则加入网络，否则不加入网络。

5.根据权利要求4所述的组网方法，其特征在于所述确认自身是否具备入网条件包括比较组网帧信号强度与信号门限值，当大于门限值时则具备。

6.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于所述满足预设条件为全部支点均已加入网络或者网络拓扑层数已达到上限。

7.根据权利要求6所述的组网方法，其特征在于该上限为10层。

8.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于N＝10。

9.根据权利要求1所述的组网方法，其特征在于步骤S3后，如果支点出网且持续时间未达到第一门限值，则支点保持在网状态，监听同步帧，收到同步帧后重新入网。

10.根据权利要求9所述的组网方法，其特征在于如果支点出网且持续时间超过第一门限值并未达到第二门限值，则支点为出网状态，监听同步帧，收到同步帧后重新回到在网状态，重新入网。

11.根据权利要求10所述的组网方法，其特征在于如果支点出网且持续时间超过第二门限值，则支点为出网状态，在固定周期中的第一时间段内发送回网请求，在第二时间段内进入休眠状态；如果在第一时间段内收到回复则重新回到在网状态。

12.根据权利要求9－11中任一所述的组网方法，其特征在于网关和每个支点每隔预定时间发送一次同步帧，出网支点如果收到该同步帧，则根据帧中包含的信息回网。

13.根据权利要求1中所述的组网方法，第三方设备通过监听支点的信号强度，可以对支点进行定位。

14.根据权利要求1中所述的组网方法，第一层支点入网机制为分配式，每个一层支点之间间隔为4s；其它网络层支点对于父支点间隔为50ms。