一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)關(guān)信道選擇及節(jié)點自適應入網(wǎng)方法

一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)關(guān)信道選擇及節(jié)點自適應入網(wǎng)方法發(fā)明名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)多網(wǎng)關(guān)信道選擇及節(jié)點自適應入網(wǎng)方法摘要： 本發(fā)明公開一種多網(wǎng)關(guān)信道評估，節(jié)點自適應入網(wǎng)的方法，實現(xiàn)節(jié)點對通信信道及網(wǎng)關(guān)對象的最優(yōu)化選擇。其具體的內(nèi)容包括：（1）構(gòu)建一個多網(wǎng)關(guān)，多節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。（2）網(wǎng)絡(luò)初次建立階段，多網(wǎng)關(guān)之間通過掃頻對各個網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量進行總體評估。（3）根據(jù)各個信道的質(zhì)量評估結(jié)果網(wǎng)關(guān)劃分頻率集，選擇合適的信道作為自身的工作信道及缺省信道。（4）節(jié)點入網(wǎng)階段在缺省信道上和不同網(wǎng)關(guān)進行通信，通過判別自身和不同網(wǎng)關(guān)在缺省信道上的通信質(zhì)量，選擇最優(yōu)通信質(zhì)量的網(wǎng)關(guān)作為自己的管理者，實現(xiàn)節(jié)點的自適應入網(wǎng)。本發(fā)明可以提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)的靈活性及準確性，提高接入網(wǎng)節(jié)點的自適應能力。

權(quán)利要求書1一個多網(wǎng)關(guān)（2）多節(jié)點（3）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體由多個網(wǎng)絡(luò)簇（1）及后臺的上位機（4）組成，其特征在于：有多個網(wǎng)絡(luò)簇（1），每個網(wǎng)絡(luò)簇（1）中包括多個節(jié)點（3），和一個網(wǎng)關(guān)（2）。網(wǎng)絡(luò)簇（1）內(nèi)通信為無線通信，網(wǎng)絡(luò)簇間通過工業(yè)有線的現(xiàn)場總線通信。所述的節(jié)點（3）主要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，及無線收發(fā)的功能。所述的網(wǎng)關(guān)（2），主要完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，無線協(xié)議棧的調(diào)度管理，無線數(shù)據(jù)的聚合，及通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機（4）之間的通信。 所述的上位機（4），主要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視，及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)命令的發(fā)布。2一種網(wǎng)絡(luò)初次建立階段，多網(wǎng)關(guān)（2）通過掃頻評估各個通信信道質(zhì)量的方法。采用權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，具體實現(xiàn)步驟如下：1）步驟201，將所有網(wǎng)關(guān)（2）上電并接入工業(yè)以太網(wǎng)。2）步驟202，上位機（4）通過工業(yè)以太網(wǎng)與所有網(wǎng)關(guān)（2）建立連接。3）步驟203，通過后臺的上位機（4）服務(wù)器發(fā)布一個掃頻命令，整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)關(guān)（2）開始依次掃頻。4）步驟204，掃頻采用兩兩分組的形式進行。每兩個網(wǎng)關(guān)（2）為一組，一個網(wǎng)關(guān)（2）作為無線信號發(fā)送器，一個網(wǎng)關(guān)（2）作為無線信號接收器，對16個信道分16個時間戳逐個掃頻。5）步驟205，掃頻時，在固定的一段時間戳T內(nèi)，每個信道上發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計該時間T內(nèi)的包接收率PRR，若包接收率高，表示該信道的通信質(zhì)量好，信道較為干凈；若包接收率低，表示該信道的通信質(zhì)量較差，信道干擾較大。3一種網(wǎng)關(guān)（2）缺省信道及工作信道的選擇方法，該方法應用于權(quán)利要求書1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用權(quán)利要求書2所述的信道質(zhì)量評估結(jié)果進行具體的選擇，其特征在于，具體實現(xiàn)步驟如下： 1）步驟301，每個網(wǎng)關(guān)（2）按照信道的其固有順序構(gòu)成一張頻率集配置表。2）步驟302，對每個網(wǎng)關(guān)（2）的信道評估結(jié)果按通信質(zhì)量的高低，由PPR轉(zhuǎn)到缺省信道上，發(fā)布網(wǎng)絡(luò)建立幀，使得新加入的節(jié)點能夠自適應的選擇最優(yōu)的網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)整個網(wǎng)線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。目前，在國內(nèi)專利檢索中，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)組建方面也有相關(guān)專利，上海交通大學的孔令和與2010年8月31日申請的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)快速組網(wǎng)方法”，通過先驗估計在節(jié)點布撒前預估簇頭節(jié)點數(shù)量，布撒后各簇頭立刻開始并行組成一跳分簇的網(wǎng)絡(luò)并行融合成整個網(wǎng)絡(luò)，從快速響應方面，探討了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。毛宏偉與2008年3月14日申請的“一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、建立方法及通信方法”，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化、業(yè)務(wù)應用數(shù)據(jù)傳輸需求變化、網(wǎng)絡(luò)管理命令變化、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通訊調(diào)度的建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明公開一種無線多網(wǎng)關(guān)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點自適應入網(wǎng)機制，有別于上述專利的節(jié)點入網(wǎng)機制，提出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的建立期間，網(wǎng)關(guān)合理選擇缺省信道及工作信道，及節(jié)點優(yōu)化選擇網(wǎng)關(guān)管理者。實現(xiàn)整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。發(fā)明內(nèi)容 本發(fā)明目的在于正對現(xiàn)有的技術(shù)不足，當多網(wǎng)關(guān)覆蓋到同一個區(qū)域時，節(jié)點的加入會出現(xiàn)多種選擇，提出一個節(jié)點自適應擇優(yōu)選擇網(wǎng)關(guān)的入網(wǎng)機制。通過網(wǎng)關(guān)合理選擇信道，節(jié)點合理選擇網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)無線節(jié)點入網(wǎng)的性能優(yōu)化。 為了達到上述目的本發(fā)明的構(gòu)思是： 在網(wǎng)絡(luò)組建初期，網(wǎng)關(guān)對2.4Ghz頻段的16個信道進行通信性能測試，網(wǎng)關(guān)按照兩兩分組的形式實現(xiàn)逐個掃頻，建立頻率表配置集，通過頻率表配置集的排序，劃分，更新等相應的操作，網(wǎng)關(guān)選擇合適的工作信道，缺省信道，備用頻率集一與備用頻率集二。缺省信道作為所有節(jié)點的初始化信道，在此信道上發(fā)送網(wǎng)絡(luò)建立幀，以使得新加入的節(jié)點能在缺省信道上擇優(yōu)選擇網(wǎng)關(guān)進行入網(wǎng)。工作信道作為網(wǎng)絡(luò)正常工作時的一個網(wǎng)關(guān)與節(jié)點直接的數(shù)據(jù)收發(fā)信道。備用頻率集作為候補信道，為整個網(wǎng)絡(luò)提供相應的服務(wù)。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：一個多網(wǎng)關(guān)多節(jié)點的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體包括多個網(wǎng)絡(luò)簇及后臺的上位機，其特征在于：有多個網(wǎng)絡(luò)簇，每個網(wǎng)絡(luò)簇中包括多個節(jié)點，和一個網(wǎng)關(guān)。所述的節(jié)點主要完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，及無線收發(fā)的功能。所述的網(wǎng)關(guān)，主要完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，無線協(xié)議棧的調(diào)度管理，無線數(shù)據(jù)的聚合，及通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機之間的通信。 所述的上位機，主要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視，及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)命令的發(fā)布。一種網(wǎng)絡(luò)初次建立階段，多網(wǎng)關(guān)掃頻，評估信道質(zhì)量的方法。采用上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其特征在于，具體實現(xiàn)步驟如下：將所有網(wǎng)關(guān)上電并接入工業(yè)以太網(wǎng)。上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與所有網(wǎng)關(guān)建立連接。3）通過后臺的上位機服務(wù)器發(fā)布一個掃頻命令，整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)關(guān)開始依次掃頻。4）掃頻采用兩兩分組的形式進行。每兩個網(wǎng)關(guān)為一組，一個網(wǎng)關(guān)作為無線信號發(fā)送器，一個網(wǎng)關(guān)作為無線信號接收器，對16個信道分16個時間戳逐個掃頻。5）掃頻時，在固定的一段時間戳T內(nèi)，每個信道上發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，統(tǒng)計該時間T內(nèi)的包接收率PRR，若包接收率高，表示該信道的通信質(zhì)量好，信道較為干凈；若包接收率低，表示該信道的通信質(zhì)量較差，信道干擾較大。一種網(wǎng)關(guān)缺省信道及工作信道的選擇方法，該方法上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用網(wǎng)關(guān)掃頻后的信道評估結(jié)果，對信道進行擇優(yōu)選擇，其特征在于，具體實現(xiàn)步驟如下：1）每個網(wǎng)關(guān)按照信道的其固有順序構(gòu)成一張頻率集配置表。2）對每個網(wǎng)關(guān)的信道評估結(jié)果按通信質(zhì)量的高低，由PPR高的信道到PPR低的信道進行排序，使得頻率集配置表的信道排列順序為信道質(zhì)量高到信道質(zhì)量低。并且將信道質(zhì)量高的前8個信道作為使用信道頻率集，后8個信道作為備用信道頻率集。3）上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)在網(wǎng)關(guān)的讀取所有簇頭節(jié)點的信道頻率集配置表。4）上位機通過評估所有網(wǎng)關(guān)的頻率集配置表，在使用頻率集中選出相對于所有網(wǎng)關(guān)來說信道質(zhì)量較佳的信道作為所有網(wǎng)關(guān)的缺省信道。并在每一張頻率集配置表中，選擇除了缺省信道以外最好的信道作為每個網(wǎng)關(guān)的工作信道。5）上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)更新所有網(wǎng)關(guān)的頻率集配置表。將原先的頻率集配置表的組成，更新為缺省信道，工作信道，備用頻率集一，備用頻率集二。一種節(jié)點入網(wǎng)的多網(wǎng)關(guān)選擇機制，應用于上述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，其信道采用經(jīng)過頻率集配置表更新后的缺省信道與工作信道，其特征在于實現(xiàn)步驟如下：1）在網(wǎng)絡(luò)建立初期，所有的網(wǎng)關(guān)處于缺省信道，并在缺省信道處定時廣播網(wǎng)絡(luò)建立幀。2）節(jié)點上電并處于缺省信道，偵聽所有網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)建立幀。3）節(jié)點在缺省信道從收到第一條網(wǎng)絡(luò)建立幀開始，等待一個網(wǎng)絡(luò)周期，收集在其所處的物理位置下，所有網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)建立幀。4）節(jié)點將收集到所有的網(wǎng)絡(luò)建立幀，按網(wǎng)關(guān)地址進行分類。每一個網(wǎng)關(guān)對應與其發(fā)送的所有網(wǎng)絡(luò)建立幀。5）網(wǎng)關(guān)處于等待狀態(tài)409，節(jié)點對每一個網(wǎng)關(guān)的所有網(wǎng)絡(luò)建立幀進行評估。節(jié)點對多網(wǎng)關(guān)的質(zhì)量評估，將網(wǎng)絡(luò)建立幀中的RSSI值取平均，每個網(wǎng)關(guān)一條通信質(zhì)量評估信息。為通信質(zhì)量評估信息，為第個網(wǎng)關(guān)，第條網(wǎng)絡(luò)建立幀的接收信號強度，表示的是節(jié)點一共接受了條網(wǎng)絡(luò)建立幀。6）節(jié)點選擇通信質(zhì)量最高的網(wǎng)關(guān)作為自身的管理者，并發(fā)送相應的入網(wǎng)幀給網(wǎng)關(guān)。7）網(wǎng)關(guān)收到來自節(jié)點的入網(wǎng)幀后，回復節(jié)點一條地址分配幀，為每一個節(jié)點在自己的簇內(nèi)分配一個邏輯地址。8）節(jié)點收到地址分配幀，回復網(wǎng)關(guān)一個確認幀。節(jié)點入網(wǎng)成功。附圖說明 圖1為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系圖 圖2為網(wǎng)關(guān)信道評估流程圖 圖3為網(wǎng)關(guān)掃頻表 圖4為網(wǎng)關(guān)信道選擇流程圖 圖5為網(wǎng)關(guān)頻率集配置表更新圖圖6為節(jié)點自適應網(wǎng)關(guān)選擇入網(wǎng)流程圖具體實施方法 本發(fā)明優(yōu)選實例結(jié)合附圖說明如下：實施例一：參見圖1，本多網(wǎng)關(guān)（2）多節(jié)點（3）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)體系，具體包括：有多個網(wǎng)絡(luò)簇（1），每個網(wǎng)絡(luò)簇（1）中包括多個節(jié)點（3），和一個網(wǎng)。簇（1）間通信通過工業(yè)以太網(wǎng)完成，簇（1）內(nèi)通信由無線收發(fā)完成。所述的節(jié)點（3）的核心為CC2530，通過兩節(jié)普通的干電池供電，無線收發(fā)通過集成于符合IEEE802.15.4協(xié)議帶8051內(nèi)核的CC2530實現(xiàn)，整個節(jié)點（3）完成數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，及無線收發(fā)的功能。所述的網(wǎng)關(guān)（2）的無線通信，通過無線芯片CC2530和射頻前端CC2591相結(jié)合實現(xiàn)遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議棧的調(diào)度管理，無線數(shù)據(jù)的聚合。并通過工業(yè)以太網(wǎng)與上位機之間的以MODBUS-TCP實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。 所述的上位機，主要實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)監(jiān)視，及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)命令的發(fā)布。發(fā)布的命令主要有網(wǎng)關(guān)（2）連接命令，掃頻命令等。實施例二：參見圖2，圖3。本實施為一種網(wǎng)絡(luò)初次建立階段，多網(wǎng)關(guān)（2）通過掃頻評估各個通信信道質(zhì)量的方法，該方法應用于實施例一所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具體的實現(xiàn)步驟參見圖2和圖3：1）圖2步驟201，將所有網(wǎng)關(guān)（2）上電并接入工業(yè)以太網(wǎng)。2）圖2步驟202，上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)與所有網(wǎng)關(guān)（2）建立連接。3）圖2步驟203，通過后臺的上位機服務(wù)器發(fā)布一個掃頻命令，網(wǎng)關(guān)（2）收到掃頻命令后，整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的所有網(wǎng)關(guān)（2）開始依次掃頻。4）圖2步驟204及圖3，掃頻采用兩兩分組形式進行。每兩個網(wǎng)關(guān)（2）為一組，一個網(wǎng)關(guān)（2）作為無線信號發(fā)送器，一個網(wǎng)關(guān)（2）作為無線信號接收器，按照圖三的跳頻序列圖從2.405GHz開始到2.480GHz，每隔5MHz的中心頻率，對16個信道分16個時隙逐個掃頻，每隔個時隙，留足相應的無線收發(fā)測試時間。5）圖2步驟205及圖3，掃頻時，在每個信道上，駐留固定的一段時隙T，在該時隙內(nèi)，每個信道上發(fā)送1000個數(shù)據(jù)包，共16次測試結(jié)果。統(tǒng)計該時間T內(nèi)的包接收率PRR，若包接收率高，表示該信道的通信質(zhì)量好，信道較為干凈；若包接收率低，表示該信道的通信質(zhì)量較差，信道干擾較大。實施例三：參見圖4，圖5。一種網(wǎng)關(guān)（2）缺省信道及工作信道的選擇方法，該方法應用于實施例1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，采用實施2所述的信道質(zhì)量評估結(jié)果進行具體的選擇，其特征在于，具體實現(xiàn)步驟如下：1）圖4步驟301，每個網(wǎng)關(guān)（2）按照信道的其固有順序構(gòu)成一張頻率集配置表。2）圖4步驟302，對每個網(wǎng)關(guān)（2）的信道評估結(jié)果按通信質(zhì)量的高低，由PPR高的信道到PPR低的信道進行排序，使得頻率集配置表的信道排列順序為信道質(zhì)量高到信道質(zhì)量低。并且將信道質(zhì)量高的前8個信道作為使用信道頻率集，后8個信道作為備用信道頻率集。3）圖4步驟303，上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)讀取所有網(wǎng)關(guān)（3）的信道頻率集配置表。4）圖4步驟304，上位機通過評估所有網(wǎng)關(guān)（2）的頻率集配置表，在使用頻率集中選出相對于所有網(wǎng)關(guān)（2）來說信道質(zhì)量較佳的信道作為所有網(wǎng)關(guān)（2）的缺省信道。并在每一張頻率集配置表中，選擇除了缺省信道以外最好的信道作為每個網(wǎng)關(guān)（2）的工作信道。5）圖4步驟305，上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)更新所有網(wǎng)關(guān)（2）的頻率集配置表。將原先的頻率集配置表的組成，更新為缺省信道，工作信道，備用頻率集一，備用頻率集二。實施例四：參見圖6，一種節(jié)點（3）入網(wǎng)的多網(wǎng)關(guān)（2）選擇機制，應用于實施例一的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，節(jié)點（3）入網(wǎng)期間網(wǎng)關(guān)（2）處于實施例三所述的缺省信道。該機制的具體實現(xiàn)步驟如下：1）圖6步驟401，在網(wǎng)絡(luò)建立初期，所有的網(wǎng)關(guān)（2）處于缺省信道，并在缺省信道處定時廣播網(wǎng)絡(luò)建立幀。2）圖6步驟402，節(jié)點（3）上電并處于缺省信道等待狀態(tài)，偵聽所有網(wǎng)關(guān)（2）的網(wǎng)絡(luò)建立幀。3）圖6步驟403，節(jié)點（3）在缺省信道從收到第一條網(wǎng)絡(luò)建立幀開始，等待一個網(wǎng)絡(luò)周期，收集在其所處的物理位置下，所有網(wǎng)關(guān)（2）的網(wǎng)絡(luò)建立幀。4）圖6步驟404，網(wǎng)關(guān)（2）網(wǎng)絡(luò)建立幀發(fā)送完畢，進入等待狀態(tài)409，節(jié)點（3）將收集到所有的網(wǎng)絡(luò)建立幀，按網(wǎng)關(guān)（2）地址進行分類。每一個網(wǎng)關(guān)（2）對應與其發(fā)送的所有網(wǎng)絡(luò)建立幀。網(wǎng)絡(luò)建立幀中還附帶接收信道強度RSSI。5）圖6步驟405，網(wǎng)關(guān)（2）處于等待狀態(tài)409，節(jié)點（3）對每一個網(wǎng)關(guān)（2）的所有網(wǎng)絡(luò)建立幀進行評估。節(jié)點（3）對多網(wǎng)關(guān)（2）的質(zhì)量評估，將網(wǎng)絡(luò)建立幀中的RSSI值取平均，每個網(wǎng)關(guān)（2）一條通信質(zhì)量評估信息。為通信質(zhì)量評估信息，為第個網(wǎng)關(guān)（2），第條網(wǎng)絡(luò)建立幀的接收信號強度，表示的是節(jié)點（3）一共接受了條網(wǎng)絡(luò)建立幀。6）圖6步驟406，節(jié)點（3）選擇通信質(zhì)量最高的網(wǎng)關(guān)（2）作為自身的管理者，并發(fā)送相應的入網(wǎng)幀給網(wǎng)關(guān)（2）。此時網(wǎng)關(guān)（2）處于等待狀態(tài)409。7）圖6步驟407，網(wǎng)關(guān)（2）收到來自節(jié)點（3）的入網(wǎng)幀后，回復節(jié)點（