无线传感器网络中实现发射功率自适应的方法及系统

摘要

本发明公开了一种无线传感器网络中实现发射功率自适应的方法及系统，上述方法包括：汇聚节点判断一个或多个传感器节点不在通信范围内时，发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的广播消息；传感器节点收到此消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，向其它传感器节点转发此消息；广播消息中所指示的传感器节点收到其它传感器节点转发的广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同后，增大信号发射功率，并与所述汇聚节点交互信息。本发明中通过在传感器节点的射频发射输出端增加放大电路，根据节点分布情况自动调整发射功率，保证网络的通信质量并节省功耗。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及无线传感器网络中实现发射功率自适应的方法及系统。

背景技术

无线传感器网络综合了微电子技术、嵌入式计算技术、现代计算机网络技术、无线通讯技术和分布式信息处理技术等多种先进技术，网络中的节点能够相互协作地进行实时监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，将处理后的信息通过无线方式发送，并以自组多跳的方式传送给观察者。无线传感器网络将逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在了一起，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

传感器网络中包括传感器节点、汇聚节点。传感器节点以自组织的形式任意的分布在某一监测区域内，通过多跳中继方式将监测数据传送到汇聚节点。

无线传感器网络可以应用于环境监测、设备监测等领域，在这些领域为了防止无线传感器网络的无线通讯信号对其它无线设备的干扰，以及受到体积和成本的限制，传感器节点的发射功率很低(一般要求在10dBm以下)，导致网络节点之间不能建立长距离的可靠连接；然而在随机动态组网时且要求每个节点数据采集高可靠性的应用场合下，网络中有些节点间的距离超过了无线收发器的最大通讯距离，则需要通过增加网络节点数以弥补节点发射功率不足的缺陷，这样又增加了网络的复杂度。因此，在此类应用中，无线传感器网络具有如下特征：网络拓扑不固定，节点位置不固定；节点之间的距离无法确保在射频距离之内；要求数据传输性能可靠性高且功耗低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络中实现发射功率自适应的方法及系统，根据节点分布情况自动调整发射功率，保证网络的通信质量并节省功耗。

为了解决上述问题，本发明提供了一种无线传感器网络中实现发射功率自适应的方法，包括：汇聚节点判断一个或多个传感器节点不在通信范围内时，发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的广播消息；传感器节点收到此消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，向其它传感器节点转发此消息；广播消息中所指示的传感器节点收到其它传感器节点转发的广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同后，增大信号发射功率，并与所述汇聚节点交互信息。

进一步地，汇聚节点在系统设定时间内未收到传感器节点的标识上报消息，则判定此传感器节点不在通信范围内。

进一步地，所述传感器节点判断广播消息中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同后，通过放大电路增大信号发射功率。

进一步地，传感器节点增大信号发射功率时，通过所述放大电路将其发射功率增大为系统默认的发射功率的X倍，X为大于零的实数，X的值由系统设定。

进一步地，所述汇聚节点与增大信号发射功率后的汇聚节点交互信息后，向其发送指示消息，指示其恢复系统默认的信号发射功率；增大信号发射功率后的汇聚节点收到所述指示信息后，使用系统缺省的功率进行信号发射。

本发明还提供了一种无线传感器网络中实现发射功率自适应的系统，包括通过无线链路连接的汇聚节点和传感器节点，所述汇聚节点包括连接的控制模块和发送模块；所述传感器节点包括依次相连的接收模块、控制模块和信号输出模块，汇聚节点的发送模块与传感器节点的接收模块通过无线链路连接，

所述汇聚节点的控制模块，用于判断一个或多个传感器节点不在通信范围内时，向发送模块发送此传感器节点标识和增大功率指示信息；

所述汇聚节点的发送模块，用于收到控制模块的增大功率指示信息后，发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的增大功率广播消息；

所述传感器节点的接收模块，收到汇聚节点发送的广播消息后，转发给控制模块；

所述传感器节点的控制模块，收到接收模块转发的增大功率广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，指示信号输出模块转发增大功率广播消息；还用于判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，指示信号输出模块增大信号发射功率后输出信号。

进一步地，所述汇聚节点的控制模块，判断在系统设定时间内未收到传感器节点的标识上报消息时，判断此传感器节点不在通信范围内。

进一步地，所述信号输出模块包括与控制模块相连的放大电路，与放大电路相连的发射模块，输入端与控制模块相连、输出端与放大电路或发射模块相连的单向控制开关；

所述传感器节点的控制模块，收到接收模块转发的增大功率广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，指示单向控制开关与发射模块相连，并指示发射模块转发所述广播消息；还用于判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，指示单向控制开关与放大电路相连，使信号通过放大电路后由发射模块发出。

进一步地，所述增大功率指示信息中包含指示放大电路将其发射功率增大为系统默认的发射功率的X倍的信息，X为大于零的实数，X的值由系统设定；

所述传感器节点的控制模块，还用于在判断增大功率广播消息中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，根据所述增大功率广播消息中的X值，控制放大电路的放大倍数为X。

进一步地，所述汇聚节点的控制模块，用于判断在发送增大功率指示消息后收到相应的传感器节点的标识上报信息后，向发送模块发送包含此传感器节点标识和恢复功率指示消息的恢复功率广播消息；

所述汇聚节点的发送模块，还用于收到控制模块的恢复功率广播消息后，发送包含此传感器节点标识和恢复功率指示消息的恢复功率广播消息；

所述传感器节点的控制模块，用于通过接收模块收到恢复功率广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，指示单向控制开关与发射模块相连。

本发明中通过在传感器节点的射频发射输出端增加放大电路，根据节点分布情况自动调整发射功率，保证网络的通信质量并节省功耗。

附图说明

图1是本发明中传感器节点的结构图；

图2是本发明中发射功率自适应方法的流程图。

具体实施方式

本发明提出一种发射功率自适应无线传感器网络系统，包括通过无线链路连接的汇聚节点和传感器节点，汇聚节点包括连接的控制模块和发送模块。如图1所示，传感器节点包括相连的接收模块、控制模块和信号输出模块，信号输出模块包括与控制模块相连的放大电路，与放大电路相连的发射模块，输入端与控制模块相连、输出端与放大电路或发射模块相连的单向控制开关；

汇聚节点的控制模块，判断一个或多个传感器节点不在通信范围内时，向发送模块发送此传感器节点标识和增大功率指示信息；所述增大功率指示信息中包含指示放大电路将其发射功率增大为系统默认的发射功率的X倍的信息，X为大于零的实数，X的值由系统设定；还用于判断在系统设定时间内未收到传感器节点的标识上报消息时，则判定此传感器节点不在通信范围内；还用于判断在发送增大功率指示消息后收到相应的传感器节点的标识上报信息后，向发送模块发送包含此传感器节点标识和恢复功率指示消息的恢复功率广播消息；

汇聚节点的发送模块，用于收到控制模块的增大功率指示信息后，发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的增大功率广播消息；还用于收到控制模块的恢复功率广播消息后，发送包含此传感器节点标识和恢复功率指示消息的恢复功率广播消息；

传感器节点的接收模块，收到汇聚节点发送的广播消息后，转发给控制模块；

传感器节点的控制模块，收到接收模块转发的增大功率广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，指示信号输出模块转发增大功率广播消息即指示单向控制开关与发射模块相连，并指示发射模块转发广播消息；还用于判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，指示信号输出模块增大信号发射功率即指示单向控制开关与放大电路相连，使信号通过放大电路后由发射模块发出，并根据所述增大功率广播消息中的X值，控制放大电路的放大倍数为X；还用于通过接收模块收到恢复功率广播消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识相同时，指示单向控制开关与发射模块相连。

本发明的系统和方法典型应用于物流检测场景：将货物放置在货场，每个货物上安装有传感器节点设备，每个货物到来和被取走的时间不确定，货物在货场上摆放的位置是随机的，货物之间的距离在5-300米范围内。查询设备(即汇聚节点设备)预先知道货场有多少货物，需通过接收货物上的传感器节点设备发送的消息得知该货物的位置和/或其它相关数据。位于货物上的传感器节点周期性的向汇聚节点发送标识上报消息(其中包含该传感器节点的ID)，如果某一货物因为移动致使其传感器节点距离汇聚节点和其它传感器节点距离较远后，汇聚节点在系统设定时间内不能收到此传感器节点发送的标识上报消息时，则发送包含增大信号发射功率的指示消息的广播消息，各个传感器节点收到此消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，向其它传感器节点转发此消息；广播消息中所指示的传感器节点收到此广播消息后增大其信号发射功率，向汇聚节点发送标识上报消息，并与汇聚节点交互，使汇聚节点获知货物相关信息。此传感器节点增大信号发射功率后可与汇聚节点进行通信后，还可启动其发光或发声的装置，使货物便于发现并被取走。此传感器节点将货物数据传送至汇聚节点后，汇聚节点便可向此传感器节点发送恢复信号发射功率的指示消息，使其恢复初始信号发射功率。

如图2所示，本发明中发射功率自适应方法包括以下步骤：

步骤201，汇聚节点在系统设定时间内未收到传感器节点发送的标识上报消息，则判定此传感器节点不在通信范围内，并发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的广播消息；

系统运行后，各个传感器节点周期性地向汇聚节点发送标识上报消息，其中包含此传感器节点的标识，使汇聚节点随时获知当前可达节点集合。系统可设置汇聚节点端的判断时间隔，此间隔可以是一个或多个标识上报周期时间。

汇聚节点可周期性的发送包含此传感器节点标识和增大信号发射功率的指示消息的广播消息。

步骤202，传感器节点收到此消息后，判断其中包含的传感器节点的标识与其自身标识不同时，向其它传感器节点转发此消息；

步骤203，广播消息中所指示的不在通信范围内的传感器节点收到此广播消息后增大其信号发射功率，向汇聚节点发送标识上报消息；

汇聚节点可以根据系统设定的参数值，将其发射功率增大为系统默认的发射功率的X倍，X为大于零的实数，X的值由系统设定。

步骤204，汇聚节点收到传感器节点的标识上报消息后，向传感器节点发送单播命令查询数据；

步骤205，传感器节点收到单播命令查询数据后，将采集的数据通过多跳的方式发送至汇聚节点；

步骤206，汇聚节点向此传感器节点发送恢复信号发射功率的指示消息；

传感器节点在步骤203中增大信号发射功率，并在步骤204和步骤205中与汇聚节点交互信息后即将货物数据传送至汇聚节点后，与其配套的货物很快会被取走，所以可以在步骤204和步骤205后立即执行步骤206。

汇聚节点可周期性的发送广播消息，在此广播消息中包含此传感器节点的标识和恢复信号发射功率的指示消息。

步骤207，传感器节点收到恢复信号发射功率的指示消息后，采用系统默认的发射功率进行信号发射，

上述方法中，在增加通讯距离的同时考虑了功耗的控制措施。

本发明中通过在传感器节点的输出端增加放大电路，根据节点分布情况自动调整发射功率，保证网络的通信质量并节省功耗。

本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变和变形，这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。