本發(fā)明涉及一種智能家居的無線傳感網(wǎng)絡，尤其涉及一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡及其計算方法。

背景技術：

無線傳感器網(wǎng)絡具有節(jié)點能量受限、大規(guī)模部署、以數(shù)據(jù)為中心、動態(tài)拓撲等特點，為滿足應用需求，往往需要在監(jiān)測區(qū)域部署大量的節(jié)點以獲取精確的數(shù)據(jù)。當網(wǎng)絡規(guī)模較大時，需要考慮網(wǎng)絡的容錯性、穩(wěn)定性和可擴展性；與以地址為中心的傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同，無線傳感網(wǎng)絡以數(shù)據(jù)作為中心進行查詢或傳輸；節(jié)點退出以及新加入，因此要求路由必須能夠建立和維護動態(tài)拓撲。在無線傳感網(wǎng)絡中，由于能量受限，節(jié)點之間往往無法直接通信，發(fā)送數(shù)據(jù)時通常需要采用多跳路由經(jīng)由中間節(jié)點送至目的節(jié)點，路由協(xié)議負責路徑選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此路由協(xié)議對無線傳感網(wǎng)絡的可靠性和可擴展性起著非常重要的作用。由于傳感器節(jié)點存儲能力、通信能力和能量受限，傳統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)路由協(xié)議的設計目標往往是協(xié)議算法簡單，節(jié)省能耗，這使得網(wǎng)絡的可擴展性較差。但是隨著無線傳感器網(wǎng)絡的發(fā)展，應用場景也越來越復雜，在大規(guī)模的網(wǎng)絡中，維持網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、降低節(jié)點能耗和良好的可擴展性成為了設計路由協(xié)議的主要挑戰(zhàn)。

針對上述問題，本發(fā)明提供了一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，以提高無線傳感器網(wǎng)絡的效率。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例提供一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，以提高無線傳感器網(wǎng)絡的效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用采取了如下技術方案：

一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，包括：傳感器節(jié)點、網(wǎng)關節(jié)點，傳感器節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡拓撲關系進行分層，在各層中根據(jù)路由度量和規(guī)則選取若干層內(nèi)匯聚節(jié)點，傳感器節(jié)點的信息可以經(jīng)由匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)進行匯聚處理后，向上傳輸，直至傳輸?shù)侥康墓?jié)點網(wǎng)關節(jié)點。

其中，

傳感器節(jié)點包括微處理器，及分別與微處理器連接的射頻收發(fā)模塊，傳感器模塊、存儲器模塊、狀態(tài)指示模塊以及能量供應與評估模塊；

微處理器模塊控制著整個節(jié)點的運行；

射頻收發(fā)模塊用于無線傳感器節(jié)點之間進行無線通信；

傳感模塊是傳感器節(jié)點應用的核心，在微處理器模塊的調(diào)度與控制下，傳感器采集周圍環(huán)境信息；

能量供應與評估模塊為整個節(jié)點提供能量供應，并在自供電的情況下，評估節(jié)點所剩余的能量，當節(jié)點所剩的能量低于所設定的閾值時，不允許當前節(jié)點作為匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的匯聚與處理。

網(wǎng)關節(jié)點包括嵌入式微處理器，及分別與嵌入式微處理器連接的SDRAM模塊、FLASH模塊、電源管理模塊、USB接口模塊，串口模塊、802.11模塊、802.15.4模塊；

嵌入式微處理器是整個無線傳感器高性能節(jié)點的核心，通過運行的嵌入式操作系統(tǒng)，負責進行感知接入、數(shù)據(jù)處理及應用傳輸；

SDRAM1和FLASH2是存儲模塊；

USB接口模塊為無線傳感器網(wǎng)關節(jié)點提供硬件基礎，通過USB接口模塊可實現(xiàn)802.11模塊和802.15.4模塊的接入；

串口模塊為網(wǎng)關節(jié)點軟件模塊的正常運行提供了代碼調(diào)試功能；

802.11模塊負責與骨干網(wǎng)的通信，而802.15.4模塊負責與傳感器節(jié)點的通信，802.15.4模塊把收到的傳感數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到核心處理器，然后由核心處理器轉(zhuǎn)發(fā)給802.11模塊，最后送達骨干網(wǎng)。

優(yōu)選的，所述的傳感器節(jié)點在發(fā)生丟包后，開啟三次重傳機制來判斷當前通信鏈路是否正常。

優(yōu)選的，所述的匯聚節(jié)點由自定義的競選機制來競選選出。

優(yōu)選的，所述的傳感器模塊可以用來采集周圍環(huán)境的溫度、濕度和光強度信息。

另外本發(fā)明提供了一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡的計算方法，具體包括如下步驟：

1)在組網(wǎng)過程中傳感器節(jié)點按照其相對于網(wǎng)關節(jié)點的位置進行網(wǎng)絡拓撲分層，在各層中根據(jù)路由度量和規(guī)則選取若干層內(nèi)匯聚節(jié)點，由其完成層內(nèi)數(shù)據(jù)的匯聚融合，根據(jù)低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的有向無環(huán)圖特性，每個節(jié)點可以同時具有多個父節(jié)點，因此每個節(jié)點除了按照低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議選擇最優(yōu)父節(jié)點之外，還將按照一定規(guī)則選取的某一層內(nèi)匯聚節(jié)點加入其父節(jié)點列表；

2)節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包如果是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，節(jié)點收到后首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中標志位判斷此數(shù)據(jù)是否進行過數(shù)據(jù)匯聚處理，若已經(jīng)匯聚過，則按照原有路由協(xié)議直接設置最優(yōu)父節(jié)點為默認路由，發(fā)送出去；若此數(shù)據(jù)尚未被匯聚，那么查找父節(jié)點列表中的次優(yōu)父節(jié)點，設置為默認路由；節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包如果是節(jié)點自身的探測包，則同樣發(fā)送到次優(yōu)父節(jié)點，由匯聚節(jié)點進行匯聚處理，并在結(jié)束處理后增加匯聚標志位；

3)匯聚后的數(shù)據(jù)包由匯聚節(jié)點向其最優(yōu)父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)：當匯聚節(jié)點檢測到當前節(jié)點的能量值已低于閾值，則進行輪換，匯聚節(jié)點向其他相關傳感器節(jié)點發(fā)送輪換報文，并且不再加入下一輪的匯聚節(jié)點的競選；相關節(jié)點收到匯聚節(jié)點發(fā)送的輪換報文后，將匯聚節(jié)點地址從自己的父節(jié)點列表中刪除，并更新本地的信息表，廣播競爭報文，重啟匯聚節(jié)點的競爭過程；

4)當傳感器節(jié)點發(fā)生丟包后，開啟三次重傳機制，在重傳過程中只要成功收到一次確認字符，就認為當前的通信鏈路正常，結(jié)束重傳過程，若連續(xù)三次重傳之后，依然沒有收到一次確認字符，則判定當前通信鏈路存在問題，此時，相關的傳感器節(jié)點將此節(jié)點從父節(jié)點列表中刪除，相關節(jié)點重新選擇匯聚節(jié)點，并將此節(jié)點失效的信息發(fā)送給上次父節(jié)點直至傳至網(wǎng)關節(jié)點進行報備處理。

通過上述技術方案，本發(fā)明一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，在現(xiàn)有協(xié)議的基礎上，通過能量供應與評估模塊來衡量當前節(jié)點所剩的能量，避免當前能量過低而依然承擔比較重的轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸任務，避免同一節(jié)點的網(wǎng)絡能耗。同時，把網(wǎng)絡中的節(jié)點進行分層，選擇一定的匯聚節(jié)點，將數(shù)據(jù)信息融合后進行傳輸，避免數(shù)據(jù)的重復傳輸，提高了無線傳感器網(wǎng)絡的效率。

附圖說明

圖1為傳感器節(jié)點組成示意圖；

圖2為網(wǎng)關節(jié)點組成示意圖；

附圖標記說明：

圖1:1-傳感器模塊、2-微處理器模塊、3-狀態(tài)指示模塊、4-射頻收發(fā)模塊、5-能量供應與評估模塊；201-RAM、202-FLASH、203-微處理器；

圖2：1-SDRAM、2-FLASH、3-電源、4-嵌入式微處理器、5-IEEE802.11模塊、6-IEEE802.15.4模塊。

具體實施方式

為了進一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明優(yōu)選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。

如圖1所示，所述的傳感器節(jié)點由微處理器模塊2，射頻收發(fā)模塊4，傳感器模塊1、狀態(tài)指示模塊3以及能量供應與評估模塊5組成。傳感器節(jié)點是一個整體的計算系統(tǒng)，通過各個模塊之間的協(xié)調(diào)工作，共同完成某種功能。無線傳感器節(jié)點的核心計算單元是微處理器模塊2，它直接控制著整個節(jié)點的運行。射頻收發(fā)模塊4用于無線傳感器節(jié)點之間進行無線通信。傳感模塊1是傳感器節(jié)點應用的核心，在微處理器模塊2的調(diào)度與控制下，傳感器采集周圍環(huán)境的溫度、濕度和光強信息。能量供應與評估模塊5，其一是為整個節(jié)點提供能量供應，其二是在自供電的情況下，評估節(jié)點所剩余的能量，當節(jié)點所剩的能量低于所設定的閾值時，不允許當前節(jié)點作為匯聚節(jié)點進行數(shù)據(jù)的匯聚與處理。

如圖2所示，所述的網(wǎng)關節(jié)點由嵌入式微處理器4，SDRAM模塊1、FLASH模塊2、電源管理模塊3、802.11模塊5、802.15.4模塊6。網(wǎng)關節(jié)點的通信能力、存儲、能量都遠高于微型傳感器節(jié)點。嵌入式微處理器4是整個無線傳感器高性能節(jié)點的核心，通過運行的嵌入式操作系統(tǒng)，負責進行感知接入、數(shù)據(jù)處理及應用傳輸。SDRAM1和FLASH2是存儲模塊。USB接口模塊為無線傳感器網(wǎng)關節(jié)點提供硬件基礎。通過USB接口模塊可實現(xiàn)802.11模塊5和802.15.4模塊6的接入。串口模塊為網(wǎng)關節(jié)點軟件模塊的正常運行提供了代碼調(diào)試功能。802.11模塊5負責與骨干網(wǎng)的通信，而802.15.4模塊6負責與傳感器節(jié)點的通信。802.15.4模塊6把收到的傳感數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到核心處理器，然后由核心處理器轉(zhuǎn)發(fā)給802.11模塊5，最后送達骨干網(wǎng)。

具體來說，一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感網(wǎng)絡系統(tǒng)在組成過程中，傳感器節(jié)點在根據(jù)低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議進行組網(wǎng)時，在組網(wǎng)過程中傳感器節(jié)點按照其相對于網(wǎng)關節(jié)點的位置進行網(wǎng)絡拓撲分層，在各層中根據(jù)路由度量和規(guī)則選取若干層內(nèi)匯聚節(jié)點，由其完成層內(nèi)數(shù)據(jù)的匯聚融合，根據(jù)低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的有向無環(huán)圖特性，每個節(jié)點可以同時具有多個父節(jié)點，因此每個節(jié)點除了按照低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議選擇最優(yōu)父節(jié)點之外，還將按照一定規(guī)則選取的某一層內(nèi)匯聚節(jié)點加入其父節(jié)點列表。節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)包有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包和自身探測傳感數(shù)據(jù)兩種。如果是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，節(jié)點收到后首先根據(jù)數(shù)據(jù)包中標志位判斷此數(shù)據(jù)是否進行過數(shù)據(jù)匯聚處理，若已經(jīng)匯聚過，則按照原有路由協(xié)議直接設置最優(yōu)父節(jié)點為默認路由，發(fā)送出去；若此數(shù)據(jù)尚未被匯聚，那么查找父節(jié)點列表中的次優(yōu)父節(jié)點，設置為默認路由。如果是節(jié)點自身的探測包，則同樣發(fā)送到次優(yōu)父節(jié)點，由匯聚節(jié)點進行匯聚處理，并在結(jié)束處理后增加匯聚標志位。匯聚后的數(shù)據(jù)包由匯聚節(jié)點向其最優(yōu)父節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)。

當匯聚節(jié)點檢測到當前節(jié)點的能量值已低于閾值，則進行輪換，匯聚節(jié)點向其他相關傳感器節(jié)點發(fā)送輪換報文，并且不再加入下一輪的匯聚節(jié)點的競選；相關節(jié)點收到匯聚節(jié)點發(fā)送的輪換報文后，將匯聚節(jié)點地址從自己的父節(jié)點列表中刪除，并更新本地的信息表，廣播競爭報文，重啟匯聚節(jié)點的競爭過程。

當傳感器節(jié)點發(fā)生丟包后，開啟三次重傳機制，在重傳過程中只要成功收到一次確認字符，就認為當前的通信鏈路正常，結(jié)束重傳過程，若連續(xù)三次重傳之后，依然沒有收到一次確認字符，則判定當前通信鏈路存在問題，此時，相關的傳感器節(jié)點將此節(jié)點從父節(jié)點列表中刪除，相關節(jié)點重新選擇匯聚節(jié)點，并將此節(jié)點失效的信息發(fā)送給上次父節(jié)點直至傳至網(wǎng)關節(jié)點進行報備處理。

通過上述技術方案，本發(fā)明一種基于低功耗有損網(wǎng)絡路由協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡，在現(xiàn)有協(xié)議的基礎上，通過能量供應與評估模塊來衡量當前節(jié)點所剩的能量，避免當前能量過低而依然承擔比較重的轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸任務，避免同一節(jié)點的網(wǎng)絡能耗。同時，把網(wǎng)絡中的節(jié)點進行分層，選擇一定的匯聚節(jié)點，將數(shù)據(jù)信息融合后進行傳輸，避免數(shù)據(jù)的重復傳輸，提高了無線傳感器網(wǎng)絡的效率。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。