一种无线传感器网络信道接入方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络信道接入方法及装置包括：在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙，并广播大时隙分配结果；接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。本发明专利技术能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线通信领域，特别是指一种无线传感器网络信道接入方法及装置。
技术介绍
随着无线通信技术与物联网的发展，无线传感器网络技术已经被广泛地应用于工业生产中。基于802.15.4协议的无线传感器网络技术具有安装布置简易、数据传输可靠、设备成本低、能量消耗小等特点。无线传感器网络技术已经成为了许多智能产业中必不缺少的一部分，如智能家居、智能交通和智能建筑等领域。无线传感器网络通常由协调器节点和一定规模的传感器节点组成，这些传感器节点按照实际需求分布在监测区域，负责采集该区域内相应的数据，然后将数据汇集给协调器节点。在无线传感器网络中，MAC(MediaAccessControl，介质访问控制层)协议负责着传感器节点无线信道的接入控制，是保障无线传感器网络正常通信的基础。因此，MAC层的效率关系到整个无线传感器网络的性能，设计一种高效的MAC协议是研究无线传感器网络的核心问题。目前，无线传感器网络中MAC层协议采用的信道接入技术主要有三种：第一种是基于竞争的MAC协议，如CSMA/CA，其基本思想是需要接入信道的传感器节点检测信道是否空闲以竞争信道，若信道忙则随机退避一段时间，如此直到成功或者达到最大退避次数，这种方法具有简单有效和可扩展性好等优点，缺点主要是信道利用率差；第二种是基于调度的MAC协议，如TDMA，其基本思想是协调器节点依据某种调度策略为传感器节点分配时隙，传感器节点在属于自己的时隙内发送数据，在不属于自己的时隙内休眠以降低能量消耗，这种方法具有能耗低和信道利用率高等优点，缺点主要是可扩展性差；第三种是混合MAC协议，如CSMA/CA与TDMA混合MAC协议，其基本思想是结合CSMA/CA与TDMA的特点，需要专有时隙的传感器节点向协调器申请，协调器节点按需分配时隙，其他传感器节点采用CSMA/CA的方式竞争信道，这种方法将CSMA/CA与TDMA的优势互补，有效地提高了信道接入效率。目前存在多种CSMA/CA与TDMA的混合MAC协议，其研究往往侧重于以下几个方面：第一，传感器节点根据自身需求，主动向协调器申请时隙，这种情况下会引入了额外的网络负载，加重网络负担；第二，协调器为传感器节点分配专有时隙，这种方法在传感器节点数据量小的情况下时隙利用率往往不高，在一定程度上浪费信道资源；第三，协调器根据某种依据为一个或一组传感器节点分配时隙，这种方法的可扩展性较差，而且性能非常依赖于采用的依据。这些混合型MAC协议在性能上往往不能尽如人意，而且在一些情况下，可能还会比单独使用CSMA/CA或TDMA表现出更差的性能。因此，研究一种高效合理的混合MAC仍然是当前的一个热点问题。针对现有技术中混合MAC协议增加额外网络负载、时隙利用率低、可扩展性差的问题，目前尚未有有效的解决方案。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例的目的在于提出一种无线传感器网络信道接入方法及装置，能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。基于上述目的本专利技术实施例提供的无线传感器网络信道接入方法，包括：在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙，并广播大时隙分配结果；接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。在一些实施方式中，所述处理数据为向数据中加入数据采集时间信息。在一些实施方式中，所述采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧包括：使用传感器模块采集数据；使用微控制单元处理采集到的数据；使用射频天线模块以帧形式发送处理过的数据；使用数据缓冲区缓存等待传输的数据。在一些实施方式中，所述解析处理过的数据帧为从数据中提取数据采集时间信息；协调器将提取出的数据采集时间信息设置为该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间。在一些实施方式中，所述计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量包括：根据传感器节点数量确定一个超帧结构内的大时隙数目；根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。在一些实施方式中，所述根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量，为将该大时隙的结束时间与该传感器节点的最近数据帧的业务到来时间之差与传感器节点采集数据的周期相整除并得到该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。在一些实施方式中，所述根据各传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器节点分配大时隙包括：按超帧结构顺序依次选取每个大时隙；在被选取的大时隙内将传感器节点按传输数据量由多到少降序排列；选取前特定数量个传感器节点并将其分配到被选取的大时隙内，特定数量为传感器节点数量与一个超帧结构内的大时隙数目之比；将每个被分配的传感器节点从按传输数据量由多到少降序排列的队列中移除；依次选取每个大时隙并将所有传感器节点都进行分配。在一些实施方式中，所述广播大时隙分配结果为通过下一个信标帧广播大时隙分配结果。在一些实施方式中，所述无线传感器网络为一个协调器与多个传感器节点形成的星型拓扑网络，且多个传感器节点具有相同的数据长度与采集周期。本专利技术实施例的另一方面，还提供了一种电子设备，包括至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行上述方法。从上面所述可以看出，本专利技术实施例提供的无线传感器网络信道接入方法及装置通过使用采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧，计算出该传感器节点在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量与差异，为各传感器节点分配大时隙并广播大时隙分配结果，根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道的技术手段，能够在几乎不增加网络负载的情况下由协调器统一调度，为传感器节点分配大时隙，提高了时隙利用效率。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法的流程示意图；图2为现有技术中IEEE802.15.4协议定义的标准超帧结构图；图3为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法中包含大时隙的超帧结构图；图4为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法中传感器节点的结构示意图；图5为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法中信道伪拥塞现象的结构示意图；图6为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法中大时隙分配的流程示意图；图7为本专利技术提供的无线传感器网络信道接入方法中大时隙分配策略的流程示意图；图8为本专利技术提供的执行所述无线传感器网络信道接入方法的电子设备的一个实施例的硬件结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络信道接入方法，其特征在于，包括：在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；根据各传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器分配大时隙，并广播大时隙分配结果；接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络信道接入方法，其特征在于，包括：在一个超帧结构内，采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧；接收、解析处理过的数据帧，并计算出该传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量；根据各传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量差异，为各传感器分配大时隙，并广播大时隙分配结果；接收、解析大时隙分配结果，并根据大时隙分配结果在指定大时隙内竞争接入信道。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述处理数据为向数据中加入数据采集时间信息。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采集、处理数据并向协调器传输处理过的数据帧包括：使用传感器模块采集数据；使用微控制单元处理采集到的数据；使用射频天线模块以帧形式发送处理过的数据；使用数据缓冲区缓存等待传输的数据。4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述解析处理过的数据帧为从数据中提取数据采集时间信息；协调器将提取出的数据采集时间信息设置为该传感器的最近数据帧的业务到来时间。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述计算出该传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量包括：根据传感器数量确定一个超帧结构内的大时隙数目；根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构内的大时隙数目计算出该传感器在下一个超帧结构内各大时隙中的数据量。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据一个超帧结构的长度与一个超帧结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘元安，吴帆，梁洁玫，余志强，张洪光，范文浩，李阳，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11