基于动态路由机制的无线传感器网络及其拓扑控制方法技术

本发明专利技术提供了一种基于动态路由机制的无线传感器网络和基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法。其中基于动态路由机制的无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点和上位机软件三个部分组成。而基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法主要分为三个步骤，首先通过动态路由机制建立网络拓扑，其次根据RSSI和LQI指标对信道进行评估后调整传感器节点的发射功率，最后是网络拓扑结构的维护，保证网络的连通性和可靠性。基于功率控制的拓扑控制算法可以降低信号间干扰，提高网络的稳定性，延长网络的生命周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络的
，涉及一种基于动态路由机制的无线传感器网络及其拓扑控制方法。
技术介绍
无线传感器网络由部署在监测区域内的大量廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成一种多跳自组织的网络系统，能够通过协作实时监测、感知和采集网络分布区域内的各种环境信息，并对这些信息进行处理，从而获取详尽而准确的信息。无线传感器网络的应用前景非常广阔，能够广泛地应用于国防军事、环境监测、医疗卫生、交通管理和空间探索等领域。网络拓扑控制是指在满足网络覆盖度和连通度的前提下，通过功率控制和骨干节点选择，剔除节点之间不必要的无线通信链路，生成一个高效的数据转发网络拓扑结构。网络拓扑的合理设计与优化对改善网络性能尤为重要，体现在以下几个方面：①降低传感器节点能耗，延长整个网络的生命周期。随着集成电路工艺的进步，传感器节点的处理器和传感器模块的功耗变得很低，绝大部分能量消耗在无线通信模块上，并且节点通常采用能量有限的电池供电，更换或者给电池充电都较难实现。拓扑控制通过自适应调整传感器节点的发射功率，使节点的功耗降低，延长网络的生存时间。②降低传感器节点通信干扰、提高通信效率。无线传感器网中节点的分布密度比较大，如果每个节点都以最大的发射功率传输数据，会加剧通信信道的干扰、加大误码率、降低网络通信的效率，造成节点能量的浪费。反之，如果节点的发射功率过小，会影响到网络的连通性，丢失部分传感数据。网络拓扑控制的功率控制技术可以有效解决这一问题。③拓扑控制为路由协议提供基础。路由协议需要知道网络的拓扑结构，只有有效的节点才能进行数据传输和转发。拓扑控制能够提高MAC协议和路由协议的效率、为数据融合提供拓扑基础。无线传感器网络中的传感器节点大多采用电池供电且电源不可更换，由于缺乏持续、稳定的能源补充，所以其首要目标是高效地使用能源来最大化地延长网络的生命周期。在实际的应用中，所有的传感器节点以最大的发射功率进行通信，虽然保证了网络拓扑的连通性，但不可避免地造成了能量的浪费，同时也会导致信号冲突，从而使得网络的生存时间变短。网络拓扑控制可以优化网络拓扑结构，提高传感器节点能耗利用率，延长网络的生命周期。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于动态路由机制的无线传感器网络，由传感器节点、汇聚节点和上位机软件三个部分组成，传感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4GHz的无线信号上传给汇聚节点，传感器节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能；汇聚节点通过有线或WiFi或GPRS无线方式将采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中心，汇聚节点用于传感器节点的数据汇总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命令的功能；上位机软件用于处理汇聚节点的数据信息，以便观测者实时监控网络数据；本地PC及远程数据中心的上位机软件下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、节点重启功能。本专利技术还提供一种基于动态路由的无线传感器网络拓扑控制方法，首先通过动态路由建立树形网络拓扑，其次根据RSSI和LQI指标对信道进行评估后调整节点的发射功率，功率调整完毕后进入网络拓扑维护阶段，周期性地检查网络的拓扑结构，保证网络的连通性和可靠性。通过动态地调整传感器节点的发射功率，使传感器节点以合适的发射功率进行通信，不仅可以保证网络的连通性，还可以有效地降低节点的功耗，从而达到延长网络生命周期的目的。基于动态路由机制的无线传感器网络拓扑控制方法包含如下步骤：步骤1：本系统采用动态路由机制构建网络拓扑结构，动态路由是通
过节点之间不断地交换彼此的信息，按照特定的算法选择最优的寻路效果，同时也可以适应不断变化的网络，动态的调整网络的拓扑结构。拓扑构建的流程为：一个节点加入网络，当有数据需要发送时首先会检查路由表，如果路由表中不存在任何路由信息，那么该节点会发送一个广播路由请求。其它节点在收到该节点路由请求的时候，如果自身有合适的路由信息则会将路由信息回复给请求节点。请求节点在收到应答的时候会去更新路由表的信息，以保证路由表的信息是最新的。其中更新路由表是动态路由协议中关键的部分，当接收到一个新的路由信息时会首先遍历路由表，检查在路由表中是否存在新的路由信息中包含的节点号相同的表项。如果存在这样的表项，说明这条表项已经是比较旧的了，所以用接收到的新的路由信息覆盖这条比较旧的表项。遍历完路由表后如果发现不存在节点号相同的表项，说明之前不存在这样的路由信息，那么这条路由信息一定要加入到路由表中将这条信息加入到路由表中。如果出现路由表已经满的情况，此时系统会用新的路由信息覆盖最没有价值的路由表项。每个节点都会构建一个路由表，当节点发送数据的时候，会从路由表中选取跳数最少并且链路质量最好的路由表项将数据发送出去。步骤2：当拓扑结构构建完成后，系统会进入功率调整阶段，自适应地调整每个节点的发射功率，使其在保证数据正确传输的情况下，尽量降低每个节点在数据传输时的功耗。每个节点维护了一个路由表信息，通过函数getRouteStatus()获取节点与其父节点之间的路由状态信息，使用路由信息中RSSI(Receive Signal Strength Indicator)和LQI(Link Quality Indicator)指标对无线通信信道进行分级，一共分为五个级别，它们分别是VERYGOOD、GOOD、PERFECT、BAD和VERYBAD。当信道的评级为VERYGOOD和GOOD时表明信道质量很好，可以适当降低节点的发射功率，降低节点的通信功耗；当信道评级为其他级别时，节点仍采用最大的发射功率，保证网络的连通性与可靠性。步骤3：当传感器节点完成功率调整后以合适的发射功率进行通信，系统进入拓扑维护阶段。由于传感器节点需要完成采集数据、处理数据和传输数据等任务，都需要消耗能量，因此网络拓扑状态可能发生改变，因此需要对其进行维护使其保持最优状态。网络拓扑的维护是周期性的任务，采用定时器触发。定时周期的长度非常关键，时间太短可能导致不必要的维护开销。另一方面，时间太长可能会由于网络拓扑结构变化导致节点失效，无法传输数据。系统需要周期性地检查网络拓扑结构的变化，根据网络拓扑的变化，适当调整节点的发射功率。拓扑维护的情况比较复杂，功率调整的方式也不一样。一个节点的父节点失效后，它需要增加自身的发射功率增强通信的范围，重新寻找新的路由。受到环境的影响信道质量急剧下降，也需要节点增强发射功率保证通信的可靠性。新的节点加入网络，节点之间的通信距离变短，需要适当降低节点的发射功率，以适应新的网络拓扑。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术提出的方法不仅可以有效地控制节点的发射功率，降低节点的功耗，延长网络的生命周期，而且还可以降低节点之间的通信干扰，提高数据传输的准确性；2、本专利技术提出的方法适用于计算能力和通信能力有限的传感器节点，功率调整的依据是LQI和RSSI，这些指标只需要读取寄存器的值就可以获取，降低了功率调整的算法开销；3、本专利技术提出的方法提出的具有自适应能力，周期性地检查网络的拓扑结构的变化，动态调整传感器节点的发射功率，保证传感器节点以合适的发射功率工作。附图说明为进一步说明本专利技术的
技术实现思路
以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：图1为传感器节点各种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于动态路由机制的无线传感器网络，由传感器节点、汇聚节点和上位机软件三个部分组成，传感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4GHz的无线信号上传给汇聚节点，传感器节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能；汇聚节点通过有线或WiFi或GPRS无线方式将采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中心，汇聚节点用于传感器节点的数据汇总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命令的功能；上位机软件用于处理汇聚节点的数据信息，以便观测者实时监控网络数据；本地PC及远程数据中心的上位机软件下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、节点重启功能。

【技术特征摘要】
1.一种基于动态路由机制的无线传感器网络，由传感器节点、汇聚节点和上位机软件三个部分组成，传感器节点周期性地唤醒，采集环境数据并通过2.4GHz的无线信号上传给汇聚节点，传感器节点具有数据采集、数据传输、路由转发功能；汇聚节点通过有线或WiFi或GPRS无线方式将采集到的各个节点信息上传至本地PC及远程数据中心，汇聚节点用于传感器节点的数据汇总，作为所有传感器节点的父节点，同时还有下发网络命令的功能；上位机软件用于处理汇聚节点的数据信息，以便观测者实时监控网络数据；本地PC及远程数据中心的上位机软件下发命令与网络节点进行信息交互来修改网络休眠周期、节点重启功能。2.如权利要求1所述的基于动态路由机制的无线传感器网络，其特征在于，其中所述传感器节点由电源模块、传感器模块、处理器模块、无线通信模块和大功能模块组成。3.如权利要求1所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，包括如下步骤：1)拓扑结构构建阶段：采用动态路由机制构建网络拓扑结构，动态路由机制是通过传感器节点之间不断地交换彼此的信息，按照特定的算法选择最优的寻路效果，同时适应不断变化的网络，动态的调整网络的拓扑结构；2)功率调整阶段：自适应地调整每个传感器节点的发射功率，使其在保证数据正确传输的情况下，尽量降低每个传感器节点在数据传输时的功耗；3)拓扑维护阶段：当传感器节点完成功率调整后以合适的发射功率进行通信，系统进入拓扑维护阶段，网络拓扑的维护是周期性的任务，采用定时器触发。4.如权利要求3所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的拓扑控制方法，其特征在于，其中在所述2)功率调整阶段，根据节点之间的路
\t由信息对通信节点之间的信道进行评级，然后根据信道的评级结果动态地调整节点的发射功率，使节点以合适的发射功率工作，避免能量的浪费。5.如权利要求4所述的基于动态路由机制的无线传感器网络的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王亚聪，赵柏秦，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11