一种无线传感器网络的组网方法及其系统技术方案

本发明专利技术无线传感器网络的组网方法通过上位机触发集中器或簇头节点发送广播消息，并根据应答消息完成逐级组网。其中综合考虑了无线传感器网络节点的跳数、位置信息、剩余能量和外界环境等多个因素，通过等效距离来选举簇头节点和叶节点，并采用经典的二叉树结构来组网，更加科学的分配簇头节点和叶节点，有效地增大了单个节点能量的利用率，使节点可以保证在3年甚至更长时间内稳定工作，避免了整个网络因部分节点的过早失效而瘫痪。本发明专利技术的无线传感器网络系统上位机结构简单，配置方法灵活，开发者不需要深入了解无线协议，只需要在上位机上对无线传感器网络节点进行相应的网络配置便可以完成网络的构建与应用，组网方便灵活。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线传感器网络
，具体涉及ー种基于等效距离和ニ叉树的超低功耗无线传感器网络的组网方法及其系统。
技术介绍
无线通信技术、计算机技术和半导体技术的进步以及融合，推动了多功能、低功耗传感器应用的快速发展，使其能够在极为有限的体积内集成诸如感知及采集、数据的处理融合、无线通信和组网管理、极低功耗的实现等多项功能。因此，无线传感器网络具有广阔的应用前景，在军事国防、エ农业、城市管理、家居管理、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使用价值，已经引起了许多国家学术界和エ业界的高度重视，被认为是对21世纪产生巨大影响カ的技术之一。所谓无线传感器网络是由大量部署在监测区域内的传感器节点组成，它们以自组织多跳方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖地地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。这些传感器节点体积小，成本低，功耗小，计算能力弱，由电池供电，而且部署区域环境复杂，有些区域甚至人员不能到达，以到不能频繁地更换电池或是不可更换电池，所以对于整个网络来说，有可能因为部分节点的过早失效而面临瘫痪的境地。为此，如何减少节点的能量消耗来延长网络的生命周期，成为无线传感器网络设计中的ー个重要目标。目前多种新的无线中短距离通信网络技术方兴未艾，如WiFi、Bluetooth、Zigbee等无线技木。其中尤其是Zigbee技术的发展，其技术标准是在2002年被提出，并不断被更新和完善，获得了广泛的支持。ZigBee作为ー种新兴的无线网络技术，主要用于近距离无线连接。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需很少的能量，以接カ的方式通过无线电波将数据从ー个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。但是，Zigbee技术作为ー种标准协议，有其一套完整的过于复杂的机制，要求开发者需要对整个协议堆栈的流程和各种状态进行深入的了解，挑战这些难点，所付出的代价将是巨大的。同时由于其标准性，为了确保其产品的兼容性，ZigBee需要具有能够让所有參与方满意并确保其能够互通作业的附加功能，这就增大了协议规模、降低了效率，最终增加了功耗，所以Zigbee有关功耗的问题,还是有待提闻的。除此以处，Zigbee网络的路由节点不能采用电池供电，并且其成本也没有达到预期的低成本。综上所述，如何提高无线传感器网络节点能量的利用率，延长网络的生命周期，使整个网络可以在3年，甚至是更长的时间内依然稳定地运行，仍然是无线传感器网络设计所要面临的ー个难题。同时，无线传感器网络分布广，数量多，环境复杂，组网复杂成本高也是要解决的ー个问题
技术实现思路
本专利技术的目的是通过基于等效距离的无线传感器网络组网方法，实现快速的组网，同时提高无线传感器网络节点能量的利用率。ー种无线传感器网络的组网方法，所述无线传感器网络包括上位机，集中器节点 和分布在网络中的至少ー个无线传感器网络节点，所述集中器节点与各无线传感器网络节点用于通信的通道总数均为N个，两个节点间进行通信的通道须配置相同的通道ID，包括以下步骤步骤I、初始化，上位机建立位置信息数据库，上位机配置并开启集中器节点，设置共享通道，其他所有无线传感器网络节点设置后台扫描通道，所述后台扫描通道的通道ID设置为通配符，可以扫描接收任何通道发送的消息；步骤2、上位机触发集中器节点通过共享通道广播分组消息，各无线传感器网络节点通过后台扫描通道接收广播分组消息，井根据广播分组消息设置ー应答通道与集中器节点共享通道建立通信，返回应答消息，集中器节点将应答消息传送到上位机，上位机根据应答消息，构建包括集中器节点，簇头节点和叶节点的ー级网络；步骤3、判断是否所有无线传感器网络节点都组网完成，如果是则结束，否则进入下ー步骤；步骤4、上位机触发上ー步骤建立的各簇头节点构建下级网络，然后返回步骤3。进ー步地，所述初始化还包括，将无线传感器网络节点跳数h均设为0，设定能量阀值。进ー步地，所述分组消息包括通道ID、跳数h = O、分组标记，所述通道ID为共享通道的通道ID。进ー步地,所述应答消息包括地址Addr、剩余电量Er、跳数h。进ー步地，所述步骤2还包括步骤步骤2. I、接收到广播分组消息的无线传感器网络节点根据分组标记判断接收到的消息是分组消息后，将消息中携帯的跳数加I存储为本地跳数，即存储跳数h = h+1，且根据分组消息中的通道ID配置应答通道与集中器节点共享通道相连，然后回传应答消息，集中器节点将收到的应答消息发送给上位机；步骤2. 2、上位机根据应答消息中的节点地址Addr，从位置信息数据库中检索出各个节点的位置坐标，并计算出这些节点的中心位置，然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的M个节点作为簇头节点，其中M不大于N，所述接收到广播消息的其余无线传感器网络节点作为叶节点，选取离其距离较近的簇头节点作为父节点；步骤2. 3、上位机为集中器节点及选举出的每个簇头节点和叶节点生成配置信息，并将配置信息发送给其对应节点；然后上位机触发集中器节点关闭共享通道，根据配置信息中分配好的通道ID配置M个通道与M个簇头节点对应；而各个簇头节点和叶节点收到对应消息后，关闭其后台扫描通道及应答通道，再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道，其中簇头节点配置上传通道直接与集中器节点通信，并保留X个通道作为构建下级网络用，X大于等于1，但小于N，其余通道配置为与叶节点通信；叶节点则配置上传通道与对应的簇头节点通信，集中器节点通过串行ロ与上位机通信；对应通信的通道，通道ID相同。进ー步地，除了已经组网的无线传感器网络节点外，其他无线传感器网络节点仍然是初始化状态，称上一歩骤选举出的簇头节点为上级簇头节点，其他未组网的无线传感器网络节点为下级无线传感器网络节点，所述步骤4包括步骤步骤4. I、上位机触发上级簇头节点设置保留的通道之一为共享通道，广播分组消息；步骤4. 2、接收到广播分组消息的下级无线传感器网络节点将消息中携帯的跳数加I存储为本地跳数，即存储跳数h = h+1，且根据分组消息中的通道ID配置一应答通道与上级簇头节点共享通道相连，然后通过上级簇头节点回传应答消息给上位机；若上级簇头节点没有收到任何应答消息，则该上级簇头节点发送消息给上位机，表示此条分簇路由路径结束,且标记该上级簇头节点为边界节点；步骤4. 3、上位机暂存各个下级无线传感器网络节点的应答消息，并标记其在上级簇头节点的通信范围之内；然后遍历每一个上级簇头节点，重复上述步骤4. 1，4.2，直至所有上级簇头节点都广播了分组消息，上位机接收应答消息完毕为止；步骤4. 4、如果下级无线传感器网络节点在2个以上上级簇头节点的通信范围之内，则上位机重新标记该下级无线传感器网络节点在距离自己等效距离比较近的上级簇头节点的通信范围之内；步骤4. 5、针对上级簇头节点的下级无线传感器网络节点集，上位机根据节点集中的各个下级无线传感器网络节点地址Addr，从位置信息数据库中检索出各个下级无线传感器网络节点的位置坐标，并计算出这些节点的的中心位置；然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的Y个节点作为下级簇头节点，且本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络的组网方法，所述无线传感器网络包括上位机，集中器节点和分布在网络中的至少一个无线传感器网络节点，所述集中器节点与各无线传感器网络节点用于通信的通道总数均为N个，两个节点间进行通信的通道须配置相同的通道ID，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、初始化，上位机建立位置信息数据库，上位机配置并开启集中器节点，设置共享通道，其他所有无线传感器网络节点设置后台扫描通道，所述后台扫描通道的通道ID设置为通配符，可以扫描接收任何通道发送的消息； 步骤2、上位机触发集中器节点通过共享通道广播分组消息，各无线传感器网络节点通过后台扫描通道接收广播分组消息，并根据广播分组消息设置一应答通道与集中器节点共 享通道建立通信，返回应答消息，集中器节点将应答消息传送到上位机，上位机根据应答消息，构建包括集中器节点，簇头节点和叶节点的一级网络； 步骤3、判断是否所有无线传感器网络节点都组网完成，如果是则结束，否则进入下一步骤； 步骤4、上位机触发上一步骤建立的各簇头节点构建下级网络，然后返回步骤3。2.根据权利要求I所述的无线传感器网络的组网方法，其特征在于，所述初始化还包括，将无线传感器网络节点跳数均设为O，设定能量阀值。3.根据权利要求2所述的无线传感器网络的组网方法，其特征在于，所述分组消息包括通道ID、跳数、分组标记，所述通道ID为共享通道的通道ID。4.根据权利要求3所述的无线传感器网络的组网方法，其特征在于，所述应答消息包括地址、剩余电量、跳数。5.根据权利要求4所述的无线传感器网络的组网方法，其特征在于，所述步骤2还包括步骤 步骤2. I、接收到广播分组消息的无线传感器网络节点根据分组标记判断接收到的消息是分组消息后，将消息中携带的跳数加I存储为本地跳数，且根据分组消息中的通道ID配置应答通道与集中器节点共享通道相连，然后回传应答消息，集中器节点将收到的应答消息发送给上位机； 步骤2. 2、上位机根据应答消息中的节点地址，从位置信息数据库中检索出各个节点的位置坐标，并计算出这些节点的中心位置，然后选取各节点到中心位置等效距离最近且剩余能量不小于能量阀值的M个节点作为簇头节点，其中M不大于N，所述接收到广播消息的其余无线传感器网络节点作为叶节点，选取离其距离较近的簇头节点作为父节点； 步骤2. 3、上位机为集中器节点及选举出的每个簇头节点和叶节点生成配置信息，并将配置信息发送给其对应节点；然后上位机触发集中器节点关闭共享通道，根据配置信息中分配好的通道ID配置M个通道与M个簇头节点对应；而各个簇头节点和叶节点收到对应消息后，关闭其后台扫描通道及应答通道，再根据配置信息中分配好的通道ID重新配置并开启各自通道，其中簇头节点配置上传通道直接与集中器节点通信，并保留X个通道作为构建下级网络用，X大于等于1，但小于N，其余通道配置为与叶节点通信；叶节点则配置上传通道与对应的簇头节点通信，集中器节点通过串行口与上位机通信；对应通信的通道，通道ID相同。6.根据权利要求5所述的无线传感器网络的组网方法，其特征在于，除了已经组网的无线传感器网络节点外，其他无线传感器网络节点仍然是初始化状态，称上一歩骤选举出的簇头节点为上级簇头节点，其他未组网的无线传感器网络节点为下级无线传感器网络节点，所述步骤4包括步骤 步骤4. I、上位机触发上级簇头节点设置保留的通道之一为共享通道，广播分组消息； 步骤4. 2、接收到广播分组消息的下级无线传感器网络节点将消息中携帯的跳数加I存储为本地跳数，且根据分组消息中的通道ID配置一应答...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴华平，王玉涛，胡红亮，王旭，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：