[发明专利]一种无线传感器网络、建立方法及通信方法

权利要求书

1.一种无线传感器网络，是同构分组的网络结构；在链路层将网络中能直接相互连接的一群节点划分为一个簇，其中包括：

普通传感器节点，部署在网络内采集传感器数据，并根据应用要求传输数据；

簇网络交换节点，是在一个簇网络中能与相邻簇网络节点直接通讯的节点；簇网络内其他节点必须通过簇网络交换节点与相邻簇网络通讯；

簇头节点，每个簇网络定期通过能量优化原则选择一个节点作为簇头节点；簇头节点负责确认簇网络的网络拓扑结构变化，更新和发布簇网络内节点的通讯调度；其特征在于：

所述的无线传感器网络，还有汇聚节点，所述的汇聚节点是当簇网络接收到应用业务数据汇聚命令时，根据数据流路由选择簇网络中数据流目的节点作为此数据汇聚业务的汇聚节点，接收簇网络内其他节点发送的业务应用数据；

所述的无线传感器网络，簇网络循环执行工作周期，所述的一个工作周期分为簇节点休眠时段、簇间交换节点通讯工作时段、和簇内部节点通讯工作时段；

簇网络节点在簇节点休眠时段停止工作，进入省电模式；

在簇间交换节点通讯工作时段，簇网络边界交换节点时分复用通讯信道与相邻簇网络通讯，同时簇网络节点侦测有无新网络节点激活；

在簇内部节点通讯工作时段，簇网络节点分时复用通讯信道向簇头节点报告簇头节点接收到调整簇网络通讯调度的要求，簇头节点重新计算簇网络适合的调度方案，并发布给簇网络内节点执行；并且簇节点直接连接目标节点，执行业务应用数据通讯传输；

所述的无线传感器网络，簇网络节点通讯采用多信道通讯方式；簇网络通讯信道分为新节点激活信道、簇网络交换节点通讯信道、簇网络通讯信道；

其中，

新节点激活信道包括系统预定义新节点激活信道及其备份信道；

簇网络交换节点通讯信道包括系统定义簇网络间通讯信道及其备份信道；

簇网络通讯信道包括簇网络通讯基础信道和簇网络通讯工作信道，其中簇网络通讯工作信道包含多条可用信道，簇头节点在执行簇内部节点通讯前，侦听并选择空闲信道，作为簇网络在簇内部节点通讯工作时段的簇网络工作信道，簇内部节点通讯工作完成后释放此信道资源。

2.权利要求1所述的无线传感器网络的建立方法，包括：

步骤A，新部署的网络节点复位初始化后在系统预定义的新节点激活信道搜索当前无线传感器网络状况，根据搜索结果决定自己是否需要被激活和是否发布新节点激活信息；

步骤B，簇网络节点定时检测有无网络节点激活，发现有新网络节点激活消息后，向新节点回应当前簇网络调度计划；

新节点根据接收到相邻簇网络回应，确定新节点暂时休眠、或加入已有的簇网络、或建立新的簇网络，并且根据加入新节点后网络结构变化，计算更新相邻簇网络的调度计划，并向相邻簇网络发送；

簇网络确定并发布更新的通讯调度计划，簇网络节点从下一次工作周期开始执行新的簇网络通讯调度计划；

所述的步骤A包括以下步骤：

步骤A1，新部署的网络节点复位初始化后，在系统预定义新节点激活信道侦听信道上有没有信号；

如果发现当前信道上有其他新节点激活信号存在，则此网络节点采用退避机制，等待系统定义的休眠时间后再侦听信道；

如果信道上没有其他信号，则此新网络节点进入激活状态并进入步骤A3；

如果信道存在干扰信号，则进入步骤A2；

步骤A2，新网络节点判定原新节点激活信道存在干扰信号，转入系统备份新节点激活信道，如步骤A1执行侦听信道操作；

如果发现当前信道上有其他新节点激活信号存在，或者存在干扰信号，则此网络节点采用退避机制，等待系统定义的休眠时间后再执行步骤A1；

如果信道上没有其他信号，则此新网络节点进入激活状态并进入步骤A3；

步骤A3，新网络节点广播新节点被激活的消息，然后在系统定义的激活回应等待时间内接收并保存与其相连接簇网络的回应消息；

新节点检查系统定义的新节点激活广播时间是否完成；

如果没有，则重复执行步骤A3；

否则，进入步骤B；

所述的步骤B，包括以下步骤：

步骤B1，在簇网络间节点通讯工作期间，簇网络节点侦听新节点激活信道上有无新节点激活消息；

如果发现信道上存在干扰则进入步骤B2；

如果侦听到有新网络节点激活消息，记录侦听结果和新节点激活信道，进入步骤B3；

如果发现信道上没有信号，判定没有新节点被激活并记录侦听结果，退出网络新增节点检查步骤；

步骤B2，簇网络内节点跳频进入系统备份的新节点激活信道，执行步骤B1中操作，侦听有无新节点激活消息；

如果侦听到有新网络节点激活消息，记录侦听结果和新节点激活信道，进入步骤B3；

否则，判定没有新节点被激活记录侦听结果，退出网络新增节点检查步骤；

步骤B3，簇网络内接收到新节点激活消息的节点，在其被分配在簇内部节点通讯工作时段的通讯时间，向其簇头节点报告发现新节点激活的消息；

簇头节点接收簇节点报告，统计本簇网络中发现新节点激活消息的节点数；

若发现本簇网络所有节点都发现新节点的激活信息，进入步骤B5；

否则，进入步骤B4；

步骤B4，簇头节点发现本簇网络有部分节点不能发现新网络节点激活，在能发现新网络节点的簇节点中选择一个，命令其在簇内部节点通讯工作时段完成后，转入可工作的新节点激活信道，向新节点发送回应信息，通知新节点能与本簇网络相连接，以及本簇网络节点通讯调度表，等待新节点返回信息；进入步骤B6；

步骤B5，簇头节点检查本簇网络节点数量是否达到系统定义的簇网络节点容量限制；

若还没达到簇网络节点容量限制，簇头节点计算预计加入新网络节点后的网络调度规划表，在簇内部节点通讯工作时段完成后，转入可工作的新节点激活信道，向新节点发送回应信息，允许新节点加入本簇网络，并发送预计的簇网络节点网络调度表。等待新节点返回信息；

若簇网络节点数已达到簇网络节点容量限制，在簇内部节点通讯工作时段完成后，簇头节点转入可工作的新节点激活信道，向新节点发送回应信息，本空间域节点饱和，以及本簇网络节点通讯调度表，等待新节点返回信息；

进入步骤B6；

步骤B6，新节点在系统定义的新节点激活广播时间内接收并解析其周围相邻网络的回应信息；

如果新节点激活广播时间内没有结束，新节点回应到新节点激活广播时间结束时再发布加入簇网络方式，并且通告新节点激活广播时间结束的时间；

新节点解析回应信息得到当前相邻簇网络的连接状况，据此计算其加入簇网络方式和更新相关簇网络通讯调度表，到新节点激活广播时间结束后广播给相邻簇网络；

步骤B7，相邻簇网络接收并解析新节点的回应消息；

如果新节点不加入其簇网络或者不与其簇网络相连接，则此簇网络通讯调度不变；

如果新节点将与其簇网络连接或者将加入其簇网络，簇网络节点接收到新节点更新的通讯调度计划并报告簇头节点；簇头节点确定并发布此簇网络的通讯调度计划，簇网络和新节点从下一次工作周期开始执行新通讯调度计划；

其中步骤B6所述新节点根据相邻簇网络连接关系，计算加入簇网络方式和更新相邻簇网络调度还包括以下步骤：

步骤B61，新节点首先检查在新节点激活广播时间时段内是否接收到有相邻簇网络回应消息；

如果无，则新节点决定自行建立一个新的簇网络，并设置自己为簇网络簇头节点；进入步骤B7；

否则进入步骤B62；

步骤B62，新节点解析接收到的回应消息，判断能否连接此前不能连接的相邻簇网络，并且记录结果；

如果能新增加原有簇网络连接，则进入步骤B63；

否则新节点检查是否接收到相邻簇网络节点回应有簇网络空间域饱和的信息；

如果有，则判定新节点所在空间域内已经存在足够多网络节点；新节点向全部相邻簇网络发送自身所在空间域达到簇网络节点容量限制消息，新节点不能加入当前传感器网络；然后新节点退出加入簇网络步骤，进入休眠状态；经过系统定义的休眠时间后自行唤醒，重新进入步骤A；

如果没有，则进入步骤B63；

步骤B63，新节点统计相邻簇网络间的连接关系和调度时间安排，计算出自己需要连接的相邻簇网络，判断能否在不改变一个簇网络现有簇间交换节点通讯工作时段内其他节点调度情况下加入其簇网络；

如果不能，则进入步骤B64；

如果可以，则根据新节点需要连接相邻簇网络的要求，更新相关簇网络的通讯调度计划表；新节点向选择的簇网络发送回应，请求加入此簇网络，并向相关簇网络发送调整后的通讯调度表；并且新节点还与选择加入的簇网络实现时钟同步，记录与其他不能时钟同步的连接簇网络的时钟映射表；进入步骤B7；

步骤B64，新节点检查能否建立一个新簇网络与其他要求连接的相邻簇网络相连，其中新建簇网络的簇间交换节点通讯工作时段符合在系统定义的簇间交换节点通讯工作时段时间窗口宽度的要求，并且保证相关簇网络现有簇间交换节点通讯工作时段内其他节点调度不受影响；

如果不能，则进入步骤B65；

否则，新节点根据需要连接相邻簇网络的要求，更新相关簇网络的通讯调度计划表，并计算建立自己新簇网络的簇间交换节点通讯工作时段的通讯调度计划表；新节点向相关簇网络发送调整后的通讯调度表，并且选择一个与其连接的簇网络实现时钟同步，记录与其他不能时钟同步的连接簇网络的时钟映射表；然后新节点建立一个新簇网络，设置自己为簇网络簇头节点；进入步骤B7；

步骤B65，新节点检查步骤B62记录结果能否连接此前不能连接的原有相邻簇网络；

如果是，则新节点决定建立一个独立节点簇网络，新节点为此簇网络唯一的簇节点，簇网络调度简化为只有簇间交换节点通讯工作时段和簇节点休眠时段；新节点根据需要连接相邻簇网络的要求，更新相关簇网络的通讯调度计划表，并计算此独立节点网络的簇间交换节点通讯工作时段的通讯调度计划表；新节点向相关簇网络发送调整后的通讯调度表，并且与连接的簇网络实现时钟同步，记录与其他不能时钟同步的连接簇网络的时钟映射表；进入步骤B7；

否则，进入步骤B66；

步骤B66，新节点判断能否选择一个新节点相连簇网络，将其分裂为几个新簇网络后，新节点能加入其中一个新分裂的簇网络，并且各个新分裂的簇网络簇间交换节点通讯工作时段符合簇间交换节点通讯工作时段时间窗口宽度的要求，并且其他相关簇网络现有簇间交换节点通讯工作时段内的节点调度不受影响；

如果可以，新节点计算原簇网络按要求分裂，以及自己加入其中一个新分裂簇网络后，各新分裂簇网络的调度计划表，并且根据需要连接相邻簇网络的要求，更新相关簇网络的通讯调度计划表；新节点向相关簇网络发送调整后的通讯调度表；并且新节点还与选择的簇网络实现时钟同步，记录与其他不能时钟同步的连接簇网络的时钟映射表；进入步骤B7；

如果不行，则判定新节点所在空间域内已经存在足够多网络连接；新节点向全部相邻簇网络发送不能加入当前传感器网络；然后新节点退出加入簇网络步骤，进入休眠状态；经过系统定义的节点休眠时间后自行唤醒，重新进入步骤A。

3.一种权利要求1所述的无线传感器网络的通讯方法，包括：

步骤C，在簇间交换节点通讯工作时段，簇网络交换节点按照通讯调度安排，依次与相邻簇网络的交换节点通讯，并且全部簇网络节点侦听有无新节点激活信号；

步骤D，在簇内节点通讯工作时段，簇网络节点按照通讯调度安排，依次占用信道向簇头节点报告所发现网络结构变化和接收到的网络节点通讯调度配置命令，并且向目标节点发送应用业务数据；

同时簇网络其他节点保持侦听信道状态，接收向自己发送的数据包；

步骤E，簇头节点接收其他簇节点的报告，检查本簇网络是否发生网络结构变化；并且根据网络结构变化、接收的网络节点通讯调度配置命令、和业务应用对通讯调度调整要求，更新簇网络节点在簇间交换节点通讯工作时段、和簇内节点通讯工作时段的通讯调度计划，并在簇网络中发布执行；

所述的步骤C，包括以下步骤：

步骤C1，在簇间交换节点通讯工作时段，簇网络的交换节点按照调度安排，到其节点通讯时刻启动通讯模块，侦测簇网络维护信道有没有干扰信号存在；

如果发现没有干扰信号存在，确定其为当前簇网络间通讯工作信道，进入步骤C2；

如果在簇网络维护信道上发现干扰信号无法消除，节点跳频到簇网络维护备份信道，同上侦测此信道上有没有干扰信号存在；

如果发现没有干扰信号存在，确定其为当前簇网络间通讯工作信道，进入步骤C2；

否则节点判定当前信道被干扰，不能实现簇间交换节点通讯工作，节点退出簇间交换节点通讯工作流程；

步骤C2，相邻簇网络间交换节点按照已有调度安排，到其簇间交换节点通讯工作时间，按顺序执行发送接收操作；交换节点首先检查有无数据发送要求；

如果有，节点向对方对应的交换节点发送数据；

进入步骤C3；

步骤C3，交换节点检查是否接收到对方对应节点的通讯回应；

如果没有，交换节点判断对方连接节点丢失，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告；

进入步骤C4；

步骤C4，交换节点检查是否接收到上层应用配置网络调度命令；

如果是，节点记录此消息，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告，并且向对方节点回复，本轮簇网络工作周期完成后执行上层应用配置网络调度命令；

进入步骤C5；

步骤C5，交换节点检查是否接收到相邻簇网络要求调整交换节点通讯调度请求；

如果是，节点记录此消息，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告，并且向对方节点回复，下一次簇间交换节点通讯时再报告本簇网络是否接收调整交换节点通讯调度决定；

进入步骤C6；

步骤C6，交换节点检查是否接收到业务应用数据传输请求；

如果是，节点记录此消息，根据业务应用数据的路由确定下一步传送的目标节点，到其簇内节点通讯时向目标节点发送数据；

进入步骤C7；

步骤C7，交换节点检查是否接收到业务应用数据汇聚传输请求，或者业务应用数据汇聚完成请求；

如果是，节点记录此消息，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告；

进入步骤C8；

步骤C8，交换节点检查是否接收到对方簇网络对交换节点通讯调度调整的回应；

如果是，节点记录此消息，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告；

进入步骤C9；

步骤C9，交换节点检查是否接收到新节点回应更新的簇网络调度计划；

如果是，节点记录此消息，到其簇内节点通讯工作时向簇头节点报告；

进入步骤C10；

步骤C10，簇网络内节点在簇间交换节点通讯时段中没有通讯任务时，按照步骤B1、步骤B2所述方法，侦听有无新节点激活消息并记录侦听结果；进入步骤D；

所述的步骤D，包括以下步骤：

步骤D1，进入簇内节点通讯时段，在系统定义的工作信道选择时间内，簇头节点侦听簇网络通讯工作信道，检查是否存在空闲信道可以利用；

如果有，簇头节点选择其中一个信道作为本簇网络当前工作信道；

否则，簇头节点判断当前无可用工作信道；

簇网络通讯工作时间完成后，簇网络全部节点跳频到簇网络通讯基础信道，接收HN节点广播选择工作信道的结果；

如果无可用信道，则簇网络节点判断当前不能进行簇内节点通讯工作，退出簇内节点通讯工作状态；否则，全部簇网络节点跳频进入簇网络当前工作信道，进入步骤D2；

步骤D2，簇网络节点按照簇内节点通讯调度计划，分时依次占用簇网络当前工作信道，解析在簇间交换节点通讯时段接收到的消息并按以下步骤执行，期间簇网络内其他节点侦听工作信道，接收发送到自己的消息；

簇节点检查是否接收新节点激活消息、或接收到上层应用配置网络调度命令、或接收到相邻簇网络对交换节点间通讯调整命令及回复、或新节点回应更新簇网络调度计划、或发现相邻簇网络连接交换节点丢失、或业务应用数据汇聚结束请求；

如果是，簇节点向簇头节点发送报告；

进入步骤D3；

步骤D3，簇节点检查是否有业务应用数据汇聚请求；

如果有，簇节点根据业务应用数据汇聚要求，计算簇网络汇聚节点，并向簇网络所有节点发布数据汇聚业务请求及指定的汇聚节点；簇网络其他节点接收到此消息后，按照步骤D4执行业务应用数据汇聚传输；

否则，进入步骤D5；

步骤D4，簇节点检查汇聚节点通讯带宽能否支持当前簇网络的业务应用数据汇聚流量；

如果不可以，簇节点向簇头节点请求调整簇网络通讯调度，保留簇网络工作周期中现有簇间交换节点通讯调度不变，并将原有一次簇内节点通讯时段的数据汇聚业务分散到原有连续两次簇内节点通讯时段中完成；

簇节点等待簇头节点回应，如果簇头节点广播同意调整调度请求，簇节点按照调整后调度计划执行；否则簇网络继续执行应用数据汇聚业务，但保持一定数据丢失率；

进入步骤D5；

步骤D5，簇节点检查是否有业务应用数据传输要求；

如果有，簇节点根据业务数据发送的路由要求，计算数据传输的目标节点；进入步骤D6；

否则，进入步骤D7；

步骤D6，簇节点计算与目标节点调度计划通讯时间内能否完成业务应用数据传输任务；

如果可行，则簇节点向目标节点发送数据；

否则，需要传输的数据流量超过簇节点在簇内节点通讯时段内通讯带宽要求，则发送节点搜索簇网络通讯工作信道，选择一个空闲信道作为此通讯任务的工作信道；发送节点向目标节点通知选择的工作信道和通讯时间；指定通讯时间达到时，双方节点跳频到此指定业务应用工作信道，执行应用数据通讯任务；

进入步骤D7；

步骤D7，簇节点向簇头节点报告当前自身节点剩余能量值，供簇网络执行选择簇头节点参考；进入步骤E；

所述的步骤E，包括以下步骤：

步骤E1，簇网络簇头节点在簇内节点通讯时段先侦听信道，并接收其他节点发送到自己的报告；到其他节点通讯完成后，簇头节点解析所接收到报告；进入步骤E2；

步骤E2，簇网络簇头节点检查是否接收到上层应用配置网络调度命令；

如果有，簇头节点解析接收到的上层应用配置网络调度命令，根据命令要求更新簇网络的工作周期，将簇网络工作时间周期倍增或倍减；同时簇头节点命令簇网络其他交换节点将此上层应用配置网络调度命令传递到相邻簇网络；进入步骤E3；

否则，进入步骤E3；

步骤E3，簇网络簇头节点检查是否收到相邻簇网络要求调整交换节点通讯调度请求；

如果没有，进入步骤E4；

否则，簇头节点计算能否满足不影响簇网络簇间交换节点通讯时段内其他交换节点通讯调度计划，在系统定义的簇间交换节点通讯时间窗口宽度内，调整此交换节点通讯调度计划；

如果可以，簇头节点根据以上计算结果，调整此节点在簇网络簇间交换节点通讯时段的通讯调度；

否则，簇头节点向相邻簇网络回复不能执行交换通讯调整要求；

进入步骤E4；

步骤E4，簇网络簇头节点检查是否收到发现相邻簇网络连接节点丢失报告；

如果是，去除本簇网络对应交换节点在簇间交换节点通讯时段的通讯调度计划，进入步骤E5；

否则，进入步骤E5；

步骤E5，簇网络簇头节点统计在簇内节点通讯时段接收到簇内节点的报告，检查是否缺少应有的簇节点报告；

如果有，簇头节点判定此簇节点丢失；簇头节点在簇间交换节点通讯时段、和簇内节点通讯时段内去除此簇节点的通讯调度计划，选择可以补充此丢失节点在簇间交换节点通讯时段中通讯工作的备份节点，将其填补到簇间交换节点通讯调度中；进入步骤E6；

否则，进入步骤E6；

步骤E6，簇网络簇头节点检查是否接收到数据汇聚业务要求调整簇网络通讯调度消息；

如果有，调整簇网络通讯调度，保留簇网络工作周期中现有簇间交换节点通讯调度不变，并将原有一次簇内节点通讯时段的数据汇聚业务分散到原有连续两次簇内节点通讯时段中完成；进入步骤E7；

否则，进入步骤E7；

步骤E7，簇网络簇头节点检查是否接收到数据汇聚业务结束命令；

如果有，簇头节点检查是否因为此数据汇聚业务调整过簇网络通讯调度计划，如果是则恢复簇网络原有的通讯调度计划；进入步骤E8；

否则，进入步骤E8；

步骤E8，簇网络簇头节点检查是否接收到有新节点回应的调整簇网络通讯调度计划的消息；

如果有，簇头节点根据以上步骤调整簇网络通讯调度计划的汇总结果，调整接收到新节点更新的簇网络通讯调度计划，并把此调度计划发送给新节点；进入步骤E9；

否则，进入步骤E9；

步骤E9，簇头节点检查是否接收到新节点激活的消息；

如果是，簇头节点执行簇网络发现新节点激活消息处理步骤；进入步骤E10；

否则，进入步骤E10；

步骤E10，簇头节点比较簇节点报告剩余能量值，选择能量最优节点作为下一次工作周期的簇头节点，然后发布根据执行以上步骤更新的簇网络调度计划；簇网络其他节点接收并保存此新的簇网络通讯调度计划；簇网络从下一个工作周期开始执行新调度计划。