基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法

摘要

本发明提供了一种基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法，无线传感器网络包括全功能传感器节点和部分功能传感器节点；无线传感器网络区域划分为多个面积相同的正方形，每个正方形由坐标标识；一个正方形区域内如果包含多个全功能传感器节点，则同一时刻只有一个处于激活状态的全功能传感器节点；一个正方形区域内所有传感器节点能够实现一跳通信；用于连接无线传感器网络与IPv6网络的接入节点为全功能传感器节点，一个正方形区域内至多包含一个接入节点；所述处于激活状态的全功能传感器节点采用有状态地址分配方案为所在正方形区域内的部分功能节点统一分配内部ID地址，采用除留余数法和线性探测法产生内部ID地址。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络中地址自动配置的实现方法，尤其涉及的是一种基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法。

背景技术

随着下一代网络(IPv6网络)的不断成熟和发展，无线传感器网络与下一代网络实现全IP通信互联已成为未来发展的必然趋势，实现无线传感器网络与下一代互联网全IP通信需要解决的关键技术之一就是传感器网络的IPv6地址自动配置问题。

IPv6地址自动配置是IPv6的一个重要技术特色，它可以在无人干预的情况下为每个接口配置具有唯一性的IPv6地址，这一特性与无线传感器网络自组织、自配置的设计目标十分一致。但与此同时，在资源有限的无线传感器网络中实施现有的IPv6地址自动配置方式还存在一些问题，例如现有的有状态地址配置方案采用服务器/客户端的通信方式分配IPv6地址，即节点向DHCP服务器提出申请地址的请求，然后由DHCP服务器统一为网络内的节点分配IPv6地址，显而易见，这种地址配置方案带来大量的控制包开销，同时也消耗了大量的存储资源；在现有的基于邻居发现协议的无状态地址配置方案中，每个被分配的IPv6地址都需要在整个无线传感器网络中进行重复地址检测以确保它的唯一性，同样导致了大量的控制包开销，消耗了大量的网络资源。

因此针对资源有限的无线传感器网络需要建立一种低开销的IPv6地址自动配置方案。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法。

技术方案：本发明公开了一种基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法，所述无线传感器网络包括两类节点：全功能传感器节点和部分功能传感器节点；全功能传感器节点具有路由功能，部分功能传感器节点不具备路由功能；所述无线传感器网络区域划分为多个面积为(l×l)平方米的正方形，l为正整数，每个正方形由坐标标识，因为每个传感器节点的IPv6地址包括其所在区域的地址位置坐标信息，因此每个传感器节点可以很好地传递其所在的地理位置信息，例如在地下煤矿中，传感器节点的地理位置对于监测环境参数和营救都是非常重要的，而传统的树状无线传感器网络区域划分则无法实现这样的功能；一个传感器节点通过其地理位置坐标(Lx，Ly)确定其所在正方型坐标(x，y)，其中and一个正方形区域内如果包含多个全功能传感器节点，则同一时刻只有一个处于激活状态的全功能传感器节点，其他全功能传感器节点则处于休眠状态；一个正方形区域内所有传感器节点能够实现一跳通信；用于连接无线传感器网络与IPv6网络的接入节点为全功能传感器节点，一个正方形区域内至多包含一个接入节点；所述传感器节点的IPv6地址由四个部分组成，第一部分是全局路由前缀，一个无线传感器网络中所有节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同；第二部分是横坐标，其值等于传感器节点所在正方形区域的横坐标；第三部分是纵坐标，其值等于传感器节点所在正方形区域的纵坐标；第四部分为内部ID地址，内部ID地址在一个正方形区域内具有唯一性；所述接入节点IPv6地址的内部ID地址为0，所述处于激活状态的全功能传感器节点IPv6地址的内部ID地址为1；所述处于激活状态的全功能传感器节点采用有状态地址分配方案为所在正方形区域内的部分功能节点统一分配内部ID地址，采用除留余数法和线性探测法产生内部ID地址。本发明中，将无线传感器网络划分为多个正方形的目的在于这些正方形可以用坐标进行标识，而坐标反应了正方形所在地理位置的信息。每个传感器节点的IPv6地址包括其所在正方形区域的坐标信息，也就是包括了其所在正方形区域的地理位置信息，因此每个传感器节点的IPv6地址可以很好地传递其所在的地理位置信息。

本发明所述方法中，所述接入节点在无线传感器网络内定时广播全局路由前缀，时间可以根据需要设定，可以为1秒，也可以为1分钟或者1小时。

本发明所述方法中，所述处于激活状态的全功能传感器节点保存已分配的内部ID地址集合，采用除留余数法为相同区域内的部分功能节点分配内部ID地址，并保存除留余数法中的键值。

本发明所述方法中，一个新的传感器节点在获取其所在无线传感器网络的全局路由前缀及其所在正方型区域的坐标后，通过如下流程获取IPv6地址：

步骤301：流程开始；

步骤302：检测新传感器节点所在区域是否有处于激活状态的全功能传感器节点，如果有，进行步骤306，否则进行步骤303；

步骤303：新节点是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤305，否则进行步骤304；

步骤304：新节点等待一段时间后继续向所在区域的处于激活状态的全功能传感器节点发送请求IPv6地址的数据包，进行步骤302；

步骤305：新节点将自己内部ID地址设置为1，将已分配的内部ID地址集合设置为{1}，除留余数法中的键值为2，进行步骤314；

步骤306：新节点是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤307，否则进行步骤308；

步骤307：新节点转入休眠状态，进行步骤314；

步骤308：新的传感器节点向所在区域的处于激活状态的全功能传感器节点发送请求IPv6地址的数据包；

步骤309：处于激活状态的全功能传感器节点收到请求IPv6地址的数据包，利用除留余数法中产生一个内部ID地址；

步骤310：判断产生的内部ID地址是否已包含在已分配的内部ID地址集合中，如果是，进行步骤311，否则进行步骤312；

步骤311：采用线性探测法再产生一个内部ID地址，进行步骤310；

步骤312：将产生的内部ID地址加入到已分配的内部ID地址集合中，同时记录下键值，将产生后的内部ID地址返回给新的传感器节点；

步骤313：新节点接收到内部ID地址，与全局路由前缀、所在区域坐标组合成IPv6地址；

步骤314：过程结束。

本发明所述方法中，当传感器节点检测到自己即将失效时，它的处理流程为：

步骤401：传感器节点检测到自己的能量低于预定阈值；

步骤402：传感器节点判断自己是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤405，否则进行步骤403；

步骤403：部分传感器节点向所在区域处于激活状态的全功能传感器节点发送一个离开的数据包，数据包包括其IPv6地址的内部ID地址；

步骤404：激活全功能传感器节点收到数据包后，将部分传感器节点的内部ID地址从已分配的内部ID地址集合中删除，并跳至步骤407；

步骤405：处于激活状态的全功能传感器节点本区域内随机唤醒一个处于休眠状态的全功能传感器节点成为新的处于激活状态的全功能传感器节点，将已分配的内部ID地址集合以及除留余数法的Key值提交给新的激活全功能传感器节点；

步骤406：新的激活全功能传感器节点使用原来激活全功能传感器节点的IPv6地址为本区域内的部分功能传感器节点分配内部ID地址，原来的激活全功能传感器节点转向休眠状态；

步骤407：处理过程结束。

本方明的最大创新点就是把地理位置坐标加入到了IPv6地址结构中，所以，根据传感器节点的IPv6地址就能判断其地理位置。

有益效果：本发明提供了一种基于地理位置信息的无线传感器网络IPv6地址配置的实现方法，本方法可以应用于煤矿安全、农业现代化、军事国防等诸多领域。例如，在煤矿安全领域，可将基于地理位置信息的无线传感器网络IPv6地址自动配置技术应用于煤矿环境监测控制，可将煤矿分割为多个正方形区域，传感器节点随机散布在煤矿中并根据所在正方形区域的地址位置信息自动实现IPv6地址配置。因为本发明中的每个传感器节点的IPv6地址包括其所在区域的坐标信息，因此每个传感器节点可以很好地传递其所在的地理位置信息，这样煤矿环境监测人员通过传感器节点的IPv6地址可判断出此传感器节点所在的地理位置，从而访问位于特定煤矿区域内的传感器节点，获取温度、湿度、瓦斯等参数，及时掌握煤矿环境，确保煤矿工人的安全，这是目前传统的无线传感器网络无法做到的。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本方法具有很高的推广价值。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1为本发明所述的无线传感器网络结构示意图。

图2为本发明所述的传感器节点的IPv6地址结构示意图。

图3为本发明所述的传感器节点获取内部ID地址及IPv6地址的流程示意图。

图4为本发明所述的传感器节点失效处理流程示意图。

具体实施方式：

本发明提供了一种基于地理位置信息的无线传感器网络IPv6地址的配置方法，在所述方法中，无线传感器网络中每个传感器节点通过所在地理位置信息可获取全球唯一的IPv6地址，IPv6网络节点通过无线传感器节点的IPv6地址实现彼此的通信，获取传感器节点采集的数据信息。

图1所示的是为本发明所述的无线传感器网络结构示意图，假设无线传感器网络在一个大的正方形区域内，该大的正方形位于一个坐标系内且被分割成16个小的正方形，(x，y)代表的就是这个坐标系的坐标值，如图1所示，例如，第一行第一列的正方形坐标为(0，0)，第二行第三列的正方形坐标为(2，1)，也就是说，每个小的正方形代表了坐标系中的一个点，最右下方的小正方形坐标为(3，3)。每个小的正方形区域有且只含有一个处于激活状态的全功能传感器节点2，有的区域中含有部分功能传感器节点3(比如坐标为(0，1)(1，0)(1，1)的小正方形区域)，有的不含有功能传感器节点3(比如坐标为(2，0)(3，0)(0，3)的小正方形区域)；有的区域中还含有处于休眠状态的全功能传感器节点4(比如坐标为(0，2)(1，2)(2，3)的小正方形区域)；同时，无线传感器网络1与IPv6网络之间通过接入节点5相连；图中有两个接入节点，分别位于不同的正方形区域(0，0)，(2，0)内。

本发明中的无线传感器网络设置了两类节点：全功能传感器节点和部分功能传感器节点；全功能传感器节点具有路由功能，部分功能传感器节点不具备路由功能；无线传感器网络区域划分为多个面积为(l×l)平方米的正方形，l为正整数，每个正方形由坐标标识；一个传感器节点通过其地理位置坐标(Lx，Ly)确定其所在正方型坐标(x，y)，其中and传感器节点的地理位置坐标(Lx，Ly)可以通过GPS定位实现，通过对每个地理位置坐标(Lx，Ly)除以边长l后取整数，从而将地理位置坐标系统转化为正方形的无线传感器系统坐标。一个正方形区域内如果包含多个全功能传感器节点，则同一时刻只有一个处于激活状态的全功能传感器节点，其他全功能传感器节点则处于休眠状态；处于激活状态的全功能传感器节点采用有状态地址分配方式为所在正方形区域内的部分功能节点统一分配内部ID地址，有状态地址分配方式即记录地址分配状态的方式，可以参见国际标准RFC(R Droms，J Bound，B Volz.Dynamic HostConfiguration Protocol for IPv6(DHCPv6)[S].IETF RFC 3315，2003.)；一个正方形区域内所有传感器节点能够实现一跳通信；用于连接无线传感器网络与IPv6网络的接入节点为全功能传感器节点，一个正方形区域内至多包含一个接入节点。

图2所示的是本发明所述的传感器节点的IPv6地址结构示意图，

传感器节点的IPv6地址由四个部分组成，第一部分是(128-4×n-4×n-8×n)比特的全局路由前缀，一个无线传感器网络中所有节点的IPv6地址的全局路由前缀都相同；第二部分是(4×n)比特的横坐标，其值等于传感器节点所在正方形区域的横坐标；第三部分是(4×n)比特的纵坐标，其值等于传感器节点所在正方形区域的纵坐标；第四部分为(8×n)比特的内部ID地址，内部ID地址在一个正方形区域内具有唯一性。接入节点IPv6地址的内部ID地址为0，处于激活状态的全功能传感器节点IPv6地址的内部ID地址为1，其中，4≥n≥1，n值可根据传感器节点分布密度与传感器网络规模进行调整。

图3所示的是本发明所述的传感器节点获取IPv6地址的流程示意图，接入节点在无线传感器网络内定时广播全局路由前缀，一个新的传感器节点在获取其所在无线传感器网络的全局路由前缀及其所在正方型区域的坐标(x，y)之后，通过如下流程获取IPv6地址：

步骤301：流程开始；

步骤302：判断新传感器节点所在区域是否有处于激活状态的全功能传感器节点，如果是，进行步骤306，否则进行步骤303；

步骤303：新传感器节点是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤305，否则进行步骤304；

步骤304：新传感器节点等待一段时间后继续向所在区域的处于激活状态的全功能传感器节点发送请求IPv6地址的数据包，进行步骤302；

步骤305：新传感器节点将自己内部ID地址设置为1，将已分配的内部ID地址集合设置为{1}，除留余数法中的键值为2，进行步骤314；

步骤306：新传感器节点是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤307，否则进行步骤308；

步骤307：新传感器节点转入休眠状态，进行步骤314；

步骤308：新的传感器节点向所在区域的处于激活状态的全功能传感器节点发送请求IPv6地址的数据包；

步骤309：处于激活状态的全功能传感器节点收到请求IPv6地址的数据包，利用除留余数法中产生一个内部ID地址，除留余数法如公式(1)所示，key为键值，其中，4≥n≥1，n值可根据传感器节点分布密度与传感器网络规模进行调整。例如，当键值为2时，那么根据公式(1)得出内部ID地址为2。

H(key)＝key MOD 2^8×n    (1)

步骤310：处于激活状态的全功能传感器节点判断产生的内部ID地址是否已包含在已分配的内部ID地址集合中，如果是，进行步骤311，否则进行步骤312；

步骤311：采用线性探测法和除留余数法再产生一个内部ID地址，线性探测法如公式(2)所示(例如，当前键值为2，那么根据公式(2)得出新的键值为3，再根据公式(1)得出新的内部ID地址为3)，进行步骤310；

key＝(key+1)MOD 2^8×n    (2)

步骤312：处于激活状态的全功能传感器节点将产生的内部ID地址加入到已分配的内部ID地址集合中，同时记录下键值，将产生后的内部ID地址返回给新的传感器节点；

步骤313：新节点接收到内部ID地址，与全局路由前缀、所在区域坐标组合成IPv6地址；

步骤314：过程结束。

每个全功能传感器节点的IPv6地址是固定的，如果某一个全功能传感器节点失效了，那么将由另一个处于休眠状态的传感器节点激活后成为新的全功能传感器节点，该全功能传感器节点仍然使用原全功能传感器节点的地址。

如图1所示，在坐标为(2，1)的正方形区域内，通过图3所示流程，第一个全功能节点首先执行步骤302，然后执行步骤303和步骤305，同时获取内部ID地址1，已分配的内部ID地址集合为{1}，除留余数法中的键值为2。通过图3所示流程，第一个部分功能节点首先执行步骤302，然后执行步骤306和步骤308，在步骤309中，处于激活状态的全功能传感器节点利用除留余数法中产生一个内部ID地址，除留余数法如公式(1)所示，由于键值key为2，因此，根据公式(1)得到的内部ID地址为2；在步骤310中，由于产生的内部ID地址2不包含在已分配的内部ID地址集合{1}中，因此，执行步骤312；这样，第一个部分功能节点获得内部ID地址2，处于激活状态的全功能传感器节点的已分配内部ID地址集合为{1，2}。通过图3所示流程，第二个部分功能节点首先执行步骤302，然后执行步骤306和步骤308，在步骤309中，处于激活状态的全功能传感器节点利用除留余数法中产生一个内部ID地址，除留余数法如公式(1)所示，由于键值key仍然为2，因此，根据公式(1)得到的内部ID地址为2；在步骤310中，由于产生的内部ID地址2包含在已分配的内部ID地址集合{1，2}中，因此，执行步骤311；在步骤311中，执行公式(2)的键值key为3，然后再根据公式(1)得到内部ID地址为3，然后执行步骤310；在步骤310中，由于产生的内部ID地址2不包含在已分配的内部ID地址集合{1，2}中，因此，执行步骤312；这样，第二个部分功能节点获得内部ID地址3，处于激活状态的全功能传感器节点的已分配内部ID地址集合为{1，2，3}。

图4所示的是本发明所述的传感器节点失效处理流程示意图，

传感器节点电量小于预定阈值时，本发明就认为此节点为无效节点。传感器节点是靠电池驱动的，而且电池一般是不可更换的，如果电池耗尽了，传感器节点也就不能工作了。本实施例中阈值的预设值一般设置范围为50～200μJ。当传感器节点检测到自己即将失效时，它的处理流程为：

步骤401：传感器节点检测到自己的电量小于阈值的预设值；

步骤402：传感器节点判断自己是否为全功能传感器节点？如果是，进行步骤405，否则进行步骤403；

步骤403：部分传感器节点向所在区域处于激活状态的全功能传感器节点发送一个离开的数据包，数据包包括其IPv6地址的内部ID地址；

步骤404：激活全功能传感器节点收到数据包后，将部分传感器节点的内部ID地址从已分配的内部ID地址集合中删除，进行步骤407；

步骤405：处于激活状态的全功能传感器节点本区域内随机唤醒一个处于休眠状态的全功能传感器节点成为新的处于激活状态的全功能传感器节点，将已分配的内部ID地址集合以及除留余数法的Key值提交给新的激活全功能传感器节点；

步骤406：新的激活全功能传感器节点使用原来激活全功能传感器节点的IPv6地址为本区域内的部分功能传感器节点分配内部ID地址，原来的激活全功能传感器节点转向休眠状态；

步骤407：处理过程结束。

综上所述，本发明提供了一种基于地理位置信息的无线传感器网络IPv6地址配置的实现方法，此项技术可以应用于农业现代化、医疗健康、军事国防等诸多领域，例如，在农业现代化领域，可将基于地理位置信息的无线传感器网络IPv6地址自动配置技术应用于现代设施农业环境监测控制，传感器节点随机散布在农田中并根据所在区域的地址位置信息自动实现IPv6地址配置，这样农业劳动者通过传感器节点的IPv6地址可判断出此传感器节点所在的地理位置，从而通过互联网访问位于特定农田区域内的传感器节点，获取农田温度、湿度、光强度等环境参数，及时掌握农作物的生长环境，确保农作物健康成长。由于传感器节点具有体积小、价格低廉、易于布置、易于维护等特点，而互联网具有地理位置覆盖广泛，使用方便，界面友好、费用低廉等特点，因此，本技术具有很高的推广价值。

本发明提供了一种基于地理位置的无线传感器网络IPv6地址配置方法的思路，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。