基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)淇刂品椒?br>【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?。其中基于?dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件三個(gè)部分組成。而基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ㄖ饕譃槿齻€(gè)步驟，首先通過(guò)動(dòng)態(tài)路由機(jī)制建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌浯胃鶕?jù)RSSI和LQI指標(biāo)對(duì)信道進(jìn)行評(píng)估后調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，最后是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的維護(hù)，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性和可靠性?；诠β士刂频耐?fù)淇刂扑惴梢越档托盘?hào)間干擾，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
【專利說(shuō)明】
基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)淇刂品椒?br>技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)領(lǐng)域，設(shè)及一種基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)及其拓?fù)淇刂品椒ā?br>【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線 通信方式形成一種多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠通過(guò)協(xié)作實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布 區(qū)域內(nèi)的各種環(huán)境信息，并對(duì)運(yùn)些信息進(jìn)行處理，從而獲取詳盡而準(zhǔn)確的信息。無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛地應(yīng)用于國(guó)防軍事、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療衛(wèi)生、交通管理和 空間探索等領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂剖侵冈跐M足網(wǎng)絡(luò)覆蓋度和連通度的前提下，通過(guò)功率控制 和骨干節(jié)點(diǎn)選擇，剔除節(jié)點(diǎn)之間不必要的無(wú)線通信鏈路，生成一個(gè)高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓 撲結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞暮侠碓O(shè)計(jì)與優(yōu)化對(duì)改善網(wǎng)絡(luò)性能尤為重要，體現(xiàn)在W下幾個(gè)方面：
[0003] ①降低傳感器節(jié)點(diǎn)能耗，延長(zhǎng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。隨著集成電路工藝的進(jìn)步，傳 感器節(jié)點(diǎn)的處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模塊上， 并且節(jié)點(diǎn)通常采用能量有限的電池供電，更換或者給電池充電都較難實(shí)現(xiàn)。拓?fù)淇刂仆ㄟ^(guò) 自適應(yīng)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使節(jié)點(diǎn)的功耗降低，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí)間。
[0004] ②降低傳感器節(jié)點(diǎn)通信干擾、提高通信效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)的分布密度比 較大，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)都W最大的發(fā)射功率傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)加劇通信信道的干擾、加大誤碼率、 降低網(wǎng)絡(luò)通信的效率，造成節(jié)點(diǎn)能量的浪費(fèi)。反之，如果節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率過(guò)小，會(huì)影響到網(wǎng) 絡(luò)的連通性，丟失部分傳感數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂频墓β士刂萍夹g(shù)可W有效解決運(yùn)一問(wèn)題。
[0005] ③拓?fù)淇刂茷槁酚蓞f(xié)議提供基礎(chǔ)。路由協(xié)議需要知道網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只有有效 的節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)。拓?fù)淇刂颇軌蛱岣進(jìn)AC協(xié)議和路由協(xié)議的效率、為數(shù)據(jù)融 合提供拓?fù)浠A(chǔ)。
[0006] 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)大多采用電池供電且電源不可更換，由于缺乏持 續(xù)、穩(wěn)定的能源補(bǔ)充，所W其首要目標(biāo)是高效地使用能源來(lái)最大化地延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期。 在實(shí)際的應(yīng)用中，所有的傳感器節(jié)點(diǎn)W最大的發(fā)射功率進(jìn)行通信，雖然保證了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?連通性，但不可避免地造成了能量的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)沖突，從而使得網(wǎng)絡(luò)的生存時(shí) 間變短。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂瓶蒞優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高傳感器節(jié)點(diǎn)能耗利用率，延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生 命周期。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供一種基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn) 和上位機(jī)軟件S個(gè)部分組成，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地喚醒，采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)2.4G化的無(wú) 線信號(hào)上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、路由轉(zhuǎn)發(fā)功能;匯聚節(jié)點(diǎn)通 過(guò)有線或WiFi或GPRS無(wú)線方式將采集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息上傳至本地PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中屯、，匯 聚節(jié)點(diǎn)用于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總，作為所有傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還有下發(fā)網(wǎng)絡(luò)命 令的功能;上位機(jī)軟件用于處理匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，W便觀測(cè)者實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù);本地 PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中屯、的上位機(jī)軟件下發(fā)命令與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)休眠周期、 節(jié)點(diǎn)重啟功能。
[0008] 本發(fā)明還提供一種基于動(dòng)態(tài)路由的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒?，首先通過(guò)動(dòng)態(tài) 路由建立樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，其次根?jù)RSS巧日LQI指標(biāo)對(duì)信道進(jìn)行評(píng)估后調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率， 功率調(diào)整完畢后進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)階段，周期性地檢查網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，保證網(wǎng)絡(luò)的連通 性和可靠性。通過(guò)動(dòng)態(tài)地調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使傳感器節(jié)點(diǎn)W合適的發(fā)射功率進(jìn) 行通信，不僅可W保證網(wǎng)絡(luò)的連通性，還可W有效地降低節(jié)點(diǎn)的功耗，從而達(dá)到延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生 命周期的目的。
[0009] 基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品椒ò缦虏襟E：
[0010] 步驟1:本系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)路由機(jī)制構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)路由是通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間不 斷地交換彼此的信息，按照特定的算法選擇最優(yōu)的尋路效果，同時(shí)也可W適應(yīng)不斷變化的 網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0011] 拓?fù)錁?gòu)建的流程為:一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)首先會(huì)檢查路由表， 如果路由表中不存在任何路由信息，那么該節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)廣播路由請(qǐng)求。其它節(jié)點(diǎn)在收 到該節(jié)點(diǎn)路由請(qǐng)求的時(shí)候，如果自身有合適的路由信息則會(huì)將路由信息回復(fù)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。 請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)在收到應(yīng)答的時(shí)候會(huì)去更新路由表的信息，W保證路由表的信息是最新的。其中 更新路由表是動(dòng)態(tài)路由協(xié)議中關(guān)鍵的部分，當(dāng)接收到一個(gè)新的路由信息時(shí)會(huì)首先遍歷路由 表，檢查在路由表中是否存在新的路由信息中包含的節(jié)點(diǎn)號(hào)相同的表項(xiàng)。如果存在運(yùn)樣的 表項(xiàng)，說(shuō)明運(yùn)條表項(xiàng)已經(jīng)是比較舊的了，所W用接收到的新的路由信息覆蓋運(yùn)條比較舊的 表項(xiàng)。遍歷完路由表后如果發(fā)現(xiàn)不存在節(jié)點(diǎn)號(hào)相同的表項(xiàng)，說(shuō)明之前不存在運(yùn)樣的路由信 息，那么運(yùn)條路由信息一定要加入到路由表中將運(yùn)條信息加入到路由表中。如果出現(xiàn)路由 表已經(jīng)滿的情況，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)用新的路由信息覆蓋最沒(méi)有價(jià)值的路由表項(xiàng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì) 構(gòu)建一個(gè)路由表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)從路由表中選取跳數(shù)最少并且鏈路質(zhì)量最好 的路由表項(xiàng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
[0012] 步驟2:當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入功率調(diào)整階段，自適應(yīng)地調(diào)整每個(gè)節(jié) 點(diǎn)的發(fā)射功率，使其在保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那闆r下，盡量降低每個(gè)節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功 耗。每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)了一個(gè)路由表信息，通過(guò)函數(shù)getRouteStatusO獲取節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之 間的路由狀態(tài)信息，使用路由信息中RSSI(Receive Si即曰1 Shength Indicator)和LQI 化ink Quality Indicator)指標(biāo)對(duì)無(wú)線通信信道進(jìn)行分級(jí)，一共分為五個(gè)級(jí)別，它們分別 是VERYG00D、GOOD、PERFECT、BAD和VERYBAD。當(dāng)信道的評(píng)級(jí)為VERYG00D和GOOD時(shí)表明信道質(zhì) 量很好，可W適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低節(jié)點(diǎn)的通信功耗；當(dāng)信道評(píng)級(jí)為其他級(jí)別時(shí)， 節(jié)點(diǎn)仍采用最大的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與可靠性。
[0013] 步驟3:當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)完成功率調(diào)整后W合適的發(fā)射功率進(jìn)行通信，系統(tǒng)進(jìn)入拓?fù)?維護(hù)階段。由于傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)等任務(wù)，都需要消耗能 量，因此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)可能發(fā)生改變，因此需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)使其保持最優(yōu)狀態(tài)。
[0014] 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)是周期性的任務(wù)，采用定時(shí)器觸發(fā)。定時(shí)周期的長(zhǎng)度非常關(guān)鍵，時(shí) 間太短可能導(dǎo)致不必要的維護(hù)開銷。另一方面，時(shí)間太長(zhǎng)可能會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化導(dǎo) 致節(jié)點(diǎn)失效，無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)需要周期性地檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞?變化，適當(dāng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。拓?fù)渚S護(hù)的情況比較復(fù)雜，功率調(diào)整的方式也不一樣。一 個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)失效后，它需要增加自身的發(fā)射功率增強(qiáng)通信的范圍，重新尋找新的路由。 受到環(huán)境的影響信道質(zhì)量急劇下降，也需要節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)射功率保證通信的可靠性。新的節(jié) 點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離變短，需要適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，W適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)拓 撲。
[0015] 本發(fā)明的有益效果是：
[0016] 1、本發(fā)明提出的方法不僅可W有效地控制節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低節(jié)點(diǎn)的功耗，延 長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)的生命周期，而且還可W降低節(jié)點(diǎn)之間的通信干擾，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性；
[0017] 2、本發(fā)明提出的方法適用于計(jì)算能力和通信能力有限的傳感器節(jié)點(diǎn)，功率調(diào)整的 依據(jù)是LQI和RSSI，運(yùn)些指標(biāo)只需要讀取寄存器的值就可W獲取，降低了功率調(diào)整的算法開 銷；
[0018] 3、本發(fā)明提出的方法提出的具有自適應(yīng)能力，周期性地檢查網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變 化，動(dòng)態(tài)調(diào)整傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，保證傳感器節(jié)點(diǎn)W合適的發(fā)射功率工作。
【附圖說(shuō)明】
[0019] 為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容W下結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如后，其中：
[0020] 圖1為傳感器節(jié)點(diǎn)各種工作狀態(tài)功耗分布圖；
[0021 ]圖2為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)形成的樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；
[0022] 圖3為動(dòng)態(tài)路由構(gòu)建拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的流程圖；
[0023] 圖4為傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整發(fā)射功率流程圖；
[0024] 圖5為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[00劇附圖標(biāo)記說(shuō)明：
[00%] 1匯聚節(jié)點(diǎn)2-10傳感器節(jié)點(diǎn)
【具體實(shí)施方式】
[0027] -種本發(fā)明中基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)施例。該系統(tǒng)主要由 傳感器節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān))和上位機(jī)軟件=個(gè)部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，傳 感器節(jié)點(diǎn)周期性地喚醒，采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)2.4G化的無(wú)線信號(hào)上傳給匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器 節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、路由轉(zhuǎn)發(fā)功能;匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線或WiFi或GPRS無(wú)線方式將 采集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息上傳至本地PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中屯、，匯聚節(jié)點(diǎn)用于傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯 總，作為所有傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還有下發(fā)網(wǎng)絡(luò)命令的功能;上位機(jī)軟件用于處理匯 聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，W便觀測(cè)者實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù);本地PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中屯、的上位機(jī)軟件 下發(fā)命令與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)休眠周期、節(jié)點(diǎn)重啟功能。
[0028] 傳感器節(jié)點(diǎn)的核屯、模塊采用TI公司的CC2530忍片，該模塊實(shí)現(xiàn)射頻收發(fā)、存儲(chǔ)控 制和執(zhí)行控制的功能。傳感器節(jié)點(diǎn)通常由4大功能模塊組成，即電源模塊、傳感器模塊、處理 器模塊、無(wú)線通信模塊，并且電源模塊采用電池供電且不易更換。隨著集成電路工藝的進(jìn) 步，傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器和傳感器模塊的功耗變得很低，絕大部分能量消耗在無(wú)線通信模 塊上。無(wú)線通信模塊存在發(fā)送、接收、空閑和睡眠四種狀態(tài)，不同的工作狀態(tài)下節(jié)點(diǎn)的功耗 不同。在睡眠狀態(tài)下，射頻模塊關(guān)閉，只有處理器模塊在工作，節(jié)點(diǎn)消耗的能量很小。在接收 狀態(tài)下，節(jié)點(diǎn)需要偵聽空中的射頻信號(hào)，因此節(jié)點(diǎn)的功耗明顯增加，空閑狀態(tài)和接收狀態(tài)能 量消耗接近。在發(fā)送狀態(tài)下，由于射頻模塊在發(fā)送瞬間的工作電流很大，W及節(jié)點(diǎn)電路受電 容、電感等儲(chǔ)能元件的共同影響，節(jié)點(diǎn)的功耗是所有狀態(tài)中最大的。傳感器節(jié)點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)時(shí) 要比執(zhí)行計(jì)算時(shí)更加消耗能量，距離IOOm傳輸1比特?cái)?shù)據(jù)需要的能量大約相當(dāng)于執(zhí)行3000 條計(jì)算指令消耗的能量。
[0029] 圖1描述的傳感器節(jié)點(diǎn)各部分能量消耗情況。減小節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可有效減少節(jié) 點(diǎn)的功耗，延長(zhǎng)整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。
[0030] 本專利提出的拓?fù)淇刂扑惴ǖ暮送?、思想是通過(guò)動(dòng)態(tài)路由協(xié)議建立樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?結(jié)構(gòu)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常是樹形結(jié)構(gòu)如圖2所示，根據(jù)路由信息對(duì)節(jié)點(diǎn)之間通 信信道進(jìn)行評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)所采用的指標(biāo)包括RSSI和LQI，最后根據(jù)評(píng)級(jí)的結(jié)果動(dòng)態(tài)地調(diào)整傳感 器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使節(jié)點(diǎn)W合適的發(fā)射功率工作，避免能量的浪費(fèi)。匯聚節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)網(wǎng) 絡(luò)的根節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)最終都將傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)不僅是數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)， 同時(shí)也是路由中繼節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也轉(zhuǎn)發(fā)其他 節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終通過(guò)層層轉(zhuǎn)發(fā)傳輸至匯聚節(jié)點(diǎn)。
[0031] 功率控制算法具體分為=個(gè)步驟，它們分別是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建階段、功率調(diào)整階段 和拓?fù)渚S護(hù)階段。
[0032] 1)拓?fù)錁?gòu)建階段
[0033] 拓?fù)錁?gòu)建的流程如圖3所示。系統(tǒng)采用動(dòng)態(tài)路由機(jī)制構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)路由 是通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間不斷地交換彼此的信息，按照特定的算法選擇最優(yōu)的尋路效果，同時(shí)也可 W適應(yīng)不斷變化的網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要發(fā) 送時(shí)首先會(huì)檢查路由表，如果路由表中不存在任何路由信息，那么該節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送一個(gè)廣播 路由請(qǐng)求。其它節(jié)點(diǎn)在收到該節(jié)點(diǎn)路由請(qǐng)求的時(shí)候，如果自身有合適的路由信息則會(huì)將路 由信息回復(fù)給請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)。請(qǐng)求節(jié)點(diǎn)在收到應(yīng)答的時(shí)候會(huì)去更新路由表的信息，W保證路由 表的信息是最新的。其中更新路由表是動(dòng)態(tài)路由協(xié)議中關(guān)鍵的部分，當(dāng)接收到一個(gè)新的路 由信息時(shí)會(huì)首先遍歷路由表，檢查在路由表中是否存在新的路由信息中包含的節(jié)點(diǎn)號(hào)相同 的表項(xiàng)。如果存在運(yùn)樣的表項(xiàng)，說(shuō)明運(yùn)條表項(xiàng)已經(jīng)是比較舊的了，所W用接收到的新的路由 信息覆蓋運(yùn)條比較舊的表項(xiàng)。遍歷完路由表后如果發(fā)現(xiàn)不存在節(jié)點(diǎn)號(hào)相同的表項(xiàng)，說(shuō)明之 前不存在運(yùn)樣的路由信息，那么運(yùn)條路由信息一定要加入到路由表中將運(yùn)條信息加入到路 由表中。如果出現(xiàn)路由表已經(jīng)滿的情況，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)用新的路由信息覆蓋最沒(méi)有價(jià)值的路 由表項(xiàng)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)構(gòu)建一個(gè)路由表，當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)從路由表中選取跳數(shù)最 少并且鏈路質(zhì)量最好的路由表項(xiàng)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
[0034] 2)功率調(diào)整階段
[0035] 功率調(diào)整的流程如圖4所示。當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建完成后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入功率調(diào)整階段， 自適應(yīng)地調(diào)整每個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使其在保證數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)那闆r下，盡量降低每個(gè)節(jié) 點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗。通過(guò)獲取路由狀態(tài)判斷是否存在合法路由信息，不存在則更新路 由表。當(dāng)存在合法路由時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)了一個(gè)路由表信息，通過(guò)函數(shù)getRouteStatus獲取 節(jié)點(diǎn)與其父節(jié)點(diǎn)之間的路由狀態(tài)信息，使用路由信息中RSSI和LQI指標(biāo)對(duì)無(wú)線通信信道進(jìn) 行分級(jí)，一共分為五個(gè)級(jí)別，它們分別是VERYG00D、G00D、陽(yáng)RFECT、BAD和VERYBAD。當(dāng)信道的 評(píng)級(jí)為VERYG00D和GOOD時(shí)表明信道質(zhì)量很好，可W適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低節(jié)點(diǎn)的 通信功耗;當(dāng)信道評(píng)級(jí)為其他級(jí)別時(shí)，節(jié)點(diǎn)仍采用最大的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與可 靠性。重復(fù)此過(guò)程則最終確定傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率。
[0036] 信道評(píng)級(jí)所采用的指標(biāo)是RSS巧化QI，它們反映了通信信道的狀態(tài)。RSSI是衡量接 收到射頻信號(hào)功率的方式，CC2530忍片中有?？谧x取RSSI值的寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)包接收后， CC2530忍片中的協(xié)處理器將該數(shù)據(jù)包的RSSI值寫入寄存器。RSSI值和接收信號(hào)功率Pr的換 算關(guān)系如下：
[0037] Pr = RSSI_VAL+RSSI_OFFSET[dBm]
[003引其中，RSSIJFFSET是經(jīng)驗(yàn)值，一般取-45，在收發(fā)節(jié)點(diǎn)距離固定的情況下，RSSI值 隨發(fā)射功率線性增長(zhǎng)。LQI反映了信道的鏈路質(zhì)量，表示接收數(shù)據(jù)帖的能量與質(zhì)量，其大小 基于信號(hào)強(qiáng)度W及檢測(cè)到的信噪比（SNR)，通常情況下與正確接收到數(shù)據(jù)帖的概率有關(guān)。 LQI相對(duì)于RSSI的動(dòng)態(tài)范圍更大，并且擁有更高的分辨率，然而RSSI的響應(yīng)速度比LQI快，所 WRSSI可W更快的反映網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)變化。結(jié)合RSSI和LQI兩個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)估網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)可W 做到準(zhǔn)確和快速，保證功率調(diào)整的準(zhǔn)確性和有效性。
[0039] 發(fā)射功率調(diào)整的方法實(shí)現(xiàn)是通過(guò)修改TinyOS操作系統(tǒng)中RfConfi評(píng)組件，該組件 負(fù)責(zé)射頻模塊參數(shù)的配置，使用變量m_tx_power來(lái)控制發(fā)射功率的等級(jí)，分別實(shí)現(xiàn)了 gainTXPower()和reduceTX化wer ()兩個(gè)函數(shù)，用來(lái)調(diào)整射頻模塊的發(fā)射功率。CC2530射頻 忍片支持16個(gè)發(fā)射功率等級(jí)，最大發(fā)射功率是4.5地m，最小發(fā)射功率是-22地m。可W通過(guò)軟 件對(duì)CC2530的TXPOWER寄存器進(jìn)行設(shè)置，達(dá)到設(shè)置發(fā)射功率的目的。當(dāng)中屯、頻率設(shè)置為 2.440G化時(shí)，TXPOWER設(shè)置的典型輸出功率和電流消耗如下表1所示。
[0040] 表 1 [00411
[0042] 功率控制函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0043] //增加節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率
[0044] command void RfConfig.gainTXF^owerO
[0045] {
[0046] if (m_tx_power= =OxFS)
[0047] return；
[004引 m_tx_power+ = 16;
[0049] writeTxPower()；
[(K)加 ]}
[0051] //降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率
[0052] command void RfConfig.reduceTXF^owerO
[0化3] {
[0054] if (m_tx_power= =0x05)
[0055] return；
[0056] m_tx_power- = 16 ；
[0057] writeTxPower()；
[0化引 }
[0059] 3)拓?fù)渚S護(hù)階段
[0060] 當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)完成功率調(diào)整后W合適的發(fā)射功率進(jìn)行通信，系統(tǒng)進(jìn)入拓?fù)渚S護(hù)階 段。由于傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成采集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和傳輸數(shù)據(jù)等任務(wù)，都需要消耗能量，因 此網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)可能發(fā)生改變，因此需要對(duì)其進(jìn)行維護(hù)使其保持最優(yōu)狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S 護(hù)是周期性的任務(wù)，采用定時(shí)器觸發(fā)。定時(shí)周期的長(zhǎng)度非常關(guān)鍵，時(shí)間太短可能導(dǎo)致不必要 的維護(hù)開銷。另一方面，時(shí)間太長(zhǎng)可能會(huì)由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)失效，無(wú)法傳輸數(shù) 據(jù)。系統(tǒng)需要周期性地檢查網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?，適當(dāng)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā) 射功率。拓?fù)渚S護(hù)的情況比較復(fù)雜，功率調(diào)整的方式也不一樣。一個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)失效后， 它需要增加自身的發(fā)射功率增強(qiáng)通信的范圍，重新尋找新的路由。受到環(huán)境的影響信道質(zhì) 量急劇下降，也需要節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)射功率保證通信的可靠性。新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的 通信距離變短，需要適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，W適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?br>[0061] W上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，W上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，由傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)軟件 三個(gè)部分組成，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地喚醒，采集環(huán)境數(shù)據(jù)并通過(guò)2.4GHz的無(wú)線信號(hào)上傳給 匯聚節(jié)點(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、路由轉(zhuǎn)發(fā)功能;匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線或WiFi 或GPRS無(wú)線方式將采集到的各個(gè)節(jié)點(diǎn)信息上傳至本地PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心，匯聚節(jié)點(diǎn)用于傳 感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總，作為所有傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還有下發(fā)網(wǎng)絡(luò)命令的功能;上位 機(jī)軟件用于處理匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，以便觀測(cè)者實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù);本地PC及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù) 中心的上位機(jī)軟件下發(fā)命令與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息交互來(lái)修改網(wǎng)絡(luò)休眠周期、節(jié)點(diǎn)重啟功 能。2. 如權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，其中所述傳 感器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、傳感器模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和大功能模塊組成。3. 如權(quán)利要求1所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，包括?下步驟： 1) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)建階段:采用動(dòng)態(tài)路由機(jī)制構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動(dòng)態(tài)路由機(jī)制是通過(guò)傳 感器節(jié)點(diǎn)之間不斷地交換彼此的信息，按照特定的算法選擇最優(yōu)的尋路效果，同時(shí)適應(yīng)不 斷變化的網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 2) 功率調(diào)整階段：自適應(yīng)地調(diào)整每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使其在保證數(shù)據(jù)正確傳 輸?shù)那闆r下，盡量降低每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的功耗； 3) 拓?fù)渚S護(hù)階段：當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)完成功率調(diào)整后以合適的發(fā)射功率進(jìn)行通信，系統(tǒng)進(jìn) 入拓?fù)渚S護(hù)階段，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木S護(hù)是周期性的任務(wù)，采用定時(shí)器觸發(fā)。4. 如權(quán)利要求3所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒ǎ涮卣?在于，其中在所述2)功率調(diào)整階段，根據(jù)節(jié)點(diǎn)之間的路由信息對(duì)通信節(jié)點(diǎn)之間的信道進(jìn)行 評(píng)級(jí)，然后根據(jù)信道的評(píng)級(jí)結(jié)果動(dòng)態(tài)地調(diào)整節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，使節(jié)點(diǎn)以合適的發(fā)射功率工 作，避免能量的浪費(fèi)。5. 如權(quán)利要求4所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于，其中所述通信信道評(píng)級(jí)的方法是，根據(jù)動(dòng)態(tài)路由機(jī)制所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浍@取通信節(jié) 點(diǎn)之間的LQI和RSSI信息，作為信道評(píng)級(jí)所采用的指標(biāo)，將信道分為5個(gè)等級(jí)，分別是 VERYGOOD、GOOD、PERFECT、BAD和VERYBAD，其中RSSI是衡量接收到射頻信號(hào)功率的方式， RSSI值和接收信號(hào)功率Pr的換算關(guān)系如下： Pr = RSSI_VAL+RSSI_OFFSET [dBm] 其中，RSSI_OFFSET是經(jīng)驗(yàn)值;LQI反映了信道的鏈路質(zhì)量，表示接收數(shù)據(jù)幀的能量與質(zhì) 量，其大小基于信號(hào)強(qiáng)度以及檢測(cè)到的信噪比。6. 如權(quán)利要求5所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于：其中 RSSI_OFFSET 取-45。7. 如權(quán)利要求4所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于:其中所述傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整發(fā)射功率的方法為，通過(guò)軟件設(shè)置發(fā)射功率寄存器的數(shù)值， 選擇不同的發(fā)射功率。8. 如權(quán)利要求6所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于:其中所述傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)整功率的策略是，當(dāng)信道的評(píng)級(jí)為VERYGOOD和GOOD時(shí)表明信 道質(zhì)量很好，適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率，降低節(jié)點(diǎn)的通信功耗；當(dāng)信道評(píng)級(jí)為其他級(jí)別時(shí)， 節(jié)點(diǎn)仍采用最大的發(fā)射功率，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性與可靠性。9. 如權(quán)利要求3所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于:其中步驟3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚S護(hù)的策略是，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)失效后，增加自身的發(fā)射功率 增強(qiáng)通信的范圍，重新尋找新的路由；受到環(huán)境的影響信道質(zhì)量急劇下降，節(jié)點(diǎn)增強(qiáng)發(fā)射功 率保證通信的可靠性;新的節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)之間的通信距離變短，適當(dāng)降低節(jié)點(diǎn)的發(fā)射 功率，以適應(yīng)新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?0. 如權(quán)利要求3所述的基于動(dòng)態(tài)路由機(jī)制的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品椒?，其特?在于:其中步驟3)拓?fù)渚S護(hù)的周期采用定時(shí)器觸發(fā)。
【文檔編號(hào)】H04W40/24GK105979565SQ201610312888
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月12日
【發(fā)明人】王亞聰, 趙柏秦
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所