CN108770051A - 多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，包括：待入网节点向协调器发送入网请求消息；协调器接收到入网请求消息后，计算该节点同步需要的休眠时间，向待入网节点发送入网应答消息，并向上位机发送节点预入网消息；待入网节点收到协调器返回的入网应答消息后，向协调器发送确认入网消息，然后根据入网应答消息中的休眠时间开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒；协调器收到确认入网消息后，向上位机发送节点入网成功消息。本发明不仅能够大幅度减少节点入网等待能耗并提高节点入网成功率，延长了整个传感器网络的生命周期，又降低了节点加入无线传感器网络在操作上的复杂性。

Description

多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法
技术领域
本发明涉及网络技术领域，具体涉及一种适用于多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法。
背景技术
在许多无线传感器网络应用场景中，传感器节点的能量只能一次性供给，一旦开始运行将不能再行补充。为节省网络节点能耗，延长网络寿命，一般会采用周期苏醒的工作模式；但无线传感器网络节点在一个网络苏醒周期内，只在极短的时间内处于活动状态，处于活动状态时完成数据的采集和传输，剩余时间都处于休眠状态。
在所部署的无线传感器网络中，在协调器和网络节点中设置网络苏醒周期定时器A；当定时器A超时消息发生时，节点醒来，协调器广播组网指令，开启网络活动时间定时器B对网络活动状态计时，一旦定时器B超时消息发生，则由协调器广播休眠指令，通知全网节点进入休眠状态。当定时器A超时消息再次发生时全网节点醒来，新的苏醒周期开始，周而复始。对于新加入的网络节点而言，由于将要加入的无线传感器网络是一个长期处于休眠状态的网络，因此新部署节点加入网络时，网络极有可能正处于休眠状态，此时新部署节点不能直接加入网络，如果持续等待网络苏醒无疑需要消耗很多能量。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种适用于多跳自组织可休眠无线传感器网络的网络节点随机入网方法，能够大幅度减少节点入网等待能耗并提高节点入网成功率，解决新的网络节点加入长期处于休眠状态的无线传感器网络的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内向协调器发送入网请求消息，然后开启应答超时定时器C；所述入网请求消息包含待入网节点的自身特征信息；
步骤2，协调器接收到待入网节点发送的入网请求消息后，向待入网节点发送入网应答消息，所述入网应答消息包含休眠时间t和休眠周期T；同时所述协调器向上位机发送节点预入网消息；
步骤3，待入网节点在应答超时定时器C计时结束之前接收入网应答消息，若接收到入网应答消息，则关闭应答超时定时器C，向协调器发送确认入网消息，并执行步骤5；若没有接收到入网应答消息，则执行步骤4；
步骤4，待入网节点比较当前重发次数n和重发次数上限M：若n小于M，则待入网节点重新发送入网请求消息给协调器，复位应答超时定时器C重新计时等待，并将n自加1，然后返回执行步骤3；若n不小于M，则报警提示人员检查，入网失败；
步骤5，待入网节点根据入网应答消息中的休眠时间t开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络；
步骤6，协调器收到待入网节点发送的确认入网消息后，向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网。
上述的方法，其中，在所述步骤1中，所述待入网节点的自身特征信息包括待入网节点的自身地址和电压信息。
上述的方法，其中，在所述步骤2中，所述休眠时间t为所述待入网节点与网络中已入网节点同步所需要休眠的时间，通过所述协调器计算得出。
上述的方法，其中，在所述步骤2中，所述节点预入网消息包括所述待入网节点的地址和电池电压信息；所述上位机接收到协调器发送的节点预入网消息后，登记请求入网节点的信息。
上述的方法，其中，在所述步骤3中，所述确认入网消息包含所述待入网节点的自身地址信息。
上述的方法，其中，在所述步骤4中，所述重发次数n是变量，为待入网节点重新向协调器发送入网请求消息的次数；所述重发次数上限M是常量，可设定为任意自然数。
上述的方法，优选的，所述n的初始值为0，M为2。
上述的方法，其中，所述步骤5具体包括：所述待入网节点根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器，从而开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒；
上述的方法，其中，在所述步骤6中，所述确认入网消息包含所述待入网节点的地址信息。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，有以下优点：
采用本发明的方法，既保证了待入网节点在不工作时能及时进入休眠状态，降低待入网节点的能量消耗，延长了整个传感器网络的生命周期。同时，本发明又解决了多跳自组织可休眠无线传感器网络的待入网节点入网问题，降低了节点加入无线传感器网络在操作上的复杂性。
附图说明
图1是本发明的煤矿采空区环境示意图；
图2是本发明的无线传感器网络部署示意图；
图3是本发明的无线传感器网络待入网节点部署示意图；
图4是本发明的待入网节点正常入网通信MSC图；
图5是本发明的待入网节点入网申请失败一次后成功入网通信MSC图；
图6是本发明的待入网节点入网申请失败两次后成功入网通信MSC图；
图7是本发明的待入网节点入网失败通信MSC图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细介绍，应理解，这些实施例仅用于说明本发明内容而不是用于限制本发明的范围。
请参见图1和图2，以煤矿采空区为例，详细介绍本发明的具体实施方式。具体的，协调器节点部署在采煤工作面的两侧进风巷和回风巷内，协调器通过通信网关和通信网络与布置在地面监控室的监控服务器相连。全功能路由传感器节点部署在采空区内，并按照适当间隔布置成一个方阵。本发明的协调器采用固定外接电源供电，除此之外，所有的传感器节点均使用电池供电。
请参见图3，在煤矿采空区矩形区域按照矩阵的形式排布节点，在进回风巷布置协调器节点；传感器节点等间隔的部署在整个采空区中，形成一个N*M的监测矩阵，保证传感器节点在周围相邻节点的通信范围内。传感器节点采样的数据通过多跳转发方式汇聚于协调器节点，而协调器节点作为传感器网络的核心，部署在煤矿工作面的两侧顺槽，跟随煤矿采煤工作面的推进，协调器节点随之推进，每当推进一定距离时，需要部署一排新的传感器节点。
通过上述方法，无论采煤作业推进到什么位置，可以始终确保新部署的传感器节点在协调器的单跳通信范围内。
当计算机、网关、协调器正常部署连接启动后，就可以开始部署一排新的传感器节点。
实施例1
参照图4～7，本发明多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，至少包括以下步骤：
步骤1：待入网节点在协调器单跳通信范围内上电启动，启动后向协调器发送入网请求消息，入网请求消息包含待入网节点的自身地址和电池电压等信息。待入网节点随即开启应答超时定时器C，等待协调器返回入网应答消息。
入网请求消息的数据结构如表1所示，表中数据仅为示例。
表1待入网节点入网请求消息的数据结构
步骤2，协调器如果收到待入网节点发送的入网请求消息，则计算当前网络苏醒周期的剩余时间t，t为待入网节点与网络中已入网节点同步所需要休眠的时间。然后，协调器向待入网节点发送入网应答消息，入网应答消息包含该休眠时间t和网络苏醒周期T(休眠周期)。最后，协调器向上位机发送节点预入网消息，通知上位机该节点正在申请入网，节点预入网消息包含待入网节点的地址和电池电压等信息。
协调器返回的入网应答消息的数据结构如表2所示，表中数据仅为示例。
表2协调器返回的入网应答消息的数据结构
步骤3，待入网节点在应答超时定时器C计时结束之前接收入网应答消息，若接收到入网应答消息，则关闭应答超时定时器C，向协调器发送确认入网消息，然后执行步骤5，确认入网消息包含待入网节点的自身地址信息。若待入网节点在应答超时定时器C计时结束时，仍未接收到协调器返回的入网应答消息，则执行步骤4。
待入网节点确认入网消息的数据结构如表3所示，表中数据仅为示例。
表3待入网节点确认入网消息的数据结构
步骤4，待入网节点比较当前重发次数n和重发次数上限M(常设n的初始值为0，M为2)：若n小于M，则待入网节点重新发送入网请求消息给协调器，复位应答超时定时器C重新计时等待，并将n自加1，然后返回执行步骤3；若n不小于M，则报警提示人员检查，入网失败；
步骤5，待入网节点根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器，开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络。
步骤6，协调器若收到待入网节点发送的确认入网消息，则向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网，节点入网成功消息包含该节点地址信息。
实施例2
请参见图4，如果待入网节点与协调器之间无异常通信，则待入网节点成功加入网络至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内上电启动后，向协调器发送入网请求消息，随即开启应答超时定时器C，等待协调器返回入网应答消息。
步骤2，协调器收到入网请求消息后，计算待入网节点与网络中已入网节点同步所需要的休眠时间t，然后向待入网节点发送入网应答消息，同时向上位机发送节点预入网消息，通知上位机该节点正在申请入网。
步骤3，待入网节点在应答超时定时器C计时结束之前，接收到协调器返回的入网应答消息后，关闭应答超时定时器C，向协调器发送确认入网消息，然后根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络。
步骤4，协调器收到待入网节点发送的确认入网消息后，向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网。
实施例3
请参见图5，如果待入网节点入网申请失败一次后成功加入网络，则至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内上电启动后，向协调器发送入网请求消息，开启应答超时定时器C，等待协调器返回入网应答消息。
步骤,2，如果待入网节点在应答超时定时器C计时结束时，仍未接收到协调器返回的入网应答消息，则重新发送1次入网请求消息并复位应答超时定时器C重新计时，等待协调器返回入网应答消息。
步骤3，协调器收到入网请求消息后，计算待入网节点与网络中已入网节点同步所需要的休眠时间t，然后向待入网节点发送入网应答消息，同时向上位机发送节点预入网消息，通知上位机该节点正在申请入网。
步骤4，待入网节点在应答超时定时器C计时结束之前，接收到协调器返回的入网应答消息，关闭应答超时定时器C，并向协调器发送确认入网消息。然后根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络。
步骤5，协调器收到待入网节点发送的确认入网消息后，向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网。
实施例4
请参见图6，如果待入网节点入网申请失败两次后成功加入网络，则至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内上电启动后，向协调器发送入网请求消息，随即开启应答超时定时器C，等待协调器返回入网应答消息。
步骤2，如果待入网节点在应答超时定时器C计时结束时，仍未接收到协调器返回的入网应答消息，则重新发送1次入网请求消息并复位应答超时定时器C重新计时，等待协调器返回入网应答消息。
步骤3，如果待入网节点在应答超时定时器C计时结束时，依然没有接收到协调器返回的入网应答消息，则重新发送第2次入网请求消息并复位应答超时定时器C重新计时，等待协调器返回入网应答消息。
步骤4，协调器收到入网请求消息，计算待入网节点与网络中已入网节点同步所需要的休眠时间t，然后向待入网节点发送入网应答消息，向上位机发送节点预入网消息，通知上位机该节点正在申请入网。
步骤5，待入网节点在其应答超时定时器C计时结束之前，接收到协调器返回的入网应答消息，关闭应答超时定时器C，向协调器发送确认入网消息。然后根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络。
步骤6，协调器接收到待入网节点发送的确认入网消息，向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网。
实施例5
请参见图7，如果待入网节点入网申请失败三次后，入网失败，则至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内上电启动后，向协调器发送入网请求消息，开启应答超时定时器C，等待协调器返回入网应答消息。
步骤2，如果待入网节点在应答超时定时器C计时结束时，仍未接收到协调器返回的入网应答消息，则重新发送1次入网请求消息并复位应答超时定时器C重新计时，等待协调器返回入网应答消息。
步骤3，如果待入网节点在其应答超时定时器C计时结束时，依然没有接收到协调器返回的入网应答消息，则重新发送第2次入网请求消息并复位应答超时定时器C重新计时，等待协调器返回入网应答消息。
步骤4，如果待入网节点在其应答超时定时器C计时结束时，重发次数n>M(按照优选值设定，则此时n＝3,M＝2)，报警提示人员检查，该节点入网失败。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，上面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于上面描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受上面公开的具体实施例的限制。并且，以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤1，待入网节点在协调器单跳通信范围内向协调器发送入网请求消息，然后开启应答超时定时器C；所述入网请求消息包含待入网节点的自身特征信息；
步骤2，协调器接收到待入网节点发送的入网请求消息后，向待入网节点发送入网应答消息，所述入网应答消息包含休眠时间t和休眠周期T；同时所述协调器向上位机发送节点预入网消息；
步骤3，待入网节点在应答超时定时器C计时结束之前接收入网应答消息，若接收到入网应答消息，则关闭应答超时定时器C，向协调器发送确认入网消息，并执行步骤5；若没有接收到入网应答消息，则执行步骤4；
步骤4，待入网节点比较当前重发次数n和重发次数上限M：若n小于M，则待入网节点重新发送入网请求消息给协调器，复位应答超时定时器C重新计时等待，并将n自加1，然后返回执行步骤3；若n不小于M，则报警提示人员检查，入网失败；
步骤5，待入网节点根据入网应答消息中的休眠时间t开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒，即成功加入网络；
步骤6，协调器收到待入网节点发送的确认入网消息后，向上位机发送节点入网成功消息，通知上位机该节点成功入网。
2.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述待入网节点的自身特征信息包括待入网节点的自身地址和电压信息。
3.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述休眠时间t为所述待入网节点与网络中已入网节点同步所需要休眠的时间，通过所述协调器计算得出。
4.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述节点预入网消息包括所述待入网节点的地址和电池电压信息；所述上位机接收到协调器发送的节点预入网消息后，登记请求入网节点的信息。
5.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤3中，所述确认入网消息包含所述待入网节点的自身地址信息。
6.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤4中，所述重发次数n是变量，为待入网节点重新向协调器发送入网请求消息的次数；所述重发次数上限M是常量，可设定为任意自然数。
7.根据权利要求6所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，所述n的初始值为0，M为2。
8.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，所述步骤5具体包括：所述待入网节点根据协调器发送的入网应答消息中所含的休眠时间t和网络延时状况进行时钟同步微调，按调整后的时间设定自身休眠定时器，从而开始休眠，实现与网络中的传感器节点同步苏醒。
9.根据权利要求1所述的多跳自组织可休眠无线传感器网络的节点随机入网方法，其特征在于，在所述步骤6中，所述确认入网消息包含所述待入网节点的地址信息。
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