CN104936273A - 一种Mesh自组织无线传感网同步休眠及低功耗通讯方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Mesh自组织无线传感网同步休眠及低功耗通讯方法，在本发明的Mesh自组织无线传感网中，中继节点根据信标内的时间戳选取未被占用的时间周期作为本节点的活动周期并获取父节点的活动周期，仅在本节点和父节点的活动周期唤醒进行数据传输和通信，同时，中心节点也仅在自己的活动周期被唤醒进行数据传输和通信，两者在其它时间均处于休眠状态，由此，可以大幅降低中继节点和中心节点的能耗，使得无线传感网的所有设备可以由电池供电驱动，适于应用于野外环境和能耗要求高的环境。

Description

一种Mesh自组织无线传感网同步休眠及低功耗通讯方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，具体涉及一种Mesh自组织无线传感网及Mesh自组织无线传感网同步休眠及低功耗通讯方法。

背景技术

无线传感网(或无线传感器网络)是以信息采集为主要目的无线网络，无线传感网络中含有多个无线设备，各无线设备通过相互之间的通信链路将采集到的传感数据传到数据中心，由数据中心提供界面供客户端查询和管理。

现有的无线传感网的无线设备通常分为中心节点、中继节点和终端节点三种类型。其中，中心节点和中继节点由于持续工作并转发消息，需要由电力供电，只有终端节点可以采用电池供电。实际运行中，一般终端节点会固定地进行休眠唤醒，并广播一跳的数据给中继节点，同时中心节点也会按照预定的周期的轮询所有中继节点接收到的终端节点的传感数据，在把网络中的所有中继节点的终端节点数据都采集回来时，完成一个周期的查询，接着会按间隔再进行下一次的查询采集。

当无线传感网应用在野外时，这种网络架构对于没有电力供应情况下，中继节点和中心节点就无法长时间保持射频一直工作的状态，导致不能大规模布网和长时间的工作。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种Mesh自组织无线传感网及其通信方法，以在保证数据传输的同时降低中继节点和中心节点的能耗，使得无线传感网的所有设备可以由电池供电驱动，适于应用于野外环境和能耗要求高的环境。

第一方面，提供一种Mesh自组织无线传感网，包括：

中心节点，用于在初始化时，接收所有邻居节点的信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；并在初始化完成后在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据；

多个中继节点，用于在初始化时，接收所有邻居节点的信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；并在初始化完成后在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据，在父节点的活动周期开启收发电路上传自身采集的传感数据和从子节点接收到的传感数据；

多个终端节点，用于在初始化时接收信标获取作为父节点的中继节点的活动周期，并初始化完成后在父节点的活动周期内发送传感数据。

其中，所述中继节点在本节点和父节点的活动周期外处于休眠状态，所述中心节点在本节点的活动周期外处于休眠状态，所述终端节点在父节点的活动周期唤醒，在传感数据发送结束后进入休眠状态。

优选地，所述中继节点和所述中心节点用于在本节点的信标中添加表征本节点活动周期的时间戳和已知的邻居节点的时间戳。

优选地，所述中继节点和所述终端节点在父节点的活动周期接收父节点的信标并基于所述父节点的信标进行同步。

优选地，所述中心节点在本节点的活动周期接收子节点上传的传感数据。

优选地，所述中继节点和终端节点还用于在父节点的活动周期发送询问消息询问父节点是否存在下行数据，在存在下行数据时接收所述下行数据。

优选地，所述中继节点和所述终端节点由电池供电。

第二方面，提供一种Mesh自组织无线传感网的通信方法，所述无线传感网包括中心节点、中继节点和终端节点，中心节点与至少一个作为其子节点的中继节点连接，中继节点与作为其父节点的中心节点或中继节点连接，同时与作为其子节点的终端节点和/或中继节点连接，所述方法包括：

在初始化时，中继节点接收信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；

在初始化完成后，中继节点在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据，在父节点的活动周期开启收发电路上传自身采集的传感数据和从子节点接收到的传感数据。

优选地，所述方法还包括：

终端节点在父节点的活动周期向作为其父节点的中继节点发送传感数据，并在发送结束后进入休眠状态。

优选地，所述方法还包括：

中继节点在父节点的活动周期接收父节点的信标并基于所述父节点的信标进行同步。

优选地，所述方法还包括：

作为子节点的中继节点和终端节点在父节点的活动周期发送询问消息询问父节点是否存在下行数据，在存在下行数据时接收所述下行数据。

本发明实施例中，中继节点根据信标内的时间戳选取未被占用的时间周期作为本节点的活动周期并获取父节点的活动周期，仅在本节点和父节点的活动周期唤醒进行数据传输和通信，同时，中心节点也仅在自己的活动周期被唤醒进行数据传输和通信，两者在其它时间均处于休眠状态，由此，可以大幅降低中继节点和中心节点的能耗，使得无线传感网的所有设备可以由电池供电驱动，适于应用于野外环境和能耗要求高的环境。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的无线传感网的拓扑示意图；

图2是本发明实施例的无线传感网络进行网络初始化的流程图；

图3是图2的流程图涉及的无线传感网络示例的拓扑示意图；

图4是本发明实施例的无线传感网络进行传感数据采集的流程图；

图5是本发明实施例的通信时隙的分布示意图；

图6是本发明实施例的无线传感网进行数据下发的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的无线传感网的网络拓扑示意图。如图1所示，所述无线传感网为一个具有多跳中继的无线传感网络，其包括中心节点1、中继节点2和终端节点3。实际中，所有的节点均可以具有环境参数检测功能(也即，为传感节点),不同类别的节点具有在网络中具有不同的通信功能。根据图1可知，本发明实施例中，无线传感网为树状网络，中心节点1没有父节点，作为所述树状网络的根节点，采集全网所有的传感数据并进一步上传到数据中心。每个中继节点2具有一个通信连接的父节点和至少一个通信连接的子节点，其父节点可以是中心节点1也可以是中继节点2，其子节点可以是中继节点2也可以是终端节点3。终端节点3作为树状网络的叶子节点，只有父节点，其父节点可以为中心节点1或中继节点2。

应理解，在本发明实施例中，树状网络是指任何两个节点之间都有且仅有一条通路的网络。

在本发明实施例中，中心节点1用于广播本节点信标(Beacon)。信标用于进行活动周期分配和节点同步。其中，在整个无线传感网进行初始化时，中心节点1在信标中加入时间戳，该时间戳表示数据帧中对应的时隙被中心节点1占用，该时隙被作为中心节点1的活动周期。中继节点2用于中继信号以及采集传感数据，将与其连接的子网络的所有传感数据收集后上传到上一级，直至传输到中心节点1。终端节点3仅用于采集传感数据并上传。

在确定活动周期前，所有需要加入网络的节点均接收所有的信标，并按照预定规则选择通信范围内的，处于无线传感网络中的节点来作为父节点，例如，根据信标选择跳数最小的节点做为父节点。由此，在网络建立之初，能够与中心节点通信的无线节点会将中心节点选为父节点从而加入无线传感网，距离较远的其它无线节点会逐步的收到中继节点发送的信标而选择适当的无线节点作为父节点而加入无线传感网，最终自适应地完成无线传感网的组网。在加入到网络中后，中继节点2即可在初始化时，接收信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；并在初始化完成后在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据，在父节点的活动周期开启收发电路上传自身采集的传感数据和从子节点接收到的传感数据。

终端节点3用于在初始化时接收信标获取作为父节点的中继节点的活动周期，并在父节点的活动周期内开启收发电路发送传感数据。

中继节点2在本节点和父节点的活动周期外处于休眠状态。中心节点1在本节点的活动周期外处于休眠状态。终端节点3在传感数据发送结束后进入休眠状态。

图2是本发明实施例的无线传感网络进行网络初始化的流程图。图3是图2的流程图涉及的无线传感网络的拓扑示意图。为了便于理解，图2和3以仅包括中心节点、两个中继节点以及三个终端节点的简单网络拓扑为例进行说明。其中，中心节点1分别与中继节点2a以及2b连接，中继节点2a作为终端节点3a和3b的父节点与其连接。中继节点2b作为终端节点3c的父节点与其连接。

如图2所示，在进行网络初始化时，数据帧的所有时隙均未被占用，中心节点1首先在信标中加入本节点的时间戳，占用一个预定的(例如第一个时隙)或随机选定的时隙S1作为自身的活动周期，并广播该信标。通常，无线传感网中的节点被设置为接收其附近的节点的信标，相互之间距离超过一定范围的节点无法相互直接接收信标。在图2的例子中，终端节点3a-3c无法接收到中心节点广播的信标B1，只有中继节点2a和2b可以接收到信标B1。中继节点2a中先接收到信标B1会根据信标中的时间戳，选择未被占用的时隙S2作为本节点的活动周期，在信标中加入表征本节点活动周期的时间戳，连同中心节点1的时间戳一同通过信标B2进行广播。

这时存在两种情况，如果中继节点2b可以同时接收到中继节点2a和中心节点1广播的信标B1和信标B2，则其可以根据信标B1和信标B2获知有两个时隙已经被占用，其会选择未被占用的第三个时隙S2作为自身的活动周期，并通过信标B3进行广播。

如果中继节点2b距离中继节点2a较远，超出一跳通信的范围，则其仅能接收到中心节点1广播的信标B1，此时，中心节点1由于可以接收到信标B2，因此会预先在广播的信标B1中标明中继节点2a所占用的时隙。由此，其可以根据信标B1选择一个时隙作为自身的活动周期，并通过信标B3广播其占用的时隙和已知的。由此，可以保证所有中继节点的活动周期与其邻居节点以及邻居节点的邻居节点的活动周期均不相同，从而可以避免冲突和干扰。

同时，中继节点2a和2b根据预先的网络配置将中心节点1作为其父节点，同时根据信标B1获知父节点的活动周期。

终端节点3a和3b根据预先的网络配置将中继节点2a作为父节点，其接收到信标后查找获取中继节点2a的活动周期，并与中继节点2a建立连接。

终端节点3c根据预先的配置将中继节点2b作为父节点，其接收到信标后查找获取中继节点2b的活动周期，并与其建立连接。

由此，初始化过程完成。

图4是本发明实施例的无线传感网络进行传感数据采集的流程图。图5是本发明实施例的通信时隙的分布示意图。如图3所示，在进行数据采集时，终端节点3a-3c均获知了对应的父节点的活动周期。其中，中继节点2a的活动周期为时隙S2，其在进入该时隙S2后从休眠状态中唤醒，在被唤醒后，其首先以广播方式发送带有表征本节点以及邻居节点的活动周期的时间戳的信标B2，然后开始与子节点进行交互。其子节点终端节点3a和3b在时隙S2中也从休眠状态中唤醒，其在被唤醒后首先进行信标接收。由于此时中继节点2a的邻居节点以及邻居节点的邻居节点的活动周期均不是时隙S2，因此，终端节点3a和3b仅能接收到中继节点2a的信标，其根据该信标进行时钟同步，然后通过无线通信连接向父节点2a上传采集获得的传感数据。所述传感数据可以为检测到的温度、湿度、亮度、气压、特定气体的含量、设备的参数等等。在上传时，终端节点3a和3b可以按照预定的地址顺序来进行发送也可以基于竞争机制来进行发送。为了更好的节省能耗，终端节点3a和3b分别在自身传感数据发送完毕后即可进入休眠状态，而不必等待其父节点的整个活动周期结束。

在本发明实施例中，休眠是指网络节点以关闭通信接收机、发射机以及部分分别要电气的低能耗状态，在休眠状态下，网络节点仅仅运行必要的硬件(例如处理器)，或以特定地状态运行控制部件，同时保持其它笔不要硬件关闭，其消耗的电能很低。唤醒是指网络节点从休眠状态转换到正常工作状态的动作。

类似地，中继节点2b在自身的活动期间时隙S3被唤醒，其首先被唤醒刚开始的时间段中以广播方式发送带有表征本节点以及邻居节点的活动周期的时间戳的信标，然后开始与子节点进行交互。子节点3c首先接收信标进行同步，然后再通过无线通信连接向中继节点2b上传其采集的传感数据。

同时，中继节点2a和2b确定了自身的活动周期并获知了对应的父节点(中心节点1)的活动周期时隙S1。在时隙S1，中心节点1被唤醒，其首先以广播形式发送信标，信标中包括其占用的时隙S1的时间戳以及其邻居节点2a和2b占用的时隙S2和S3的时间戳。中继节点2a和2b作为中心节点1的子节点在时隙S1也被唤醒。中继节点2a和2b被唤醒后，首先接收信标进行同步。由于中继节点2a和2b作为第一跳的无线传感网节点通过接收中心节点的信号进行同步，因此，其可以保证与中心节点同步。进一步地，中继节点2a和2b会在后续的本节点的活动周期内发送与中心节点时钟同步的信标使得其子节点与其中心节点保持同步。以此类推，无论本发明实施例的无线传感网的规模如何，均可以保证所有的中继节点与终端节点和中心节点保持同步。在发送信标结束后，中继节点2a和2b将在上一个本节点的活动周期接收到的子节点的传感数据和本节点采集的传感数据打包为一个大的超帧或数据包通过无线通信连接向中心节点1上传。与终端节点3a、3b与中继节点2a通信类似，中继节点2a和2b可以按照预定的地址顺序来进行发送也可以基于竞争机制来进行发送。

由此可见，本发明实施例的无线传感网基于时分的方式一部分一部分地进行通信。由于在网络规模稍大时，每个节点被唤醒的时间远小于休眠的时间，因此相对于现有技术可以答复降低能耗，使得中心节点和中继节点可以基于电池供电运行。

由此，中继节点根据信标内的时间戳选取未被占用的时间周期作为本节点的活动周期并获取父节点的活动周期，仅在本节点和父节点的活动周期唤醒进行数据传输和通信，同时，中心节点也仅在自己的活动周期被唤醒进行数据传输和通信，两者在其它时间均处于休眠状态，由此，可以大幅降低中继节点和中心节点的能耗，使得无线传感网的所有设备可以由电池供电驱动，适于应用于野外环境和能耗要求高的环境。

此外，本发明实施例的无线传感网还可以从中心节点进行数据下发。下发的下行数据可以是配置指令等。

具体地，如图6所示，作为子节点的中继节点或终端节点在父节点的活动周期唤醒后发送询问消息询问父节点是否存在下行数据，作为父节点的中继节点或终端节点在存在要发送给对应的子节点的数据时进行下行数据下发。具体地，可以在下行数据的数据包中配置路由信息，也即下行数据的目标节点和中心节点之间的所有中继节点的信息，由此，根据路由信息，通过一个大的周期可以实现将下行数据下发到特定的目标节点。

由于在父节点的活动期间内通过询问-应答方式来传输，不必显著增加各无线传感网节点的活动时间仍然可以将下行数据下发到特定的目标节点，实现对于网络的配置和控制。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理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 (10)

1.一种Mesh自组织无线传感网，包括：

中心节点，用于在初始化时，接收所有邻居节点的信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；并在初始化完成后在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据；

多个中继节点，用于在初始化时，接收所有邻居节点的信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；并在初始化完成后在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据，在父节点的活动周期开启收发电路上传自身采集的传感数据和从子节点接收到的传感数据；

多个终端节点，用于在初始化时接收信标获取作为父节点的中继节点的活动周期，并初始化完成后在父节点的活动周期内发送传感数据。

其中，所述中继节点在本节点和父节点的活动周期外处于休眠状态，所述中心节点在本节点的活动周期外处于休眠状态，所述终端节点在父节点的活动周期唤醒，在传感数据发送结束后进入休眠状态。

2.根据权利要求1所述的Mesh自组织无线传感网，其特征在于，所述中继节点和所述中心节点用于在本节点的信标中添加表征本节点活动周期的时间戳和已知的邻居节点的时间戳。

3.根据权利要求1所述的Mesh自组织无线传感网，其特征在于，所述中继节点和所述终端节点在父节点的活动周期接收父节点的信标并基于所述父节点的信标进行同步。

4.根据权利要求1所述的Mesh自组织无线传感网，其特征在于，所述中心节点在本节点的活动周期接收子节点上传的传感数据。

5.根据权利要求1所述的Mesh自组织无线传感网，其特征在于，所述中继节点和终端节点还用于在父节点的活动周期发送询问消息询问父节点是否存在下行数据，在存在下行数据时接收所述下行数据。

6.根据权利要求1所述的Mesh自组织无线传感网，其特征在于，所述中继节点和所述终端节点由电池供电。

7.一种Mesh自组织无线传感网的通信方法，所述无线传感网包括中心节点、中继节点和终端节点，中心节点与至少一个作为其子节点的中继节点连接，中继节点与作为其父节点的中心节点或中继节点连接，同时与作为其子节点的终端节点和/或中继节点连接，所述方法包括：

在初始化时，中继节点接收信标分析获取所有接收到的信标中的时间戳，选取未被占用的时隙作为本节点的活动周期并获取网络中本节点的父节点的活动周期；

在初始化完成后，中继节点在本节点的活动周期开启收发电路广播本节点的信标并接收子节点上传的传感数据，在父节点的活动周期开启收发电路上传自身采集的传感数据和从子节点接收到的传感数据。

8.根据权利要求7所述的Mesh自组织无线传感网的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

终端节点在父节点的活动周期向作为其父节点的中继节点发送传感数据，并在发送结束后进入休眠状态。

9.根据权利要求7所述的Mesh自组织无线传感网的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

中继节点在父节点的活动周期接收父节点的信标并基于所述父节点的信标进行同步。

10.根据权利要求7所述的Mesh自组织无线传感网的通信方法，其特征在于，所述方法还包括：

作为子节点的中继节点和终端节点在父节点的活动周期发送询问消息询问父节点是否存在下行数据，在存在下行数据时接收所述下行数据。