專利名稱：基于ieee 802.15.4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無線通信組網(wǎng)技術(shù)，具體地說明是一種基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)狀及 星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。
背景技術(shù)：
人類進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEMS)、計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制和人工智能等學(xué)科的飛速發(fā)展孕育了一種新型的測控網(wǎng) 絡(luò)-無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量無處不在的，具有通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)密 集布設(shè)在無人值守的監(jiān)控區(qū)域而構(gòu)成的能夠根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的“智能”自治測 控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種超大規(guī)模、無人值守、資源嚴(yán)格受限的全分布系統(tǒng)，采 用多跳對(duì)等的通信方式，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，具有自組織、自治、自適應(yīng)等智能屬性。無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)是繼因特網(wǎng)之后，將對(duì)二十一世紀(jì)人類生活方式產(chǎn)生重大影響的IT熱點(diǎn)技術(shù)。 如果說因特網(wǎng)改變了人與人之間交流、溝通的方式，那么無線傳感器網(wǎng)絡(luò)則將邏輯上的信 息世界與真實(shí)物理世界融合在一起，將改變?nèi)伺c自然交互的方式。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn) 引起了全世界范圍的廣泛關(guān)注。.在目前的無線通信標(biāo)準(zhǔn)中，IEEE 802. 15. 4以其低功耗、低成本和簡單靈活等特 點(diǎn)，最有希望地成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)底層通信協(xié)議的無線標(biāo)準(zhǔn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別是 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為IEEE 802. 15.4的主要市場對(duì)象。網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò) 是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常采用的一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對(duì)IEEE 802. 15. 4不兼容，且目前基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法尚未見報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法對(duì)IEEE 802. 15. 4不兼容的缺陷，本發(fā)明要解 決的技術(shù)問題是提供一種可提高系統(tǒng)兼容性的基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓 撲無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是本發(fā)明基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法包 括以下步驟將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)搭建成網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立基于IEEE 802. 15. 4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧 模型；基于上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧模型定義基于IEEE 802. 15. 4的超幀結(jié)構(gòu)；定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)原語；
定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式和加入響應(yīng)命令包格 式；基于上述超幀結(jié)構(gòu)、原有IEEE 802. 15. 4的介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以 及網(wǎng)絡(luò)層加入原語和命令包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入過程。所述網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，又稱為簇；傳感器節(jié)點(diǎn)之間不直接通 信，傳感器節(jié)點(diǎn)只和一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)通信；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)構(gòu)成；路由節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn) 通信，路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，或者路由節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)其它路由節(jié)點(diǎn)通信，上位機(jī)和匯 聚節(jié)點(diǎn)通信；所述上位機(jī)為用戶及管理者提供與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交互的平臺(tái)；匯聚節(jié)點(diǎn)提供無 線傳感器網(wǎng)絡(luò)與其它無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的接口 ；路由節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)互連、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù) 據(jù)的簡單處理和局部的網(wǎng)絡(luò)管理功能；傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感器或執(zhí)行器接入無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)。本發(fā)明還具有手持節(jié)點(diǎn)，是用戶臨時(shí)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)，用于現(xiàn)場 維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)配置。所述通信協(xié)議棧模型包括物理層、介質(zhì)訪問控制層、數(shù)據(jù)鏈路子層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用 層，其中物理層和介質(zhì)訪問控制層分別采用IEEE 802. 15. 4的物理層和介質(zhì)訪問控制層， 數(shù)據(jù)鏈路子層對(duì)介質(zhì)訪問控制層的超幀進(jìn)行擴(kuò)展，負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)的加入過程。所述超幀結(jié)構(gòu)包括信標(biāo)幀階段、CAP階段、CFP階段、簇內(nèi)通信階段、簇間通信階段 和休眠階段；其中信標(biāo)幀用于時(shí)隙同步和發(fā)布超幀信息；CAP階段用于節(jié)點(diǎn)加入和簇內(nèi)管 理；CFP階段用于緊急通信和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與簇首間通信，由路由節(jié)點(diǎn)自主分配；簇內(nèi)通信階段 用于相對(duì)穩(wěn)定的簇內(nèi)通信；簇間通信階段用于簇間通信和管理；在CAP階段中路由節(jié)點(diǎn)、傳 感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)采用CSMA方式競爭加入網(wǎng)絡(luò)；傳感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)的加入需要已 在網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)；路由節(jié)點(diǎn)在無法一跳到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的 情況下，也需要其它路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)；將一跳范圍內(nèi)用于轉(zhuǎn)發(fā) 加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)的在網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)稱為代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求和加 入響應(yīng)的過程是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的，包括網(wǎng)絡(luò)層的加入原語、加入請(qǐng)求命令包和加入響應(yīng)命 令包。所述超幀長度為基本超幀長度的2N倍，N為正整數(shù)，其中定義基本超幀長度為32 個(gè)時(shí)隙；傳感器節(jié)點(diǎn)的超幀長度由應(yīng)用的數(shù)據(jù)更新速率決定，路由節(jié)點(diǎn)的超幀長度由星型 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的最小超幀長度決定，匯聚節(jié)點(diǎn)的超幀長度取其鄰居路由節(jié)點(diǎn)的最 小超幀長度。網(wǎng)絡(luò)層的通用命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭和網(wǎng)絡(luò)層有效載荷，其中網(wǎng)絡(luò)層包頭 包括包控制、目的地址、源地址、路由ID、時(shí)間戳、分段序列號(hào)和載荷長度；網(wǎng)絡(luò)層有效載荷 包括網(wǎng)絡(luò)層命令包標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)層命令包載荷；所述包控制字段包括包類型、路由方式和 分段標(biāo)志。所述網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭、命令標(biāo)識(shí)符、待加入節(jié)點(diǎn)物 理地址和節(jié)點(diǎn)類型，其中命令標(biāo)識(shí)符為0。
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所述網(wǎng)絡(luò)層的加入響應(yīng)命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭、命令標(biāo)識(shí)符、加入狀態(tài)、待加 入節(jié)點(diǎn)物理地址和待加入節(jié)點(diǎn)短地址。所述節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的一般過程如下1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)持續(xù)掃描網(wǎng)絡(luò)中的可用信道，直到成功收到已加 入路由節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信標(biāo)；2)時(shí)間同步待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)選擇信標(biāo)發(fā)出節(jié)點(diǎn)作為代理路由節(jié)點(diǎn)，使用信標(biāo) 中的時(shí)間信息完成時(shí)間同步；3)發(fā)送加入請(qǐng)求待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)向代理路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入請(qǐng)求，代理路由節(jié) 點(diǎn)將此加入請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)；4)返回加入響應(yīng)匯聚節(jié)點(diǎn)收到加入請(qǐng)求后，完成安全認(rèn)證，且返回加入響應(yīng)；5)響應(yīng)處理待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)收到代理路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的加入響應(yīng)，如果加入 響應(yīng)是負(fù)響應(yīng)，待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將重新開始加入過程；如果確認(rèn)信息是正響應(yīng)，加入過程 成功，結(jié)束；6)廣播信標(biāo)如果待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)加入成功且為路由節(jié)點(diǎn)，則廣播信標(biāo)。所述基于介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以及網(wǎng)絡(luò)層加入原語和命令包實(shí)現(xiàn) 節(jié)點(diǎn)的加入過程，具體為待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)利用原有IEEE 802. 15. 4協(xié)議的MAC層加入原語 MLME-ASSOCIATE. request ()生成MAC層加入請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)送給代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)的MAC收到加入請(qǐng)求后，指示給本地管理進(jìn)程；代理路由節(jié)點(diǎn)的本地管理進(jìn)程調(diào)用原語NLME-JOIN. request ()在本地網(wǎng)絡(luò)層生 成加入請(qǐng)求命令包后，利用MAC層的MCPS-DATA. request ()原語將網(wǎng)絡(luò)層生成的加入請(qǐng)求 報(bào)文以MAC層數(shù)據(jù)報(bào)文的形式發(fā)送出去，經(jīng)過在網(wǎng)其它路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)后，最后到達(dá)匯聚 節(jié)占.
I— /、、、 匯聚節(jié)點(diǎn)生成網(wǎng)絡(luò)層的的加入響應(yīng)報(bào)文，調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA. response ()將其以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式發(fā)送給代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)收到匯聚節(jié)點(diǎn)的加入響應(yīng)后，調(diào)用MAC層的MLME-ASSOCIATE. request ()原語，在MAC層生成加入響應(yīng)報(bào)文后，返回給待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；收到加入響應(yīng)后，如果待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)加入成功且加入類型為路由節(jié)點(diǎn)，則開 始發(fā)送Beacon幀，用于其他路由節(jié)點(diǎn)或者傳感器節(jié)點(diǎn)的加入。待加入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和 手持節(jié)點(diǎn)不發(fā)送Beacon幀。本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點(diǎn)1.本發(fā)明方法采用網(wǎng)狀及星型(Mesh+Mar)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一方面通過星型 (Star)結(jié)構(gòu)簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了維護(hù)和管理的難度，提高了系統(tǒng)的靈活性，另一方面， 利用網(wǎng)狀(Mesh)結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。2.本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了基于IEEE 802. 15. 4的通信協(xié)議棧和超幀結(jié)構(gòu)，一方面充分 利用了 IEEE 802. 15.4的優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)的兼容性，保護(hù)了已有投資，另一方面通過擴(kuò)展 滿足了工業(yè)應(yīng)用的要求。3.本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了網(wǎng)絡(luò)層的加入原語和命令包格式，支持路由節(jié)點(diǎn)的多跳加 入，以及路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)傳感器節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求；一方面待加入的節(jié)點(diǎn)不需要位于匯聚節(jié)點(diǎn)的接收范圍內(nèi)，擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模；另一方面可以實(shí)現(xiàn)匯聚節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理。4.本發(fā)明方法設(shè)計(jì)了路由節(jié)點(diǎn)的多跳加入過程，一方面充分利用了 IEEE 802. 15. 4協(xié)議的MAC層所支持的加入機(jī)制，另一方面在原有IEEE802. 15. 4協(xié)議的基礎(chǔ)上擴(kuò) 展了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的多跳加入方式。


圖1為一個(gè)典型的混合網(wǎng)狀及星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖；圖2為基于IEEE 802. 15. 4的通信協(xié)議棧示意圖；圖3為基于IEEE 802. 15. 4的超幀擴(kuò)展結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的通用命令包格式示意圖；圖5為基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的通用命令包中包控制字段的格式示意圖；圖6為基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的命令包的標(biāo)識(shí)符示意圖；圖7為基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式示意圖；圖8為基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入響應(yīng)命令包格式示意圖；圖9為節(jié)點(diǎn)一般的加入過程示意圖；圖IOA為節(jié)點(diǎn)具體的加入時(shí)序圖(待加入節(jié)點(diǎn)到在網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)端)；圖IOB為節(jié)點(diǎn)具體的加入時(shí)序圖(在網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)端)。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明方法包括以下步驟將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)搭建成網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立基于IEEE 802. 15. 4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧 模型；基于上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧模型定義基于IEEE 802. 15. 4的超幀結(jié)構(gòu)；定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)原語；定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)命令包格式；基于上述超幀結(jié)構(gòu)、原有IEEE 802. 15. 4的介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以 及網(wǎng)絡(luò)層加入原語和命令包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入過程。如圖1所示，所述網(wǎng)狀及星型(mesh+star)混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括第一層為星型(star) (mesh)網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，又稱為簇；傳 感器節(jié)點(diǎn)之間不直接通信，傳感器節(jié)點(diǎn)只和一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)通信；第二層為網(wǎng)狀(mesh)網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)構(gòu)成；路由節(jié)點(diǎn)至少 和一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通信，路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，或者路由節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)其它路由節(jié) 點(diǎn)通信，上位機(jī)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信；本發(fā)明方法定義了以下節(jié)點(diǎn)上位機(jī)、匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)以及傳感器節(jié)點(diǎn)，其中， 上位機(jī)為用戶及管理者提供與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交互的平臺(tái)；匯聚節(jié)點(diǎn)提供無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 與其它無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的接口 ；路由節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)互連、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的簡單處理 和局部的網(wǎng)絡(luò)管理功能；傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感器或執(zhí)行器接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
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上述節(jié)點(diǎn)中還可具有手持節(jié)點(diǎn)，是用戶臨時(shí)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)，用 于現(xiàn)場維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)配置。同時(shí)，匯聚節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)管理和安全管理的功能。其中，網(wǎng)絡(luò)管理功能負(fù)責(zé)通信資 源分配等，安全管理功能負(fù)責(zé)路由節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)的密鑰管理與安全認(rèn)證。如圖2所示，所述通信協(xié)議棧模型包括物理層、介質(zhì)訪問控制層(MAC層)、數(shù)據(jù)鏈 路子層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，其中物理層和MAC層分別采用IEEE802. 15. 4的物理層和MAC層， 數(shù)據(jù)鏈路子層對(duì)MAC層的超幀進(jìn)行擴(kuò)展，負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)的加入過程。如圖3所示，為了兼容IEEE 802. 15. 4和構(gòu)建網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，本 發(fā)明提出了基于IEEE 802. 15. 4的擴(kuò)展超幀結(jié)構(gòu)，具體包括信標(biāo)(Beacon)幀階段、CAP階 段、CFP階段、簇內(nèi)antra-cluster)通信階段、簇間anter-cluster)通信階段和休眠階 段，其中(1)信標(biāo)幀階段，用于時(shí)隙同步和發(fā)布超幀信息；(2) CAP階段，主要用于節(jié)點(diǎn)加入和簇內(nèi)管理；(3) CFP階段，用于緊急通信和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與簇首間通信，由路由節(jié)點(diǎn)自主分配；(4)非活動(dòng)期，包括簇內(nèi)通信階段、簇間通信階段以及休眠階段，用于簇內(nèi)通信、簇 間通信以及休眠，由匯聚節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一分配，其中htra-cluster階段用于相對(duì)穩(wěn)定的簇內(nèi)通 信，Inter-cluster階段用于簇間通信和管理?？紤]到本發(fā)明在IEEE 802. 15. 4超幀非活動(dòng)期的時(shí)隙用于簇內(nèi)通信、簇間通信以 及休眠，本發(fā)明的基本超幀長度為32個(gè)時(shí)隙，本發(fā)明的超幀長度為基本超幀長度的2N倍，N 為正整數(shù)；傳感器節(jié)點(diǎn)的超幀長度由應(yīng)用的數(shù)據(jù)更新速率決定，路由節(jié)點(diǎn)的超幀長度取其 星型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的最小超幀長度，匯聚節(jié)點(diǎn)的超幀長度取其鄰居路由節(jié)點(diǎn)的最 小超幀長度。本發(fā)明主要是利用基于IEEE 802. 15. 4超幀的CAP段用于路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn) 和手持節(jié)點(diǎn)的加入。在CAP階段中路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)采用CSMA方式競爭加 入網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)的加入需要已在網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求和 加入響應(yīng)；路由節(jié)點(diǎn)在無法一跳到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的情況下，也需要其它路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn) 的加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)。將一跳范圍內(nèi)用于轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)的在網(wǎng)路由節(jié)點(diǎn)稱為 代理路由節(jié)點(diǎn)。代理路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)的過程是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)的，包括網(wǎng) 絡(luò)層的加入原語、加入請(qǐng)求命令包和加入響應(yīng)命令包。本發(fā)明定義了網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)原語。其中，網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng) 求原語用于代理路由節(jié)點(diǎn)代表待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層的加入 指示原語用于收到加入請(qǐng)求的路由節(jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)向本地的管理進(jìn)程匯報(bào)。網(wǎng)絡(luò)層的加 入響應(yīng)原語用于收到加入請(qǐng)求的匯聚節(jié)點(diǎn)返回申請(qǐng)加入的結(jié)果及相關(guān)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)層的加入 證實(shí)原語用于代理路由節(jié)點(diǎn)在收到來自匯聚節(jié)點(diǎn)的加入響應(yīng)后，向本地的管理進(jìn)程匯報(bào)加 入的結(jié)果。具體包括網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求原語語義如下
權(quán)利要求
1.一種基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征 在于包括以下步驟將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各種節(jié)點(diǎn)搭建成網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；在上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上建立基于IEEE 802. 15. 4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧模型；基于上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和協(xié)議棧模型定義基于IEEE 802. 15. 4的超幀結(jié)構(gòu)；定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)原語；定義基于IEEE 802. 15. 4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式和加入響應(yīng)命令包格式；基于上述超幀結(jié)構(gòu)、原有IEEE 802. 15. 4的介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以及網(wǎng) 絡(luò)層加入原語和命令包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入過程。
2.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于所述網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括星型網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，又稱為簇；傳感器節(jié)點(diǎn)之間不直接通信，傳 感器節(jié)點(diǎn)只和一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)通信；網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，由路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)構(gòu)成；路由節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)通 信，路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)通信，或者路由節(jié)點(diǎn)至少和一個(gè)其它路由節(jié)點(diǎn)通信，上位機(jī)和匯聚 節(jié)點(diǎn)通信；所述上位機(jī)為用戶及管理者提供與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)交互的平臺(tái)；匯聚節(jié)點(diǎn)提供無線傳 感器網(wǎng)絡(luò)與其它無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的接口 ；路由節(jié)點(diǎn)完成網(wǎng)絡(luò)互連、傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的 簡單處理和局部的網(wǎng)絡(luò)管理功能；傳感器節(jié)點(diǎn)將傳感器或執(zhí)行器接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
3.按權(quán)利要求2所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于還具有手持節(jié)點(diǎn)，是用戶臨時(shí)訪問無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的接入節(jié)點(diǎn)，用于 現(xiàn)場維護(hù)與網(wǎng)絡(luò)配置。
4.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于所述通信協(xié)議棧模型包括物理層、介質(zhì)訪問控制層、數(shù)據(jù)鏈路子層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層， 其中物理層和介質(zhì)訪問控制層分別采用IEEE 802. 15. 4的物理層和介質(zhì)訪問控制層，數(shù)據(jù) 鏈路子層對(duì)介質(zhì)訪問控制層的超幀進(jìn)行擴(kuò)展，負(fù)責(zé)控制節(jié)點(diǎn)的加入過程。
5.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于所述超幀結(jié)構(gòu)包括信標(biāo)幀階段、CAP階段、CFP階段、簇內(nèi)通信階段、簇間通信階段和 休眠階段；其中信標(biāo)幀用于時(shí)隙同步和發(fā)布超幀信息；CAP階段用于節(jié)點(diǎn)加入和簇內(nèi)管理； CFP階段用于緊急通信和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與簇首間通信，由路由節(jié)點(diǎn)自主分配；簇內(nèi)通信階段用 于相對(duì)穩(wěn)定的簇內(nèi)通信；簇間通信階段用于簇間通信和管理。
6.按權(quán)利要求5所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于在CAP階段中路由節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)采用CSMA方式競爭加 入網(wǎng)絡(luò)。
7.按權(quán)利要求6所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于傳感器節(jié)點(diǎn)和手持節(jié)點(diǎn)的加入需要已在網(wǎng)的路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn)的 加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)；路由節(jié)點(diǎn)在無法一跳到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)的情況下，也需要其它路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該節(jié)點(diǎn)的加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)；將一跳范圍內(nèi)用于轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)的在網(wǎng)路 由節(jié)點(diǎn)稱為代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)加入請(qǐng)求和加入響應(yīng)的過程是在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn) 的，包括網(wǎng)絡(luò)層的加入原語、加入請(qǐng)求命令包和加入響應(yīng)命令包。
8.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于超幀長度為基本超幀長度的2N倍，N為正整數(shù)，其中定義基本超幀長 度為32個(gè)時(shí)隙；傳感器節(jié)點(diǎn)的超幀長度由應(yīng)用的數(shù)據(jù)更新速率決定，路由節(jié)點(diǎn)的超幀長度 由星型網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)的最小超幀長度決定，匯聚節(jié)點(diǎn)的超幀長度取其鄰居路由節(jié) 點(diǎn)的最小超幀長度。
9.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu) 建方法，其特征在于網(wǎng)絡(luò)層的通用命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭和網(wǎng)絡(luò)層有效載荷，其中網(wǎng)絡(luò)層包頭包括 包控制、目的地址、源地址、路由ID、時(shí)間戳、分段序列號(hào)和載荷長度；網(wǎng)絡(luò)層有效載荷包括 網(wǎng)絡(luò)層命令包標(biāo)識(shí)符和網(wǎng)絡(luò)層命令包載荷。
10.按權(quán)利要求9所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建方法，其特征在于所述包控制字段包括包類型、路由方式和分段標(biāo)志。
11.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭、命令標(biāo)識(shí)符、待加入節(jié)點(diǎn)物理地 址和節(jié)點(diǎn)類型，其中命令標(biāo)識(shí)符為0。
12.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建方法，其特征在于所述網(wǎng)絡(luò)層的加入響應(yīng)命令包格式包括網(wǎng)絡(luò)層包頭、命令標(biāo)識(shí)符、加入狀態(tài)、待加入節(jié) 點(diǎn)物理地址和待加入節(jié)點(diǎn)短地址。
13.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò) 構(gòu)建方法，其特征在于所述節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的一般過程如下1)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)持續(xù)掃描網(wǎng)絡(luò)中的可用信道，直到成功收到已加入路 由節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信標(biāo)；2)時(shí)間同步待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)選擇信標(biāo)發(fā)出節(jié)點(diǎn)作為代理路由節(jié)點(diǎn)，使用信標(biāo)中的 時(shí)間信息完成時(shí)間同步；3)發(fā)送加入請(qǐng)求待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)向代理路由節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入請(qǐng)求，代理路由節(jié)點(diǎn)將 此加入請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)；4)返回加入響應(yīng)匯聚節(jié)點(diǎn)收到加入請(qǐng)求后，完成安全認(rèn)證，且返回加入響應(yīng)；5)響應(yīng)處理待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)收到代理路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來的加入響應(yīng)，如果加入響應(yīng) 是負(fù)響應(yīng)，待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將重新開始加入過程；如果確認(rèn)信息是正響應(yīng)，加入過程成 功，結(jié)束；6)廣播信標(biāo)如果待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)加入成功且為路由節(jié)點(diǎn)，則廣播信標(biāo)。
14.按權(quán)利要求1所述的基于IEEE802. 15. 4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，其特征在于所述基于介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以及網(wǎng)絡(luò)層加入原語和命令包實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn) 的加入過程，具體為待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)利用原有IEEE 802. 15. 4協(xié)議的MAC層加入原語MLME-ASSOCIATE. request ()生成MAC層加入請(qǐng)求報(bào)文，發(fā)送給代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)的MAC收到加入請(qǐng)求后，指示給本地管理進(jìn)程；代理路由節(jié)點(diǎn)的本地管理進(jìn)程調(diào)用原語NLME-JOIN. request ()在本地網(wǎng)絡(luò)層生成加 入請(qǐng)求命令包后，利用MAC層的MCPS-DATA. request ()原語將網(wǎng)絡(luò)層生成的加入請(qǐng)求報(bào)文 以MAC層數(shù)據(jù)報(bào)文的形式發(fā)送出去，經(jīng)過在網(wǎng)其它路由節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)后，最后到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)； 匯聚節(jié)點(diǎn)生成網(wǎng)絡(luò)層的的加入響應(yīng)報(bào)文，調(diào)用MAC層的原語MCPS-DATA. response ()將 其以數(shù)據(jù)報(bào)文的形式發(fā)送給代理路由節(jié)點(diǎn)；代理路由節(jié)點(diǎn)收到匯聚節(jié)點(diǎn)的加入響應(yīng)后，調(diào)用MAC層的MLME-ASSOCIATE. request () 原語，在MAC層生成加入響應(yīng)報(bào)文后，返回給待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)；收到加入響應(yīng)后，如果待加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)加入成功且加入類型為路由節(jié)點(diǎn)，則開始發(fā) 送Beacon幀，用于其他路由節(jié)點(diǎn)或者傳感器節(jié)點(diǎn)的加入。待加入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)和手持 節(jié)點(diǎn)不發(fā)送Beacon中貞。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)錈o線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法，包括以下步驟搭建網(wǎng)狀及星型混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；建立基于IEEE 802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧模型；定義基于IEEE 802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)；定義基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求、指示、響應(yīng)和證實(shí)原語；定義基于IEEE 802.15.4的網(wǎng)絡(luò)層的加入請(qǐng)求命令包格式和加入響應(yīng)命令包格式；基于上述超幀結(jié)構(gòu)、原有IEEE 802.15.4的介質(zhì)訪問控制層加入原語和命令幀以及網(wǎng)絡(luò)層加入原語和命令包，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入過程。本發(fā)明方法一方面通過星型結(jié)構(gòu)簡化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，降低了維護(hù)和管理的難度，提高了系統(tǒng)的靈活性，另一方面，利用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性，充分利用了IEEE 802.15.4的優(yōu)勢(shì)，滿足系統(tǒng)的兼容性和工業(yè)應(yīng)用的要求。
文檔編號(hào)H04W84/18GK102065575SQ20091021979
公開日2011年5月18日 申請(qǐng)日期2009年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月11日
發(fā)明者于海斌, 張曉玲, 徐偉杰, 曾鵬, 楊淼, 梁煒, 鄭萌 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所