一種藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法

2023-12-02 01:36:31 1

專利名稱：一種藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法
技術領域：
本發明是一種應用於無線傳感器網絡的組網與路由方法。屬於無線通信和信息傳播技術領域。
技術背景無線傳感器網絡是指由大量傳感器節點用無線通信的方式組成的信息 傳播網絡，它綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信 技術、分布式信息處理技術等。大量的廉價微型傳感器節點部署在監測區 域內，通過短距離無線通信方式形成一個多跳自組織網絡系統，其目的是 協作感知、採集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，並發送給觀察者。如果說Internet構成了邏輯上的信息世界，改變了人與人之間的溝通方式， 那麼，無線傳感器網絡就是將邏輯的信息世界與客觀上的物理世界融合在 一起，改變人類與自然界的交互方式。人們可以通過傳感網絡直接感知客 觀世界，從而極大地擴張現有網絡的功能和人類認識世界的能力。該技術 在軍事、工業、交通、安全、醫療、家庭和辦公環境等眾多場合有著非常 廣泛的應用，是目前國內外研究和應用的熱點技術之一。藍牙技術是一種全球開放性的、低成本的短距離無線通信規範，它使 用2.4GHz頻段，採用快速跳頻、前向糾錯和優化編碼等技術，使得其具有 抗幹擾能力強、通信質量穩定的優點，同時它還具有低功耗、低成本、使 用便捷和電磁汙染小等特點。藍牙技術的這些優勢，為其在無線傳感器網 絡中的實際應用提供了有利條件。目前無線傳感器網絡的組網和路由主要考慮傳統的網絡運行指標，如 網絡連通性、覆蓋度、通信效率、節省能量等，而沒有考慮實際無線通信 方式的物理層及MAC層協議的工作特點。藍牙AD HOC網絡的研究是在 藍牙組網技術基礎上考慮連通性、路由健壯性、網絡直徑、消息複雜度等 問題，很少考慮到將藍牙AD HOC網絡應用到傳感器網絡的特定情況。 發明內容本發明針對無線傳感器網絡組網與路由很少考慮特定的物理層和MAC層協議特點，將無線傳感器網絡與藍牙技術相結合，提出了一種藍牙 無線傳感器網絡組網與路由方法。在藍牙網絡的主從結構、微微網內節點 數受限制、藍牙橋節點技術、主從切換技術等特定MAC層技術條件下，實 現了藍牙無線傳感器網絡組網與路由，同時保證網絡的健壯、簡捷、有效、 穩定和可靠。本發明針對能量可知的無線傳感器網絡節點，設計具有較長網絡生存 時間和較高靈活性、可靠性的組網和路由方法。無線傳感器網絡中的節點 一般採用電池供電，可以使用的電量非常有限，而且對於有大量節點的無 線傳感器網絡來說，對電池的更換是非常困難的。但是無線傳感器網絡的 生存時間卻要求長達數月甚至數年，因此，如何在不影響功能的前提下， 儘可能節約無線傳感器網絡的電池能量，延長整個網絡的生存時間成為無 線傳感器網絡軟硬體設計中的核心問題。同時無線傳感器網絡還應具備較 好的可靠性和靈活性，在保證網絡可靠的前提下，能夠滿足部分節點移動， 加入網絡，退出網絡的需求。考慮傳感器網絡的傳感信息數據傳輸方向是由傳感器終端節點往數據 匯集點(sink)傳輸，本發明採用樹型層次拓撲結構，由匯集點，即根節點 發起網絡的組建。整個網絡的組建過程首先是根節點的選取，然後以根節 點為中心進行網絡擴張，先形成根微微網，然後以根微微網向外延伸，形 成第二級微微網，整個網絡逐步向外擴張。在選取根節點和橋節點以及微 微網主節點時，根據節點剩餘能量值來確定。在形成微微網時使微微網內 的成員(包括主節點)不超過7個，儘可能等於和接近7個，使網絡分層 的級數較少，同時提供微微網的擴展性，滿足部分節點移動、加入網絡的 需求。橋節點全部採用(從/從)橋節點，使網絡分層級數儘可能少。每個 微微網內提供1個備份節點對本微微網的主節點和上行(從終端節點到匯 集點方向)橋節點進行備份，可適用於微微網主節點、橋節點失效或節點 離開時代替原節點的工作而不用重新組網。網絡擴張，交換組網信息的同 時，交換各級節點的路由信息，路由信息表在網絡組網完成時同時形成。 (1)根節點選取網絡組網的第一步是根節點的選取，本發明所設計的傳感器網絡的每個節點都有剩餘能量指示，組網算法是基於節點能量可知的前提。由於傳 感器網絡的所有數據都要通過根節點傳到外部網絡，所以對傳感器網絡的 根節點的能量要求較高，根節點的選取有兩種方法 一種是在網絡設計時 設計出1個高性能、高能量的特定節點來固定充當根節點，網絡在運行過程中不必更換根節點來平衡網絡總體能量的消耗；第二種方法是在沒有提供指定的高能量根節點時，採用分布式算法在網絡內選出能量較高的節點 作根節點，網絡在運行時需要定期進行根節點的重選來平衡整個網絡的能量消耗。每個節點都有變量ENERGY表示節點的剩餘能量，另設變量 TIMEOUT表示根節點選舉的時間限制。根節點的選舉分為能量信息互通和 根信息廣播兩個階段。① 能量信息互通階段根節點選舉開始時，節點隨機進入查詢 (Inquiry)或查詢掃描(Inquiry scan)狀態，當兩個藍牙傳感器網絡節點互相發現後，便進行ENERGY值的互通，包括本節點已知的能量最高節點 的ENERGY值的互通，然後又隨機進入Inquiry或Inquiry scan狀態，繼續 進行信息交換，直到TIMEOUT計時到時。② 根信息廣播階段經過能量信息互通階段後所有認為自己是 ENERGY值最大的節點採取洪泛法向全部節點廣播自己的ENERGY值並 宣布自己為根節點，當有多個節點發出廣播時，ENERGY值較大的成為根 節點，所有非根節點進入Inquiry scan狀態。(2)根微微網形成 根節點選出後的第二步是形成根微微網，根微微網的形成分為根微微 網成員選舉，根微微網成員編號，根微微網路由信息記錄三步。① 根微微網成員選舉根節點在選舉過程中已經收集到其所有相鄰節點的地址信息和部分節點的ENERGY值信息，對於還不知道ENERGY值 信息的節點依次進行連接、取ENERGY值、斷開連接的操作，然後對其周 圍所能直接連接節點的ENERGY值進行比較，選出最大的6個，與這6個 節點建立連接，形成根微微網。② 根微微網成員編號根節點自身的ID編號標記為0，其連接的6 個從節點的ID編號標記為1、 2、 3、 4、 5、 6。此微微網由l個主節點、6個從節點構成，微微網絡留有1個空位以便在網絡運行過程中，部分的新 節點可以方便加入而不用重新組網。③根微微網路由信息記錄根微微網的主節點記錄6個從節點的下行 (從匯集點到終端節點方向)路由地址，6個從節點在自己的路由表中記錄 到根節點的上行路由地址。(3)網絡擴張根微微網形成後開始進行網絡擴張，擴張方式為由網絡末端節點進行 網絡擴張，此時的網絡末端節點為根微微網的從節點，先以根微微網的每 個從節點為二級微微網的主節點進行網絡擴張，然後通過角色轉換形成以 根微微網的每個從節點作為連接根微微網和二級微微網的橋節點的網絡結 構。網絡擴展步驟如下-① 根微微網的從節點作為主設備進入Inquiry狀態，若有設備響應查 詢，則與該設備進行連接，直到連接到6個設備；若在設定時間內沒有6 個設備響應查詢，則停止査詢操作並向根節點報告査詢情況。至此形成1 個二級微微網絡。② 在步驟①形成的微微網中選舉出除主節點外的能夠連接本微微網 內所有其它節點的能量最高節點和次高節點並標記。③ 新微微網形成後，主節點要做的工作標記自身為主節點/從節點 (M/S)橋角色；保存從節點的BD一ADDR;在自身的ID編號的末尾加0，如ID為3，加0後變為30;根據自身的ID編號對本微微網內的從節點分 配ID編號，如當主設備ID為30時，將本微微網中的選舉出的能量最高節 點的ID記為3，能量次高節點標記為31，其它節點依次記為32、 33、 34、 35;給從節點發送一個數據包，數據包應該包含主節點ID編號、角色、從 節點ID編號。 新微微網形成後，從節點要做的工作禁止査詢掃描和呼叫掃描， 即不響應新的査詢和呼叫；標記自身為從節點角色；保存主節點BD一ADDR 和ID編號、角色、自身分配到的ID編號；收到數據包後回送一個數據包 用於身份認證。 身份認證完畢後，主節點發起主從設備角色的轉換，完成主節點與能量最高節點的主從角色轉換，轉換成功後，能量最高節點成為主節點，原先的主節點變成了從節點，此時它要標記自身為從節點/從節點(s/s)橋 節點角色，主節點在路由表中記錄到s/s橋節點的上行路由信息和到其它從節點的下行路由信息。其它從節點在自己的路由表中記錄上行路由信息，s/s橋節點通知根節點修改(或者登記)它的角色信息，並通知根節點己完成本階段工作。⑥ 其它網絡末端節點也根據步驟① ⑤的方法進行網絡擴展，當所有 網絡末端節點的網絡擴張都完成時，第二級微微網形成。⑦ 網絡繼續擴張第二級微微網形成後，網絡將在第二級微微網的基礎上繼續擴張。若網絡中還有節點未加入網絡，由根節點發出網絡擴張命令，網絡末端節點響應擴張命令。擴張方式為除s/s橋節點和能量次高節點外，其它二級微微網內的從節點作為新的主節點進行網絡擴張，能量次高 節點不進行網絡擴張以便於其可以作為二級微微網主節點和上行橋節點的 備份節點。當所有二級微微網從節點都向根節點報告本階段完成或者査詢 超時，根節點將再次廣播網絡擴張命令。⑧ 根節點反覆命令網絡擴張，直到連續兩次網絡擴張都沒有找到新節 點為止，至此，可認為組網過程已經完成。-組網完成後網絡開始運行，進行傳感信息的採集和傳輸工作，藍牙傳 感器網絡工作時，利用藍牙網絡所固有的低功耗呼吸模式，網絡周期性的 傳輸傳感信息，延長整個網絡的生存時間。本發明的組網與路由方法有如下優點一、 將傳感器網絡與藍牙技術相結合，在傳感器網絡組網時充分利用 藍牙網絡的MAC層技術和組網技術，系統組網方便、快捷；在實施藍牙網絡組網時充分考慮其作為傳感器網絡的應用背景，組成的藍牙網絡適合完 成無線傳感器網絡的傳感信息採集任務。二、 採取基於能量可知前提和延長網絡生存時間的組網方法，在著重 考慮網絡生存時間最長的要求下，使組成網絡的網絡級數較小且具有較好 的可靠性和靈活性。三、 組成無線傳感器網絡的所有微微網中留有空位'，以適應在不重新組網的情況下加入部分節點；每個微微網中有1個主節點和上行橋節點的 備份節點，可適應於微微網中部分節點失效、移動離開本微微網等情況。 網絡具有較好的可靠性、靈活性和.自愈能力。四、系統組網的同時進行路由信息的交互，在網絡組網完成的同時其 所有節點的路由信息表一併建立，所形成的路由路徑長度較短。


圖1根節點選舉中能量信息互通階段示意圖 圖2根節點選舉中根信息廣播階段示意圖 圖3根微微網絡參考拓撲結構圖 圖4 二級微微網絡參考拓撲結構圖 圖5三級微微網絡參考拓撲結構圖
具體實施例方式下面結合附圖和藍牙傳感器網絡用於傳感信息採集的具體應用對本發 明作進一步的說明。本發明將傳感器網絡技術與藍牙技術相結合，在傳感器網絡的組網中 充分利用藍牙成熟的物理層和MAC技術以及抗幹擾能力，設計的藍牙散射 網組網考慮無線傳感器網絡的具體應用，基於傳感器網絡節點能量可知的 情況下使整個網絡的生存時間儘可能長，同時也滿足部分節點的加入、移 動、離開等情況要求，具有較好的可靠性、靈活性和可自愈性。利用傳感 器網絡傳感信息數據向根節點匯聚流動的特性，在形成網絡拓撲的同時建 立節點的路由表。藍牙無線傳感器網絡的組網具有以下特性參根節點為指定的高能量節點或根據能量高低從全網中選舉產生； *每個微微網的節點個數不超過7個，留有1個空位以便新節點靈活 加入；*每個微微網的節點個數儘可能接近或等於7個，使網絡直徑較小； —個橋節點只連接兩個微微網；*兩個微微網之間只有一個橋節點連接；*橋節點的類型為S/S型，使網絡有較好的通信性能；*每個微微網通過1個上行S/S橋與上級微微網通信；*每個微微網最多通過4個下行S/S橋與下級微微網通信；*每個微微網中至少有l個不充當橋的純從節點，對本微微網的主節點和上行橋節點形成備份。 網絡組網首先是進行根節點選舉，在進行傳感器網絡設計時，考慮傳 感器網絡根節點的特殊性，儘可能設計一個高能量、高性能節點來固定充 當根節點，以避免周期性的根節點重新選舉和整個網絡重組網所帶來的對 整個網絡的能量消耗。在傳感器網絡中沒有設計特殊高能量、高性能節點 的情況下，採用分布式算法在網絡內選出能量最高的節點作根節點，但網 絡運行時需要定期進行根節點的重選來平衡整個網絡的能量消耗。每個節 點都有變量ENERGY表示節點的剩餘能量，其值是由8bit的A/D對電壓信 號進行採樣得到，值的範圍是0 255。每個節點的變量TIMEOUT表示根節 點選舉時間限制，當TIMEOUT計時到時後節點停止相互的能量信息交互， 進入根節點信息廣播階段。根節點選舉開始時，節點隨機進入Inquiry或Inquiry scan狀態，當兩 個藍牙節點互相發現後，便進行ENERGY信息的互通，包括本節點所知的 最高能量節點的ID及其ENERGY值，然後又隨機進入Inquiry或Inquiry scan狀態，繼續進行信息交換，直到TIMEOUT計時到時。如圖1所示， 所有節點在與其他節點交換信息前，認為自己是能量最高節點，即臨時能 量最高節點，如節點3的M (Max)參數為3 (125)，表示本節點所知的能 量最高節點為3，其能量值為125。所有節點隨機與其相鄰節點交換 ENERGY信息，如一段時間後，2、 7節點交換了信息，5、 25節點交換了 信息，9、 14節點交換了信息。信息交互後，2、 7節點獲知節點7為最高 能量節點，其能量為189; 5、 25節點獲知節點25為最高能量節點，其能 量為172; 9、 14節點獲知節點9為最高能量節點，其能量為201。所有節 點不斷對其所知的最高能量節點信息進行交互，經過TIMEOUT時間後， 停止進行交互，此時將有1個或多個節點認為自己是能量最高節點， TIMEOUT時間值的確定根據網絡規模的大小，要求經過能量信息交互階段後形成的局部能量最高節點數量不多於5個，並且時間儘量短。TIMEOUT 計時到後，形成如圖2所示的情況，其中節點7和節點9都認為自己是能 量最高的節點。能量信息互通階段後的臨時最高能量節點(如節點7和節點9)採取洪泛法向全部節點廣播自己的ENERGY值並宣布自己為根節點，網絡的節點在轉發廣播包時，將判斷本次要轉發的包中所廣播節點的能量大小，只有 大於等於其之前所轉發的節點能量值時才進行轉發，以減少網絡廣播信息流量。臨時最高能量節點將收到其它臨時最高能量節點發出的廣播包，當 有多個節點發出廣播時，ENERGY值較大的成為根節點，當有ENERGY值 一樣的節點時，BD一ADDR最小的成為根節點，所有非根節點隨後進入 Inquiry scan狀態。指定根節點或選舉出根節點後，以根節點為主節點，組成根微微網。 根節點在選舉過程中已經收集到其相鄰節點的全部地址信息和部分節點的 ENERGY值信息，對於未知ENERGY值信息的相鄰節點依次進行連接、取 ENERGY值、斷開連接的操作。然後對其相鄰節點的ENERGY值進行比較， 選出最大的6個，與這6個建立連接，形成根微微網。如圖3所示，根節 點自身的ID編號標記為O，其連接的6個從節點ID編號標記為1、 2、 3、4、 5、 6。根節點O在其路由表中記錄其下行地址為1、 2、 3、 4、 5、 6 (實 際訪問時的地址是節點的BD_ADDR和ACL連接句柄號)，從節點在其路 由表中記錄其上行地址0。此時形成的微微網共由7個節點組成，包括1個 主節點和6個從節點。微微網絡預留一個空閒位置以便在網絡運行過程中， 部分新節點可以方便加入。藍牙無線傳感器網絡組網的第三步是以根微微網為中心，進行網絡擴 張。根節點廣播網絡擴張命令，網絡末端節點都會響應這個命令，此時的 網絡末端節點為根微微網的6個從節點，如圖3中的ID為1、 2、 3、 4、5、 6的節點。從節點均進入Inquiry狀態，若有設備響應查詢，則與該設備 進行連接，直到連接到6個設備；若在設定時間內沒有設備響應査詢，則 停止査詢操作並向根節點報告查詢情況。此時形成的二級微微網如圖4所 示，這裡只給出了由節點2擴張產生的全部節點和由節點3擴張產生的部分節點的示意圖，實際在網絡節點數目較多時，節點1 6都會擴張出新的 微微網。圖4中的節點A (根微微網絡形成後，ID暫為2的節點)在接到網絡 擴張命令後，以自己為主節點連接了 6個設備B、 C、 D、 E、 F、 G，形成 一個臨時的二級微微網絡。節點A在此微微網絡中選出除自己之外的能量 最高的節點C和能量次高的節點E，將自己的ID號3傳給能量最高節點C (即C的ID命為3)， A節點的ID號更改為30 (原ID號後加一個O)，對 能量次高節點的ID命為31,其它節點依次為32、 33、 34、 35。節點A將 所有從節點的BD一ADDR地址表和能量次高節點E的記錄傳給節點C。從 節點B、 C、 D、 E、 F、 G此時禁止新的査詢掃描和呼叫掃描；標記自身為 從節點角色；保存主節點BD一ADDR和ID編號、角色、自身分配到的ID 編號；收到數據包後回送一個數據包用於身份認證。以節點A為主節點的 微微網連接和ID號分配等工作完成後，由節點A對節點C發起主從節點 角色的轉換命令，完成主節點與能量最高節點C的主從角色轉換，轉換成 功後，能量最高節點C成為主節點，原先的主節點A變成了從節點。此時 節點A標記自身為S/S橋節點角色，在自己的路由表中記錄下行地址為2， 上行地址為O,並發數據包通知上級節點(此時為根節點)自己的ID編號 的修改。新建立的以C為主節點的二級微微網中，主節點C在其路由表中記錄 上行地址為20,下行地址為21、 22、 23、 24、 25，各從節點在自己的路由 表中記錄上行地址為2。節點C將本微微網所有的信息發給能量次高節點E， 橋節點A也將自己信息發給E，由節點E對節點A和C的數據進行備份， 以便在A或C失效時代替其工作。其它根微微網的從節點也進行同樣的擴 張活動，當擴張完成時，通知根節點，至此二級微微網形成。二級微微網形成後，若網絡中還有節點未加入網絡，則網絡繼續進行 擴張，根節點再次廣播網絡擴張命令，該命令沿所有下行鏈路傳到網絡末 端節點(此時的網絡末端節點為二級微微網的純從節點)，除微微網備份節 點外，所有網絡末端節點採用二級微微網形成的方法進行擴張，如圖5所示， 由二級微微網的從節點D，擴張出以H為主節點，D、 I、 J等節點為從節點的三級微微網。備份節點專用於對本微微網的主節點和上行橋節點進行備 份，不能進行網絡擴張。當所有二級微微網從節點都向根節點報告本階段 完成或者查詢超時，根節點將再次廣播網絡擴張命令。如此反覆，通過根 節點反覆命令網絡擴張，直到連續兩次網絡擴張都沒有找到新節點為止。 至此，可認為組網過程已經完成。組網完成後網絡開始運行，進行傳感信 息的採集和傳輸工作，藍牙傳感器網絡工作時，利用藍牙網絡所固有的低 功耗呼吸模式，網絡周期性的傳輸傳感信息，延長了整個網絡的生存時間。
權利要求
1、一種藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵在於將傳感器網絡技術與藍牙技術相結合，在傳感器網絡的組網中充分利用藍牙成熟的物理層和MAC技術以及抗幹擾能力，設計的藍牙散射網組網考慮無線傳感器網絡的具體應用，基於傳感器網絡節點能量可知的情況下使整個網絡的生存時間儘可能長，同時也滿足部分節點的加入、移動、離開等情況要求，具有較好的可靠性、靈活性和可自愈性，利用傳感器網絡數據向根節點匯聚流動的特性，在形成網絡拓撲的同時建立節點的路由表。
2、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵 在於將傳感器網絡與藍牙技術相結合，在傳感器網絡組網時充分利用藍 牙網絡的MAC層技術和組網技術，系統組網方便、快捷；在實施藍牙網絡 組網時充分考慮其作為傳感器網絡的應用背景，組成的藍牙網絡適合完成 無線傳感器網絡的傳感信息採集任務。
3、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵在於網絡使用樹型拓撲結構，組網分為根節點選取，根微微網形成，網 絡擴張幾個階段，採取基於能量可知前提和延長網絡生存時間的組網方法， 在著重考慮網絡生存時間最長的要求下，使組成網絡的網絡級數較小且具 有較好的可靠性和靈活性。
4、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵在於組成無線傳感器網絡的每個微微網的節點個數不超過7個，至少留 有1個空位，以適應在不重新組網的情況下加入部分節點的情況。
5、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵在於每個微微網的節點個數儘可能接近或等於7個，橋節點的類型為S/S型，使網絡直徑較小。
6、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵在於每個微微網中至少有1個不充當橋的純從節點，對本微微網的主節 點和上行橋節點形成備份，當主節點或上行橋節點失效時，備份節點代替 失效節點在網絡中的工作，而不用改變網絡現有拓撲結構，可適應於微微 網中部分節點失效、移動離開本微微網等情況，網絡具有較好的可靠性、靈活性和自愈能力。
7、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵 在於系統組網的同時進行路由信息的交互，在網絡組網完成的同時其所 有節點的路由信息表一併建立，所形成的路由路徑長度較短。
8、 根據權利要求1所述藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，其特徵 在於藍牙傳感器網絡工作時，利用藍牙網絡所固有的低功耗呼吸模式， 網絡周期性的傳輸傳感信息，延長整個網絡的生存時間。
全文摘要
一種藍牙無線傳感器網絡組網與路由方法，將傳感器網絡技術與藍牙技術相結合，在傳感器網絡組網時充分利用藍牙網絡成熟的物理層和MAC技術以及抗幹擾能力，系統組網方便、快捷。設計的藍牙散射網組網考慮無線傳感器網絡的具體應用，使用樹型拓撲結構，組網分為根節點選取，根微微網形成，網絡擴張三個階段，採取基於能量可知前提和延長網絡生存時間的組網方法，在著重考慮網絡生存時間最長的要求下，組成的無線傳感器網絡中每個微微網留有空位和備份節點，使組成網絡具有較好的可靠性、靈活性和可自愈性，可以滿足部分節點的加入、移動、離開網絡等情況。系統組網的同時進行路由信息的交互，在網絡組網完成的同時其所有節點的路由信息表一併建立，網絡運行時使用藍牙網絡所固有的低功耗呼吸模式，網絡周期性的傳輸傳感信息，延長整個網絡的生存時間。
文檔編號H04L12/56GK101217490SQ200810045160
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月9日 優先權日2008年1月9日
發明者春 伍, 姚遠程, 張曉琴, 李磊民, 虹 江, 賓 韓, 黃玉清 申請人:西南科技大學