[发明专利]一种基于动态路由的无线传感网络系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线网络技术领域的系统，具体是面向工业应用的基于动态路由的无线传感网络系统及其方法。

背景技术

无线传感网络是计算技术、通信技术和传感器技术相结合的产物，是一种全新的信息获取和处理技术，得到学术界和工业界的高度重视。早期的无线技术作为有线技术的补充，只是单纯的通信手段，以解决长距离数据传输为目的，多为点到点通信。到了21世纪，无线技术以解决低成本的信息获取为目的，实现大规模网络化。工业无线技术是从无线传感网络技术中发展而来的满足工业现场高可靠、低功耗、易维护等需求的一类特殊无线传感网络技术。通过工业无线网络技术，用户可以以低成本实现对于工业生产全流程的监控，获取由于场地限制或成本因素无法监测到的工业过程参量，并可以利用这些数据来提高产品质量以及降低生产成本、提高能源利用率。与传统有线工业监测系统相比，采用工业无线技术的监测系统，主要有以下优势：低成本。工业无线监测系统无需大量布线，大大缩短了施工时间和费用；易使用，灵活性高。由于无线节点的布设更加方便，所以工厂可以更好的配置生产设备。高可靠，易维护。有线系统中电缆以及连接器易损坏，且检修较困难，采用无线技术可以很好地解决这一问题。

目前在工业生产过程测量和控制领域，引起业界广泛关注的工业无线通信标准主要有：Wireless HART、ISA100.11a、WIA-PA。Wireless HART在可靠性、安全性以及能源的管理方面有很大的优势，具有信道跳频、低功耗、安全性高等特点。ISA100.11a主要面向过程控制应用的工业无线技术，用于向非关键性的监测、警报、预测控制、开环控制、闭环控制提供安全可靠的操作。WIA-PA是一种高可靠的自组织网络，具有分层组织模式以及能耗低的特点。流程工业生产装置通常都是需要长期连续生产，所以对于整个系统的可靠性同样有非常高的要求。工业现场环境的复杂性使得无线通信对比与有线通讯更容易受到多种外界因素的干扰，环境的动态性也对无线传感网络提出了自适应环境变化的要求。

然而，现有的工业无线通信协议无法很好地适应环境变化带来的影响。虽然协议中通过引入多项技术来保证网络中信息的可靠传输，但是其无法很好地同时满足流程工业对于可靠性和实时性的要求，增加了网络延时的同时也没有完全解决环境实时变化的问题。

经对现有技术文献资料的检索发现，中国专利公开号为：CN102781059A，名称为：智能化无线网络路由方法，该系统中引入了蚁群算法，模拟蚂蚁寻找最短路径进行路由的选择，目的是均衡传感网络中的能量消耗，延长网络的生存时间。但是，在路由的选择过程中需要获取过多的信息，造成过多的额外消耗。除此之外，这样的路由选择是基于多跳次数，无法很好地适用于工业无线传感的拓扑结构。

又经检索发现，中国专利公开号为：102076048A，名称为：基于节点位置动态变化的无线传感网络路由协议的控制方法。该发明中模型为分簇网络，其中各个分簇内节点位置动态变化，根据节点能量，选择簇首节点，以达到能量均衡，并提高通信质量。对于工业无线传感网络而言，信号采集节点往往是固定的，因此并不存在由于节点位置动态变化导致的能量变化，因此本发明同样不适用于工业无线传感网络。

又经检索发现，中国专利公开号为：101854695A，名称为：基于能量和时延蚁群算法来确定无线传感网络路由的方法。该发明中能够基于信号能量和时延确定路由，以达到实时性和能量效率的要求，然而不能解决环境的突变造成的通信问题，在工业环境中应用时会有限制。

发明内容

针对以上所述现有工业无线通信协议的不足，本发明提出了一种基于动态路由的无线传感网络系统，通过采用一种分簇网络架构，使得网络拓扑能够很好地解决流程工业中的远端传输问题；同时在这样的网络架构下，利用流程工业周期性特点进行链路测试并选择路由，保证了数据传输的可靠性和实时性；引入应急切换机制来应对环境突变造成的影响；本发明提供的无线传感网络数据采集传输过程的动态路由协议来满足流程工业的需求。

本发明提供一种基于动态路由的无线传感网络系统，用于工业应用，无线传感网络系统包括源节点簇与中继节点簇、汇聚节点以及控制中心，

源节点簇中的节点用于采集数据，源节点簇的簇首节点汇总源节点簇中的节点采集的数据，源节点簇的通信由源节点簇的簇首节点完成；

中继节点簇中的节点用于中继源节点簇传输的数据，中继节点簇的通信由中继节点簇的簇首节点完成；

汇聚节点用于汇总数据，并传输至控制中心；

控制中心用于处理数据，并进行相应的控制；