CN100358310C - 支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及其工作方法，系统由四层架构组成：能够动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用任务的多个重构传感器节点RN及多个脚本传感器节点SN、数据汇聚节点和控制节点，其特点是将应用自适应技术引入到传感器节点：在传感器节点上部署一定数量的领域知识，使得传感器节点具有简单规则的推理智能，能够随着环境数据的变化在设定范围内自适应地调整自己的应用；即传感器节点能在不同时期执行不同的应用脚本代码，自动重新配置系统的监测任务，实现应用重构，从而使资源和能力受限的传感器网络更好地适应和满足长时间无人看管环境下的自动运行和调整的需要，大大提高传感器网络系统的功能和效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统以及该系统实现应用重构的方法，属于无线自组织网络系统技术领域。
背景技术
无线传感器网络是由多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，用于各个传感器节点彼此协作地感知、采集和处理该网络覆盖的地理区域中监测对象的信息，并及时向用户发布监测结果。
无线传感器网络主要用于监视环境、环境中的事物及对象之间的作用。由于无线传感器网络工作的环境容易变化，且各种变化无法事先预知，这就要求传感器网络的应用能够随着环境的变化进行灵活的改变和重构更新。
目前，有关无线传感器网络应用重构技术的研究主要有Berkeley的Mate和Hyun-Chong Kim分别提出的针对某个节点失效的两种应用重构。其中，Mate是支持传感器节点可编程的框架结构，该方法定义了传感器节点必须支持的24条基本指令，传感器网络执行的所有任务都是通过这些指令的不同配置来实现。当需要修改传感器节点上的任务时，只要将执行该任务的应用脚本直接下载到节点上就可以了。但是，Mate是一种从PC机到传感器节点的one-by-one方式进行的应用重构，需要手工触发应用重构并指定需要重构的传感器节点，没有考虑传感器网络应用的自动重构问题。虽然Hyun-Chong Kim提出了一种传感器网络自动应用重构方法，但该方法只考虑当网络中某个节点失败时的应用任务调度和重构问题。由于传感器网络是一个高度冗余的网络，个别节点的故障是可以忍受的，传感器网络应用重构的主要出发点应该是由于环境变化引起的网络应用的变化与调整，这时候需要重构的传感器节点往往不是某个节点，而是若干个、甚至许多个节点的问题，而Hyun-Chong Kim方法主要考虑单个节点失败的情况，不适合由于动态环境变化的原因引起的传感器网络的应用重构问题。因此，如何实现一种支持环境自适应的应用重构的传感器网络系统及其工作方法就成为业内技术人员关注的热点。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统及其工作方法，该无线传感器网络系统能够支持传感任务的动态重构，即重新配置网络系统的监测任务，使传感器节点在不同时期执行不同的应用代码，在资源有限的传感器节点上实现传感任务的重构，从而在无需增加太多的投资费用的基础上，大大提高传感器网络系统的功能和使用效率。
为了达到上述目的，本发明提供了一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统， 包括有：多个传感器节点、数据汇聚节点和控制节点，其中传感器节点之间和传感器节点与数据汇聚节点之间采用无线方式通信，数据汇聚节点与控制节点之间采用Internet或其他传统网络通信；其特征在于：所述传感器节点有两种：脚本传感器节点SN(Script Node)和重构传感器节点RN(Reconfiguration Node)，两者都具有动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用代码的功能；且所述系统采用下述层次架构：
控制节点，位于最上层，供用户或管理人员通过该节点对该传感器网络系统进行管理和控制；
数据汇聚节点，位于第二层，用作传统网络与传感器网络的接口层，即由该层节点将用户通过控制节点部署的新的应用脚本代码传输到各个传感器节点，并将各个传感器节点感知、采集的数据汇聚传输给控制节点；
脚本传感器节点SN，位于第三层，用于存放自身及其管理范围内的各个RN节点所需要的应用脚本代码，设有应用脚本代码执行引擎，能够感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码，与数据汇聚节点进行通信：接收下载的应用脚本代码并存储，并将RN节点发送来的传感数据进行汇聚融合处理后上传；在环境变化而重构应用时，与RN节点进行通信：接收它们的应用脚本代码请求消息，并下传相应的应用脚本代码，或者直接将相应的应用脚本代码主动部署到RN节点；
重构传感器节点RN，位于最底层，设有应用脚本代码执行引擎，能够实时感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码；如果RN节点本地没有需要执行的应用脚本代码，将主动向管理它的SN节点请求新的应用脚本代码。
所述SN是高性能传感器节点，它的设置地点是事先规划的；在系统中数量最多、密度最大的RN是低性能传感器节点，它的设置是随机的，不需要事先规划；所述传感器节点执行的传感应用脚本代码包括温度、湿度、烟感的监控程序。
所述SN节点和RN节点的控制软件除了包括传统传感器的路由模块、数据采集模块、数据处理/汇聚模块、I/O接口模块以外，还有分别与路由模块和数据采集模块连接的重构模块；该重构模块由重构决策模块、经验积累模块、知识库和经验库四个子模块组成，其中：
知识库用于存放以规则表示并在网络初始化阶段部署到节点上的领域知识，以供传感器节点根据其中知识分析当前采集的环境数据，得到环境可能发生的变化信息；
经验库用于存放该传感器节点在运行过程中形成的经验，即用权值表示的某种环境数据可能引起的环境变化的规则的发生概率，权值越高，发生相应变化的概率越高；初始化时经验库为空，随着传感器节点的运行，经验库不断通过经验积累子模块获取并保存经验：各规则的可信度权值；
经验积累子模块负责形成经验，每次传感器节点进行重构决策后，都要用决策判断结果来修改经验库中的经验的可信度权值；
重构决策子模块使用知识库中的知识和经验库中的经验对当前环境状态数据进行推理，判断当前环境发生的变化，决定是否需要触发应用重构和重构何种应用脚本代码。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)对网络和传感器节点进行初始化操作；
(2)传感器节点感知环境变化：传感器节点采集所监测的环境数据，并利用知识库中预先设定的领域知识和经验库中积累的经验对环境数据进行分析，判断环境是否发生变化；
(3)传感器节点触发应用重构：根据环境的变化，传感器节点判断是否需要触发应用重构，如果需要触发应用重构，则获取重构应用脚本的类型编码并修改经验库，然后顺序执行后续操作；否则，返回步骤(2)；
(4)传感器节点获取应用脚本代码：先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，执行获取所需的应用脚本代码的操作；否则，直接返回步骤(2)；
(5)传感器节点执行应用脚本代码：传感器节点执行新的应用脚本代码，实现了应用任务的重新配置后，返回步骤(2)。
所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：
(11)网络拓扑结构初始化：部署网络时，先规划SN节点位置，再在其周边随机设置多个RN节点，并通过洪泛法使每个节点获知其周围相邻节点的信息，使SN节点作为簇头与其一跳或两跳范围内的RN节点构成一个重构簇，由SN节点管理和存储自身及其所管辖的重构簇内RN节点可能需要的应用脚本代码；
(12)传感器节点知识库初始化：部署SN和RN节点时，根据传感器应用领域的不同需求，人工预先将相关应用领域的知识设置在节点的知识库中；
(13)传感器节点工作状态初始化：根据传感器节点采样的不同数据类型、采样频率和对采样数据的不同处理方法，选择相应的应用脚本代码，用作传感器节点处于不同工作状态的应用脚本代码；同时，采用有限状态自动机表示该节点各工作状态在不同环境条件下的转化关系，以及设置各传感器节点的初始工作状态。
所述步骤(12)中的应用领域知识是通过列举传感器网络需要监视或用户感兴趣的各种环境异常事件，再提取可能导致发生这些异常事件的环境数据条件，该环境数据条件与异常事件的对应关系就是知识，并采用规则形式表示之：P→Q，或IF P THENQ；式中，前提P为环境数据条件，结论Q为环境异常事件；如果P成立，则发生结果Q。
所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：
(21)采集环境数据：传感器节点根据当前所处的工作状态定期采集相应的环境数据；
(22)检测环境是否发生变化：传感器节点先调用知识库中的知识对当前环境数据进行基于规则的分析，如果只能得到唯一结论，即根据有限状态自动机转入的下一工作状态是唯一的，则直接执行步骤(3)触发应用重构的操作；如果结论不是唯一的，则利用经验库中的经验，选择最可能发生的下一工作状态作为新的工作状态，同时，将判断结果作为经验存储在节点经验库中，以及重新计算各规则的可信度权值，然后执行步骤(3)。
所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：
(31)重构决策：传感器节点将其因环境变化引发的下一工作状态与当前的工作状态进行比较，判断是否需要进行应用重构；如果两者不相同，顺序执行后续操作；否则，不需进行应用重构，返回步骤(2)；
(32)修改经验库：传感器节点根据环境数据与重构决策的结论得到该环境数据与其下一个工作状态之间的对应关系，根据该关系修改经验库中规则的可信度权值；
(33)获得重构应用脚本的类型编码：传感器节点根据内存中的节点工作状态与节点应用脚本代码类型的对照表，判断需要进行应用重构的应用脚本代码类型。
所述各规则的可信度权值的计算方法是：至少分别记录、统计当前记录中每条规则的使用频率、近期连续使用的规则的使用次数和上次使用的规则，将这些结果按设定权值进行处理后，得到的增量为加权值，该加权值与每条规则当前的可信度权值相加之和就是各规则的新的可信度权值，用于下次分析推理。
所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：
(41)预备操作：先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，顺序执行后续操作；否则，直接返回步骤(2)；
(42)请求下载应用脚本代码：RN节点向其重构簇内的SN节点和/或SN节点向其它SN节点分别发出请求下载应用脚本消息，该消息中包含所请求的应用脚本代码的类型编号；
(43)应用脚本代码响应：
SN节点收到其所管理的RN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有RN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的RN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于传感器网络节点数量、重构簇大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点；或者SN节点分析RN节点的上传数据后，主动将相应的应用脚本代码下载给相应的RN节点；和/或
其他SN节点收到该SN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有SN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的SN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于网络节点数量、重构簇的大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点。
现有技术的应用重构方法主要考虑在某些节点失败的情况下进行应用任务的调度和重构，本发明的系统和方法对其进行了改进和创新。由于传感器网络是高度冗余的网络，个别节点的故障是可以忍受的，传感器网络应用重构的主要因素应该是由于环境变化所引起的网络应用的适应与调整，这时候需要重构的传感器节点往往不是某个节点，而是许多个节点，因此本发明的特点是将应用自适应技术引入到传感器节点：在传感器节点上部署一定数量(由于节点存储能力有限)的领域知识，使得传感器节点具有简单逻辑规则的推理智能，能够随着环境数据的变化在设定范围内自适应地调整自己的应用，从而使传感器网络更好地适应长时间无人看管环境下的自动运行和调整的需要。
附图说明
图1是本发明支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统结构组成示意图。
图2是SN节点和RN节点的软件模块结构组成示意图。
图3是本发明无线传感器网络系统进行环境自适应应用重构的实现方法的操作流程图。
图4是传感器节点工作状态自动机的示意图。
图5是知识与工作状态自动机的对应关系图。
图6是相同环境数据对应不同的环境变化条件的状态转移示意图。
图7是传感器节点获取脚本代码的过程中消息交互的时序图。
图8是火灾监控系统实施例中的传感器节点工作状态转移图。
图9是火灾监控系统实施例中的传感器节点温度异常状态转移示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，本发明是一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统，由多个传感器节点、数据汇聚节点和控制节点组成，其中传感器节点有两种：脚本传感器节点SN和重构传感器节点RN，两者都具有动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用脚本代码的功能；传感器节点之间和传感器节点与数据汇聚节点之间采用无线方式通信，数据汇聚节点与控制节点之间采用Internet或其他传统网络通信；该系统采用下述层次架构：
控制节点，位于最上层，用户或管理人员可以通过该节点对该传感器网络系统进行管理和控制；
数据汇聚节点，位于第二层，用作传统网络与传感器网络的接口层，即由该层节点将用户通过控制节点部署的新的应用脚本代码传输到各个传感器节点，并将各个传感器节点感知、采集的数据汇聚传输给控制节点；
脚本传感器节点SN，位于第三层，属于高性能传感器，其设置地点是事先规划的；用于存放自身及其管理范围内的各个RN节点所需要的应用脚本代码，本身设有应用脚本代码执行引擎，能够感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码，与数据汇聚节点进行通信：接收下载的应用脚本代码并存储，并将RN节点发送来的传感数据进行汇聚融合处理后上传；在环境变化而重构应用时，与RN节点进行通信：接收它们的应用脚本代码请求消息，并给它们下传相应的应用脚本代码，或者直接将相应的应用脚本代码主动部署到RN节点上；
重构传感器节点RN，位于最底层，属于低性能传感器，在系统中数量最多、密度最大，它的设置是随机的，不需要事先规划；设有应用脚本代码执行引擎，能够实时感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码；如果RN节点本地没有需要执行的应用脚本代码，将主动向管理它的SN节点请求新的应用脚本代码。
参见图2，介绍本发明中SN节点和RN节点的控制软件结构组成：除了包括传统传感器的路由模块、数据采集模块、数据处理/汇聚模块、I/O接口模块以外，还有分别与路由模块和数据采集模块连接的重构模块；该重构模块由重构决策模块、经验积累模块、知识库和经验库四个子模块组成，其中：
知识库用于存放以逻辑规则的形式表示并在网络初始化阶段部署到节点上的领域知识，传感器节点运用这些知识分析当前采集的环境数据，可以得到环境可能发生的变化信息；
经验库用于存放该传感器节点在运行过程中形成的经验，即用权值表示的某种环境数据可能引起的环境变化的规则的发生概率，权值越高，发生相应变化的概率越高；初始化时经验库为空，随着传感器节点的运行，经验库不断通过经验积累子模块获取并保存经验：各规则的可信度权值；
经验积累子模块负责形成经验，每次传感器节点进行重构决策后，都要用决策判断结果来修改经验库中的经验(即修改经验库中经验的可信度权值)；
重构决策子模块使用知识库中的知识和经验库中的经验对当前环境状态数据进行推理，分析判断当前环境发生的变化，决定是否需要触发应用重构和重构何种应用脚本代码。
参见图3，介绍本发明支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统实现自适应应用重构的方法的五个阶段及其具体操作步骤流程：
(1)对网络和传感器节点进行初始化操作，包括下列三项操作内容：
(11)网络拓扑结构初始化：部署网络时，先规划SN节点位置，再在其周边随机设置多个RN节点，并通过洪泛法使每个节点获知其周围相邻节点的信息，使SN节点作为簇头与其一跳或两跳范围内的RN节点构成一个重构簇，由SN节点管理和存储自身及其所管辖的重构簇内RN节点可能需要的应用脚本代码；
(12)传感器节点知识库初始化：部署SN和RN节点时，根据传感器应用领域的不同需求，人工预先将相关应用领域的知识设置在节点的知识库中；其中应用领域知识是将传感器网络需要监视或用户感兴趣的各种环境异常事件列举出来，再提取可能导致发生这些异常事件的环境数据，该环境数据与异常事件的对应关系就是知识，采用规则形式表示之：P→Q，或IF P THEN Q；式中，前提P为环境数据条件，结论Q为环境异常事件；如果P成立，则发生环境异常事件Q。例如：知识“当环境温度异常(即高于40度)的时候，如果发现环境湿度和温度的比值低于2，那么可以判断所监视的环有发生火灾的危险”可以表示为：
IF(环境温度异常and湿度与温度的比值低于2)THEN(火灾预警)
其中环境数据条件为“环境温度异常且环境湿度与温度的比值低于2”，结论环境异常事件为“有发生火灾的危险”。
(13)传感器节点工作状态初始化：根据传感器节点采样的不同数据类型、采样频率和对采样数据的不同处理方法，选择相应的应用脚本代码，用作传感器节点处于不同工作状态的应用脚本代码；同时，采用有限状态自动机表示该节点各工作状态当前运行的应用脚本代码的种类、在不同环境条件下的相互转化关系，然后设置各传感器节点的初始工作状态(参见图4)。
图4展示了一种传感器节点的工作状态机：节点的初始化工作状态为WS0(一般工作状态)；当周围环境数据发生改变(“环境条件1”发生)，节点的工作状态就发生了变化(从WS0状态转变为WS1状态)；当周围环境再次发生变化(“环境条件2”发生)，节点的工作状态则由WS1变化为WS2。
(2)传感器节点感知环境变化：传感器节点采集所监测的环境数据，并利用知识库中预先设定的领域知识和经验库中积累的经验对环境数据进行分析，判断环境是否发生变化；具体步骤如下：
(21)采集环境数据：传感器节点根据当前所处的工作状态定期采集相应的环境数据；
(22)检测环境是否发生变化：传感器节点先调用知识库中的知识对当前环境数据进行基于规则的分析推理，如果只能得到唯一结论，即根据有限状态自动机转入的下一工作状态是唯一的，则直接执行步骤(3)触发应用重构的操作；如果结论不是唯一的，则利用经验库中的经验，选择最可能发生的下一工作状态作为新的工作状态，同时，将判断结果作为经验存储在节点经验库中，以及重新计算各规则的可信度权值，然后执行步骤(3)。
基于知识的分析推理的具体方法如下：
①利用有限状态自动机实现知识推理
考虑到传感器节点的计算能力有限，不可能使用复杂的基于条件的查询算法，因此本发明使用有限状态自动机模型来实现节点上的基于规则的知识推理过程。该自动机的初始状态为“初始化状态”，每条知识对应自动机的一个转移动作，其中规则的前件P由自动机中的一个转出状态和一个转移条件组成，规则的结论Q对应自动机中的一个转入状态，因此知识：IF(环境温度异常and湿度与温度的比值低于2)THEN(火灾告警)所对应的工作状态自动机中的状态转移动作如图5所示。
图5展示了知识与工作状态自动机的对应关系，表明：将节点当前的环境数据条件作为自动机的输入，就可以得到节点可能的下一工作状态。但是，如果相同的环境数据条件有可能导致不同的工作状态，即其结论不是唯一的时，还要利用经验库中的经验，选择最可能发生的下一工作状态作为新的工作状态。
参见图6，在温度正常状态下，当温度高于40度时，有可能只是温度暂时偏高(比如夏天中午某些地面温度就高于40度)，也有可能是火灾告警(比如冬天的室外温度)，即同样的环境数据条件前提对应了两种不同的结论，此时，仅将当前采集到的环境数据条件作为工作状态自动机的输入，无法得到唯一的节点的下一工作状态，这时候需要利用经验库中的经验进行基于经验的分析推理。
②基于经验的推理
由于在某些情况下，同样的环境数据条件可能符合多条知识，即可能得到多个知识推理结论，这时候就需要运用节点在运行过程中得到的经验，在可能的下一工作状态集合中选择最可能发生(即可信度权值最大的)的一个作为下一工作状态。同时，每次做出一个正确判断后，传感器节点就将该判断结果作为经验存储在节点经验库中。由于节点资源有限，经验库只记录最近几次的推理结果的对应规则，并对这些规则的可信度权值的进行计算：至少分别记录、统计当前记录中每条规则的使用频率、近期连续使用的规则的使用次数和上次使用的规则，将这些结果按设定权值进行处理后，得到的增量为加权值，该加权值与每条规则当前的可信度权值相加之和就是各规则的新的可信度权值，用于下次分析推理。
(3)传感器节点触发应用重构：根据环境的变化，传感器节点判断是否需要触发应用重构，如果需要触发应用重构，则获取重构应用脚本的类型编码并修改经验库，然后顺序执行后续操作；否则，返回步骤(2)；
(31)重构决策：传感器节点将其因环境变化引发的下一工作状态与当前的工作状态进行比较，判断是否需要进行应用重构；如果两者不相同，顺序执行后续操作；否则，不需进行应用重构，返回步骤(2)；
(32)修改经验库：传感器节点根据环境数据与重构决策的结论得到该环境数据与其下一个工作状态之间的对应关系，并根据该关系修改经验库中规则的可信度权值；
(33)获得重构应用脚本的类型编码：传感器节点根据内存中的节点工作状态与节点应用脚本代码类型的对照表，判断需要进行的应用重构的应用脚本代码类型。
(4)传感器节点获取应用脚本代码：包括下列操作步骤：
(41)预备操作：先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，执行获取所需的应用脚本代码的操作；否则，直接返回步骤(2)；
(42)请求下载应用脚本代码：RN节点向其重构簇内的SN节点和/或SN节点向其它SN节点分别发出请求下载应用脚本消息，该消息中包含请求的应用脚本代码的类型编号；
(43)应用脚本代码响应：SN节点收到其所管理的RN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有RN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的RN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于网络节点数量、重构簇的大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点(图7的虚线上半部展示了该过程的消息交互时序图)；或者SN节点分析RN节点的上传数据后，主动将相应的应用脚本代码下载给相应的RN节点；和/或
其他SN节点收到该SN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有SN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的SN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于网络节点数量、重构簇的大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点(图7的虚线下半部展示了该过程的消息交互时序图)。
(5)传感器节点执行应用脚本代码：传感器节点执行新的应用脚本代码，实现了应用任务的重新配置后，返回步骤(2)。
为了具体说明本发明环境自适应应用重构方法的详细执行过程，下面以一个智能大厦火灾监控系统为实施例描述环境自适应应用重构方法的具体步骤。
智能大厦火灾监控系统无线传感器网络的传感器节点RN的工作状态转移图(即有限状态自动机)如图8所示，其中，传感器节点的工作状态有三种：温度监控状态、温湿度监控状态和温度烟感监控状态。
其中涉及的知识有：
知识1：IF(tenv＜40℃ AND sworking＝温度监控)THEN(sworking_next＝温度监控)，在工作状态自动机(参见图8所示)中对应的状态转移为①；
知识2：IF(tenv≥40℃ ANDsworking＝温度监控)THEN(sworking_next＝温湿度监控)，在工作状态自动机(参见图8所示)中对应的状态转移为②；上述式中tenv为当前环境温度，sworking为节点的当前工作状态，sworking_next为节点的下一工作状态。
实施例的应用重构的步骤如下：
(1)传感器网络节点初始化：各节点初始化的工作状态为温度监控状态(如图8所示)，该状态下传感器节点只采集温度数据，且采样频率为1次/秒。
(2)RN节点按照节点当前工作状态的要求采集所监视环境的数据；
(3)RN节点将温度数据值传输给工作状态自动机，当采集到的节点周围的温度低于40℃时，根据知识1(即图8中状态转移①)，得到下一工作状态仍然为sworking_next＝温度监控，因此，此时节点的工作状态保持不变，即执行步骤(2)；
(4)如果温度高于40度(即tenv≥40℃)，则根据节点的工作状态自动机可知，节点的下一工作状态为sworking_next温湿度监控或sworking_next烟感监控；
(5)RN节点根据经验判断最可能发生的状态，例如该实施例中，节点以前出现的环境温度高于40度情况都不是火灾(比如现在是夏天，中午局部温度经常会高于40度)，因此此时节点就可以根据经验判断该条件时的下一状态应该为温湿度监控，即sworking_next＝温湿度监控而不是烟感监控(参见图9)。
(7)处于温湿度监控状态的RN节点需要同时监控温度和湿度数据；
(8)RN判断本节点是否存有采集湿度数据所需要的应用脚本代码，如果有，则直接运行该脚本，返回步骤(2)；否则执行后续操作；
(9)RN判断本节点的剩余能量是否达到规定门限值，如果达到，向其管理节点SN发出应用脚本代码请求消息，如果没有达到，返回步骤(2)；
(10)RN收到SN响应的湿度监控应用代码，运行该应用脚本代码，返回步骤(2)。
以上步骤就是一个具有环境自适应能力的传感器网络应用重构的实施例，该实施例中，传感器节点能够根据周围环境的变化，动态自适应地调整其执行的应用脚本代码，以达到精确、智能的数据采集和火灾监控。
Claims (10)
1、一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统，包括有：多个传感器节点、数据汇聚节点和控制节点，其中传感器节点之间和传感器节点与数据汇聚节点之间采用无线方式通信，数据汇聚节点与控制节点之间采用Internet或其他传统网络通信；其特征在于：所述传感器节点有两种：脚本传感器节点SN和重构传感器节点RN，两者都具有动态感知环境变化和根据环境变化自适应重构节点上应用脚本代码的功能；且所述系统采用下述层次架构：
控制节点，位于最上层，供用户或管理人员通过该节点对传感器网络系统进行管理和控制；
数据汇聚节点，位于第二层，用作传统网络与传感器网络的接口层，即由该层节点将用户通过控制节点部署的新的应用脚本代码传输到各个传感器节点，并将各个传感器节点感知、采集的数据汇聚传输给控制节点；
脚本传感器节点SN，位于第三层，用于存放自身及其管理范围内的各个RN节点所需要的应用脚本代码，设有应用脚本代码执行引擎，能够感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码，与数据汇聚节点进行通信：接收下载的应用脚本代码并存储，并将RN节点发送来的传感数据进行汇聚融合处理后上传；在环境变化而重构应用时，与RN节点进行通信：接收它们的应用脚本代码请求消息，并下传相应的应用脚本代码，或者直接将相应的应用脚本代码主动部署到RN节点；
重构传感器节点RN，位于最底层，设有应用脚本代码执行引擎，能够实时感知其所监视的环境的变化并执行新的应用脚本代码；如果RN节点本地没有需要执行的应用脚本代码，将主动向管理它的SN节点请求新的应用脚本代码。
2、根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：所述SN是高性能传感器节点，它的设置地点是事先规划的；在系统中数量最多、密度最大的RN是低性能传感器节点，它的设置是随机的，不需要事先规划；所述传感器节点执行的传感应用脚本代码包括温度、湿度、烟感的监控程序。
3、根据权利要求1所述的无线传感器网络系统，其特征在于：所述SN节点和RN节点的控制软件除了包括传统传感器的路由模块、数据采集模块、数据处理/汇聚模块、I/O接口模块以外，还有分别与路由模块和数据采集模块连接的重构模块；该重构模块由重构决策模块、经验积累模块、知识库和经验库四个子模块组成，其中：
知识库用于存放以规则表示并在网络初始化阶段部署到节点上的领域知识，以供传感器节点根据其中知识分析当前采集的环境数据，得到环境可能发生的变化信息；
经验库用于存放该传感器节点在运行过程中形成的经验，即用权值表示的某种环境数据可能引起的环境变化的规则的发生概率，权值越高，发生相应变化的概率越高；初始化时经验库为空，随着传感器节点的运行，经验库不断通过经验积累子模块获取并保存经验：各规则的可信度权值；
经验积累子模块负责形成经验，每次传感器节点进行重构决策后，都要用决策判断结果来修改经验库中的经验的可信度权值；
重构决策子模块使用知识库中的知识和经验库中的经验对当前环境状态数据进行推理，判断当前环境发生的变化，决定是否需要触发应用重构和重构何种应用脚本代码。
4、一种支持环境自适应应用重构的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：包括下述步骤：
(1)对网络和传感器节点进行初始化操作；
(2)传感器节点感知环境变化：传感器节点采集所监测的环境数据，并利用知识库中预先设定的领域知识和经验库中积累的经验对环境数据进行分析，判断环境是否发生变化；
(3)传感器节点触发应用重构：根据环境的变化，传感器节点判断是否需要触发应用重构，如果需要触发应用重构，则获取重构应用脚本的类型编码并修改经验库，然后顺序执行后续操作；否则，返回步骤(2)；
(4)传感器节点获取应用脚本代码：先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，执行获取所需的应用脚本代码的操作；否则，直接返回步骤(2)；
(5)传感器节点执行应用脚本代码：传感器节点执行新的应用脚本代码，实现了应用任务的重新配置后，返回步骤(2)。
5、根据权利要求4所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(1)进一步包括下列操作内容：
(11)网络拓扑结构初始化：部署网络时，先规划SN节点位置，再在其周边随机设置多个RN节点，并通过洪泛法使每个节点获知其周围相邻节点的信息，使SN节点作为簇头与其一跳或两跳范围内的RN节点构成一个重构簇，由SN节点管理和存储自身及其所管辖的重构簇内RN节点可能需要的应用脚本代码；
(12)传感器节点知识库初始化：部署SN和RN节点时，根据传感器应用领域的不同需求，人工预先将相关应用领域的知识设置在节点的知识库中；
(13)传感器节点工作状态初始化：根据传感器节点采样的不同数据类型、采样频率和对采样数据的不同处理方法，选择相应的应用脚本代码，用作传感器节点处于不同工作状态的应用脚本代码；同时，采用有限状态自动机表示该节点各工作状态在不同环境条件下的转化关系，以及设置各传感器节点的初始工作状态。
6、根据权利要求5所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(12)中的应用领域知识是通过列举传感器网络需要监视或用户感兴趣的各种环境异常事件，再提取可能导致发生这些异常事件的环境数据条件，该环境数据条件与异常事件的对应关系就是知识，并采用规则形式表示之：P→Q，或IF PTHEN Q；式中，前提P为环境数据条件，结论Q为环境异常事件；如果P成立，则发生结果Q。
7、根据权利要求4所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(2)进一步包括下列操作内容：
(21)采集环境数据：传感器节点根据当前所处的工作状态定期采集相应的环境数据；
(22)检测环境是否发生变化：传感器节点先调用知识库中的知识对当前环境数据进行基于规则的分析，如果只能得到唯一结论，即根据有限状态自动机转入的下一工作状态是唯一的，则直接执行步骤(3)触发应用重构的操作；如果结论不是唯一的，则利用经验库中的经验，选择最可能发生的下一工作状态作为新的工作状态，同时，将判断结果作为经验存储在节点经验库中，以及重新计算各规则的可信度权值，然后执行步骤(3)。
8、根据权利要求4所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(3)进一步包括下列操作内容：
(31)重构决策：传感器节点将其因环境变化引发的下一工作状态与当前的工作状态进行比较，判断是否需要进行应用重构；如果两者不相同，顺序执行后续操作；否则，不需进行应用重构，返回步骤(2)；
(32)修改经验库：传感器节点根据环境数据与重构决策的结论得到该环境数据与其下一个工作状态之间的对应关系，根据该关系修改经验库中规则的可信度权值；
(33)获得重构应用脚本的类型编码：传感器节点根据内存中的节点工作状态与节点应用脚本代码类型的对照表，判断需要进行应用重构的应用脚本代码类型。
9、根据权利要求7或8所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述各规则的可信度权值的计算方法是：至少分别记录、统计当前记录中每条规则的使用频率、近期连续使用的规则的使用次数和上次使用的规则，将这些结果按设定权值进行处理后，得到的增量为加权值，该加权值与每条规则当前的可信度权值相加之和就是各规则的新的可信度权值，用于下次分析推理。
10、根据权利要求4所述的无线传感器网络系统的工作方法，其特征在于：所述步骤(4)进一步包括下列操作内容：
(41)预备操作：先判断本地是否已经存有下一工作状态对应的应用脚本代码，如果有，跳转执行步骤(5)；如果不存在，再判断本节点的剩余能量是否达到设定门限值，若是，顺序执行后续操作；否则，直接返回步骤(2)；
(42)请求下载应用脚本代码：RN节点向其重构簇内的SN节点和/或SN节点向其它SN节点分别发出请求下载应用脚本消息，该消息中包含所请求的应用脚本代码的类型编号；
(43)应用脚本代码响应：
SN节点收到其所管理的RN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有RN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的RN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于传感器网络节点数量、重构簇大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点；或者SN节点分析RN节点的上传数据后，主动将相应的应用脚本代码下载给相应的RN节点；和/或
其他SN节点收到SN节点的请求下载脚本消息后，查询其本地应用脚本代码库，如果有SN节点请求的应用脚本代码，就将该应用脚本代码发送给请求的SN节点；否则，向其他簇的SN节点有限次地查询该应用脚本代码，查询次数取决于网络节点数量、重构簇的大小和节点剩余能量，如果获得所需脚本代码，则将该脚本代码传送给请求的RN节点。
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