无线传感器网络节点与网关之间的通信方法技术

本发明专利技术针对目前的无线传感器网络节点和网关需要专用芯片或高性能处理器才能实现、且侦测与发射时间长、功耗大，不利于采用电池供电等问题，公开了一种新的无线传感器网络节点与网关的通信方法，它利用每个无线传感器节点的特性，采用了以传感器节点为“主Ｍａｓｔｅｒ”、传感器网关为“从Ｓｌａｖｅ”的通信联络方式；每个传感器网关占用一个无线频道；每个传感器网关中保存所有被管理传感器节点的ＩＤ号并产生对应的顺序号ＳＮ；传感器节点先通过注册与网关建立连接和获取工作频率、采集周期等运行参数，再进入“发送采集数据”状态按工作时隙采集、发送监测数据。具有算法简单、便于在较低性能的单片机上使用以及多节点通信碰撞几率低、对环境无线辐射干扰小，并能延长传感器节点的工作寿命等特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种通信方法，尤其是一种应用于无线传感器网络领域的节点与网关之间的节能型通信方法，具体地说是一种无线传感器网络的节点与网关之间的通信方法。
技术介绍
无线传感器网络是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等，能够通过各类集成化的微型传感器协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。传感器网络具有十分广阔的应用前景，在军事国防、工农业、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等许多重要领域都有潜在的实用价值，已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响力的技术之一。图1所示的无线传感器网络是由很多自给供电的无线传感器节点(以下简称传感器节点或节点)和传感器网关(以下简称网关)组成的。每个传感器节点都可以进行周围环境数据的采集和简单计算，并通过网关与外界(用户终端或服务器)进行联系。无线传感器网络的基础平台是传感器节点，它是一个微型化的嵌入式系统。目前国内外已经出现了许多种传感器节点的设计，它们在实现原理上是相似的，只是分别采用了不同的微处理器或者不同的通信协议方式，比如采用802.11协议、ZigBee协议、蓝牙协议以及UWB通信方式等。但这些协议都比较复杂，需要专用芯片或高性能处理器来实现。此外，传感器节点作为微小器件，只能配备有限的电源，在有些应用场合下，更换电池是近乎不可能的。这使得传感器节点的寿命在很大程度上依赖于电池的寿命，所以降低功耗以延长系统的使用寿命是无线传感器网络设计需要考虑的重要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前的无线传感器网络节点和网关需要专用芯片或高性能处理器才能实现、而且传感器节点的无线信号侦测与发射时间长、功耗大，不利于采用电池供电等问题，利用无线传感器节点本身所具备的特性专利技术一种新的，以便于在较低性能的无线传感器网络节点和网关之间实现双向无线通信，并能延长传感器节点的工作寿命，和降低产品成本。本专利技术的技术方案是一种，其特征是a、以传感器节点为主Master、传感器网关为从Slave的通信模式，利用每个传感器节点具有一个唯一且不可更改的ID号的特性，将ID号作为每个收发数据包的一个字段，用于标识发出或接收数据包的传感器节点；b、在每个网关中存放一张ID号列表，使网关事先知道与该网关通信的每个无线传感器节点的ID号，同时建立ID号与顺序号SN之间的一一对应关系；c、使每个传感器网关占用一个无线频道，相邻安装使用的传感器网关工作于不同的无线频道；d、传感器节点注册传感器节点加电后先工作于注册状态，每隔一定时间自动向外发送一次包括自身ID号的注册请求信号，发送信号的工作频率依次为整个数据采集控制系统中各网关的工作频率；如果传感器节点发出的注册请求信号被在某一网关所接收、而且注册请求信号中的ID号与该网关ID号列表中存储的某个ID号相同，则该网关回复含有传感器节点ID号和所对应的顺序号SN的响应信号，如果传感器节点收到网关回复的响应信号，则注册成功，该网关即为所述传感器节点的注册网关；如果传感器节点没有收到网关回复的响应信号，则进入休眠时段，休眠结束后再次发送注册请求信号，如此往复，直至注册成功；e、传感器节点的数据发送传感器节点注册成功后进入发送采集数据状态，先根据收到的顺序号SN计算出其休眠时间Twait，并进入休眠时段；待休眠结束后开始采集传感数据，再以注册网关的工作频率发送所采集到的数据；注册网关在收到传感器节点发送的包括有ID号的采集数据信号后回复响应信号；传感器节点收到网关的响应信号后，重新计算Twait，并进入休眠时段，从而完成了一次数据采集和发送工作，此后，传感器节点将如此不断重复本步骤；f、在传感器节点的数据发送阶段，如果传感器节点发送采集到的数据后，连续多次未能收到网关的响应信号，则重新进入注册状态，并按照步骤d再次注册。与每个网关进行无线通信的传感器节点数理论上没有限制，实际实施时受网关的内存容量限制，每个网关管理255个节点较佳。所述的休眠时间Twait的取值为当(SN-1)×△t≥Tu时，Twait＝(SN-1/2)×△t-Tu；否则，Twait＝(Ts-Tu)+(SN-1/2)×△t，其中SN为传感器节点ID号在网关内存中存放的顺序号Ts传感器节点发送采集数据的周期Nt为网关管理的传感器节点数目Tu为本发送采集数据周期已过去时间△t＝Ts÷Nt为网关分配给每个传感器节点的发送采集数据的时间本专利技术的有益效果1、传感器节点只在注册和上传数据时主动与网关通信，且用于发送和接收无线信号的时间极短，使无线传感器的耗能很低，保证在采用小型电池供电时，传感器节点间隙工作的寿命可达5年以上。2、算法的复杂度很低，便于在低档单片机上软件实现，有利降低产品成本。3、无论是传感器节点还是网关都不连续发射无线信号，减少了对环境的无线干扰，符合国家相关无线电管理规则。4、传感器节点与网关之间能够双向通信，方便传感器节点采集数据的上传，和随时更改传感器节点的工作参数。5、具有较强的网络自适应能力，可以随时更换无线通信的工作频率。当网关的工作频率改变后，传感器节点能够适应变化，自动重新与网关建立新的通信连接。6、多个传感器节点与同一个网关之间的通信碰撞几率极低，保证了数据上传的成功率，也降低了传感器节点功耗。附图说明图1是本专利技术采用的无线传感器网络结构2是本专利技术传感器节点的软件工作流程3是本专利技术传感器网关的组成框4是本专利技术传感器网关的通信软件工作流程图具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的说明。本专利技术的采用了以传感器节点为“主Master”、传感器网关为“从Slave”的通信联络方式，而频道占用采用了频分复用FDMA和时分复用TDMA相结合的方式。(1)由传感器节点每隔一定时间主动向外发送一次信号，以完成传感器节点在网关上的注册、以及上传采集数据。(2)传感器网关只在接收到传感器节点发出的注册请求和上传数据后，才发送必要的响应信号，平时不主动向外发射任何无线信号。(3)每个传感器网关只占用一个无线频道，在实际使用时相邻安装的传感器网关选择不同的无线频道工作，即同一地区的多个网关采用频分复用方式工作。(4)传感器节点有两种工作状态“注册状态”和“发送采集数据状态”。注册状态用于确定管理该传感器节点的网关，并获得节点必要的工作参数；发送采集数据状态用于每隔一定时间节点自动采集传感数据一次，再以注册网关相同的工作频率发送采集到的数据。(5)采用时分复用TDMA工作方式解决多个传感器节点与同一个网关通信的冲突问题。节点在注册成功后，就确定了其所通信的网关，同时获得节点在该网关上的顺序号SN；根据顺序号SN，节点计算出自己的工作时隙，以后节点只在自己的时隙内与网关通信。由于每个节点的顺序号SN不同，其通信时隙也就不同，因此相互之间就不会发生与网关同时通信的冲突问题。本专利技术所述的通信方法使用的每个传感器节点在出厂时应被统一分配“身份号ID”，该ID号在每次通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无线传感器网络节点与网关之间的通信方法，其特征是：ａ、以传感器节点为主Ｍａｓｔｅｒ、传感器网关为从Ｓｌａｖｅ的通信模式，利用每个传感器节点具有一个唯一且不可更改的ＩＤ号的特性，将ＩＤ号作为每个收发数据包的一个字段，用于标识发出或 接收数据包的传感器节点；ｂ、在每个网关中存放一张ＩＤ号列表，使网关事先知道与该网关通信的每个无线传感器节点的ＩＤ号，同时建立ＩＤ号与顺序号ＳＮ之间的一一对应关系；ｃ、使每个传感器网关占用一个无线频道，相邻安装使用的传感器网关 工作于不同的无线频道；ｄ、传感器节点注册：传感器节点加电后先工作于注册状态，每隔一定时间自动向外发送一次包括自身ＩＤ号的注册请求信号，发送信号的工作频率依次为整个数据采集控制系统中各网关的工作频率；如果传感器节点发出的注册请 求信号被在某一网关所接收、而且注册请求信号中的ＩＤ号与该网关ＩＤ号列表中存储的某个ＩＤ号相同，则该网关回复含有传感器节点ＩＤ号和所对应的顺序号ＳＮ的响应信号，如果传感器节点收到网关回复的响应信号，则注册成功，该网关即为所述传感器节点的注册网关；如果传感器节点没有收到网关回复的响应信号，则进入休眠时段，休眠结束后再次发送注册请求信号，如此往复，直至注册成功；ｅ、传感器节点的数据发送：传感器节点注册成功后进入发送采集数据状态，先根据收到的顺序号ＳＮ计算出其休眠时间 Ｔｗａｉｔ，并进入休眠时段；待休眠结束后开始采集传感数据，再以注册网关的工作频率发送所采集到的数据；注册网关在收到传感器节点发送的包括有ＩＤ号的采集数据信号后回复响应信号；传感器节点收到网关的响应信号后，重新计算Ｔｗａｉｔ，并进入休眠时段，从而完成了一次数据采集和发送工作，此后，传感器节点将如此不断重复本步骤；ｆ、在传感器节点的数据发送阶段，如果传感器节点发送采集到的数据后，连续多次未能收到网关的响应信号，则重新进入注册状态，并按照步骤ｄ再次注册。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张华，
申请(专利权)人：南京澳帝姆科技有限公司，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]