專利名稱：一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，嵌入式技術(shù)，微電子技術(shù)，無線通信技術(shù)，分布式信息處理技術(shù)等多種現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)。特別涉及到了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法，該方法利用接收信號強(qiáng)度(RSSI)的大小，動態(tài)調(diào)節(jié)節(jié)點發(fā)射功率，實現(xiàn)節(jié)點功率自適應(yīng)，保證節(jié)點的低功耗的技術(shù)。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的傳輸距離和節(jié)點的發(fā)射功率有著很大的關(guān)系，一般情況下節(jié)點的發(fā)射功率越大，無線信號發(fā)射的信號強(qiáng)度就越大，相應(yīng)節(jié)點傳輸無線信號的距離也就越遠(yuǎn)。因此節(jié)點的長距離傳輸和節(jié)點的低功耗是一對矛盾體，如何平衡好節(jié)點的傳輸距離和節(jié)點功耗之間的關(guān)系，對于發(fā)射功率的調(diào)整至關(guān)重要。在實際的無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，并不是所有的節(jié)點都需要點點傳輸極遠(yuǎn)的距離，絕大多數(shù)的節(jié)點都是部署在一個比較 合理的位置上。有的節(jié)點就算需要傳輸很遠(yuǎn)的距離，也有相關(guān)的路由節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此，如果對單一節(jié)點的發(fā)射功率，在不顧節(jié)點傳輸距離的情況下，直接將發(fā)射功率打到最大，對節(jié)點能量的消耗是非常嚴(yán)重的。如圖2所示，節(jié)點發(fā)送無線信號的時候可以設(shè)置多檔發(fā)射功率。不同的節(jié)點發(fā)射功率其節(jié)點的傳輸距離也不一樣，發(fā)射功率越大節(jié)點的傳輸區(qū)域也越遠(yuǎn)。當(dāng)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的距離不是非常遠(yuǎn)的時候，節(jié)點只需要設(shè)置一個中間檔的發(fā)射功率，便能將自身的無線信號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。同樣當(dāng)節(jié)點發(fā)射功率太低的時候，節(jié)點其傳輸距離不能達(dá)到網(wǎng)關(guān)的時候，需要將節(jié)點的發(fā)射功率增加，以滿足發(fā)送需求。另外，隨著2. 4GHz的ISM利用率的提高，無線局域網(wǎng)，藍(lán)牙等各種無線設(shè)備的不斷出現(xiàn)2. 4GHz的ISM頻段變的越來越密集，在各個無線局域網(wǎng)之間的射頻干擾和頻率復(fù)用問題變得越來越嚴(yán)重?；谶@些原因，需要將節(jié)點的發(fā)射功率，根據(jù)節(jié)點信號的傳輸距離的遠(yuǎn)近做動態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，節(jié)點所需的無線信號的傳輸距離越遠(yuǎn)，節(jié)點的發(fā)射功率就越大；節(jié)點所需的無線信號的傳輸距離越近，節(jié)點的發(fā)射功率就越小。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)功率自適應(yīng)的研究，已有相關(guān)的專利。例如北京時代凌宇科技有限公司于2008年9月9日申請的“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)發(fā)射功率自適應(yīng)的系統(tǒng)”，提出了在傳感器節(jié)點中安置接收模塊，控制模塊，信號輸出模塊；在匯聚節(jié)點中安置控制模塊，發(fā)送模塊。通過兩者各個模塊間的協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)功率的自適應(yīng)控制。另外，皇家飛利浦電子股份有限公司與2004年8月24日申請的“無線局域網(wǎng)中的功率自適應(yīng)控制機(jī)制”，針對的是采用IEEE802. lla/b協(xié)議的無線局域網(wǎng)提出的一種功率自適應(yīng)機(jī)制。目前，將無線收發(fā)模塊，功率控制模塊，及處理器單元集成于同一塊芯片，并且面向IEEE802. 15. 4的無線協(xié)議傳感器節(jié)點的功率自適應(yīng)機(jī)制的相關(guān)專利還沒有。本發(fā)明提出的功率自適應(yīng)方法面向加載IEEE802. 15. 4的無線協(xié)議的傳感器節(jié)點。通過合理設(shè)置接收信號強(qiáng)度上下限閾值的方法，無需網(wǎng)關(guān)向節(jié)點發(fā)布相應(yīng)命令，智能實現(xiàn)節(jié)點發(fā)射功率的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點低功耗，延長整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明內(nèi)容的目的在于針對IEEE802. 15. 4協(xié)議的節(jié)點恒定發(fā)射功率，信道干擾大，功耗大的技術(shù)的不足，提出一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法。根據(jù)節(jié)點與網(wǎng)關(guān)之間的距離遠(yuǎn)近，實現(xiàn)節(jié)點發(fā)射功率動態(tài)調(diào)節(jié)。為了達(dá)到上述的目的本發(fā)明的構(gòu)思是
構(gòu)建由網(wǎng)關(guān)及節(jié)點組成的星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，及無線收發(fā)，網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度管理。為了 使得節(jié)點在整個網(wǎng)絡(luò)的運行過程中能夠有序，低功耗的運行，加入節(jié)點的功率自適應(yīng)方法，節(jié)點的功率自適應(yīng)方法主要包括節(jié)點入網(wǎng)的功率自適應(yīng)，節(jié)點運行的功率自適應(yīng)。節(jié)點入網(wǎng)的功率自適應(yīng)在保證節(jié)點能夠成功入網(wǎng)后，將功率逐漸從最小開始逐漸增加，直到接收信號強(qiáng)度高于閾值，為節(jié)點在正常工作期的低功耗無線收發(fā)做準(zhǔn)備。節(jié)點進(jìn)入正常工作時隙，采用調(diào)整后的節(jié)點發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。由于環(huán)境的變化，節(jié)點的接收信號強(qiáng)度仍然會產(chǎn)生波動，因此需要設(shè)置接收信號強(qiáng)度的上下限來調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率。當(dāng)節(jié)點的發(fā)射功率高于或低于相應(yīng)的閾值的時候，節(jié)點自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，使得節(jié)點的接收強(qiáng)度滿足閾值要求，實現(xiàn)節(jié)點的低功耗。根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案
一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法，其特征在于采用星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括一個網(wǎng)關(guān)，N個節(jié)點，及一個上位機(jī)；
有I個網(wǎng)關(guān)，無線部分負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的管理調(diào)度，包括對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組建，命令發(fā)布，數(shù)據(jù)監(jiān)視。有線部分通過現(xiàn)場總線連接到上位機(jī)，實現(xiàn)上位機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)布。有N個節(jié)點，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，并將其發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。有一個上位機(jī)，主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)傳送上來的數(shù)據(jù)做顯示，并具備網(wǎng)絡(luò)的配置功能。①功率自適應(yīng)方法為節(jié)點入網(wǎng)期發(fā)射功率自適應(yīng)的方法的具體的處理步驟如下
I)網(wǎng)關(guān)在其工作信道上廣播一段時間的網(wǎng)絡(luò)建立幀，來組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。2)節(jié)點收到網(wǎng)絡(luò)建立幀后，回復(fù)網(wǎng)關(guān)一個入網(wǎng)請求，即入網(wǎng)幀，表示本節(jié)點想要加入由該網(wǎng)關(guān)作為網(wǎng)絡(luò)管理者的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。3)網(wǎng)關(guān)收到每個節(jié)點的入網(wǎng)請求后，分別給相應(yīng)的節(jié)點分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)地址作為節(jié)點在本網(wǎng)關(guān)管理下的唯一標(biāo)識。4)節(jié)點進(jìn)入等待狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)相應(yīng)命令。5)節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)的同步幀，完成該網(wǎng)關(guān)管理下的整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同
止/J/ O6)節(jié)點完成時間同步后，按照網(wǎng)關(guān)給每個節(jié)點固定分配的時隙，節(jié)點以最低發(fā)射功率開始發(fā)送數(shù)據(jù)。7)若節(jié)點沒有收到網(wǎng)關(guān)的確認(rèn)幀，則節(jié)點增加發(fā)射功率重新發(fā)送數(shù)據(jù)。8)若節(jié)點收到網(wǎng)關(guān)的確認(rèn)幀，則馬上從確認(rèn)幀中獲取上一次節(jié)點成功發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)時的RSSI值，若該RSSI值大于某一閾值，表示上一次的發(fā)射功率能夠滿足通信需求，可以將上一次的發(fā)射功率繼續(xù)作為下一次節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)射功率使用。若小于該閾值，表示發(fā)射功率偏小，增加發(fā)射功率，節(jié)點下次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候采用修改后的發(fā)射功率。9)節(jié)點成功加入一個網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整好發(fā)射功率后，節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)
@通過上述節(jié)點的入網(wǎng)流程之后，整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入穩(wěn)定運行的時
期。在穩(wěn)定運行時期，節(jié)點向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)也需要隨著外界環(huán)境的變化進(jìn)行功率自適應(yīng)控制，具體穩(wěn)定運行時期的節(jié)點功率自適應(yīng)方法的處理步驟如下
I)節(jié)點等待來網(wǎng)關(guān)在每一個工作周期開始時發(fā)布的時間同步幀，使得該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點達(dá)到時間同步。2)節(jié)點等待來自網(wǎng)關(guān)的命令幀，在后續(xù)的工作時序中，節(jié)點按照網(wǎng)關(guān)給予的命令進(jìn)行相應(yīng)的工作。3)節(jié)點發(fā)送實時數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)。4)若節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，適當(dāng)增加發(fā)送失敗節(jié)點的發(fā)射功率。5)網(wǎng)關(guān)收到節(jié)點發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀后，回復(fù)節(jié)點一個確認(rèn)幀，確認(rèn)幀中附帶節(jié)點最近一次網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)成功時的RSSI值。6)節(jié)點(2)評估該Node_RSSI值。將Node_RSSI和上限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_high及下限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_low進(jìn)行比較比較。若Node_RSSI_high彡Node_RSSI彡Node_RSSI_low,表示上次的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率適中，可以保存該發(fā)射功率作為下一次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率值。若Node_RSSI彡Node_RSSI_high,表示上次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的節(jié)點發(fā)射功率過大，節(jié)點的能耗過大。因此，需要將節(jié)點的發(fā)射功率下調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀時的發(fā)射功率使用。若Node_RSSI_ low彡Node_RSSI，表示上次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的節(jié)點發(fā)射功率值太小，雖然節(jié)點數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，也收到了確認(rèn)幀，但如果下次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀仍然使用該發(fā)射功率，則存在潛在丟包的威脅性。因此，需要將節(jié)點的發(fā)射功率上調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率使用。7)節(jié)點評估完畢進(jìn)入休眠，并在該周期的剩余工作時間內(nèi)都處于休眠狀態(tài)，直到下一個周期開始。本發(fā)明與原有的技術(shù)相比具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著進(jìn)步
通過上述的節(jié)點入網(wǎng)功率自適應(yīng)及節(jié)點穩(wěn)定工作的功率自適應(yīng)控制，能夠很好的實現(xiàn)
的節(jié)點低功耗，降低無線信號之間的相互干擾，使得整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)壽命的延長。


圖I網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2節(jié)點傳輸距離圖
圖3節(jié)點入網(wǎng)期發(fā)射功率自適應(yīng)流程4節(jié)點穩(wěn)定工作期發(fā)射功率自適應(yīng)流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的一個優(yōu)選實例結(jié)合

如下
參見圖1，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法，采用星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)該網(wǎng)絡(luò)具體包括
一個網(wǎng)關(guān)(1)，該節(jié)點(2)為網(wǎng)關(guān)(I)的，主要包括有線電源及無線的射頻控制部分。電源采用有線的電源進(jìn)行供電，保證網(wǎng)關(guān)(I)在工作期間充足的能量。另外，為保證網(wǎng)關(guān)(I)一定程度的覆蓋范圍，網(wǎng)關(guān)(I)的射頻電路部分由符合2.4Ghz IEEE802. 15. 4協(xié)議的片上系統(tǒng)無線芯片CC2530及射頻前端CC2591組成。CC2530主要負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)部分無線協(xié)議棧的管理調(diào)度，包括發(fā)送網(wǎng)絡(luò)建立幀，分配節(jié)點地址，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)同步幀，發(fā)送命令幀，以及接受節(jié)點(2)數(shù)據(jù)幀等工作。CC2591作為CC2530的射頻前端主要負(fù)責(zé)無線信號的低噪聲放大發(fā)送， 及對無線信號的高靈敏度接受。網(wǎng)關(guān)通過無線收到的數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線送到后臺上位機(jī)做數(shù)據(jù)監(jiān)視。所述的節(jié)點(2)，由N個節(jié)點(2)組成該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線終端，主要由射頻模塊及電源供應(yīng)模塊組成，射頻模塊采用CC2530完成數(shù)據(jù)的收發(fā)，電源供應(yīng)采用干電池對整個傳感器節(jié)點(2)進(jìn)行能量的供應(yīng)。以CC2530為核心的傳感器節(jié)點(2)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，最后發(fā)送給網(wǎng)關(guān)(I)。功率自適應(yīng)方法包括
①參見圖I及圖3，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)入網(wǎng)期間的節(jié)點(2)功率自適應(yīng)具體步驟如下
I)如圖3步驟201，網(wǎng)關(guān)(I)在其工作信道上廣播一段時間的網(wǎng)絡(luò)建立幀，來組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)建立幀中所包含的信息主要包括網(wǎng)絡(luò)建立幀的幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)關(guān)(I)的網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)關(guān)(I)的供電電壓，網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率，網(wǎng)絡(luò)更新周期，其中網(wǎng)關(guān)(I)的網(wǎng)絡(luò)地址為節(jié)點(2)接收網(wǎng)絡(luò)建立幀識別網(wǎng)關(guān)(I)的主要信息。2)如圖3步驟202，節(jié)點(2)收到網(wǎng)絡(luò)建立幀后，回復(fù)網(wǎng)關(guān)(I) 一個入網(wǎng)請求，即入網(wǎng)幀，表示本節(jié)點(2)想要加入由該網(wǎng)關(guān)(I)作為網(wǎng)絡(luò)管理者的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點入網(wǎng)幀中所包含的主要信息有幀長度，幀控制，節(jié)點(2)供電電壓，節(jié)點(2)工作信道，節(jié)點(2)發(fā)射功率，網(wǎng)絡(luò)更新周期，節(jié)點(2)隸屬網(wǎng)關(guān)(I)的網(wǎng)絡(luò)地址，識別節(jié)點(2)唯一性的32位的IEEE地址。另外，網(wǎng)關(guān)(I)收到節(jié)點(2)的入網(wǎng)幀后，還會添加該節(jié)點(2)入網(wǎng)幀的接收信號強(qiáng)度Node_RSSI及鏈路質(zhì)量指示Node_LQI。3)如圖3步驟203，網(wǎng)關(guān)(I)收到每個節(jié)點(2)的入網(wǎng)請求后，回復(fù)節(jié)點(2)—個網(wǎng)絡(luò)地址分配幀，分別給相應(yīng)的節(jié)點(2)分配一個網(wǎng)絡(luò)邏輯地址，網(wǎng)絡(luò)邏輯地址作為節(jié)點
(2)在本網(wǎng)關(guān)(I)管理下的唯一標(biāo)識。網(wǎng)絡(luò)地址分配幀中所包含的信息包括主要有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，及節(jié)點(2)在該網(wǎng)絡(luò)中的邏輯地址.
4)如圖3步驟204，節(jié)點(2)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)(I)相應(yīng)命令。5)如圖3步驟205，節(jié)點接收網(wǎng)關(guān)(I)的同步幀，完成該網(wǎng)關(guān)(I)管理下的整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步。同步幀包含的主要信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，及時間戳信息，時間戳信息為網(wǎng)關(guān)(I)與節(jié)點(2)的校準(zhǔn)時間。6)如圖3步驟206，節(jié)點(2)完成時間同步后，按照網(wǎng)關(guān)(I)給每個節(jié)點(2)固定分配的時隙，節(jié)點(2)以最低發(fā)射功率開始發(fā)送數(shù)據(jù)。此時節(jié)點(2)的發(fā)射功率為最小值。7)如圖3步驟207，若節(jié)點(2)沒有收到網(wǎng)關(guān)(I)的確認(rèn)幀，則節(jié)點(2)需增加發(fā)射功率。進(jìn)入步驟209。確認(rèn)幀中包含的信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，以及上一次節(jié)點(2)成功發(fā)送數(shù)據(jù)時的Node_RSSI，及Node_LQI。8)如圖3步驟208，若節(jié)點(2)收到網(wǎng)關(guān)(I)的確 認(rèn)幀，則馬上從確認(rèn)幀中獲取上一次節(jié)點(2)成功發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)(I)的接收信號強(qiáng)度值Node_RSSI，若Node_RSSI ^ Node_RSSI_threshold，表示上一次的節(jié)點(2)發(fā)射功率滿足通信需求，可將上一次的節(jié)點(2)發(fā)射功率繼續(xù)作為下一次節(jié)點(2)向網(wǎng)關(guān)(I)發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)射功率。若Node_RSSI ( Node_RSSI_threshold，表示節(jié)點(2)發(fā)射功率偏小，節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)(I)存在潛在的丟包威脅，必須增加發(fā)射功率，節(jié)點(2)下次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候采用修改后的發(fā)射功率。最后跳轉(zhuǎn)到步驟210。9)如圖3步驟209，增加其發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新發(fā)送。若節(jié)點(2)收到網(wǎng)關(guān)
(I)的確認(rèn)幀表示節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)成功，需要進(jìn)入步驟208對上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)成功的接收信號強(qiáng)度進(jìn)行評估，若沒有收到確認(rèn)幀，則繼續(xù)增加發(fā)射功率進(jìn)行步驟209，直至收到確認(rèn)幀。10)如圖3步驟210，節(jié)點(2)成功加入一個網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整好發(fā)射功率后，節(jié)點進(jìn)入休眠狀態(tài)。@參見圖I及圖4，本無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定運行時期的節(jié)點(2)功率自
適應(yīng)具體實現(xiàn)步驟如下
I)圖4步驟301，節(jié)點(2)等待來網(wǎng)關(guān)(I)在每一個工作周期開始時發(fā)布的時間同步幀，使得該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(2)達(dá)到時間同步。同步幀包含的主要信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，及時間戳信息，時間戳信息為網(wǎng)關(guān)(I)與節(jié)點(2)的校準(zhǔn)時間。2)圖4步驟302，節(jié)點等待來自網(wǎng)關(guān)(I)的命令幀，在后續(xù)的工作時序中，節(jié)點按照網(wǎng)關(guān)(I)給予的命令進(jìn)行相應(yīng)的工作。命令幀主要包含的信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，以及每個節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀的時隙和和每個節(jié)點(2)的休眠時間。3)圖4步驟303，節(jié)點(2)發(fā)送實時數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)。實時數(shù)據(jù)幀包含的主要信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，源地址，目的地址，以及傳感器采集的各種數(shù)據(jù)負(fù)載，另外當(dāng)網(wǎng)關(guān)(I)收到該數(shù)據(jù)幀時，還會加上接收信號強(qiáng)度，及鏈路質(zhì)量指示信息。4)圖4步驟304，節(jié)點(2)等待網(wǎng)關(guān)(I)的確認(rèn)幀，若節(jié)點(2)在固定的時間內(nèi)沒有等待網(wǎng)關(guān)的確認(rèn)幀，表示節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)失敗。節(jié)點(2)需要適當(dāng)?shù)脑黾悠浒l(fā)射功率。并轉(zhuǎn)入步驟303。5)圖4步驟305，若節(jié)點(2)收到網(wǎng)關(guān)(I)對相應(yīng)數(shù)據(jù)幀的確認(rèn)幀，表示網(wǎng)關(guān)(I)已經(jīng)收到節(jié)點的數(shù)據(jù)幀。該確認(rèn)幀的信息有幀長度，幀控制，工作信道，網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)更新周期，源地址，目的地址，以及最近一次發(fā)送數(shù)據(jù)幀成功的接收信號強(qiáng)度值，即Node_RSSI。6)圖4步驟306，節(jié)點(2)評估該Node_RSSI值。將該Node_RSSI值和上限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_high及下限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_loW進(jìn)行比較比較。若Node_RSSI_high 彡 Node_RSSI 彡 Node_RSSI_ low，表示上次的節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率適中，可以保存該發(fā)射功率作為下一次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率值。若Node_RSSI彡Node_RSSI_ high，表示上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率過大,節(jié)點(2)的能耗過大。因此，需要將節(jié)點(2)的發(fā)射功率下調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點(2)發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次其發(fā)送數(shù)據(jù)幀時的發(fā)射功率使用。若Node_RSSI_ low彡Node_RSSI，表示上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的節(jié)點(2)發(fā)射功率值太小，雖然節(jié)點(2)數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，也收到了確認(rèn)幀，但如果下次節(jié)點 (2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀仍然使用該發(fā)射功率，則存在潛在丟包的威脅性。因此，需要將節(jié)點(2)的發(fā)射功率上調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點(2)發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率使用。7)圖4步驟307，節(jié)點(2)評估完畢其發(fā)射功率后進(jìn)入休眠狀態(tài)，直到下一個周期開始。
權(quán)利要求
1.一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法，其特征在于采用星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 其中I個網(wǎng)關(guān)(1)，主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的管理調(diào)度，包括對整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)組建，命令發(fā)布，數(shù)據(jù)監(jiān)視； 有線部分通過現(xiàn)場總線連接到上位機(jī)(3)，實現(xiàn)上位機(jī)(3)的數(shù)據(jù)發(fā)布； N個節(jié)點(2)，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)做適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，最后通過無線發(fā)送給網(wǎng)關(guān)(I)； I個上位機(jī)(3)，主要負(fù)責(zé)將網(wǎng)關(guān)傳送上來的數(shù)據(jù)做顯示，并具備網(wǎng)絡(luò)的配置功能； Φ節(jié)點(2)入網(wǎng)期間的發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的具體步驟如下I)步驟201，網(wǎng)關(guān)(I)在其工作信道上廣播一段時間的網(wǎng)絡(luò)建立幀，來組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；2)步驟202，節(jié)點(2)收到網(wǎng)絡(luò)建立幀后，回復(fù)網(wǎng)關(guān)(I)一個入網(wǎng)請求，即入網(wǎng)幀，表示本節(jié)點(2)想要加入由該網(wǎng)關(guān)(I)作為網(wǎng)絡(luò)管理者的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；3)步驟203，網(wǎng)關(guān)(I)收到每個節(jié)點(2)的入網(wǎng)請求后，分別給相應(yīng)的節(jié)點(2)分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，網(wǎng)絡(luò)地址作為節(jié)點(2)在本網(wǎng)關(guān)(I)管理下的唯一標(biāo)識；4)步驟204，節(jié)點(2)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待網(wǎng)關(guān)(I)相應(yīng)命令；5)步驟205，節(jié)點(2)接收網(wǎng)關(guān)(I)的同步幀，完成該網(wǎng)關(guān)(I)管理下的整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的時間同步；6)步驟206，節(jié)點(2)完成時間同步后，按照網(wǎng)關(guān)(I)給每個節(jié)點(2)固定分配的時隙，節(jié)點(2)以最低發(fā)射功率開始發(fā)送數(shù)據(jù)； 7)步驟207，若節(jié)點(2)沒有收到網(wǎng)關(guān)(I)的確認(rèn)幀，則節(jié)點(2)需要進(jìn)入步驟209增加發(fā)射功率；8)步驟208，若節(jié)點(2)收到網(wǎng)關(guān)(I)的確認(rèn)幀，則馬上從確認(rèn)幀中獲取上一次節(jié)點(2)成功發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)(I)的接收信號強(qiáng)度值Node_RSSI，若Node_RSSI ^ Node_RSSI_threshold，表示上一次的節(jié)點(2)發(fā)射功率滿足通信需求，可將上一次的節(jié)點(2)發(fā)射功率繼續(xù)作為下一次節(jié)點(2)向網(wǎng)關(guān)(I)發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)射功率； 若Node_RSSI ( Node_RSSI_threshold，表示節(jié)點(2)發(fā)射功率偏小，節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)存在潛在的丟包威脅，必須增加發(fā)射功率，節(jié)點(2)下次進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候采用修改后的發(fā)射功率；進(jìn)入步驟210 ； 9)步驟209，節(jié)點(2)增加其發(fā)射功率進(jìn)行數(shù)據(jù)的重新發(fā)送；若節(jié)點(2)收到網(wǎng)關(guān)(I)的確認(rèn)幀表示節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)成功，需要進(jìn)入步驟208對上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)成功的接收信號強(qiáng)度進(jìn)行評估，若沒有收到確認(rèn)幀則節(jié)點(2)繼續(xù)增加發(fā)射功率進(jìn)行步驟209，直至收到確認(rèn)幀；10)步驟210，節(jié)點(2)成功加入一個網(wǎng)絡(luò)并調(diào)整好發(fā)射功率后，節(jié)點(2)進(jìn)入休眠狀態(tài)；(D節(jié)點(2)正常運行時序下的發(fā)射功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法的具體步驟如下 I)步驟，301，節(jié)點(2)等待來網(wǎng)關(guān)(I)在每一個工作周期開始時發(fā)布的時間同步幀，使得該網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(2)達(dá)到時間同步； 2)步驟302，節(jié)點(2 )等待來自網(wǎng)關(guān)(I)的命令幀，在后續(xù)的工作時序中，節(jié)點按照網(wǎng)關(guān)(1)給予的命令進(jìn)行相應(yīng)的工作； 3)步驟303，節(jié)點(2 )發(fā)送實時數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I); 4)步驟304，若節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)失敗，適當(dāng)增加發(fā)送失敗節(jié)點(2)的發(fā)射功率； 5)步驟305，網(wǎng)關(guān)(I)收到節(jié)點(2)發(fā)送的實時數(shù)據(jù)幀后，回復(fù)節(jié)點(2)—個確認(rèn)幀，確認(rèn)幀中附帶節(jié)點(2)最近一次網(wǎng)關(guān)(I)發(fā)送數(shù)據(jù)成功時的RSSI值； 6)步驟306，節(jié)點(2)評估該Node_RSSI值； 將Node_RSSI和上限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_high及下限接收信號強(qiáng)度Node_RSSI_low進(jìn)行比較比較； 若Node_RSSI_high彡Node_RSSI彡Node_RSSI_ low，表示上次的節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率適中，可以保存該發(fā)射功率作為下一次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(O的發(fā)射功率值； 若Node_RSSI彡Node_RSSI_ high，表示上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的節(jié)點(2)發(fā)射功率過大，節(jié)點(2)的能耗過大； 因此，需要將節(jié)點(2)的發(fā)射功率下調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點(2)發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀時的發(fā)射功率使用； 若Node_RSSI_ low彡Node_RSSI，表示上次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的節(jié)點(2)發(fā)射功率值太小，雖然節(jié)點(2)數(shù)據(jù)幀發(fā)送成功，也收到了確認(rèn)幀，但如果下次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀仍然使用該發(fā)射功率，則存在潛在丟包的威脅性； 因此，需要將節(jié)點(2)的發(fā)射功率上調(diào)一級，并將調(diào)整后的節(jié)點(2)發(fā)射功率進(jìn)行保存，作為下次節(jié)點(2)發(fā)送數(shù)據(jù)幀給網(wǎng)關(guān)(I)的發(fā)射功率使用； 7)步驟307，節(jié)點(2)評估完畢進(jìn)入休眠，并在該周期的剩余工作時間內(nèi)都處于休眠狀態(tài)，直到下一個周期開始。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點入網(wǎng)及運行功率自適應(yīng)方法。本方法在確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信可靠的前提下，動態(tài)閉環(huán)調(diào)節(jié)節(jié)點發(fā)射功率，實現(xiàn)節(jié)點的低功耗。本發(fā)明采用一個星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，功率自適應(yīng)方法包括節(jié)點入網(wǎng)期間的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)；節(jié)點正常運行的功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)。
文檔編號H04W52/02GK102781080SQ20121023023
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者付敬奇, 徐利明, 蘇偉, 靳上 申請人:上海大學(xué)