专利名称：：无线感测网络中的骨干导向结构、建立方法及修复方法
技术领域：
：本发明是有关一种强化无线感测网络的技术，特别是指一种在无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构、建立方法及修复方法。
背景技术：
：无线感测网络，其主要的功能在于观察环境中的一些物理状态的变化，譬如温度、压力、湿度以及声音等等。在待观测环境中布署多个感测节点(SensorNodes)，通过感测节点的自我组织(Self-organization)能力形成无线通讯网络去侦测特定的数据，并且将感测到的数据通过无线传输技术回传至汇集点或基地台(SinkorBaseStation)，之后再作后续的数据处理、分析以及执行对应的动作。无线感测网络无须人力手工操作以及管理便可以轻易地被建置起来，因此被广泛地应用，举凡军事侦察、健康照护、环境监测、居家安全等皆可窥见。目前IEEE802.15规格内TG4的IEEE802.15.4低速率无线个人区域网络(LowRate-WirelessPersonalAreaNetwork,LR-WPAN)，其特性为低速率、低能量消耗以及成本低廉，与无线感测网络的特性相符合，为目前无线感测网络所使用的规格协定之一。在目前无线感测网络的研究中，能量问题一直是热门的研究议题。每个感测节点将所收集到的数据传回给伺服器端，而感测节点会大量散布在环境之中，因为距离伺服器端有远近的关系所以不是每个感测节点都可以直接与伺服器做连结，那些距离伺服器端比较远的感测节点就必须要通过其他离伺服器端比较近的感测节点帮忙将数据转送(DataForwarding)给伺服器端，因此越靠近伺服器端的感测节点的负载就越重，而因感测节点装置上的电量有限，当感测节点电量耗尽时可能会造成底下的感测节点收集到数据没有办法传回伺服器端，导致网络毁损。如图1所示，感测节点12中的A、B、C三点为距离伺服器10最近的感测节点12，除了要将自己的数据传送给伺服器10的外还要帮底下的感测节点12转送，所以负载相对于其他感测节点12都还要来的重，使得A、B、C三点的电量消耗比较快，而当A、B、C三点电量耗尽时就会造成底下的感测节点12无法将收集到的数据回传给伺服器10因而造成网络损坏，此即为所谓的热点(HotSpot)问题。当那些位于热点的感测节点电量耗尽时尽管底下的节点都还有电量不过却没有办法把数据回传给伺服器端，热点问题会缩短节点的运作时间。因此，本发明即提出一种无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构、建立方法及修复方法，延长网络的使用时间，减少热点，以有效克服上述等问题，具体架构及其实施方式将详述于下。
发明内容本发明的主要目的在提供一种无线感测网络中的骨干导向结构、建立方法及修复方法，其是由具电节点组成骨干，以减少热点问题，并使一般节点电量消耗速度变慢，延长网络寿命。本发明的另一目的在提供一种无线感测网络中的修复方法，其中的骨干网络是具有回复能力，以避免骨干中断，进而延长无线网络的寿命。本发明的再一目的在提供一种无线感测网络中的修复方法，当具电节点损坏时可通过其他具电节点建立新连线，或是通过一般节点建立临时通道应急，等待损坏的具电节点修复，以延长网络存活时间。为达上述的目的，本发明提供一种无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构，包括至少一骨干，其是由供电的多个第一节点所构成，且每一第一节点具有一第一层识别码；多个连接骨干的支干，每一支干中具有至少一第二节点，其供电量有限，且每一第二节点具有所连结的第一节点的第一层识别码及一第二层识别码；骨干连接至一伺服器，伺服器分配第一层识别码给第一节点，且支干亦可直接连接伺服器；支干的第二层识别码可由与所述支干直接连接的第一节点分配，连接至伺服器的支干的第二层识别码则由伺服器分配；第一层识别码或第二层识别码可利用Zigbee网络通讯协定或其他方式来分配。其中，所述第二节点中连接相同的所述第一节点，具有相同的所述第一层识别码。其中，所述第一节点的所述第二层识别码为零。其中，每一所述第一节点下所串接的所述第二节点的数目是由所述伺服器分配。其中，所述第二层识别码是由所述第一节点分配给底下所串接的所述第二节点。其中，每一所述第一节点的讯号范围内有其他至少一第一节点。其中，所述第二节点亦可直接连接所述伺服器。本发明另提供一种无线感测网络中的骨干建立方法，包括下列步骤在多个节点中挑出能够不断提供电量的位置、具较大电量的位置、可使第一节点之间距离相近的位置或预设要经过的特定位置者做为多个第一节点，其余为多个第二节点；依靠一识别码分配机制将第一节点串接形成至少一骨干，骨干的前端连接一伺服器；以及第二节点分别串接形成多个支干，支干连接骨干上的第一节点。其中，所述伺服器更分配每一所述第一节点一第一层识别码。其中，所述第一节点更分配每一所述第二节点一第二层识别码。其中，每一所述第一节点的讯号范围内有其他至少一第一节点。其中，每一所述第一节点发出一深度为零的讯标(beacon)到周围的所述第一、第■~-下点。其中，所述特定位置为能够不断提供电量的位置、具较大电量的位置、可使所述第一节点之间距离相近的位置或预设要经过的位置。本发明还提供一种无线感测网络中骨干结构的修复方法，此无线感测网络中包含一伺服器、多个具电节点所构成的至少一骨干及多个一般节点所构成的多个支干，当有一具电节点损坏时，恢复无线感测网络的修复方法是包括下列步骤与损坏的具电节点在同一骨干的一后段具电节点搜寻具电节点中是否有邻近者可供连接；若有搜寻到一邻近具电节点，则建立后段具电节点与邻近具电节点的连线，反之，搜寻一般节点的邻近者，若有搜寻到至少一邻近一般节点则建立连线；以及给重新连接的后段具电节点的骨干及其下所连接的支干重新分配一识别码。其中，所述识别码包括一第一层识别码及一第二层识别码，所述具电节点的所述第一层识别码是由所述伺服器分配，所述第二层识别码为零，而所述一般节点的所述第一层识别码与所串接的所述具电节点相同，所述第二层识别码是由所串接的所述具电节点分配。其中，所述后段具电节点下所连接的所述一般节点可与所述邻近一般节点连接。其中，搜寻所述邻近具电节点或所述邻近一般节点的步骤是由深度较低者开始搜寻。其中，原先连接所述损坏的具电节点的所述一般节点是各自搜寻邻近的一具电节点重新连线。其中，搜寻所述一般节点的邻近者的步骤中所建立的连线可为二所述一般节点的连线或所述后段具电节点与一邻近一般节点的连线。其中，所述邻近一般节点所建立的连线为一临时通道，所述临时通道两端的所述一般节点所属的所述具电节点会各自维护一通道表。底下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。图1为先前技术中无线感测网络的示意图；图2及图3为本发明中建立无线感测网络中骨干导向结构的流程示意图，图2中利用具电节点建立骨干，图3中将一般节点连接上具电节点；图4A至图4B为本发明中利用其他具电节点以修复无线感测网络的一实施例的示意图；图5A至图5E为本发明中利用一般节点以修复无线感测网络的一实施例的示意图；图6为图5E中的将封包从伺服器通过临时通道传送到一般节点的示意图；图7为图5E中的将封包从一般节点通过临时通道传送到伺服器的示意图；图8为建立两条临时通道的示意图。附图标记说明10_伺服器；12-感测节点；20-伺服器；22-具电节点；24-—般节点；26、26，-封包。具体实施例方式本发明考量目前实际应用的无线网络环境，提供一种无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构、建立方法及修复方法，当需要对一个环境布置电池的感测器以感测当地温度及进行监测工作时，若是室内环境则可将放置于走道上、便于更换电池的感测器视为有电的节点，而室外环境则可通过加装太阳能板于感测器上使其可充电、进而具有较多的电力。此种有电的节点在本发明中称之为「具电节点」。图2所示为本发明的结构图，在此环境中具有多个具电节点22及一般节点24，此具电节点22是能够不断提供电量的位置、具较大电量的位置、可使第一节点之间距离相近的位置或预设要经过的特定位置的节点，每一具电节点22可与一个以上的具电节点直接沟通，将感应范围内的具电节点22互相连接形成骨干(backbone)网络，在此图的实施例中，可能因为室内环境有两条走廊而形成两条骨干；骨干连接一伺服器20，一般节点24搜寻无线感应范围内的其他一般节点24或具电节点22连接形成支干，如图3所示，以一般节点X为例，其感应范围为圆形虚线的区域，在此区域内有一具电节点C及三个一般节点，为了避免热点并让深度(degree)最浅，因此一般节点X选择连接具电节点C。一般节点24可感测温度或其他监测工作，具电节点22可如一般节点24的感测作用，亦可不具任何感测功能而仅用以提供电力给一般节点24使用。本发明的无线感测网络以ZigBee结构为例，在ZigBee环境中，当有新的具电节点要加入到此网络时，必须将要求加入的讯息送到伺服器20，由伺服器20统一发送一第一层识别码给每一具电节点22，使其能管理更多的一般节点，而当具电节点22取得识别码后，本身所发出的信标(beacon)中的深度会设为零，其他一般节点24发现此具电节点后便可与其做连结，缩短数据的传送路径。而一般节点要求加入网络的动作则与原来ZigBee方式相同，是跟深度较低的一般节点要求加入网络，并由所连接的具电节点22(亦即与其最近的具电节点)分配一第二层识别码。因此，具电节点22的第一层识别码由伺服器20分配，第二层识别码为0，而一般节点24的第一层识别码与所连接的具电节点22相同，并由此具电节点分配一第二层识别码。当骨干导向结构建立完成后，一般节点将感测的数据往所连接的具电节点送，通过骨干传送到伺服器20中，以减少其他一般节点的电量消耗；而当伺服器20要将数据传送给底下的节点时，先通过骨干传送到指定的具电节点22，再经由具电节点22转送给底下的一般节点。当有具电节点因各种因素突然损坏，将会使其后端的数据无法传递，造成网络中断，为了减轻具电节点损坏所造成的影响，以下提供两种不同情况下的修复方法。图4A至图4B为利用其他具电节点以修复无线感测网络的示意图。图中当具电节点A损坏时，其下的一般节点i、j、k都会断线，因此一般节点i、j、k及其后的具电节点B、C、D的数据无法回传给伺服器20。当具电节点B发现数据传不出去，便会开始搜寻邻近的节点及底下的具电节点是否有其他不同支干的邻近具电节点可供连接，如图4A所示，具电节点B发现与具电节点E之间可直接连线，于是具电节点B便加入到具电节点E的骨干之下，重新加入到网络中，而一般节点i、j、k也搜寻邻近的具电节点连接；由于具电节点B和E原本属于不同的骨干，因此具电节点B的后的骨干、支干及一般节点i、j、k都需要重新取得第一层识别码及第二层识别码，才可通过识别码正常的绕送数据。图5A至图5E为利用一般节点以修复无线感测网络的示意图。当具电节点B损坏了，且后端的具电节点C无法跟前端的具电节点A连接，底下也没有具电节点22可侦测到别的骨干的具电节点22时，便会利用一般节点24建立出一段临时的通道，当数据传送到具电节点损坏的这段骨干网络时，便转而经由临时通道将数据往骨干的另一端传送，如图5A及图5B所示，具电节点B损坏了，其下的一般节点1、2、3、4、5失去连线，因此一般节点1、2、3、4、5搜寻邻近的具电节点22建立连线，告知所连接的具电节点其为具电节点B的子节点，更改第一层识别码，并由所连接的具电节点分配新的第二层识别码。具电节点C经搜寻后发现找不到其他可供连接的具电节点22，再送给底下的具电节点F询问是否有其他不同骨干的具电节点22可连接，若还是没有，就从具电节点C自己的或C底下具电节点的支干中找寻深度较低的一般节点24，通过此一般节点24加入到网络中，如图5C中，一般节点4可感应到一般节点1，因此具电节点C请求一般节点4建立联外的临时通道；接着请参考图5D，当一般节点1收到具电节点C要求加入的讯息后，会先通过一般节点4告知识别码给具电节点C并将此要求加入讯息沿路回传告诉自己的具电节点A，同时具电节点A及C分别建立如图中所示的通道表(tunneltable)，途中经过的一般节点24(识别码为(1，43))会记录自己的骨干底下有具电节点C、F以便的后传送。接着，如图5E所示，具电节点A通知具电节点C新的第一层识别码及通道表，具电节点C再更新支干的一般节点24的第一层及第二层识别码，并更新通道表。图6为图的5E实施例中，当伺服器20要传送封包给具电节点F底下的一般节点(3,1)的示意图，伺服器的识别码为(0，0)，欲传送的封包26中包括数据及目的地的识别码；当封包26传送到临时通道这一端的一般节点1时，其中的内容包括接下来要经过的节点识别码(1，50)及(2，23)、代表尚未通过临时通道的T-Hop=2及目的地识别码(3，1)，而当封包26通过临时通道到达一般节点4之后，封包中的T-Hop变成1，代表已通过临时通道，并将已过的节点识别码(1，50)删除，封包26继续向一般节点(3，1)传送。图7为图5E的实施例中，当具电节点F底下的一般节点(3，1)要传送封包给伺服器20的示意图，欲传送的封包26’中包括数据及目的地的识别码(0，0)；当封包26’传送到临时通道这一端的一般节点4时，其中的内容包括接下来要经过的节点识别码(2，23)及(1，50)、代表尚未通过临时通道的T-Hop=2及目的地识别码(0，0)，而当封包26’通过临时通道到达一般节点1之后，封包中的T-Hop变成1，代表已通过临时通道，并将已过的节点识别码(2，23)删除，封包26’继续向伺服器(0，0)传送。临时通道不止可建立一条，如图8所示，当条件许可时，亦即有不止一个一般节点24可联系上其他具电节点22的一般节点24时，可同时建立多个临时通道，并在通道表中增加新通道两端节点的识别码。本发明中除了以Zigbee网络通讯协定的识别码分配机制来分配第一层识别码及/或第二层识别码之外，亦可以其他方式分配，例如第一层识别码以一种网络通讯协定分配，而第二层识别码则以另一种网络通讯协定分配。而在其他识别码分配机制下，每一具电节点下的一般节点数目不一定由伺服器设定。综上所述，本发明所提供的无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构、建立方法及修复方法，是利用具电节点来舒缓热点问题造成的影响，针对不同的实体网络拓朴需求，通过硬件或是软件的支援，在特定的位置摆放具电节点，利用具电节点建立主干(Backbone)网络。具电节点至少可以与另一个具电节点直接沟通，多个具电节点可以连结成一条或多条主干网络，使得其他感测节点在传送数据时往离自己最近的具电节点方向传送即可，而不需要延续传统方法，减少离后端伺服器较近的感测节点的子树节点也就减缓其电量的消耗。数据负载会分散至主干网络上每个具电节点上，热点转移至那些距离具电节点最近的感测节点上，由于负载减轻其消耗的电量就随的减缓，使得整个网络的运作时间得以延长。以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离以下所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改，变化，或等效，但都将落入本发明的保护范围内。权利要求一种无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于，包括至少一骨干，其是由供电的多个第一节点所构成，且每一所述第一节点具有一第一层识别码；多个支干，连接所述骨干，每一所述支干中具有至少一第二节点，其供电量有限，且每一所述第二节点具有所连结的所述第一节点的所述第一层识别码及一第二层识别码；以及一伺服器，连接所述骨干，所述伺服器分配所述第一层识别码给所述第一节点，且所述支干亦可直接连接所述伺服器，连接至所述伺服器的所述支干的所述第二层识别码由所述伺服器分配，若所述支干连接所述骨干，则所述支干的所述第二层识别码由直接连接的所述第一节点分配。2.根据权利要求1所述的无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于，所述第二节点中连接相同的所述第一节点，具有相同的所述第一层识别码。3.根据权利要求1所述的无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于所述第一节点的所述第二层识别码为零。4.根据权利要求1所述的无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于，每一所述第一节点下所串接的所述第二节点的数目是由所述伺服器分配。5.根据权利要求1所述的无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于，所述第二层识别码是由所述第一节点分配给底下所串接的所述第二节点。6.根据权利要求1所述的无线感测网络中具省电效果的骨干导向结构，其特征在于，每一所述第一节点的讯号范围内有其他至少一第一节点。7.根据权利要求1所述的无线感测网络中的骨干导向结构，其特征在于，所述第二节点亦可直接连接所述伺服器。8.一种无线感测网络中的骨干结构的建立方法，其特征在于，包括下列步骤在多个节点中挑出特定位置者做为多个第一节点，其余为多个第二节点；依靠一识别码分配机制将所述第一节点串接形成至少一骨干，所述骨干的前端连接一伺服器；以及所述第二节点分别串接形成多个支干，所述支干连接所述骨干上的所述第一节点。9.根据权利要求8所述的骨干结构的建立方法，其特征在于，所述伺服器更分配每一所述第一节点一第一层识别码。10.根据权利要求8所述的骨干结构的建立方法，其特征在于，所述第一节点更分配每一所述第二节点一第二层识别码。11.根据权利要求8所述的骨干结构的建立方法，其特征在于，每一所述第一节点的讯号范围内有其他至少一第一节点。12.根据权利要求8所述的骨干结构的建立方法，其特征在于，每一所述第一节点发出一深度为零的讯标到周围的所述第一、第二节点。13.根据权利要求8所述的骨干结构的建立方法，其特征在于，所述特定位置为能够不断提供电量的位置、具较大电量的位置、可使所述第一节点之间距离相近的位置或预设要经过的位置。14.一种无线感测网络中骨干结构的修复方法，其特征在于，所述无线感测网络包含一伺服器、多个具电节点所构成的至少一骨干及多个一般节点所构成的多个支干，当有一具电节点损坏时，恢复无线感测网络的修复方法是包括下列步骤与所述损坏的具电节点在同一所述骨干的一后段具电节点搜寻所述具电节点中是否有邻近者可供连接；若有搜寻到一邻近具电节点，则建立所述后段具电节点与所述邻近具电节点的连线，反之，搜寻所述一般节点的邻近者，若有搜寻到至少一邻近一般节点则建立连线；以及给重新连接的所述后段具电节点的所述骨干及其下所连接的所述支干重新分配一识别码。15.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，所述识别码包括一第一层识别码及一第二层识别码，所述具电节点的所述第一层识别码是由所述伺服器分配，所述第二层识别码为零，而所述一般节点的所述第一层识别码与所串接的所述具电节点相同，所述第二层识别码是由所串接的所述具电节点分配。16.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，所述后段具电节点下所连接的所述一般节点可与所述邻近一般节点连接。17.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，搜寻所述邻近具电节点或所述邻近一般节点的步骤是由深度较低者开始搜寻。18.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，原先连接所述损坏的具电节点的所述一般节点是各自搜寻邻近的一具电节点重新连线。19.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，搜寻所述一般节点的邻近者的步骤中所建立的连线为二所述一般节点的连线或所述后段具电节点与一邻近一般节点的连线。20.根据权利要求14所述的修复方法，其特征在于，所述邻近一般节点所建立的连线为一临时通道，所述临时通道两端的所述一般节点所属的所述具电节点会各自维护一通道表。全文摘要本发明提供一种无线感测网络中的骨干导向结构、建立方法及修复方法，其是利用具电节点建立连接伺服器的骨干网络，并将有限电量的一般节点连接至骨干网络，当有一具电节点损坏时，后端的具电节点会搜寻通讯范围内是否有其他骨干的具电节点可重新连线，若没有则通过一般节点建立临时通道，等待损坏的具电节点修好即可还原无线感测网络。由具电节点所构成的骨干网络可舒缓热点问题对一般节点的影响，增加骨干网络的韧性，延长无线感测网络的寿命。文档编号H04W84/18GK101860874SQ201010191820公开日2010年10月13日申请日期2010年6月1日优先权日2010年6月1日发明者吴昭男,曾建超,王瑞堂,黄贵笠申请人:财团法人交大思源基金会