[发明专利]灌区监测无线传感器网络及其通讯协议

权利要求书

1.一种灌区监测无线传感器网络，其特征在于所述无线传感器网络采用星型拓扑结构，包括信息管理中心、汇聚节点和部署在汇聚节点周围、以一跳的方式与汇聚节点交换信息的多种传感器节点，传感器节点分为水位传感器节点， 闸位传感器节点和雨量传感器节点，传感器节点负责采集现场信息并进行处理获得有效数据，再将有效数据通过无线通信方式发送给汇聚节点；汇聚节点连接无线传感器网络和外部网络，对传感器节点发送来的数据进行分析，并将分析结果通过GPRS网络发送给信息管理中心；信息管理中心根据接收到的数据判断传感器节点的工作状态，并采取相应措施。

2.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于汇聚节点由第一电源电路（8）、串行接口电路（9）、第一单片机电路（10）和第一射频电路（11）组成；第一电源电路（8）的电源输出端分别接串行接口电路（9）、第一单片机电路（10）和第一射频电路（11）的电源输入端；串行接口电路（9）的信号输入、输出端分别接第一单片机电路（10）的信号输出、输入端；第一单片机电路（10）的信号输入、输出端分别接第一射频电路（11）的信号输出、输入端。

3.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于水位/闸位传感器节点由第二电源电路（12）、水位/闸位接口电路（13）、第二单片机电路（14）和第二射频电路（15）组成；第二电源电路（12）的电源输出端分别接接口电路（13）、第二单片机电路（14）和第二射频电路（15）的电源输入端；接口电路（13）的信号输出端接第二单片机电路（14）的信号输入端；第二单片机电路（14）的信号输入、输出端分别接第二射频电路（15）的信号输出、输入端。

4.根据权利要求1所述的灌区监测无线传感器网络，其特征在于雨量传感器节点由第三电源电路（16）、雨量接口电路（17）、第三单片机电路（18）和第三射频电路（19）组成，第三电源电路（16）的电源输出端分别接雨量接口电路（17）、第三单片机电路（18）和第三射频电路（15）的电源输入端；雨量接口电路（17）的信号输出端接第三单片机电路（18）的信号输入端，第三单片机电路（18）的信号输入、输出端分别接第三射频电路（18）的信号输出、输入端。

5.一种基于权利要求1所述无线传感器网络的通讯协议，其特征在于采用面向单覆盖WSN监测应用的MAC协议—STAR MAC，在无线传感器网络建立和使用过程中，位于监测现场的传感器节点都要经历加入网络、工作和退出网络三个步骤，汇聚节点始终处于发送/接收的循环工作状态，汇聚节点在发送阶段时，广播一定数目信标帧，对网内节点进行时间同步并分配时隙；欲发送数据的传感器节点接收任一帧信标帧，建立同步并延时，待汇聚节点转入接收状态后，在规定时隙向汇聚节点发送数据。

6.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：新传感器节点加入网络时，首先接收汇聚节点广播的信标帧，建立同步，然后延迟一定时间，待网络中工作传感器节点发送数据结束后，在剩余时隙向汇聚节点发送请求帧，申请加入网络；汇聚节点接收到新节点的加入申请后，若同意其加入，在发送状态的开始阶段回馈一个确认帧给新节点，同时更新设备地址表和各传感器节点的发送时隙分配，若汇聚节点拒绝其加入，则不作回应，新节点将在下一周期重试申请操作，如果超过一定的重试次数仍未成功，新节点就将转入休眠状态，过一段较长时间后重试。

7.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于传感器节点因电池能量耗尽而退出网络的方法是：当传感器节点电池电量低于一定值后，用剩余的能量在当前周期向汇聚节点发送一个数据帧，该数据帧包含的信息为电池低电量告警，信息管理中心收到告警信息后，进行相应的处理，下一周期开始时，汇聚节点向低电量节点发送确认帧，同时把该节点从网络设备地址表中删除，并将节点地址回收到可用地址表中，按一定顺序重新排序可用地址表，使得可用地址表的第一个地址一直具有最高优先级。

8.根据权利要求5所述的通讯协议，其特征在于：若传感器节点发生故障突然“死亡”，来不及向汇聚节点发送警告，则引入超时机制退出，若某节点超过一定周期未将监测数据传送给汇聚节点，汇聚节点就认为此节点可能因故障而“死亡”，汇聚节点在下一周期开始时向该节点发送确认帧，若汇聚节点长时间没有得到该节点的回复，则认定该节点已经“死亡”，将故障节点从网络设备地址表中删除，同时更新全网节点的时隙分配。