一种无线传感器网络节点通信控制系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开一种无线传感器网络节点通信控制系统及其控制方法，系统采用了TinyOS微型嵌入式操作系统的组件化结构形式以及FIFO的调度机制，包括应用层、无线通信子系统和任务间通信子系统；应用层中包含多个任务模块，任务间通信子系统中的任务间通信组件在两个需要进行通信的任务模块之间建立通信队列，以实现任务间的通信；无线通信子系统由依次连接的接口层、适配层和表示层组成；接口层与应用层中各任务模块进行数据交互；适配层中设有数据通信逻辑控制组件、信道载波侦听组件和状态控制组件；表示层中设有用于连接通信单元的接口抽象组件。结合相应的控制方法本发明专利技术能够可靠实现无线传感器网络节点间的通信，复杂度及成本皆较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感器网络
，特别是能够应用于森林灾情的预防与监测、大面积农作物生长环境监测与调节、大型仓储环境、智能家居等无线传感器网络应用领域的一种无线传感器网络节点通信控制系统。
技术介绍
在监测与控制领域，如森林灾情的预防与监测、大面积农作物生长环境监测与调节、大型仓储环境、智能家居等，无线传感器网络得到越来越广泛的应用。在实际应用中，一般是在监测区域中长期部署大量的传感器节点，节点之间通过无线自组织的方式形成网络。传感器节点采集所需的监测数据，并将监测数据按照特定的路由协议传输到汇聚节点。但是由于无线传感器网络节点数量较多，且监测区域环境复杂，监测数据在传输的过程中会出现信道竞争、环境干扰或传输距离不够的现象，会导致节点间数据碰撞重传，不仅降低 了数据采集的可靠性，同时消耗了大量的节点能量，缩短了无线传感器网络的工作寿命。目前已有的针对上述问题的无线传感器网络节点通信解决方案中，采用较多的是基于ZigBee协议开发无线传感器网络节点，其在一定程度上可以形成自组织网络，提供信道竞争接入机制。但是ZigBee协议较为复杂，会占用较多的节点存储空间，消耗大量节点能量，节点的硬件成本较高；且采用ZigBee协议的硬件设备无线通信绕射性较差，不利于无线传感器网络节点的大规模应用。同时支持ZigBee协议的无线通信芯片其通信距离有限，一般为50米到100米，无法满足有些应用中较远距离通信的需求。其他解决方案中一般采用相对简单的通信模块，其复杂程度、通信距离等都满足需求，但是硬件上没有提供信道竞争接入机制，导致数据传输中可能发生冲突。同时，在已经提出的基于微型嵌入式操作系统TinyOS解决方案中，操作系统内核中各个任务间缺乏数据通信的有效手段，在网络中监测数据量及通信数据量较多的情况下将会出现数据得不到及时处理而直接被丢弃的情况。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种无线传感器网络节点通信控制系统，以解决现有技术中无线传感器网络中节点之间数据通信的功耗、可靠性、通信距离和组网问题，以及传感器节点上微型嵌入式操作系统多任务之间数据通信的问题，同时基于本专利技术的硬件系统具有低成本、低复杂度、高可靠性、使用方便的特点，基于本专利技术的软件系统具有维护容易和升级方便的特点。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为一种无线传感器网络节点通信控制系统，即T-Smart OS微型嵌入式操作系统，其采用了 TinyOS微型嵌入式操作系统的组件化结构形式以及FIFO的调度机制；本专利技术的系统包括应用层、无线通信子系统和任务间通信子系统，其中 应用层中包含多个实现不同功能的任务模块；任务间通信子系统包括任务间通信组件，任务间通信组件中设有任务间通信接口 ；任务间通信组件在两个需要进行通信的任务模块之间建立用于存放通信数据的通信队列，两个任务模块之间通过任务间通信组件的通信接口进行通信； 无线通信子系统由依次连接的接口层、适配层和表示层组成；接口层设有发送缓冲组件和接收缓冲组件，分别与应用层中的各任务模块进行数据交互；适配层中设有数据通信逻辑控制组件、信道载波侦听组件和状态控制组件；表示层中设有接口抽象组件，接口抽象组件提供连接通信单元的抽象配置接口和抽象数据接口； 适配层中的状态控制组件通过表示层的抽象配置接口控制通信单元的工作过程；数据通信逻辑控制组件和信道载波侦听组件利用状态控制组件对通信单元的工作状态进行切换控制；信道载波侦听组件实时监测共享信道的空闲情况；数据通信逻辑控制组件通过信道请求接口连接信道载波侦听组件，获取共享信道的空闲情况，并根据共享信道的空闲情况，控制接口层通过表示层的抽象数据接口与通信单元进行数据交互。此外本专利技术的控制系统中还包括其他内核组件和硬件抽象组件；其他内核组件包 括系统调度器实现组件、数据采集功能抽象组件、串口通信抽象组件等，分别实现了系统的FIFO调度机制、数据采集功能、串口通信功能等，使应用层组件无需关注底层硬件工作机制，并向应用层组件提供了通用的访问接口 ；硬件抽象组件是对除通信单元之外的所有无线传感器网络节点上硬件设备功能的抽象，这些组件实现了底层的硬件工作机制，并向内核组件提供访问这些硬件设备的接口，且这些组件皆可结合Tiny OS的组件结构形式利用现有技术实现。作为一种改进，本专利技术的无线通信子系统中，适配层的信道载波侦听组件利用现有的基于CSMA/CA协议的信道竞争接入机制，以及周期性侦听/休眠的工作方式，监测共享信道的空闲情况；适配层还设有信号强度阈值设定组件，信号强度阈值设定组件中预设有信号强度阈值；信道载波侦听组件连续监测共享信道中的信号强度值，信号强度阈值设定组件获取共享信道中当前信号的信号强度阈值，与预设的信号强度阈值进行比较，信道载波侦听组件根据比较结果得到共享信道的空闲情况。进一步的，信道载波侦听组件中设有信号强度值缓冲区，信号强度阈值设定组件的设定规则为信号强度值缓冲区中缓存一定数量的信号强度值，空闲状态下，当前节点的信道载波侦听组件获取共享信道的最新信号强度值并缓存，同时剔除，最先缓存的信号强度值，再剔除三个最小值后，将当前缓存的最小信号强度值与预设定的信号阈值作加权平均运算，运算结果作为新的预设信号阈值。若获取的信道信号强度值高于预设信号阈值，则判断信道为占用状态，否则为空闲状态。当需要发送数据时，需先通过信道请求接口访问信道载波侦听组件，只有在当前信道空闲的情况下才能将数据分组发送出去；接收数据时，需根据通信协议定位数据分组中的数据载荷部分，并将其提交至接口层。本专利技术的信道载波侦听组件实现了共享信道的竞争接入机制，避免了相邻节点之间数据传输的碰撞。本专利技术的无线通信子系统中，适配层的状态控制组件中设有状态接口，无线通信子系统通过状态接口与表示层的抽象配置接口相连，从而控制通信单元的工作过程；通信单元的工作过程包括初始化操作、不同工作模式之间相互转化和设置，以及发送功率的获取。进一步的，无线通信子系统中，适配层中的数据通信逻辑控制组件中设有一个处理数据分组的状态机，状态机中设有分别对应数据接收过程和数据发送过程中的两组状态类型，每组状态类型中的每个状态类型对应一个状态值，且每个状态类型对应一个数据处理器；状态机将表示层接收到的数据，或者需要发送的数据，提交相应的数据处理器中进行处理，状态机根据处理结果更新各 状态类型的状态值。此外，本专利技术无线通信子系统中接口层的发送缓冲组件中设有发送缓冲区，接收分发组件中设有接收缓冲区；适配层中的数据通信逻辑控制组件中设有数据发送区。更进一步的，应用层与无线传感器网络节点通信控制系统中的各模块集成到一个微处理器芯片实现，定义为处理器单元。上述无线传感器网络节点通信控制系统的控制方法，包括以下步骤 O.通信单元与处理器单元上电后，处理器单元对表示层抽象配置接口及抽象数据接口所使用的I/o端口的输入与输出属性进行配置； 2).处理器单元利用抽象配置接口对通信单元的工作参数进行配置，工作参数包括工作载波频率、通信波特率、数据编码格式、信号调制方式、最大输出功率； 3).通信单元执行内部压控振荡器及锁相环的校正；若校正成功，通信单元进入休眠模式，若失败，则重复步骤3)重新校正； 4).当应用层有任务模块需要数据发送时本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络节点通信控制系统，即T-Smart OS微型嵌入式操作系统，其采用TinyOS微型嵌入式操作系统的组件化结构形式以及FIFO的调度机制；其特征是，包括应用层、无线通信子系统和任务间通信子系统，其中 应用层中包含多个实现不同功能的任务模块； 任务间通信子系统包括任务间通信组件，任务间通信组件中设有任务间通信接口 ；任务间通信组件在两个需要进行通信的任务模块之间建立用于存放通信数据的通信队列，两个任务模块之间通过任务间通信组件的通信接口进行通信； 无线通信子系统由依次连接的接口层、适配层和表示层组成；接口层设有发送缓冲组件和接收缓冲组件，分别与应用层中的各任务模块进行数据交互；适配层中设有数据通信逻辑控制组件、信道载波侦听组件和状态控制组件；表示层中设有接口抽象组件，接口抽象组件提供连接通信单元的抽象配置接口和抽象数据接口； 适配层中的状态控制组件通过表示层的抽象配置接口控制通信单元的工作过程；数据通信逻辑控制组件和信道载波侦听组件利用状态控制组件对通信单元的工作状态进行切换控制；信道载波侦听组件实时监测共享信道的空闲情况；数据通信逻辑控制组件通过信道请求接口连接信道载波侦听组件，获取共享信道的空闲情况，并根据共享信道的空闲情况，控制接口层通过表示层的抽象数据接口与通信单元进行数据交互。2.根据权利要求I所述的无线传感器网络节点通信控制系统，其特征是，无线通信子系统中，适配层的信道载波侦听组件利用基于CSMA/CA协议的信道竞争接入机制，以及周期性侦听/休眠的工作方式，监测共享信道的空闲情况；适配层还设有信号强度阈值设定组件，信号强度阈值设定组件中预设有信号强度阈值；信道载波侦听组件连续监测共享信道中的信号强度值，信号强度阈值设定组件获取共享信道中当前信号的信号强度阈值，与预设的信号强度阈值进行比较，信道载波侦听组件根据比较结果得到共享信道的空闲情况。3.根据权利要求I所述的无线传感器网络节点通信控制系统，其特征是，无线通信子系统中，适配层的状态控制组件中设有状态接口，无线通信子系统通过状态接口与表示层的抽象配置接口相连，从而控制通信单元的工作过程；通信单元的工作过程包括初始化操作、不同工作模式之间相互转化和设置，以及发送功率的获取。4.根据权利要求I所述的无线传感器网络节点通信控制系统，其特征是，无线通信子系统中，适配层中的数据通信逻辑控制组件中设有一个处理数据分组的状态机，状态机中设有分别对应数据接收过程和数据发送过程中的两组状态类型，每组状态类型中的每个状态类型对应一个状态值，且每个状态类型对应一个数据处理器；状态机将表示层接收到的数据，或者需要发送的数据，提交相应的数据处理器中进行处理，状态机根据处理结果更新各状态类型的状态值。5.根据权利要求I所述的无线传感器网络...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈俊杰，陈检文，
申请(专利权)人：南京拓诺传感网络科技有限公司，东南大学，
类型：发明
国别省市：