一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案制造技术

本发明专利技术公开了一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，根据无线传感器网络应用特定性特点，包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了应用层、网络层、媒体接入层、兼容多种通信机制的物理层；有利于根据本发明专利技术方案设计网络性能优异且实用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及无线传感网络通信领域，特别地，涉及一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案。背景介绍无线传感器网络(WSN)是在微机电系统(MEMS)、传感技术、无线通信和集成电路、计算机等技术发展的基础上产生的。大规模的低功耗、低成本、多功能的微型无线传感器通过协同合作、数据收集、处理和特有的无线通信手段共同组成了无线传感器网络，将数据发送至采集中心，从而产生了一种全新的信息获取和处理模式。微型无线传感器节点采用电池供电，可以随机或特定的布置在目标环境中，通过无线通信实现自组织网络，获取周围环境的信息，形成分布式自治系统，相互协同完成特定的任务。无线传感器网络既可作为一个相对独立的信息获取和感知网络系统，用于人们在日常生活、作业及社会活动中与物理世界的交互；又可作为未来互联网(三网融合)的主要业务增长点及承载内容，利用主干互联网络形成一个泛在的无线传感网络系统，连接数字世界和物理世界。另外，无线传感器网络一个重要的特点就是它的应用特定性，即针对不同的应用，在网络协议算法和系统协议栈方面具有不同的优化设置，因此国内外现已提出了多个无线传感器网络的协议栈，及其中的各层协议设计。但从未来无线传感器网络协议标准制定及产业化发展的角度来讲，更需要在一个协议栈框架下来尽量满足各种无线传感网的需求。现有协议栈设计未能满足无线传感器网络最基本的一些特性要求，如支持网络规模的动态扩展性(几十节点到上万节点)、网络节点间的协同信息处理功能，网络长时间的睡眠周期等。以现有国际上最为成熟的Zigbee为例(如图1)，该协议栈是Zigbee联盟在IEEE802.15.4基础上提出，但在应用于无线传感器网络时尚存在如下缺点：1.组网和超帧结构使得网络规模的增大导致网路性能的急剧下降，无法满足大-->规模传感节点的应用；2.节点睡眠机制没有作为网络生存根本条件进行研究，无法有效满足节点能源不可替换场景应用；3.没有多节点协同信息处理该项功能，而WSN是以数据为中心的网络，而非单纯的传输网络，节点协同是一种基本功能特性；4.媒体接入层(MAC)和网络层(Network)分离研究，无法从网络性能优化角度来设计协议；
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线传感器网络组网方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案来实现的：一种无线传感器网络组网方法，包括以下步骤：(1)网络设备分为中心节点和普通传感节点，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；(2)根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传感节点的物理层通信方案可以采用多种不同的机制；(3)在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感器网络组网；若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功能组网，则不加载节点协同信息处理模块；节点协同信息处理模块主要管理不同普通传感节点之间传感数据的协同交互和数据协同处理，该模块主要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资源管理，以及进行多节点的协同信息处理；(4)完成配置协同信息处理模块后，由网络层的拓扑管理模块驱动网络拓扑形成，网络拓扑结构采用分布式自动分簇结构，由普通传感节点轮流担当簇头和簇成员，普通传感节点通过广播自己的权值，与邻居节点协商从而自组织成簇，称之为物理簇；所采用的竞争权值考虑了节点的剩余能量、节点的邻居数、局部链路质量等权值参数，通过各参数不同的归一化权值比-->重得到节点的竞争权值；所形成的物理簇均为簇成员一跳到簇头节点，簇规模控制在5～15个节点；(5)形成物理簇网络拓扑后，进入媒体接入层的簇头间调度周期局部同步过程，从而形成支持簇头间通信的虚拟分簇；虚拟分簇建立后，网络进入正常工作时期，普通传感节点通过传感器采集突发性数据或周期性数据，或接收由中心节点而来的查询命令，然后在簇内通信时期将数据传送给簇头节点，簇头节点根据协同信息处理模块的设置，对所收集的传感数据进行不同程度的处理后，在簇间通信期间按所选路由路径经多跳簇头传送给中心节点。本专利技术的有益效果是，本专利技术主要根据无线传感器网络应用特定性特点包括不同网络规模需求、不同节点协同信息处理需求、不同传感数据业务服务质量(QoS)需求、不同应用信道环境等，以及无线传感器网络共性问题包括网络生命周期最大化需求、节点自组织成网、较弱的网络全局时间同步要求、物理层单信道条件等，采用了自顶向下的设计方法，设计了一种更为符合无线传感器网络特性需求的无线传感节点网络化方案，并在协议栈相关各层中实现，比现有如Zigbee等网络方案，在应用类型兼容性、网络规模可扩展性、网络低能耗性能等方面均有了较大的改进。有利于根据本专利技术方案设计网络性能优异且适用性强的无线传感器网络，从而推动无线传感网的大规模产业化发展。附图说明图1为Zigbee协议栈软件框架图，图2为无线传感器网络协议栈软件框架图，图3为超帧结构图，图4为网络初始化基本流程图。具体实施方式本专利技术主要针对无线传感器网络以下主要特性进行了系统优化设计：1.在无人值守情况下，不同工作场景中长期有效工作。2.规模化传感节点随机性布放，支持动态扩充和快速自组网，即放即用；支持节点随机布设、动态加入和离开网络；支持几十到上万节点组网规模，因为-->不同的应用有不同的网络规模需求。3.支持两种应用类型网络：多类型传感器、多节点网络协同信息处理，提高传感数据信息熵和上报准确率，有效降低网络负载的全功能无线传感器网络；单一节点感知完备信息，且信息不需融合压缩，经网络多跳上传的半功能无线传感器网络；从而满足不同应用对传感数据获取的QoS要求；因为不同的应用有不同的传感器信息处理要求。本专利技术的技术方案如下：1.网络设备分为中心节点(Sink-Node)和普通传感节点(Sensor-Node)，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；...

【技术保护点】
一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，其特征在于，包括以下步骤：　（１）网络设备分为中心节点和普通传感节点，中心节点为网络中传感数据最终信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通传感节点的数据经无线网络以多跳的 方式传输中心节点，接入互联网络；普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络能在统一协议栈框架下；　（２）根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传感节点的物理层通信方案可以采用多种不同的机制； 　（３）在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感器网络组网；若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功能组网，则不加载节点协同信息处理模块；节点协同信息处理模块主要管理不同普通传感节点之间传感数据的协 同交互和数据协同处理，该模块主要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资源管理，以及进行多节点的协同信息处理；　（４）完成配置协同信息处理模块后，由网络层的拓扑管理模块驱动网络拓扑形成，网络拓扑结构采用分布式自动 分簇结构，由普通传感节点轮流担当簇头和簇成员，普通传感节点通过广播自己的权值，与邻居节点协商从而自组织成簇，称之为物理簇；所采用的竞争权值考虑了节点的剩余能量、节点的邻居数、局部链路质量等权值参数，通过各参数不同的归一化权值比重得到节点的竞争权值；所形成的物理簇均为簇成员一跳到簇头节点，簇规模控制在５～１５个节点；　（５）形成物理簇网络拓扑后，进入媒体接入层的簇头间调度周期局部同步过程，从而形成支持簇头间通信的虚拟分簇；虚拟分簇建立后，网络进入正常工作时期，普通传感节点 通过传感器采集突发性数据或周期性数据，或接收由中心节点而来的查询命令，然后在簇内通信时期将数据传送给簇头节点，簇头节点根据协同信息处理模块的设置，对所收集的传感数据进行不同程度的处理后，在簇间通信期间按所选路由路径经多跳簇头传送给中心节点。...

【技术特征摘要】
1.一种高度可扩展的无线传感器网络组网方案，其特征在于，包括以下步骤：
(1)网络设备分为中心节点和普通传感节点，中心节点为网络中传感数据最终
信宿设备，普通传感节点为无线通信组件同构、传感器异构设备；各普通
传感节点的数据经无线网络以多跳的方式传输中心节点，接入互联网络；
普通传感节点的无线通信组件和网络协议栈同构保证了无线传感器网络
能在统一协议栈框架下；
(2)根据不同无线传感器网络的应用案例特点和应用环境的信道特征，普通传
感节点的物理层通信方案可以采用多种不同的机制；
(3)在网络初始化阶段，根据应用特点可配置网络以全功能或半功能无线传感
器网络组网；若为全功能组网，则加载节点协同信息处理模块，若为半功
能组网，则不加载节点协同信息处理模块；节点协同信息处理模块主要管
理不同普通传感节点之间传感数据的协同交互和数据协同处理，该模块主
要利用网络层的拓扑管理模块所生成的网络信息，进行协同任务调度和资
源管理，以及进行多节点的协同信息处理...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈杰，姚道远，黄河清，刘海涛，袁晓兵，
申请(专利权)人：中科院嘉兴中心微系统所分中心，
类型：发明
国别省市：33[中国|浙江]