CN105407463A - 一种无线传感器网络*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络***，其中的网络管理器，用于每隔预定时长则向下一级设备发送一次广播帧，并当存在待处理的任务时，进行任务处理；其中的传感器节点，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。应用本发明所述方案，能够降低***的功耗等。

Description

一种无线传感器网络***
技术领域
本发明涉及网络技术，特别涉及一种无线传感器网络***。
背景技术
无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetwork)***是一种分布式传感网络***，它的末梢是可以感知和检查外部世界的传感器节点。无线传感器网络***中的传感器节点通过无线方式通信，因此网络设置灵活，设备位置可以随时更改，通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络***。
目前，无线传感器网络***在环境感知与监测、无线定位与跟踪、医疗监护以及智能家居等领域都展现出了广泛的应用前景。
现有大多数无线传感器网络***中，各设备一直处于工作状态，从而导致***的功耗很大。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种无线传感器网络***，能够降低***的功耗等。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种无线传感器网络***，包括：网络管理器和传感器节点；
网络管理器，用于每隔预定时长则向下一级设备发送一次广播帧，并当存在待处理的任务时，进行任务处理；
传感器节点，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则进行以下处理：根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。
可见，采用本发明所述方案，传感器节点仅在需要时醒来并进行任务处理，其它时间则处于休眠状态，从而无需一直处于工作状态，进而降低了***的功耗等。
附图说明
图1为本发明所述星型网络拓扑结构的示意图。
图2为本发明所述树形网络拓扑结构的示意图。
图3为本发明所述链状网络拓扑结构的示意图。
图4为本发明所述通信时间片及时隙的示意图。
图5为本发明所述中继器的运行状态机示意图。
图6为本发明所述传感器节点的运行状态机示意图。
具体实施方式
针对现有技术中存在的问题，本发明中提出一种无线传感器网络***，包括：网络管理器(NM，NetworkManager)和传感器节点(SN，SensorNode)，另外还可进一步包括：位于网络管理器和传感器节点之间的中继器(RP，Repeater)。
网络协议以IEEEStd802.15.4为基础，完全兼容物理层协议，在媒体接入层(MAC，MediaAccessControl)加入了时分多址(TDMA，timedivisionmultipleaccess)和频分多址(FDMA，frequencydivisionmultipleaccess)技术，在多级级联拓扑中使用时隙式通道跳频(TSCH，TimeSlottedChannelHopping)技术，并在网络层支持星型、树形、链状三种网络拓扑结构。其中，树形和链状网络拓扑结构，最大支持级联数为15级。
网络管理器用于监视和管理网络性能并把数据转发至主应用程序(如PC机、服务器、云端等)；中继器用于转发网络管理器和传感器节点之间的上下行数据等，支持TSCH模式；传感器节点用于数据的采集(如加速度、压力、温度、电压、电流等)，并通过无线链路将所需要的数据传输至主应用程序等。
当无线传感器网络***中仅包括网络管理器和传感器节点时，通常采用星型网络拓扑结构，如图1所示，图1为本发明所述星型网络拓扑结构的示意图。
当无线传感器网络***中同时包括网络管理器、中继器和传感器节点时，通常采用树形网络拓扑结构或链状网络拓扑结构，如图2～3所示，图2为本发明所述树形网络拓扑结构的示意图，图3为本发明所述链状网络拓扑结构的示意图。
图1～3中，三角形表示网络管理器，圆形表示中继器，长方形表示传感器节点，虚线表示无线链路。
具体的，网络管理器，用于每隔预定时长则向下一级设备发送一次广播帧，并当存在待处理的任务时，进行任务处理。
传感器节点，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则进行以下处理：根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。
中继器，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则进行以下处理：根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并向下一级设备发送广播帧，之后进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。
可将上述预定时长作为一个通信时间片，每个通信时间片内包括四类必选时隙和一类可选时隙，必选时隙包括：广播帧时隙、常规通信时隙、应答时隙和设备接入时隙，可选时隙包括：特殊通信时隙。
广播帧时隙，用于网络管理器发送广播帧；
特殊通信时隙，用于中继器发送广播帧，即用于级联的中继器发送广播帧时使用，由于中继器支持TSCH模式，因此可以通过设置不同的下行信道复用该时隙，当需要时，可以通过人工或软件配置，将特殊通信时隙设置为常规通信时隙；
常规通信时隙，用于上下行数据传输，即用于网络管理器和中继器以及中继器和传感器节点之间的上下行数据传输；
应答时隙，用于应答帧传输，即用于对上行数据是否接收成功进行应答，网络管理器和中继器在接收到数据之后会发送应答帧进行应答，中继器和传感器节点在发送数据之后开启此时隙接收应答帧来判断是否需要重发上一个数据包；
设备接入时隙，用于设备的入网接入，即用于设备组网时使用，该时隙可采用空闲信道评估(CCA，ClearChannelAssessment)技术来保证组网的快速及可靠性。
较佳的，每个通信时间片的时长为125ms，每个通信时间片内均包含62个时隙，分别为时隙1～62，如图4所示，图4为本发明所述通信时间片及时隙的示意图。
每个通信时间片内的各时隙的详细情况可如下所示：
时隙 125ms内绝对时间 描述 说明
1 0-2 广播帧时隙 持续2ms
2-16 2-32 特殊通信时隙 持续30ms
2-58 32-116 常规通信时隙 持续84ms
59 116-118 应答时隙1 持续2ms
60 118-120 应答时隙2 持续2ms
61 120-122 应答时隙3 持续2ms
62 122-125 设备接入时隙 持续3ms
表一每个通信时间片内的各时隙详细情况
如上表所示，
时隙1为广播帧时隙；
时隙59～61为应答时隙；
时隙62为设备接入时隙；
当存在特殊通信时隙时，时隙2～16为特殊通信时隙，时隙17～58为常规通信时隙；
当不存特殊通信时隙时，时隙2～58均为常规通信时隙。
整个无线传感器网络***中至少包括一个网络管理器，该设备每隔125ms发送一次广播帧，整个无线传感器网络***的时间同步的维系、下行命令的发送以及网络状态的指示和控制等均通过广播帧机制来完成。
广播帧的组成结构可如下所示：
帧头 帧状态 时间戳 下行唤醒设备地址(≤5) 校验位
表二广播帧的组成结构
如上表所示，广播帧中包括帧头、帧状态、时间戳、下行唤醒设备地址、校验位；
帧头：用于指示通信帧开始；
帧状态：用于网络的指示和控制(如重新组网、广播帧的深度等级等)；
时间戳：无线传感器网络***的网络时间，用于时间同步；
下行唤醒设备地址：通知设备有下行命令，需要在自身对应(自己独有)的时隙醒来；
校验位：用于帧校验，保证数据的完整性和真实性。
如前所述，网络管理器、中继器和传感器节点需要分别进行各自的任务处理。
其中，网络管理器处理的任务可包括：发送下行数据、接收上行数据(并进行处理)、发送应答帧和处理入网请求。
传感器节点处理的任务可包括：接收下行数据(并进行处理)、发送上行数据和接收应答帧(并进行处理)。
中继器处理的任务可包括：接收下行数据(并进行处理)、发送下行数据、接收上行数据(并进行处理)、发送上行数据、接收应答帧(并进行处理)、发送应答帧和处理入网请求。
对于中继器或传感器节点，当需要进行上行数据发送时，利用预先设定的、自身对应的常规通信时隙进行数据发送。
对于网络管理器或中继器，当需要进行下行数据发送时，利用预先设定的、接收方对应的常规通信时隙进行数据发送。
每个中继器和传感器节点对应的常规通信时隙数为一个或大于一个，并支持动态调整。
基于前述介绍，传感器节点和中继器还可进一步用于，从休眠状态醒来，初次接收到上一级设备发送来的广播帧后，再次进入休眠状态，并在设备接入时隙醒来，确定预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道是否空闲，若是，则向上一级设备发送入网请求，若否，则进行时间退避，若退避之后信道空闲，则向上一级设备发送入网请求，若退避之后仍不空闲，则再次进行时间退避，直至退避次数达到预先设定的最大退避次数；入网成功后，根据获取到的网络参数进行网络参数配置，之后进入正常工作状态循环模式。
另外，中继器还可进一步用于，当处于正常工作状态循环模式时，若接收到广播帧，则切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行广播帧发送。
中继器还可进一步用于，当进行任务处理时，若需要与上一级设备进行通信，则切换到预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理，若需要与下一级设备进行通信，则切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理。
再有，中继器和传感器节点还可进一步用于，当处于正常工作状态循环模式时，若从开始接收到超过最大失锁时间仍未接收到广播帧，则退出正常工作状态循环模式。
综合上述介绍，可得到网络管理器的运行状态机如下：
网络管理器一直处于工作状态，即一直不休眠，每隔125ms发送一次广播帧，并当有任务需要进行处理时，实时进行处理，包括：
发送下行数据，比如，网络管理器需要向下一级的某一中继器发送下行数据，那么则在该中继器对应的常规通信时隙发送该下行数据；
接收上行数据并发送给主应用程序，如PC机、服务器、云端等；
发送应答帧，具体采用哪个应答帧时隙来发送应答帧可预先设定；
处理入网请求，即对接收到的入网请求进行处理，如何处理为现有技术。
图5为本发明所述中继器的运行状态机示意图。
如图5所示，主要包括以下两部分：
1)中继器休眠定时唤醒，从休眠状态醒来，初次接收到上一级设备发送来的广播帧后，再次进入休眠状态，并在设备接入时隙醒来，确定预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道是否空闲，若是，则向上一级设备发送入网请求，若否，则进行时间退避，若退避之后信道空闲，则向上一级设备发送入网请求，若退避之后仍不空闲，则再次进行时间退避，直至退避次数达到预先设定的最大退避次数，当达到最大退避次数后，等待下一次广播帧的接收；入网成功后，根据获取到的网络参数进行网络参数配置，之后进入正常工作状态循环模式。
2)当处于正常工作状态循环模式时，若从开始接收到超过最大失锁时间仍未接收到广播帧，则退出正常工作状态循环模式；
当处于正常工作状态循环模式时，若每次接收到广播帧，则根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行广播帧发送，之后进入休眠唤醒循环模式；
当处于休眠唤醒循环模式时，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收(即处于接收广播帧时隙)，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理，其中，若需要与上一级设备进行通信，则切换到预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理，若需要与下一级设备进行通信，则切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理；
所述任务处理包括：接收下行数据、发送下行数据、接收上行数据、发送上行数据、接收应答帧、发送应答帧和处理入网请求。
中继器何时需要醒来可根据实际情况而定，比如，中继器根据接收到的广播帧中携带的下行唤醒设备地址获知网络管理器需要向自身下发数据，那么则可在自身对应的常规通信时隙醒来，以接收下行数据，又比如，中继器预先能够知道下一级传感器节点对应的常规通信时隙，那么可在该时隙醒来，以查看传感器节点是否会发送上行数据等。
图6为本发明所述传感器节点的运行状态机示意图。
如图6所示，主要包括以下两部分：
1)传感器节点休眠定时唤醒，从休眠状态醒来，初次接收到上一级设备发送来的广播帧后，再次进入休眠状态，并在设备接入时隙醒来，确定预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道是否空闲，若是，则向上一级设备发送入网请求，若否，则进行时间退避，若退避之后信道空闲，则向上一级设备发送入网请求，若退避之后仍不空闲，则再次进行时间退避，直至退避次数达到预先设定的最大退避次数，当达到最大退避次数后，等待下一次广播帧的接收；入网成功后，根据获取到的网络参数进行网络参数配置，之后进入正常工作状态循环模式。
2)当处于正常工作状态循环模式时，若从开始接收到超过最大失锁时间仍未接收到广播帧，则退出正常工作状态循环模式；
当处于正常工作状态循环模式时，若每次接收到广播帧，则根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并进入休眠唤醒循环模式；
当处于休眠唤醒循环模式时，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理，包括：接收下行数据、发送上行数据和接收应答帧。
总之，采用本发明所述方案，传感器节点和中继器可仅在需要时醒来并进行任务处理，其它时间则处于休眠状态，从而无需一直处于工作状态，进而降低了***的功耗。
而且，采用本发明所述方案，***的实时性和带宽均能得到很好的保证：可保证上下行数据的响应时间最短为125ms，各中继器可在FDMA的基础上实现多设备同时隙分信道传输，从而最大程度的保证了通信带宽和通信质量，此外，还可以通过网络管理器的协议仲裁处理算法等，为短时间内需要较大数据上传的传感器节点分配多个时隙，这对于加速度、动态应变等一些较大采样率应用的场景具有重大的意义，另外，中继器或传感器节点也可以通过这种多时隙的申请，完成自身固件的下载，最终实现无线固件升级功能，这是产品在实际应用中具有核心竞争的技术。
再有，采用本发明所述方案，可实现零冲突的数据包交换，全网时间同步等，并可支持多种不同的网络拓扑结构，具有广泛适用性等。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (10)

1.一种无线传感器网络***，其特征在于，包括：网络管理器和传感器节点；
网络管理器，用于每隔预定时长则向下一级设备发送一次广播帧，并当存在待处理的任务时，进行任务处理；
传感器节点，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则进行以下处理：根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于，
网络管理器和传感器节点之间呈星型网络拓扑结构。
3.根据权利要求1所述的***，其特征在于，
所述***中进一步包括：位于网络管理器和传感器节点之间的中继器；
中继器，用于当初次接收到上一级设备发送来的广播帧时，进行入网处理，入网成功后，进入正常工作状态循环模式，在该模式下，当每次接收到上一级设备发送来的广播帧时，则进行以下处理：根据接收到的广播帧中携带的时间戳信息进行时间同步，并向下一级设备发送广播帧，之后进入休眠唤醒循环模式，当每次根据需要从休眠状态醒来时，若需要进行广播帧接收，则退出休眠唤醒循环模式，否则，当存在待处理的任务时，进行任务处理。
4.根据权利要求3所述的***，其特征在于，
网络管理器、中继器和传感器节点之间呈树形网络拓扑结构或链状网络拓扑结构。
5.根据权利要求3所述的***，其特征在于，
以所述预定时长作为一个通信时间片，每个通信时间片内包括四类必选时隙和一类可选时隙，必选时隙包括：广播帧时隙、常规通信时隙、应答时隙和设备接入时隙，可选时隙包括：特殊通信时隙；
广播帧时隙，用于网络管理器发送广播帧；
特殊通信时隙，用于中继器发送广播帧；
常规通信时隙，用于上下行数据传输；
应答时隙，用于应答帧传输；
设备接入时隙，用于设备的入网接入；
网络管理器处理的任务包括：发送下行数据、接收上行数据、发送应答帧和处理入网请求；
传感器节点处理的任务包括：接收下行数据、发送上行数据和接收应答帧；
中继器处理的任务包括：接收下行数据、发送下行数据、接收上行数据、发送上行数据、接收应答帧、发送应答帧和处理入网请求。
6.根据权利要求5所述的***，其特征在于，
每个通信时间片的时长为125ms；
每个通信时间片内均包含62个时隙，分别为时隙1～62；
时隙1为广播帧时隙；
时隙59～61为应答时隙；
时隙62为设备接入时隙；
当存在特殊通信时隙时，时隙2～16为特殊通信时隙，时隙17～58为常规通信时隙；
当不存特殊通信时隙时，时隙2～58均为常规通信时隙。
7.根据权利要求5或6所述的***，其特征在于，
对于中继器或传感器节点，当需要进行上行数据发送时，利用预先设定的、自身对应的常规通信时隙进行数据发送；
对于网络管理器或中继器，当需要进行下行数据发送时，利用预先设定的、接收方对应的常规通信时隙进行数据发送；
每个中继器和传感器节点对应的常规通信时隙数为一个或大于一个，并支持动态调整。
8.根据权利要求5或6所述的***，其特征在于，
传感器节点和中继器进一步用于，从休眠状态醒来，初次接收到上一级设备发送来的广播帧后，再次进入休眠状态，并在设备接入时隙醒来，确定预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道是否空闲，若是，则向上一级设备发送入网请求，若否，则进行时间退避，若退避之后信道空闲，则向上一级设备发送入网请求，若退避之后仍不空闲，则再次进行时间退避，直至退避次数达到预先设定的最大退避次数；入网成功后，根据获取到的网络参数进行网络参数配置，之后进入正常工作状态循环模式。
9.根据权利要求8所述的***，其特征在于，
中继器进一步用于，当处于正常工作状态循环模式时，若接收到广播帧，则切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行广播帧发送；
中继器进一步用于，当进行任务处理时，若需要与上一级设备进行通信，则切换到预先设定的与上一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理，若需要与下一级设备进行通信，则切换到预先设定的与下一级设备进行通信的通信信道上进行任务处理。
10.根据权利要求3所述的***，其特征在于，
中继器和传感器节点进一步用于，当处于正常工作状态循环模式时，若从开始接收到超过最大失锁时间仍未接收到广播帧，则退出正常工作状态循环模式。
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