專利名稱：灌區監測無線傳感器網絡及其通訊協議的制作方法
技術領域：
本發明公開了一種灌區監測無線傳感器網絡及其通訊協議，屬于無線傳感器網絡和電子測控領域。
背景技術：
現有的灌區信息化系統，大多采用有線方式將水位、雨量、閘位、土壤含水量等傳感器和數據采集器進行連接，傳輸水情、雨情、工情、墑情、旱情和氣象等信息，這種方法存在布線復雜、線路易受意外損壞、安裝和維護成本高的缺陷。同時，當需要增加測量參數時， 往往需要對數據采集器硬件和軟件進行修改，系統的擴展性較差，使用不方便。為了克服以上缺陷，用無線通信取代有線通信，是灌區監測等工業應用的一個發展趨勢。隨著無線傳感器網絡技術的發展，因其具有通信便利、部署方便的優點，而得到了廣泛的應用。將無線傳感器網絡技術應用于灌區信息化系統，構建面向灌區監測的無線傳感器網絡，以無線傳輸方式代替有線傳輸方式，可降低安裝和維護成本，提高系統可靠性和擴展性。灌區信息化系統以對水情、雨情、工情、墑情、旱情和氣象等自動化監測為基礎，融合計算機、現代通訊、人工智能、數據庫等技術，對水資源信息的自動采集、傳輸和處理，從而實現防汛、供水、發電、灌溉等優化調度，提高灌區水資源的合理開發利用。對于小型灌區，因其涵閘規模小，閘孔數不多，且只需監測水位、閘位和雨量等水情、雨情和工情數據，間位傳感器節點、水位傳感器節點和雨量傳感器節點部署在匯聚節點周圍，均以一跳的方式與匯聚節點交換信息，采用星型結構構建網絡，可提高網絡數據傳輸的可靠性和實時性。

發明內容
本發明的首要目的在于克服現有灌區數據采集系統的上述缺陷，提供一種灌區監測無線傳感器網絡，采用如下技術方案一種灌區監測無線傳感器網絡，其特征在于所述無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，包括信息管理中心、匯聚節點和部署在匯聚節點周圍，以一跳的方式與匯聚節點交換信息的多種傳感器節點，傳感器節點分為水位傳感器節點，間位傳感器節點和雨量傳感器節點，傳感器節點負責采集現場信息并進行處理獲得有效數據，再將有效數據通過無線通信方式發送給匯聚節點；匯聚節點連接無線傳感器網絡和外部網絡，對傳感器節點發送來的數據進行分析，并將分析結果通過GPRS (General Packet Radio Service)網絡發送給信息管理中心；信息管理中心根據接收到的數據判斷傳感器節點的工作狀態，并采取相應措施。本發明的另一目的在于提供基于上述無線傳感器網絡的通訊協議，采用面向單覆蓋 WSN(Wireless Sensor Networks)監測應用的 MAC (Media Access Control)協議-STAR MAC (STAR Media Access Control)。采用星型拓撲結構的無線傳感器網絡中匯聚節點和傳感器節點之間，普遍采用基于TDMA(Time Division Multiple Access)的MAC協議。針對STAR-WSN(STAR-ffireless Sensor Networks)匯聚節點能量不限、較多采用星型結構的特點，對基于TDMA的MAC協議進行改進。具體方案如下采用面向單覆蓋WSN監測應用的MAC協議-STARMAC，在無線傳感器網絡建立和使用過程中，位于監測現場的傳感器節點都要經歷加入網絡、工作和退出網絡三個步驟，匯聚節點始終處于發送/接收的循環工作狀態，匯聚節點在發送階段時，廣播一定數目信標幀， 對網內節點進行同步并分配時隙；欲發送數據的傳感器節點接收任一幀信標幀，建立同步并延時，待匯聚節點轉入接收狀態后，在規定時隙向匯聚節點發送數據。有益效果灌區監測無線傳感器網絡(Irrigation Monitor Wireless Sensor Network, MWSN)具有一般無線傳感器網絡的特點外，具有自身節點可部置、匯聚節點能量不限、單覆蓋和數據流量不太大的特點。對多覆蓋無線傳感器網絡的通訊協議等關鍵技術進行研究和改進，適用于IMWSN，可降低節點的功耗，延長節點的生命周期，并提高可靠性。IMWSN實現了灌區水情、雨情、工情、墑情等信息的自動采集、傳輸、顯示、存儲和處理，提高了灌區管理效率；提高了水的利用率，實現了科學用水、節約用水的目的；對發展灌區農業經濟和水利經濟，有效擴大灌溉面積，建設良好生態環境，實現灌區經濟可持續發展可產生積極的作用。


圖1是本發明的無線傳感器網絡體系結構。
圖2是本發明專利的STAR-MAC協議改進MAC協議示意圖。
圖3是本發明專利的無線傳感器網絡功能說明圖。
圖4是本發明專利的匯聚節點結構圖。
圖5是本發明專利的匯聚節點硬件電路圖。
圖6是本發明專利的水位節點結構圖。
圖7是本發明專利的水位節點硬件電路圖。
圖8是本發明專利的雨量節點結構圖。
圖9是本發明專利的雨量節點硬件電路圖。
圖10是本發明專利的節點加入過程示意圖。
圖11是本發明專利的粗粒度的時間同步示意圖。
圖12完整的通信協議結構圖。
圖13平均能量消耗比較圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明做進一步詳細闡述如圖1所示，本發明的灌區監測無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，包括信息管理中心、匯聚節點和部署在匯聚節點周圍、以一跳的方式與匯聚節點交換信息的多種傳感器節點，傳感器節點分為水位傳感器節點，間位傳感器節點和雨量傳感器節點，傳感器節點負責采集現場信息并進行處理獲得有效數據，再將有效數據通過無線通信方式發送給匯聚節點；匯聚節點連接無線傳感器網絡和外部網絡，對傳感器節點發送來的數據進行分析，并將分析結果通過GPRS網絡發送給信息管理中心；信息管理中心根據接收到的數據判斷傳感器節點的工作狀態，并采取相應措施。其中，信息管理中心服務器上運行管理軟件，負責接收匯聚節點通過GPRS網絡上傳的傳感器節點工作狀態數據。當上傳數據顯示有節點工作失常，或者“死亡”時，應能及時采取相應措施。匯聚節點的處理能力、存儲能力和通信能力比較強，它連接傳感器網絡與外部網絡，把收集到的數據轉發到外部網絡上。它通過CCM20射頻模塊與傳感器節點交換數據， 同時通過GPRS模塊通過hternet和信息中心交換數據。匯聚節點的軟件主要由看門狗初始化、CC2420初始化和數據傳輸三部分組成。系統上電完成初始化工作后，微處理器立即進入發送模式，向傳感器節點發送同步信標幀和確認幀，然后進入接收模式，按時隙接收不同傳感器節點發送過來的數據幀。若接收到實時數據，則通過串行口將該數據傳送給GPRS模塊，經GPRS網絡和hternet網傳送給信息中心，也即管理節點。在完成一個周期的處理后，進入下一個周期，不斷循環，實現網絡的功能。本發明的傳感器節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應模塊組成。傳感器模塊通常包括傳感器和模數轉換器ADCs，基于觀測的模擬傳感器信號通過 ADC轉換成數字信號，進而送給處理器處理；處理器模塊負責控制整個傳感器節點的操作， 存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線通信模塊負責與其他傳感器節點進行無線通信，交換控制消息和收發采集數據；能量供應模塊為傳感器節點各部分提供運行所需能量，通常采用微型電池，如普通電池和太陽能電池等。大多數傳感器網絡的路由技術和傳感任務需要高精度的定位知識，有時需要傳感器節點執行特定任務，通常在傳感器節點中包括定位和移動性能，節點中還可能包括定位、功率產生和移動等基于應用的組件。在灌區監測的無線傳感器網絡中主要由雨量傳感器節點和水位\間位傳感器節點組成。在水位/閘位傳感器節點中常用的水位/閘位傳感器有光電式編碼器、機械式編碼器等，采用格雷碼、變形碼等編碼方式，大多采用并行方式輸出編碼值。微處理器 MSP430F149通過內部I/O 口讀入傳感器數據，進行處理后，通過射頻模塊CCM20發送。同時在測量河流、水庫的水位時，由于船的航行等原因，水面會產生波浪，這會使得水位采集產生誤差，因此，水位節點必須有消浪的功能。提高數據的準確性。其中雨量傳感器節點的雨量傳感器通常采用型翻斗式雨量計，分辨率大多為1毫米。當有降雨時，其內部兩個輪流儲雨的翻斗帶動光電轉換器，產生一個通斷脈沖信號，即為一個雨量，用微處理器MSP430F149對該脈沖信號進行記錄、處理，就可得到實時雨量值， 然后通過射頻模塊CCM20發送。在雨量采樣電路中，有可能產生干擾，可根據當地的最大雨強用定時器來進行消除干擾。電路中采用了 RC濾波電路，并將雨量脈沖鎖存到鎖存中，用查詢或中斷的方式采集雨量信號。由于發生降雨的總時間不長，節點大部分時間處在掉電工作方式，掉電工作電流僅需18uA，干電池供電可工作很長時間。本發明的通訊協議采用單覆蓋監測WSN的MAC協議-STAR MAC,無線傳感器網絡中星型結構的匯聚節點和傳感器節點之間采用分簇結構，簇首和簇成員之間普遍采用基于 TDMA的MAC協議。針對星型結構的STAR-WSN匯聚節點能量不限的特點，STAR-MAC協議是以TDMA的MAC協議為原型的一種改進協議。在STAR MAC協議中，在無線傳感器網絡建立和工作時，位于監測現場的傳感器節點都要經歷加入網絡、工作和退出網絡三個步驟，匯聚節點始終處于發送/接收狀態的循環，匯聚節點在發送階段時，廣播一定數目信標幀對網內節點進行同步并分配時隙，欲發送數據的傳感器節點接收任一幀信標幀，建立同步，待匯聚節點轉入接收狀態后，在規定時隙向匯聚節點發送數據。該協議如圖2所示。該無線傳感器網絡的功能說明圖如圖3所示。本具體方式中，無線傳感器網絡設置有ι個信息管理中心1、η個匯聚節點2，η為自然數，每個匯聚節點周圍部署有傳感器節點，包括上游水位傳感器節點3，下游傳感器節點4，間位傳感器節點5、6以及雨量傳感器節點7。傳感器節點的傳感器模塊采集相應的現場信息(如水位，間位，雨量等)，然后將采集到的信息經過傳感器節點的處理器模塊進行處理獲得有效數據，將有效數據通過傳感器節點的無線通信模塊發送給無線傳感器網絡的匯聚節點，匯聚節點的處理器模塊將無線接收模塊接受的數據進行分析，將其分析結果通過GPRS網絡發送給信息管理中心，當接收到的傳感器節點工作狀態數據顯示有節點工作失常，或者“死亡”時，應能及時采取相應措施。該無線傳感器網絡的通信協議是對基于TDMA的MAC協議進行改進，基本思想為匯聚節點始終處于發送/接收狀態的循環，匯聚節點在發送階段時，廣播一定數目信標幀對網內節點進行同步并分配時隙，欲發送數據的傳感器節點接收任一幀信標幀，建立同步，待匯聚節點轉入接收狀態后，在規定時隙向匯聚節點發送數據。本發明的灌區監測無線傳感器網絡匯聚節點的結構如圖4所示，第一電源電路8 的輸出端分別接串行接口電路9、第一單片機電路10和第一射頻電路11的電源輸入端，串行接口電路9的信號輸出、輸入端分別與第一單片機電路10的信號輸入、輸出端連接，第一單片機電路10的信號輸入、輸出端分別接第一射頻電路11的信號輸出、輸入端。本發明的灌區監測無線傳感器網絡匯聚節點的電路如圖5所示，灌區匯聚節點的主控制器采用高性能ARM處理器LM3S6918，其中第一電源電路8的3. 3V輸出電壓對其進行供電，串行接口電路9中的串行口收發器SP3223EEA的輸出端RlO與第一單片機電路10 的LM3S6918的輸入端PD2端口連接，串行電路接口 9的串行接口電路中的串行口收發器 SP3223EEA的輸入端TlI與LM3S6918的輸出端PD3端口連接，串行接口電路9的SP3223EEA 的RlIN和TlOUT端口與GPRS模塊的串口進行連接，第一單片機電路10的LM3S6918的端口 PC7、PC6、PC5、PC4、PA3、PA2、PA5、PA4、PB3和PB2分別與第一射頻電路11中的射頻芯片 CC2420 的端口 FIFO、FIFOP, CCA、SFD, CSN、SCLK, Si、SO、RESETN 和 VREG_EN 連接。第一射頻電路11中還包含電容C26，C27，C28，C29，C30組成的濾波電路，電容C34，C35，C36組成的濾波電路，R_BIAS管腳接41歐姆的電阻，由晶振XTAL_2，電容C43和C44組成的時鐘電路，由電感L4，L5，L6和電容C31，C37，C39，C40組成的發送\接收路徑與天線連接。灌區檢測的無線傳感器網絡的匯聚節點模塊使用交流電供電，采用高性能的ARM 處理器技術，射頻技術和無線傳感器網絡技術。采用高性能的AC/DC變換模塊產生工作電源，用串口收發器SP3223EEA構成RS232串口并通過GPRS實現與信息中心的數據交換，射頻芯片CCM20通過天線接受傳感器節點發送過來的數據，用嵌入式微處理器LM3S6918接收CCM20發送過來的數據，并及時通過RS232串口和GPRS將數據發送出去。1.灌區水位/閘位、雨量傳感器節點
1. 1水位/閘位傳感器節點本發明的水位/閘位傳感器節點的結構如圖6所示，第二電源電路12的輸出端分別接水位/閘位接口電路13、第二單片機電路14和第二射頻電路15的電源輸入端，水位/ 閘位接口電路13的信號輸出端與第二單片機電路14的信號輸入連接，第二單片機電路14 的信號輸入、輸出端分別接第二射頻電路電路15的信號輸出、輸入端。本發明的水位/閘位傳感器節點的電路如圖7所示，水位/閘位接口電路13中的水位傳感器WATER(X24J19A)的16位并行輸出端口 P2分別連接第一緩沖器U4(74HC20) 和第二緩沖器 U3 (74HC20)，第一緩沖器 U4 (74HC20)的輸出端 1Y1，1Y2，1Y3，1Y4，2Y1，2Y2， 2Y3，2Y4 與第二單片機電路 14 的 MSP430F149 的 Pl. 0，Ρ1· 1，Ρ1· 2，PL 3，PL 4，PL 5，PL 6， PL 7 連接，第二緩沖器U3 (74HC20)的輸出端 IYl，1Y2，1Y3，1Y4，2Y1，2Y2，2Y3，2Y4 與第二單片機電路 14 的 MSP430F149 的 P6. 0，P6. 1，P6. 2，P6. 3，P6. 4，P6. 5，P6. 6，P6. 7 連接，第二單片機電路 14 的 MSP430F149 的端口 P2. 0、Ρ2· 3、Ρ2· 1、Ρ2· 2、Ρ5· 0、Ρ5· 3、Ρ5· 1、Ρ5· 2、Ρ2· 5 和Ρ2. 4分別與第二射頻電路15中的射頻芯片CCM20的端口 FIFO、FIFOP, CCA、SFD, CSN、 SCLK, Si、SO、RESETN和VREG_EN連接。第二射頻電路15中還包含電容C3, C4, C5, C6, C7 組成的濾波電路，電容C11，C12，C13組成的濾波電路，R_BIAS管腳接43K歐姆的電阻，由晶振XTAL_2,電容C21和C20組成的時鐘電路，由電感Li，L2，L3和電容C10，C16，C18，C19組成的發送\接收路徑與天線連接。本發明的水位/閘位傳感器節點模塊使用干電池供電，采用高性能的單片機技術，射頻技術和無線傳感器網絡技術。采用3節5號可充電電池供電，用水位傳感器X24J19A 連接兩片緩沖器74HC20組成水位/閘位接口電路，采用MSP430F149處理器監測，采集和處理水位信號，并將處理后的水位數據輸出給射頻芯片CC2420，射頻芯片通過無線方式將信息發送給匯聚節點。1. 2雨量傳感器節點本發明的雨量傳感器節點的結構如圖8所示，第三電源電路電路16的輸出端分別接雨量接口電路17、第三單片機電路電路18和第三射頻電路電路19的電源輸入端，雨量接口電路17的信號輸出端與第三單片機電路電路18的信號輸入連接，第三單片機電路電路 18的信號輸入、輸出端分別接第三射頻電路電路19的信號輸出、輸入端。本發明的雨量傳感器節點的電路如圖9所示，雨量傳感器RAIN(DY1090A)與雨量接口電路17中的反相器U12(74HC04)的輸入端連接，反相器U12的輸出端與鎖存器 U1K74HC74)的CLK端連接，鎖存器Ull的⑶輸入端和/Q輸出端與第三單片機電路18中微控制器MSP430F149的P6. 0輸出端和P6. 1輸入端口連接，完成對雨量信息的采集，微控制器 MSP430F149 的端口 P2. 0、P2. 3、P2. 1、P2. 2、P5. 0、P5. 3、P5. 1、P5. 2、P2. 5 禾口 P2. 4 分別與第三射頻電路19中的射頻芯片CC2420的端口 FIFO、FIFOF、CCA、SFD, CSN、SCLK、Si、 S0、RESETN和VREG_EN連接。射頻電路4中還包含電容C53，CM，C55，C56，C57組成的濾波電路，電容C61，C62，C63組成的濾波電路，R_BIAS管腳接41歐姆的電阻，由晶振XTAL_2， 電容C70和C71組成的時鐘電路，由電感L7，L8，L9和電容C60, C66，C68，C69組成的發送 \接收路徑與天線連接。本發明的水位傳感器節點模塊使用干電池供電，采用高性能的單片機技術，射頻技術和無線傳感器網絡技術。采用3節5號可充電電池供電，用雨量傳感器DY1090A連接反相器和鎖存器組成雨量接口電路，采用MSP430F149處理器監測，采集和處理水位信號， 并將處理后的雨量數據輸出給射頻芯片CCM20，射頻芯片通過無線方式將信息發送給匯聚節點2.通訊協議本發明的通訊協議采用面向單覆蓋監測WSN的MAC協議-STARMAC，在無線傳感器網絡建立和使用過程中，位于監測現場的傳感器節點都要經歷加入網絡、工作(采集信息和通訊)和退出網絡三個步驟。2.1節點的加入由于STAR-WSN具有可部署性，節點可依次加入網絡，匯聚節點廣播的信標幀中具有專門的時隙，供新節點的加入使用。新節點加入網絡時，首先接收匯聚節點廣播的信標幀，建立同步，然后延遲一定時間，待網絡中工作傳感器節點發送數據結束后，在剩余時隙向匯聚節點發送請求幀，申請加入網絡。匯聚節點接收到新節點的加入申請后，若同意其加入，在發送狀態的開始階段回饋一個確認幀給新節點，同時更新設備地址表和各傳感器節點的發送時隙分配。若匯聚節點因系統資源不足或其他原因拒絕其加入，則不作回應，新節點將在下一周期重試申請操作。 如果超過一定的重試次數仍未成功，新節點就將轉入休眠狀態，過一段較長時間后重試。節點加入機制如圖10所示。2. 2節點的退出一定的工作時間之后，傳感器節點會因電池能量耗盡而“死亡”，從網絡中退出。當某個傳感器節點電池電量低于一定值后，用剩余的能量在當前周期向匯聚節點發送一個數據幀，該數據幀包含的信息為電池低電量告警。信息管理中心收到告警信息后，進行相應的處理。下一周期開始時，匯聚節點向低電量節點發送確認幀，同時把該節點從網絡設備地址表中刪除，并將節點地址回收到可用地址表中，按一定順序重新排序可用地址表，使得可用地址表的第一個地址一直具有最高優先級。若某節點發生故障突然“死亡”，來不及向匯聚節點發送警告，則引入超時機制應對此類節點的退出。協議規定，若某節點超過一定周期未將監測數據傳送給匯聚節點，匯聚節點就認為此節點可能因故障而“死亡”。匯聚節點在下一周期開始時向該節點發送確認幀，若匯聚節點長時間沒有得到該節點的回復，則認定該節點已經“死亡”，同樣將故障節點從設備地址表中刪除，同時更新全網節點的時隙分配。2. 3粗粒度的時間同步MWSN實時性要求不高，不需要代價較高的精確的時間同步，粗粒度的時間同步就能滿足應用要求。匯聚節點在發送階段向全網廣播一定數目的信標幀，作為網內各節點時間同步的依據。在匯聚節點發送階段，等待發送數據的傳感器節點可隨機接收一幀信標幀， 用來建立時間同步。由于各傳感器節點在建網初期已經分配好發送時隙，這些節點在進行數據發送準備時只需獲得一個依據來確定自己所在的時隙。粗粒度的時間同步如圖11所
示O假設匯聚節點發送階段共向全網廣播0 η個信標幀，全網供傳感器節點分配的時隙共0 j個。若某一節點用接收到的第i(i = 0，...η)幀信標幀建立自己的時間同步，而該節點的時隙分配為第k(k = 0，. . . j)個時隙，匯聚節點一個完整的發送/接收周期為T(HlS)，那么該節點應在接收完成該信標幀后應延遲
權利要求
1.一種灌區監測無線傳感器網絡，其特征在于所述無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，包括信息管理中心、匯聚節點和部署在匯聚節點周圍、以一跳的方式與匯聚節點交換信息的多種傳感器節點，傳感器節點分為水位傳感器節點，間位傳感器節點和雨量傳感器節點，傳感器節點負責采集現場信息并進行處理獲得有效數據，再將有效數據通過無線通信方式發送給匯聚節點；匯聚節點連接無線傳感器網絡和外部網絡，對傳感器節點發送來的數據進行分析，并將分析結果通過GPRS網絡發送給信息管理中心；信息管理中心根據接收到的數據判斷傳感器節點的工作狀態，并采取相應措施。
2.根據權利要求1所述的灌區監測無線傳感器網絡，其特征在于匯聚節點由第一電源電路(8)、串行接口電路(9)、第一單片機電路(10)和第一射頻電路(11)組成；第一電源電路(8)的電源輸出端分別接串行接口電路(9)、第一單片機電路(10)和第一射頻電路(11) 的電源輸入端；串行接口電路(9)的信號輸入、輸出端分別接第一單片機電路(10)的信號輸出、輸入端；第一單片機電路(10)的信號輸入、輸出端分別接第一射頻電路(11)的信號輸出、輸入端。
3.根據權利要求1所述的灌區監測無線傳感器網絡，其特征在于水位/閘位傳感器節點由第二電源電路(12)、水位/閘位接口電路(13)、第二單片機電路(14)和第二射頻電路 (15)組成；第二電源電路(12)的電源輸出端分別接接口電路(13)、第二單片機電路(14)和第二射頻電路(15)的電源輸入端；接口電路(13)的信號輸出端接第二單片機電路(14)的信號輸入端；第二單片機電路(14)的信號輸入、輸出端分別接第二射頻電路(15)的信號輸出、輸入端。
4.根據權利要求1所述的灌區監測無線傳感器網絡，其特征在于雨量傳感器節點由第三電源電路(16)、雨量接口電路(17)、第三單片機電路(18)和第三射頻電路(19)組成， 第三電源電路(16)的電源輸出端分別接雨量接口電路(17)、第三單片機電路(18)和第三射頻電路(15)的電源輸入端；雨量接口電路(17)的信號輸出端接第三單片機電路(18)的信號輸入端，第三單片機電路(18)的信號輸入、輸出端分別接第三射頻電路(18)的信號輸出、輸入端。
5.一種基于權利要求1所述無線傳感器網絡的通訊協議，其特征在于采用面向單覆蓋 WSN監測應用的MAC協議一STAR MAC,在無線傳感器網絡建立和使用過程中，位于監測現場的傳感器節點都要經歷加入網絡、工作和退出網絡三個步驟，匯聚節點始終處于發送/接收的循環工作狀態，匯聚節點在發送階段時，廣播一定數目信標幀，對網內節點進行時間同步并分配時隙；欲發送數據的傳感器節點接收任一幀信標幀，建立同步并延時，待匯聚節點轉入接收狀態后，在規定時隙向匯聚節點發送數據。
6.根據權利要求5所述的通訊協議，其特征在于新傳感器節點加入網絡時，首先接收匯聚節點廣播的信標幀，建立同步，然后延遲一定時間，待網絡中工作傳感器節點發送數據結束后，在剩余時隙向匯聚節點發送請求幀，申請加入網絡；匯聚節點接收到新節點的加入申請后，若同意其加入，在發送狀態的開始階段回饋一個確認幀給新節點，同時更新設備地址表和各傳感器節點的發送時隙分配，若匯聚節點拒絕其加入，則不作回應，新節點將在下一周期重試申請操作，如果超過一定的重試次數仍未成功，新節點就將轉入休眠狀態，過一段較長時間后重試。
7.根據權利要求5所述的通訊協議，其特征在于傳感器節點因電池能量耗盡而退出網絡的方法是當傳感器節點電池電量低于一定值后，用剩余的能量在當前周期向匯聚節點發送一個數據幀，該數據幀包含的信息為電池低電量告警，信息管理中心收到告警信息后， 進行相應的處理，下一周期開始時，匯聚節點向低電量節點發送確認幀，同時把該節點從網絡設備地址表中刪除，并將節點地址回收到可用地址表中，按一定順序重新排序可用地址表，使得可用地址表的第一個地址一直具有最高優先級。
8.根據權利要求5所述的通訊協議，其特征在于若傳感器節點發生故障突然“死亡”， 來不及向匯聚節點發送警告，則引入超時機制退出，若某節點超過一定周期未將監測數據傳送給匯聚節點，匯聚節點就認為此節點可能因故障而“死亡”，匯聚節點在下一周期開始時向該節點發送確認幀，若匯聚節點長時間沒有得到該節點的回復，則認定該節點已經“死亡”，將故障節點從網絡設備地址表中刪除，同時更新全網節點的時隙分配。
9.根據權利要求5所述的通訊協議，其特征在于所述時間同步采用粗粒度的時間同步，匯聚節點在發送階段向全網廣播一定數目的信標幀，作為網內各節點時間同步的依據， 等待發送數據的傳感器節點隨機接收一幀信標幀，用來建立時間同步。
10.根據權利要求5所述的通訊協議，其特征在于所述通訊協議定義了信標幀、確認幀、數據幀三種幀格式，它們采用固定長度，在幀前面添加包含前導碼和同步詞匯的同步頭就構成物理層數據包。
全文摘要
本發明公開一種灌區監測無線傳感器網絡及其通訊協議，所述無線傳感器網絡采用星型拓撲結構，包括信息管理中心、匯聚節點和部署在匯聚節點周圍、以一跳的方式與匯聚節點交換信息的多種傳感器節點。所述通訊協議針對STAR-WSN匯聚節點能量不限、較多采用星型結構的特點，對基于TDMA的MAC協議進行改進，采用面向單覆蓋WSN監測應用的MAC協議—STARMAC。本發明能夠實現灌區現場信息的自動采集、傳輸、顯示、存儲和處理，提高了灌區管理效率；提高了水的利用率，實現了科學用水、節約用水的目的；對發展灌區農業經濟和水利經濟，有效擴大灌溉面積，建設良好生態環境，實現灌區經濟可持續發展可產生積極的作用。
文檔編號H04L29/08GK102413180SQ20111036155
公開日2012年4月11日 申請日期2011年11月15日 優先權日2011年11月15日
發明者嚴妍, 嚴錫君, 余敏, 孫桐, 孟祥薇, 張洪學, 張騰宇, 李亞東 申請人:河海大學