[发明专利]基于线形无线传感器网络的跳频与定位功能的实现方法

说明书

技术领域

本发明设计了一种可以在线形无线传感器网络中实现跳频与定位功能的方法，这一方法能够增强整个网络的抗干扰性能，保证网络的稳定可靠通信，便于控制方快速掌握无线传感器结点的地理拓扑结构。 

技术背景

在我国经济高速发展的过程中，各级公路、通信线路、电力线路、石油天然气管线等关乎国家经济命脉的运输线通常需要及时掌握各部分的运行状况的信息，而这些线路通常具有地理位置偏僻，拓扑结构呈现线形，分布距离广，工作人员难以第一时间得知事故的发生位置等特点，因此线形无线传感器网络可以使用在这些线路管道中使管理者能够快速及时的掌握整个管线的运行情况。跳频功能的加入可以保证整个无线传感器网络的抗干扰性能，定位功能可以便于管理者快速了解网络中无线结点的分布情况。 

发明内容

本发明设计了一种实现无线传感器网络通信协议的跳频与定位功能的方法，跳频方式主要包括自适应跳频、主动调频和被动调频三种。 

线形无线传感器网络由物理地址依次为1-N的呈线形分布的网络节点组成，其中，N为自然数。物理地址为1的网络节点称为控制节点，其余节点称为数据采集节点，节点之间的距离随着物理地址的增大而增大，根据需要可增加或减少网络节点的数量。 

线形无线传感器网络只允许相邻节点之间的通信，其中相邻节点为物理地址相邻的节点，跨越多个网络节点的通信必须有相邻网络节点接力完成。 

整个网络共有M个信道，当采用自适应跳频时，每个网络节点定时检测当前网络信道下干扰信号的强度，当某一网络节点见到到干扰信号的强度大于某阈值时向控制节点发送跳频请求数据包，其中，阈值大小可根据实际环境进行 设置。控制节点累积收到3个或3个以上跳频请求数据包时，表示当前网络信道内干扰严重，需要进行跳频。控制节点发送跳频遍历数据包，目的物理地址为N，物理地址由1至N的后向传递通信中的每个网络节点在收到跳频遍历数据包后执行如下操作：首先依次检测M个信道的干扰信号强度，然后将这些强度值与数据包对应信道内的干扰强度值累加，最后将此数据包后向传递，直至威力地址为N的网络节点收到并执行了以上步骤后，通过比较各个信道的干扰值并找到干扰值最小的信道X，组件跳频执行数据包并将信道X写入数据包内，进行物理地址由N至1的前向传递通信过程，该过程中每个网络节点收到跳频执行数据包后进行如下操作：先将跳频执行数据包发送给前向传递的下一个网络节点，确定发送成功后将自己网络节点的通信信道改为X信道，直至控制节点收到跳频执行数据包并将自己的信道改为X信道后整个网络的自适应跳频工作完成。 

当采用主动调频方式时，控制节点在收到计算机发送来的主动跳频数据包后进行后向传递，目的物理地址为N，后向传递中的每个节点收到主动跳频数据包后直接进行后向转发，直至物理地址为N的网络节点收到主动跳频数据包后提取信道Y，组建跳频执行数据包，将信道值Y写入数据包后进行前向传递，确认发送成功后将当前通信信道改为Y，前向传递过程中的每个网络节点收到跳频执行数据包后先进行前向传递，确认发送成功后将通信信道改为Y，直至控制节点收到跳频执行数据包后将通信信道改为Y，至此整个全网主动跳频完成。 

当采用被动跳频方式时，节点每隔一定时间与上一个节点发送探请求ACK数据包，若无法收到ACK，表示节点无法与上一个节点正常通信，需要进行被动跳频，现将本网络节点的通信信道改为1，组建请求ACK数据包，目的地址为本网络节点物理地址-1，然后进行转发，如果没有收到ACK，则将通信信道+1后再次转发请求ACK数据包，直至收到接收方的ACK为止，至此被动跳频 完成。 

本发明设计了一种网络节点的距离定位功能的实现方法，由于网络拓扑结构为线形，因此任意两个网络节点之间的距离等于其中两两网络节点之间的距离之和。计算相邻节点之间距离的原理是根据接收方根据发送方发送来的数据包内的发送功率与接收功率计算功率损耗，利用电磁波在自由空间内的损耗公式： 

Los(dBm)＝32.44+20lgd(Km)+20lgf(MHz) 

在已知发送频率f的情况下根据功率损耗计算出相邻网络节点之间的距离d。