一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络的制作方法

本实用新型涉及一种智能家居的无线传感网络，尤其涉及一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络。

背景技术：

无线传感器网络具有节点能量受限、大规模部署、以数据为中心、动态拓扑等特点，为满足应用需求，往往需要在监测区域部署大量的节点以获取精确的数据。当网络规模较大时，需要考虑网络的容错性、稳定性和可扩展性；与以地址为中心的传统网络不同，无线传感网络以数据作为中心进行查询或传输；节点退出以及新加入，因此要求路由必须能够建立和维护动态拓扑。在无线传感网络中，由于能量受限，节点之间往往无法直接通信，发送数据时通常需要采用多跳路由经由中间节点送至目的节点，路由协议负责路径选择和数据转发，因此路由协议对无线传感网络的可靠性和可扩展性起着非常重要的作用。由于传感器节点存储能力、通信能力和能量受限，传统的无线传感网路由协议的设计目标往往是协议算法简单，节省能耗，这使得网络的可扩展性较差。但是随着无线传感器网络的发展，应用场景也越来越复杂，在大规模的网络中，维持网络的稳定性、降低节点能耗和良好的可扩展性成为了设计路由协议的主要挑战。

针对上述问题，本实用新型提供了一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络，以提高无线传感器网络的效率。

技术实现要素：

本实用新型的实施例提供一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络，以提高无线传感器网络的效率。

为了实现上述目的，本实用采取了如下技术方案：

一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络，包括：传感器节点和网关节点，传感器节点根据网络拓扑关系进行分层，在各层中根据路由度量和规则选取若干层内汇聚节点，传感器节点的信息可以经由汇聚节点对数据进行汇聚处理后，向上传输，直至传输到目的节点网关节点。

其中，

传感器节点包括微处理器，及分别与微处理器连接的射频收发模块，传感器模块、存储器模块、状态指示模块以及能量供应与评估模块；

微处理器模块控制着整个节点的运行；

射频收发模块用于无线传感器节点之间进行无线通信；

传感模块是传感器节点应用的核心，在微处理器模块的调度与控制下，传感器采集周围环境信息；

能量供应与评估模块为整个节点提供能量供应，并在自供电的情况下，评估节点所剩余的能量，当节点所剩的能量低于所设定的阈值时，不允许当前节点作为汇聚节点进行数据的汇聚与处理。

网关节点包括嵌入式微处理器，及分别与嵌入式微处理器连接的SDRAM模块、FLASH模块、电源管理模块、USB接口模块，串口模块、802.11模块、802.15.4模块；

嵌入式微处理器是整个无线传感器高性能节点的核心，通过运行的嵌入式操作系统，负责进行感知接入、数据处理及应用传输；

SDRAM1和FLASH2是存储模块；

USB接口模块为无线传感器网关节点提供硬件基础，通过USB接口模块可实现802.11模块和802.15.4模块的接入；

串口模块为网关节点软件模块的正常运行提供了代码调试功能；

802.11模块负责与骨干网的通信，而802.15.4模块负责与传感器节点的通信，802.15.4模块把收到的传感数据通过串口发送到核心处理器，然后由核心处理器转发给802.11模块，最后送达骨干网。

优选的，所述的传感器节点在发生丢包后，开启三次重传机制来判断当前通信链路是否正常。

优选的，所述的汇聚节点由自定义的竞选机制来竞选选出。

优选的，所述的传感器模块可以用来采集周围环境的温度、湿度和光强度信息。

另外本实用新型提供了一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络的计算方法，具体包括如下步骤：

1)在组网过程中传感器节点按照其相对于网关节点的位置进行网络拓扑分层，在各层中根据路由度量和规则选取若干层内汇聚节点，由其完成层内数据的汇聚融合，根据低功耗有损网络路由协议的有向无环图特性，每个节点可以同时具有多个父节点，因此每个节点除了按照低功耗有损网络路由协议选择最优父节点之外，还将按照一定规则选取的某一层内汇聚节点加入其父节点列表；

2)节点发送的数据包如果是转发数据包，节点收到后首先根据数据包中标志位判断此数据是否进行过数据汇聚处理，若已经汇聚过，则按照原有路由协议直接设置最优父节点为默认路由，发送出去；若此数据尚未被汇聚，那么查找父节点列表中的次优父节点，设置为默认路由；节点发送的数据包如果是节点自身的探测包，则同样发送到次优父节点，由汇聚节点进行汇聚处理，并在结束处理后增加汇聚标志位；

3)汇聚后的数据包由汇聚节点向其最优父节点转发：当汇聚节点检测到当前节点的能量值已低于阈值，则进行轮换，汇聚节点向其他相关传感器节点发送轮换报文，并且不再加入下一轮的汇聚节点的竞选；相关节点收到汇聚节点发送的轮换报文后，将汇聚节点地址从自己的父节点列表中删除，并更新本地的信息表，广播竞争报文，重启汇聚节点的竞争过程；

4)当传感器节点发生丢包后，开启三次重传机制，在重传过程中只要成功收到一次确认字符，就认为当前的通信链路正常，结束重传过程，若连续三次重传之后，依然没有收到一次确认字符，则判定当前通信链路存在问题，此时，相关的传感器节点将此节点从父节点列表中删除，相关节点重新选择汇聚节点，并将此节点失效的信息发送给上次父节点直至传至网关节点进行报备处理。

通过上述技术方案，本实用新型一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络，在现有协议的基础上，通过能量供应与评估模块来衡量当前节点所剩的能量，避免当前能量过低而依然承担比较重的转发与传输任务，避免同一节点的网络能耗。同时，把网络中的节点进行分层，选择一定的汇聚节点，将数据信息融合后进行传输，避免数据的重复传输，提高了无线传感器网络的效率。

附图说明

图1为传感器节点组成示意图；

图2为网关节点组成示意图；

附图标记说明：

图1:1-传感器模块、2-微处理器模块、3-状态指示模块、4-射频收发模块、5-能量供应与评估模块；201-RAM、202-FLASH、203-微处理器；

图2：1-SDRAM、2-FLASH、3-电源、4-嵌入式微处理器、5-IEEE802.11模块、6-IEEE802.15.4模块。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

如图1所示，所述的传感器节点由微处理器模块2，射频收发模块4，传感器模块1、状态指示模块3以及能量供应与评估模块5组成。传感器节点是一个整体的计算系统，通过各个模块之间的协调工作，共同完成某种功能。无线传感器节点的核心计算单元是微处理器模块2，它直接控制着整个节点的运行。射频收发模块4用于无线传感器节点之间进行无线通信。传感模块1是传感器节点应用的核心，在微处理器模块2的调度与控制下，传感器采集周围环境的温度、湿度和光强信息。能量供应与评估模块5，其一是为整个节点提供能量供应，其二是在自供电的情况下，评估节点所剩余的能量，当节点所剩的能量低于所设定的阈值时，不允许当前节点作为汇聚节点进行数据的汇聚与处理。

如图2所示，所述的网关节点由嵌入式微处理器4，SDRAM模块1、FLASH模块2、电源管理模块3、802.11模块5、802.15.4模块6。网关节点的通信能力、存储、能量都远高于微型传感器节点。嵌入式微处理器4是整个无线传感器高性能节点的核心，通过运行的嵌入式操作系统，负责进行感知接入、数据处理及应用传输。SDRAM1和FLASH2是存储模块。USB接口模块为无线传感器网关节点提供硬件基础。通过USB接口模块可实现802.11模块5和802.15.4模块6的接入。串口模块为网关节点软件模块的正常运行提供了代码调试功能。802.11模块5负责与骨干网的通信，而802.15.4模块6负责与传感器节点的通信。802.15.4模块6把收到的传感数据通过串口发送到核心处理器，然后由核心处理器转发给802.11模块5，最后送达骨干网。

具体来说，一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感网络系统在组成过程中，传感器节点在根据低功耗有损网络路由协议进行组网时，在组网过程中传感器节点按照其相对于网关节点的位置进行网络拓扑分层，在各层中根据路由度量和规则选取若干层内汇聚节点，由其完成层内数据的汇聚融合，根据低功耗有损网络路由协议的有向无环图特性，每个节点可以同时具有多个父节点，因此每个节点除了按照低功耗有损网络路由协议选择最优父节点之外，还将按照一定规则选取的某一层内汇聚节点加入其父节点列表。节点发送的数据包有转发数据包和自身探测传感数据两种。如果是转发数据包，节点收到后首先根据数据包中标志位判断此数据是否进行过数据汇聚处理，若已经汇聚过，则按照原有路由协议直接设置最优父节点为默认路由，发送出去；若此数据尚未被汇聚，那么查找父节点列表中的次优父节点，设置为默认路由。如果是节点自身的探测包，则同样发送到次优父节点，由汇聚节点进行汇聚处理，并在结束处理后增加汇聚标志位。汇聚后的数据包由汇聚节点向其最优父节点转发。

当汇聚节点检测到当前节点的能量值已低于阈值，则进行轮换，汇聚节点向其他相关传感器节点发送轮换报文，并且不再加入下一轮的汇聚节点的竞选；相关节点收到汇聚节点发送的轮换报文后，将汇聚节点地址从自己的父节点列表中删除，并更新本地的信息表，广播竞争报文，重启汇聚节点的竞争过程。

当传感器节点发生丢包后，开启三次重传机制，在重传过程中只要成功收到一次确认字符，就认为当前的通信链路正常，结束重传过程，若连续三次重传之后，依然没有收到一次确认字符，则判定当前通信链路存在问题，此时，相关的传感器节点将此节点从父节点列表中删除，相关节点重新选择汇聚节点，并将此节点失效的信息发送给上次父节点直至传至网关节点进行报备处理。

通过上述技术方案，本实用新型一种基于低功耗有损网络路由协议的无线传感器网络，在现有协议的基础上，通过能量供应与评估模块来衡量当前节点所剩的能量，避免当前能量过低而依然承担比较重的转发与传输任务，避免同一节点的网络能耗。同时，把网络中的节点进行分层，选择一定的汇聚节点，将数据信息融合后进行传输，避免数据的重复传输，提高了无线传感器网络的效率。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。