一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡的製作方法
2023-04-24 15:52:25
本實用新型涉及一種智能家居的無線傳感網絡，尤其涉及一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡。
背景技術：
無線傳感器網絡具有節點能量受限、大規模部署、以數據為中心、動態拓撲等特點，為滿足應用需求，往往需要在監測區域部署大量的節點以獲取精確的數據。當網絡規模較大時，需要考慮網絡的容錯性、穩定性和可擴展性；與以地址為中心的傳統網絡不同，無線傳感網絡以數據作為中心進行查詢或傳輸；節點退出以及新加入，因此要求路由必須能夠建立和維護動態拓撲。在無線傳感網絡中，由於能量受限，節點之間往往無法直接通信，發送數據時通常需要採用多跳路由經由中間節點送至目的節點，路由協議負責路徑選擇和數據轉發，因此路由協議對無線傳感網絡的可靠性和可擴展性起著非常重要的作用。由於傳感器節點存儲能力、通信能力和能量受限，傳統的無線傳感網路由協議的設計目標往往是協議算法簡單，節省能耗，這使得網絡的可擴展性較差。但是隨著無線傳感器網絡的發展，應用場景也越來越複雜，在大規模的網絡中，維持網絡的穩定性、降低節點能耗和良好的可擴展性成為了設計路由協議的主要挑戰。
針對上述問題，本實用新型提供了一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡，以提高無線傳感器網絡的效率。
技術實現要素：
本實用新型的實施例提供一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡，以提高無線傳感器網絡的效率。
為了實現上述目的，本實用採取了如下技術方案：
一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡，包括：傳感器節點和網關節點，傳感器節點根據網絡拓撲關係進行分層，在各層中根據路由度量和規則選取若干層內匯聚節點，傳感器節點的信息可以經由匯聚節點對數據進行匯聚處理後，向上傳輸，直至傳輸到目的節點網關節點。
其中，
傳感器節點包括微處理器，及分別與微處理器連接的射頻收發模塊，傳感器模塊、存儲器模塊、狀態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點的運行；
射頻收發模塊用於無線傳感器節點之間進行無線通信；
傳感模塊是傳感器節點應用的核心，在微處理器模塊的調度與控制下，傳感器採集周圍環境信息；
能量供應與評估模塊為整個節點提供能量供應，並在自供電的情況下，評估節點所剩餘的能量，當節點所剩的能量低於所設定的閾值時，不允許當前節點作為匯聚節點進行數據的匯聚與處理。
網關節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點的核心，通過運行的嵌入式作業系統，負責進行感知接入、數據處理及應用傳輸；
SDRAM1和FLASH2是存儲模塊；
USB接口模塊為無線傳感器網關節點提供硬體基礎，通過USB接口模塊可實現802.11模塊和802.15.4模塊的接入；
串口模塊為網關節點軟體模塊的正常運行提供了代碼調試功能；
802.11模塊負責與骨幹網的通信，而802.15.4模塊負責與傳感器節點的通信，802.15.4模塊把收到的傳感數據通過串口發送到核心處理器，然後由核心處理器轉發給802.11模塊，最後送達骨幹網。
優選的，所述的傳感器節點在發生丟包後，開啟三次重傳機制來判斷當前通信鏈路是否正常。
優選的，所述的匯聚節點由自定義的競選機制來競選選出。
優選的，所述的傳感器模塊可以用來採集周圍環境的溫度、溼度和光強度信息。
另外本實用新型提供了一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡的計算方法，具體包括如下步驟：
1)在組網過程中傳感器節點按照其相對於網關節點的位置進行網絡拓撲分層，在各層中根據路由度量和規則選取若干層內匯聚節點，由其完成層內數據的匯聚融合，根據低功耗有損網絡路由協議的有向無環圖特性，每個節點可以同時具有多個父節點，因此每個節點除了按照低功耗有損網絡路由協議選擇最優父節點之外，還將按照一定規則選取的某一層內匯聚節點加入其父節點列表；
2)節點發送的數據包如果是轉發數據包，節點收到後首先根據數據包中標誌位判斷此數據是否進行過數據匯聚處理，若已經匯聚過，則按照原有路由協議直接設置最優父節點為默認路由，發送出去；若此數據尚未被匯聚，那麼查找父節點列表中的次優父節點，設置為默認路由；節點發送的數據包如果是節點自身的探測包，則同樣發送到次優父節點，由匯聚節點進行匯聚處理，並在結束處理後增加匯聚標誌位；
3)匯聚後的數據包由匯聚節點向其最優父節點轉發：當匯聚節點檢測到當前節點的能量值已低於閾值，則進行輪換，匯聚節點向其他相關傳感器節點發送輪換報文，並且不再加入下一輪的匯聚節點的競選；相關節點收到匯聚節點發送的輪換報文後，將匯聚節點地址從自己的父節點列表中刪除，並更新本地的信息表，廣播競爭報文，重啟匯聚節點的競爭過程；
4)當傳感器節點發生丟包後，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，結束重傳過程，若連續三次重傳之後，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，相關的傳感器節點將此節點從父節點列表中刪除，相關節點重新選擇匯聚節點，並將此節點失效的信息發送給上次父節點直至傳至網關節點進行報備處理。
通過上述技術方案，本實用新型一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡，在現有協議的基礎上，通過能量供應與評估模塊來衡量當前節點所剩的能量，避免當前能量過低而依然承擔比較重的轉發與傳輸任務，避免同一節點的網絡能耗。同時，把網絡中的節點進行分層，選擇一定的匯聚節點，將數據信息融合後進行傳輸，避免數據的重複傳輸，提高了無線傳感器網絡的效率。
附圖說明
圖1為傳感器節點組成示意圖；
圖2為網關節點組成示意圖；
附圖標記說明：
圖1:1-傳感器模塊、2-微處理器模塊、3-狀態指示模塊、4-射頻收發模塊、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
為了進一步理解本實用新型，下面結合實施例對本實用新型優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實用新型的特徵和優點，而不是對本實用新型權利要求的限制。
如圖1所示，所述的傳感器節點由微處理器模塊2，射頻收發模塊4，傳感器模塊1、狀態指示模塊3以及能量供應與評估模塊5組成。傳感器節點是一個整體的計算系統，通過各個模塊之間的協調工作，共同完成某種功能。無線傳感器節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點的運行。射頻收發模塊4用於無線傳感器節點之間進行無線通信。傳感模塊1是傳感器節點應用的核心，在微處理器模塊2的調度與控制下，傳感器採集周圍環境的溫度、溼度和光強信息。能量供應與評估模塊5，其一是為整個節點提供能量供應，其二是在自供電的情況下，評估節點所剩餘的能量，當節點所剩的能量低於所設定的閾值時，不允許當前節點作為匯聚節點進行數據的匯聚與處理。
如圖2所示，所述的網關節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。網關節點的通信能力、存儲、能量都遠高於微型傳感器節點。嵌入式微處理器4是整個無線傳感器高性能節點的核心，通過運行的嵌入式作業系統，負責進行感知接入、數據處理及應用傳輸。SDRAM1和FLASH2是存儲模塊。USB接口模塊為無線傳感器網關節點提供硬體基礎。通過USB接口模塊可實現802.11模塊5和802.15.4模塊6的接入。串口模塊為網關節點軟體模塊的正常運行提供了代碼調試功能。802.11模塊5負責與骨幹網的通信，而802.15.4模塊6負責與傳感器節點的通信。802.15.4模塊6把收到的傳感數據通過串口發送到核心處理器，然後由核心處理器轉發給802.11模塊5，最後送達骨幹網。
具體來說，一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感網絡系統在組成過程中，傳感器節點在根據低功耗有損網絡路由協議進行組網時，在組網過程中傳感器節點按照其相對於網關節點的位置進行網絡拓撲分層，在各層中根據路由度量和規則選取若干層內匯聚節點，由其完成層內數據的匯聚融合，根據低功耗有損網絡路由協議的有向無環圖特性，每個節點可以同時具有多個父節點，因此每個節點除了按照低功耗有損網絡路由協議選擇最優父節點之外，還將按照一定規則選取的某一層內匯聚節點加入其父節點列表。節點發送的數據包有轉發數據包和自身探測傳感數據兩種。如果是轉發數據包，節點收到後首先根據數據包中標誌位判斷此數據是否進行過數據匯聚處理，若已經匯聚過，則按照原有路由協議直接設置最優父節點為默認路由，發送出去；若此數據尚未被匯聚，那麼查找父節點列表中的次優父節點，設置為默認路由。如果是節點自身的探測包，則同樣發送到次優父節點，由匯聚節點進行匯聚處理，並在結束處理後增加匯聚標誌位。匯聚後的數據包由匯聚節點向其最優父節點轉發。
當匯聚節點檢測到當前節點的能量值已低於閾值，則進行輪換，匯聚節點向其他相關傳感器節點發送輪換報文，並且不再加入下一輪的匯聚節點的競選；相關節點收到匯聚節點發送的輪換報文後，將匯聚節點地址從自己的父節點列表中刪除，並更新本地的信息表，廣播競爭報文，重啟匯聚節點的競爭過程。
當傳感器節點發生丟包後，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，結束重傳過程，若連續三次重傳之後，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，相關的傳感器節點將此節點從父節點列表中刪除，相關節點重新選擇匯聚節點，並將此節點失效的信息發送給上次父節點直至傳至網關節點進行報備處理。
通過上述技術方案，本實用新型一種基於低功耗有損網絡路由協議的無線傳感器網絡，在現有協議的基礎上，通過能量供應與評估模塊來衡量當前節點所剩的能量，避免當前能量過低而依然承擔比較重的轉發與傳輸任務，避免同一節點的網絡能耗。同時，把網絡中的節點進行分層，選擇一定的匯聚節點，將數據信息融合後進行傳輸，避免數據的重複傳輸，提高了無線傳感器網絡的效率。
以上實施例的說明只是用於幫助理解本實用新型的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以對本實用新型進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本實用新型權利要求的保護範圍內。