技术领域
[0001] 本
发明属于无线传感网络领域，特别涉及了一种基于分时休眠的
无线传感器网络通信方法。
背景技术
[0002] 目前，关于ZigBee网络节能的一大研究方向是休眠，大多数文献都采用了终端
节点周期性休眠而路由节点和汇聚节点持续工作的方式。这是因为汇聚节点是网络的中心，一直采用外接电源供电方式，无需对其进行休眠，而路由节点充当着网络的
中继器，时刻负责网络中信息的转发，若其休眠，则会丢失部分需要转发的数据，因此一般情况下路由节点也是长期处于不休眠的工作状态下。终端节点则可周期性被唤醒，将采集到的数据发送出去，发送结束后等待一段时间，若无其它收发命令则再次进入休眠模式，以此降低能耗。
[0003] 但在实际使用中，大部分路由节点由于实际环境条件限制，一般情况下都采用
电池供电，此时可根据实际需求对路由节点进行适当地休眠，以降低能耗。ZigBee的MAC层通过CSMA/CA机制竞争选择信道，当终端节点较多时，同一时刻很有可能出现多个节点有数据发送，互相竞争信道容易造成信道阻塞，部分节点为获取空闲信道，不断地侦听，浪费了大量的
能量，也有可能造成数据的丢失，从而引发网络故障。
发明内容
[0004] 为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于分时休眠的无线传感器网络通信方法，通过分时休眠机制，减少数据时延，降低网络能耗，延长网络生命周期。
[0005] 为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
[0006] 一种基于分时休眠的无线传感器网络通信方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007] (1)汇聚节点建立网络；
[0008] (2)各路由节点依次加入网络，直到全部路由节点加入网络；
[0009] (3)终端节点依次
申请入网，并得到路由节点分配的网络短地址，直到全部终端节点加入网络；
[0010] (4)汇聚节点向路由节点、终端节点发出休眠信标
帧；
[0011] (5)各终端节点接收到休眠信标帧后，相隔Δt时间依次进入休眠模式，直到全部终端节点休眠；
[0012] (6)待全部终端节点休眠后，各路由节点随即依次进入休眠模式，直到全部路由节点休眠；
[0013] (7)汇聚节点向路由节点、终端节点发出唤醒信标帧；
[0014] (8)各路由节点首先依次被唤醒；
[0015] (9)全部路由节点被唤醒后，各终端节点随即相隔Δt时间依次被唤醒，进行
数据采集和发送的任务，并在任务完成后再次进入休眠模式；
[0016] (10)待全部终端节点任务完成后，路由节点接收并转发终端节点发送过来的数据；
[0017] (11)路由节点接收到来自汇聚节点的休眠信标帧后，再次进入休眠模式；
[0018] (12)不断重复步骤(4)-(11)。
[0019] 进一步地，终端节点的工作过程如下：
[0020] (101)终端节点初始化，发送入网
请求命令帧Becon request；
[0021] (102)收到路由节点回复的允许入网命令帧Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0022] (103)等待汇聚节点的休眠信标帧；
[0023] (104)收到休眠信标帧，回复确认帧ACK至汇聚节点；
[0024] (105)终端节点进入休眠模式，休眠周期为T；
[0025] (106)休眠周期T结束，终端节点唤醒，退出低功耗模式；
[0026] (107)读取传感器的数值，打包处理数据；
[0027] (108)侦听信道是否空闲，若空闲进入步骤(109)，否则继续重复步骤(109)；
[0028] (109)发送RTS至路由节点，寻求建立连接；
[0029] (110)若收到CTS回复，发送数据帧至路由节点，由路由节点将数据帧转发至汇聚节点；若没收到CTS回复，则重复步骤(109)；
[0030] (111)等待tm的时间后，若收到路由节点的应答帧，则说明数据发送完毕，跳转步骤(112)；若没收到应答帧，则重复发送数据；
[0031] (112)等待tn的时间后，若收到来自汇聚节点的确认帧ACK，则跳转步骤(113)；若没有收到ACK则跳转步骤(108)，重新发送数据；
[0032] (113)数据发送时间结束，无论数据是否成功发送，立即进入步骤(105)。
[0033] 进一步地，路由节点包含两种不同的工作方式：面向终端节点收发数据和面向路由节点转发数据；路由节点收发数据的过程如下：
[0034] (201)路由节点初始化，发送入网请求命令帧Becon request；
[0035] (202)收到来自汇聚节点或深度较低的路由节点回复的Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0036] (203)监听信道，处理各节点入网申请并分配16位网络短地址；
[0037] (204)若收到汇聚节点广播的休眠信标帧，回复确认帧ACK，进入步骤(205)，否则跳转步骤(203)；
[0038] (205)读取休眠信标帧中休眠周期，进入休眠模式；
[0039] (206)休眠周期结束，节点唤醒，并发送此刻时间t1至汇聚节点；
[0040] (207)监听信道，若收到来自终端节点的RTS，则回复CTS，进入步骤(208)，否则重复步骤(207)；
[0041] (208)接收终端节点发送来的数据帧，回复应答帧；
[0042] (209)查看数据帧中的目的节点的地址，寻找路由表中是否有到目的节点的路径，若存在路径，则发送数据，跳转步骤(211)；若路由表中不存在相应路径或路径失效，则进入步骤(210)；
[0043] (210)发起RREQ路由请求，寻找路由路径，若收到目的节点的RREP路由回复，则按路由路径转发数据帧，否则重复步骤(210)；
[0044] (211)等待汇聚节点回复的确认帧ACK，将其转发至终端节点；
[0045] (212)若收到来自汇聚节点的休眠信标帧，则跳转步骤(205)；若未收到休眠信标帧，则跳转步骤(207)；
[0046] 路由节点转发数据的过程如下：
[0047] (301)路由节点初始化，发送入网请求命令帧Becon request；
[0048] (302)收到来自汇聚节点或深度较低的路由节点回复的Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0049] (303)监听信道，处理各节点入网申请并分配16位网络短地址；
[0050] (304)若收到汇聚节点广播的休眠信标帧，回复确认帧ACK，进入步骤(305)，否则跳转步骤(303)；
[0051] (305)读取休眠信标帧中休眠周期，进入休眠模式；
[0052] (306)休眠周期结束，节点唤醒，并发送此刻时间至汇聚节点；
[0053] (307)监听信道，若有数据转发进入步骤(308)；若有RREQ控制分组转发跳转步骤(310)；否则重复步骤(307)；
[0054] (308)读取数据帧中的目的地址，将数据转发至目的节点；
[0055] (309)对比自身剩余能量与能量
阈值，若剩余能量低于设定能量阈值，则广播告知所有经过该路由节点路径的源节点，跳转步骤(315)；
[0056] (310)判断是否第一次收到该RREQ，若是则进入步骤(311)，若不是则进入步骤(312)；
[0057] (311)更新路由发现表，跳转步骤(313)；
[0058] (312)若该RREQ分组中路由代价小于路由发现表中已存在的路由代价，则跳转步骤(311)，否则丢弃该RREQ分组，跳转步骤(315)；
[0059] (313)对比自身剩余能量与能量阈值，若剩余能量低于设定能量阈值，则将RREQ分组中Count值加1并延迟Td时间；
[0060] (314)更新RREQ控制分组并转发；
[0061] (315)是否收到休眠信标帧，若是则转入步骤(305)，若否则转入步骤(307)。
[0062] 进一步地，汇聚节点的工作过程如下：
[0063] (401)汇聚节点初始化，信道扫描，选取空闲的信道，
选定PAN标识符，网络建立成功；
[0064] (402)收到各路由节点入网请求，分配16位网络地址；
[0065] (403)收到各终端节点入网信息，为第一个入网的终端节点设置编号为1，后续终端节点以此类推；
[0066] (404)距离最后一个终端节点入网后tq时间内仍未有新节点的加入，则开始向各终端节点发送休眠信标帧，休眠时间设为T；
[0067] (405)首先发送休眠信标帧至1号终端节点，若收到终端节点的ACK帧，则隔Δt的时间再次发送休眠信标帧至下一终端节点；若没收到则ACK帧，则重复步骤(405)；
[0068] (406)发送休眠信标帧至最后一个终端节点并收到ACK帧后，立刻广播休眠信标帧至所有路由节点，休眠时间设为TS1；
[0069] (407)若没有收到全部路由节点的ACK帧，则持续广播，直至全部收到为止；
[0070] (408)监听信道，记录第一个路由节点醒来的时刻t1；
[0071] (409)接收路由节点传来的信息，若为数据帧，则回复确认ACK，并跳转步骤(412)，若为RREQ分组，则等待一段时间tp，进入步骤(410)；
[0072] (410)时间tp过后，若收到多组来自同一目的地址的RREQ分组，则比较各组路由代价，选取路由代价最低的路径，进入步骤(411)，若只收到一组来自同一目的地址的RREQ分组，则直接进入步骤(411)；
[0073] (411)回复RREP至源节点；
[0074] (412)距离最后一个终端节点发来的数据后mΔt的时间内仍未收到新数据，m为网络的最大跳数，则记录此时刻为t2，进入步骤(413)，否则跳转步骤(409)；
[0075] (413)广播休眠信标帧至各路由节点，休眠时间为TS2，跳转步骤(408)。
[0076] 进一步地，在步骤(406)中，休眠时间TS1＝T-(n-1)*Δt-Δt2，其中T为终端节点休眠周期，n为终端节点个数，Δt为终端节点分时休眠间隔，Δt2为路由节点先于终端节点唤醒的时间。
[0077] 进一步地，在步骤(413)中，休眠时间TS2＝T-(t2-t1)-Δt2，其中T为终端节点休眠周期，Δt2为路由节点先于终端节点唤醒的时间，t1为第一个路由节点的唤醒时刻，t2为终端节点全部传输完成的时刻。
[0078] 采用上述技术方案带来的有益效果：
[0079] 本发明综合考虑了实时性要求不高、也无需各节点同时将数据传送至汇聚节点的监测系统的特点，各终端节点分时休眠，在不同时刻被唤醒并传输数据，以此避免不必要的数据冲突现象，并且当终端节点全部休眠之后，路由节点也进入休眠模式，减少不必要的侦听，以减少数据时延、降低网络能耗、延长了网络的生命周期。
附图说明
[0080] 图1是为本发明的节点初始入网及分时休眠方式图；
[0081] 图2是本发明的系统工作时序图；
[0083] 图4是本发明的路由节点收发数据工作流程图；
[0084] 图5是本发明的的路由节点转发数据工作流程图；
[0085] 图6是本发明汇聚节点工作流程图；
[0086] 图7是实验测试节点分布示意图。
具体实施方式
[0087] 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0088] 1、节点加入网络
[0089] 如图1所示为本发明各节点初始入网及分时休眠图。路由节点先于各终端节点加入ZigBee网络，终端节点先后在不同时间点申请入网，各路由节点为相应的终端节点分配16位网络短地址，并汇报至汇聚节点，汇聚节点标记最先入网的终端节点为1号节点，后续入网的终端节点编号以此类推。当汇聚节点不再收到新入网节点信息时，等待一段时间tq，若仍未有新节点加入，则判定各节点入网完成。
[0090] 2、数据传输
[0091] 如图1和2所示为本发明的系统工作时序图。系统周期T主要划分为终端节点工作时期T1和终端节点休眠时期T2两大部分。
[0092] 网络组网完成后，汇聚节点以间隔Δt时间的
频率发送休眠信标帧至各终端节点，终端节点收到休眠信标帧后回复确认帧ACK并立即进入休眠模式，休眠周期为T2。若汇聚节点未收到某终端节点的ACK，则在的时间内再次发送信标帧，直至收到为止，若时间已到达仍未收到该节点的ACK，则放弃该节点，继续发送休眠信标帧至下一节点。
[0093] 当发送休眠信标帧至所有终端节点后(即(n-1)*Δt的时间后)，汇聚节点广播休眠信标帧至各路由节点，路由节点收到信标帧后立即进入休眠模式，休眠周期为TS1：
[0094] TS1＝T2-(n-1)*Δt-Δt2
[0095] 其中，n为终端节点个数，T2为终端节点休眠周期，Δt2为路由节点先于终端节点唤醒的时间，Δt为各终端节点分时休眠间隔。
[0096] 采用非时隙CSMA/CA机制竞争入网，退避周期为当节点侦测到空闲信道时，随机退让一段时间后发送数据，以免各节点同时发送数据而产生的冲突。由于网络无需数据同时收发，因此可以使得各终端节点分时发送数据，保证每个的时间内只有一个终端节点工作，从而减少不必要的信道竞争，减少监听能耗，并且当节点监听到信道空闲时，无需退避周期，直接发送数据，使得传输更加高效、便捷。
[0097] 同时，路由节点先于终端节点Δt2被唤醒，唤醒后路由节点发送命令至汇聚节点，告知汇聚节点路由节点唤醒时刻，并由汇聚节点记录第一个路由节点的唤醒时刻t1。路由节点提前Δt2的时间被唤醒以保证全部路由节点都进入工作模式。之后，各终端节点相隔Δt的时间分时唤醒并进入工作模式，但在实际使用过程中，由于
硬件等因素，节点内部时钟可能会出现漂移现象，虽然在一开始的数据传输中，时间漂移带来的影响可以忽略不计，但随着时间的积累，很有可能会出现终端节点先于路由节点醒来的情况。若终端节点唤醒后发现自己先于路由节点醒来，则下次休眠周期为T+tk，其中tk为补偿时间，目的是略微延长终端节点的休眠时长，补偿时钟漂移，若下个周期该终端节点后于路由节点醒来，则休眠周期恢复为T，否则休眠周期仍为T+tk。
[0098] 终端节点分时唤醒的时间间隔为Δt，其为终端节点采集、发送数据的工作时间(Δt的时间内可以至少重复发送数据3次)。在Δt的时间内，终端节点完成数据采集及发送的任务，若数据发送成功，则会收到来自汇聚节点发回的确认帧ACK，若没有收到ACK，则重复发送，若节点的工作时间达到Δt时，无论数据是否成功发送，终端节点立即进入休眠模式。此时下一个节点醒来，进行数据的采集和发送，由于每次信道中一般只有一个终端节点发送数据，因此当采用CSMA/CA机制监听到信道空闲时，立即发送数据，无需退避一定的时间，从而提高节点的传输效率。当汇聚节点最后一次收到终端节点的数据后mΔt的时间内仍没有收到新的终端节点传来的数据，则认为终端节点全部传输完成，记录此时的实际为t2，并立即广播休眠信标帧至所有路由节点，路由节点收到休眠信标帧后进入休眠模式，休眠时长为TS2：
[0099] TS2＝T2-(t2-t1)-Δt2
[0100] 其中，T2为终端节点休眠周期，Δt2为路由节点先于终端节点唤醒的时间，t1为第一个路由节点的唤醒时刻，t2为终端节点全部传输完成的时刻。
[0101] 路由节点并没有采用固定的休眠时间，而是每次休眠前都需收到汇聚节点发来的命令才进入休眠模式，这是因为网络节点部署可能发生变化，当网络节点部署结构不变的情况下，路由节点的休眠时间是固定的；当网络节点部署结构发生了变化，即有旧节点的退出和新节点的加入，此时路由节点的休眠时间则会发生变化，具体休眠时间由汇聚节点决定。由于各终端节点间隔的时间相继工作，所以当汇聚节点在长达mΔt的时间内仍未收到新数据时，则可判定网络数据传输完毕，此时路由节点收到汇聚节点发送的休眠信标帧，进入休眠模式。
[0102] 在ZigBee网络运行中，若有新的终端节点需要加入网络，管理人员需要观察路由节点的工作状态，可通过路由节点的工作指示灯判断其是否处于工作状态，只有在路由节点处于工作状态的情况下，才能允许终端节点上电入网，否则无法成功入网。当汇聚节点收到新终端节点的入网信息后，立即回复休眠信标帧，终端节点收到休眠信标帧后立即进入休眠模式，休眠时长为T。
[0103] 3、通信协议
[0104] 通讯协议分别对终端节点、路由节点和汇聚节点分别描述。
[0105] 如图3为本发明的终端节点工作流程图。具体步骤如下：
[0106] (1)终端节点初始化，发送入网请求命令帧Becon request；
[0107] (2)收到路由节点回复的允许入网命令帧Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0108] (3)等待汇聚节点的休眠信标帧；
[0109] (4)收到休眠信标帧，回复确认帧ACK至汇聚节点；
[0110] (5)终端节点进入休眠模式LPM3，休眠周期为T；
[0111] (6)休眠周期T结束，终端节点唤醒，退出低功耗模式；
[0112] (7)读取传感器SHT11的数值，打包处理数据；
[0113] (8)侦听信道是否空闲，若空闲进入步骤(9)，否则继续重复步骤(8)；
[0114] (9)发送RTS(Requset to send)至路由节点，寻求建立连接；
[0115] (10)若收到CTS(Clear to send)回复，发送数据帧至路由节点，由路由节点将数据帧转发至汇聚节点；若没收到CTS指令，则重复步骤(9)；
[0116] (11)等待tm的时间后，若收到路由节点的应答帧，则说明数据发送完毕，跳转步骤(12)；若没收到应答帧，则重复发送数据；
[0117] (12)等待tn的时间后，若收到来自汇聚节点的确认帧ACK，则跳转步骤(13)；若没有收到ACK则跳转步骤(8)，重新发送数据；
[0118] (13)时间到，无论数据是否成功发送，立即进入步骤(5)。
[0119] 路由节点具有两种不同的工作方式，一种是面向终端节点收发数据的，另一种是面向路由节点转发数据的。
[0120] 如图4为本发明的路由节点收发数据工作流程图。具体步骤如下：
[0121] (1)路由节点初始化，发送入网请求命令帧Becon request；
[0122] (2)收到来自汇聚节点或深度较低的路由节点回复的Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0123] (3)监听信道，处理各节点入网申请并分配16位网络短地址；
[0124] (4)若收到汇聚节点广播的休眠信标帧，回复确认帧ACK，进入步骤(5)，否则跳转步骤(3)；
[0125] (5)读取休眠信标帧中休眠周期，进入休眠模式LPM3；
[0126] (6)休眠周期结束，节点唤醒，并发送此刻时间t1至汇聚节点；
[0127] (7)监听信道，若收到来自终端节点的RTS，则回复CTS，进入步骤(8)，否则重复步骤(7)；
[0128] (8)接收终端节点发送来的数据帧，回复应答帧；
[0129] (9)查看数据帧中的目的节点的地址，寻找路由表中是否有到目的节点的路径，若存在路径，则发送数据，跳转步骤(11)；若路由表中不存在相应路径或路径失效，则进入步骤(10)；
[0130] (10)发起RREQ路由发现，寻找路由路径，若收到目的节点的RREP，则按路由路径转发数据帧，否则重复步骤(10)；
[0131] (11)等待汇聚节点回复的确认帧ACK，将其转发至终端节点；
[0132] (12)若收到来自汇聚节点的休眠信标帧，则跳转步骤(5)；若未收到休眠指令，则跳转步骤(7)。
[0133] 如图5为本发明的路由节点转发数据工作流程图。具体步骤如下：
[0134] (1)路由节点初始化，发送入网请求命令帧Becon request；
[0135] (2)收到来自汇聚节点或深度较低的路由节点回复的Association confirm，并获取16位网络短地址；
[0136] (3)监听信道，处理各节点入网申请并分配16位网络短地址；
[0137] (4)若收到汇聚节点广播的休眠信标帧，回复确认帧ACK，进入步骤(5)，否则跳转步骤(3)；
[0138] (5)读取休眠信标帧中休眠周期，进入休眠模式LPM3；
[0139] (6)休眠周期结束，节点唤醒，并发送此刻时间至汇聚节点；
[0140] (7)监听信道，若有数据转发进入步骤(8)；若有RREQ控制分组转发跳转步骤(10)；否则重复步骤(7)；
[0141] (8)读取数据帧中的目的地址，将数据转发至目的节点；
[0142] (9)对比自身剩余能量与能量阈值，若剩余能量低于设定能量阈值，则广播告知所有经过该路由节点路径的源节点，跳转步骤(15)；
[0143] (10)判断是否第一次收到该RREQ，若是则进入步骤(11)，若不是则进入步骤(12)；
[0144] (11)更新路由发现表，跳转步骤(13)；
[0145] (12)若该RREQ分组中路由代价小于路由发现表中已存在路径代价，则跳转步骤(11)，否则丢弃该RREQ分组，跳转步骤(15)；
[0146] (13)对比自身剩余能量与能量阈值，若剩余能量低于设定能量阈值，则将RREQ分组中Count值加1并延迟Td的时间；
[0147] (14)更新RREQ控制分组并转发；
[0148] (15)是否收到休眠信标帧，若是则转入步骤(5)，若否则转入步骤(7)。
[0149] 如图6为本发明的汇聚节点工作流程图，具体步骤如下：
[0150] (1)汇聚节点初始化，信道扫描，选取空闲的信道，选定PAN标识符，网络建立成功；
[0151] (2)收到各路由节点入网请求，分配16位网络地址；
[0152] (3)收到各终端节点入网信息，为第一个入网的终端节点设置编号为1，后续终端节点以此类推；
[0153] (4)距离最后一个终端节点入网后tq时间内仍未有新节点的加入，则开始向各终端节点发送休眠信标帧，休眠时间设为T；
[0154] (5)首先发送休眠信标帧至1号终端节点，若收到终端节点的ACK帧，则隔Δt的时间再次发送休眠信标帧至下一终端节点；若没收到则ACK帧，则重复步骤(5)；
[0155] (6)发送休眠信标帧至最后一个终端节点并收到ACK帧后，立刻广播休眠信标帧至所有路由节点，休眠时间设为TS1；
[0156] (7)若没有收到全部路由节点的ACK帧，则持续广播，直至全部收到为止；
[0157] (8)监听信道，记录第一个路由节点醒来的时刻t1；
[0158] (9)接收路由节点传来的信息，若为数据帧，则回复确认ACK，并跳转步骤(12)，若为RREQ分组，则等待一段时间tp，进入步骤(10)；
[0159] (10)时间tp过后，若收到多组来自同一目的地址的RREQ分组，则比较各组路由代价，选取路由代价最低的路径，进入步骤(11)，若只收到一组来自同一目的地址的RREQ分组，则直接进入步骤(11)；
[0160] (11)回复RREP至源节点；
[0161] (12)距离最后一个终端节点发来的数据后mΔt的时间内仍未收到新数据，则记录此时刻为t2，进入步骤(13)，否则跳转步骤(9)；
[0162] (13)广播休眠信标帧至各路由节点，休眠时间为TS2，跳转步骤(8)。
[0163] 4、实验
[0164] ZigBee网络寿命的长短受多种因素影响，如电源电池容量、节点工作模式、数据传输量、路由协议等。实验采用
电压为3.6V、容量为2600mAh的锂电池为终端节点和路由节点供电，终端节点每隔60s采集一次数据并发送，其余时间进入低功耗休眠模式，终端节点分时休眠间隔为3s，路由节点休眠时间大约为30s。实验共采用10个终端节点，6个路由节点和1个汇聚节点和1个管理节点。
[0165] 如图7所示是本发明的实验测试节点分布示意图。各路由节点之间实际距离在40～70米之间。本实验测试目的是验证分时休眠策略和优化后的路由
算法是否可以节约网络能量、均衡网络能耗，整体延长网络寿命，因此本实验主要测量各路由节点的工作时长。实验结果如下表1所示：
[0166] 表1
[0167]
[0168] 在本实验测试中，当网络中最先出现能耗殆尽的路由节点时，设此时的天数为网络寿命周期，因为当ZigBee网络中出现“死亡”节点时，会有部分节点成为“孤立”节点，网络不再完整，会出现部分信息丢失情况。
[0169] 从表1中可以看出，在本发明的通信方法，各路由节点寿命有显著提高，网络整体寿命也得到了提高，说明分时休眠策略成功延长了网络寿命。并且网络各节点寿命更加接近，说明网络能耗得到了均衡。
[0170]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案
基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
