[发明专利]无线传感网络的网络中转节点和等延时及吞吐量提升方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点及方法，尤其涉及面向距离较大，数据量较大 的无线传感网络应用的具备命令包和同步消息的等延迟中转，数据包的快速中转的网络 中转节点及方法。

背景技术

智能无线传感器网络是近十年逐步发展起来的新兴技术，它综合了传感器技术、嵌 入式计算机技术、通信技术、电源技术等多项技术，可以使人们在任何时间、地点和环 境下获得较为详细、可靠的信息，可广泛应用于诸如国家安全、军事领域、医疗健康、 交通管理、环境监测、空间探索、商业等领域中。

智能无线传感器网络技术为实现工程结构监测系统提供了很好的智能化分布式监测 网络，为实现高效率、高精度、低重量、智能化的结构监测系统提供了很好的手段。采 用无线传感器网络将大大减少器件引线数量，从而大大降低由于增加测试系统所导致的 结构重量的增加；无线传感器可方便地安装于结构形状比较复杂，不便于引线的部位； 同时，无线传感网络可以显著降低监测系统的成本。

以结构应变监测系统为例，结构应变监测系统中应变采集通道数目多，采集的数据 量较大，不同应变采集通道需要同步采集，监测距离要求较大，同时需要实时将采集数 据传输给监控中心。以构建N路采集通道，每个通道每秒M次应变采集的分布式数据采 集，且需要通过两跳的方式将采集数据传输给基站节点以增加监测距离的系统为例，通 常每个采集节点有4路应变采集通道，采用10位AD对数据进行转换，每个通道采集8 次产生一个数据段为8×4×16bits＝512bits的数据包，将该数据段加一些必要信息且以 IEEE802.15.4标准进行封装后每个数据包有648bits，通过节点的射频模块发送给多跳节 点，再通过多跳节点转发给基站节点。整个系统采集节点产生的数据量有： (N/4)×(M/8×648)bits/s。取N为192满足结构应变监测系统应变采集通道多的要求，取M为 32满足结构应变监测系统所需的应变采样频率要求，即整个系统需48个采集节点，产生 的数据达124.416kbits/s；如果每个多跳节点负责将8个采集节点的数据包转发给基站节 点，则要6个多跳节点。

基于单信道单基站无线传感器网络架构构建监测系统。当M为32时，每个采集节 点产生数据包的间隔为1s/32×8＝0.25s。采集节点同步采集导致采集节点同时产生数据包，采 用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)机制对采集节点产生的数据包进 行发送，即每个节点根据各自地址获得一个独立的数据发送时隙：0.25s/48＝5.208ms；由于 要扩大监测距离需要采用两跳传输，基于IEEE802.15.4标准2.4GHz频段支持250kb/s 的数据速率，该时隙无法实现所有数据通过两跳传输可以被可靠接收；同时，假设这些 数据包是每隔5.208ms传输到基站节点了，由于通常的基站节点的晶振精度有限，通常 串口速度采用115200的波特率可以保证数据可靠的传输给监控中心，这个时隙基站节点 只可以传输115200×5.208＝579bits，即采用单个基站用115200的波特率无法完成数据的可靠传 输；再次，采集节点存在晶振漂移，需要周期的接收同步消息，但是目前多跳节点都是 采用微处理器加射频模块架构，同步消息要通过多跳节点转发给采集节点来消除采集节 点的晶振漂移，同步消息的转发是通过在微处理器中的程序实现的，如果此时微处理器 响应中断，那么同步消息的转发将会被延迟，由于各个多跳节点执行的任务不同，这些 延迟是不可估计的。