CN101022462A - 一种增大无线传感器网络监测范围的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种增大无线传感器网络监测范围的方法，属于无线通信技术领域。本发明在无线传感器网络协议IEEE 802.15.4和Zigbee的基础上，针对数据密度低、监控面积大的场合改进其网络拓扑结构。仅在多条网格线中的一条上布置全功能节点和部分功能节点(数据传输节点)，以降低测试节点的总体密度，但数据仍然能够延这条网格线向远端传递，保持了传感器网络的自组织性。同时为了保持传感器网络的鲁棒性，在数据传输的通路上布置密度高于协议密度的只具有数据传输功能的节点，使数据能够在网格线上延多条路径传递，在部分节点失效的情况下仍能正常工作。本发明能够大幅度降低网络的成本，扩增网络的监控范围。特别适宜森林火警预报，水污染监测等应用领域。

Description

一种增大无线传感器网络监测范围的方法

技术领域：

本发明涉及一种增大无线传感器网络监测范围的方法，属于无线通信技术领域。

技术背景：

无线传感器网络是由具有环境状态(温度、湿度、气压等)测试能力和无线通讯能力的智能节点自动组成的测控网络，其中每个节点都采用电池供电，通过无线传感器网络可以在恶劣的无人值守环境中实现实时监测环境状态的功能。

该技术能够使用无线通讯的方式自动组织数据传输网络，省去了传统测控网络布线和网络维护的巨大麻烦，能在根本无法布线的野外使用；另一方面系统采用电池供电，可以在没有可靠电源的复杂环境中工作，随着新的电源管理技术的不断完善，电池可以工作数月甚至数年时间不需更换，大大的方便了用户，所以无线传感器网络技术一出现就引起了有关用户和专家的高度重视。为了规范这项技术的发展，国际电子和电气工程师学会起草和发布了关于传感器网络的标准IEEE802.15.4，各大半导体公司也联合推出了基于无线通讯的ZigBee协议以支持无线传感器网络的发展。

为了防止无线传感器网络无线通讯信号对其他无线设备(如手机、蓝牙设备和其他无线传感器网络等)的干扰，无线传感器网络通讯工作在频率非常高的ISM(工业、科研、医疗)频段，且发射功率很低(一般要求在10dBm以下)，工作环境复杂，发射和接收用的天线受到体积和成本的限制，网络节点之间不可能建立长距离的可靠连接。为了解决这个问题，现有技术中通过增加网络节点数和使节点具有智能转发功能来提高IEEE802.15.4网络的鲁棒性和监测范围。具体做法如图如附图1、2所示，节点之间形成一个二维的测试网络，测试数据可以在这个网络上通过延任意可行的路径传递，即数据传递具有“多途性”，当任何一条路径出现问题时可以通过别的路径传递数据。但该方法要求相邻的两个节点之间的距离必须小于传感器网络无线通讯的最长距离，系统必须提供和监控面积成正比和通讯距离平方成反比的网络节点数目来达到网络的鲁棒性，极大地增加了构建无线传感器网络的成本。因此，该方法仅适宜仓库温湿度监控、智能楼宇系统等室内小面积检测系统的要求，而不适宜森林防火，湖泊、河流水污染监控等监控面积大、数据密度低的应用领域。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有传感器网络技术不适合于监控面积大、数据密度低的应用领域的特点，提供一种通过改变无线传感器网络协议IEEE 802.15.4和Zigbee的网络拓扑结构及节点功能，达到降低网络总体节点密度和网络总体成本并增大无线传感器网络监测范围的方法。

本发明是这样实现的：本发明在无线传感器网络协议IEEE 802.15.4和Zigbee的网络拓扑结构的基础上改进而成。具体为：仅在n条网格线中的一条上布置测试和数据传输的节点，以在保持网络的自组织性的同时降低测试节点的密度；在数据的传输通路上不再布置具有测试能力的节点，取而代之的是密度更高的只具有传输功能的节点。新的网络拓扑结构如图3所示。测试数据在节点密度较高的数据传输通道上传递的模型如图4所示。任意节点之间的距离全部小于两个节点之间传递信息的最大距离d，即有：d1＜d，d2＜d，d3＜d，d4＜d，k＜d。这样信息就可以在它们之间的任意两个之间传输了，虽然它们成线状分布，但信息传递仍然具有IEEE802.15.4赋予网络的“多途性”。即当网络中的节点出现问题时，由于远端的信息还可以跳过这个节点传递，所以部分节点失效时不会使整个网络瘫痪。例如，节点B出现问题时信息A点的信息可以直接传递各C、D、E等各个节点，而绕过出问题的B直接传送到远方。这种增大信息传递通道上节点密度的方法解决了降低密度的传感器网络的容错性降低的问题，提高了网络的鲁棒性。

通过现有的计算式计算本发明的拓扑结构的网络的成本。则成本UN估算公式为：

U_N＝U_a+U_p    (1)

其中U_N为总成本，U_p为只具有传输功能的所有节点的总成本，U_a为既具有测试功能又具有数据传输功能的所有节点的总成本。(1)可进一步展开为：

$U_N=\frac{\mathrm{\η}\·S\·p}{d_0^2\·n^2}+\frac{\mathrm{\η}\·n\·g\·S\·(\mathrm{\ζ}\·p)}{d_0^2\·n^2}---\left(2\right)$

其中，原传感器网络节点之间的距离为d₀，需要传感器网络监测的面积为S，n表示网络节点密度降低的比例，即原来的n条网格线中只有一条上还保留由网络节点。p为每个既具有传输功能又具有测试功能的节点的成本，ζ·p为只具有传输功能的节点的成本，ζ为一个小于1的比例常数。g为在数据传输主干道上传输节点的密度加大的倍数，是一个大于1的比例常数。η为一个大于1的常数，是一个关于监控区域面积和周长的常数。

进一步化简(2)得到：

$U_N=\mathrm{\η}\frac{S}{d_0^2}p\frac{1+n\·\mathrm{\ζ}\·g}{n^2}---\left(3\right)$

对比(3)和使用老的网络拓扑结构时的成本估算公式： $U_L=\mathrm{\η}\frac{S}{d_0^2}p,$ 可以发现：当n远大于1，而ζ·g小于n时新网络的成本将小于老的拓扑结构的网络的成本。网络总体成本降低的原因主要是：其一，总体上看图3所示的新型网络拓扑结构的节点密度大大降低；其二，在信息传递通道上采用了没有测试功能的部分功能节点。由于成本的大幅度降低，在使用相同投资总金额的条件下，可以监控大得多的范围，使传感器网络技术应用到需要测试面积较大的应用领域中。

另外在信息传递通道上采用没有测试功能的部分功能节点，这些节点不产生测试数据。使得能产生测试数据的全功能节点在整个测试空间的分布仍然是均匀的，它们产生的数据在整个测试空间最据代表性。本发明的方法避免了由于大量不具有代表性的数据在网络上传递造成的数据通道堵塞和浪费电池电能的现象。

最后可以发现，虽然有的节点之间的距离大于无线传输芯片通讯的最大距离，但是信息仍然能够在由全功能节点和部分功能节点组成的数据传输通道上传递，从而构成测试网络，保持了IEEE 802.15.4和Zigbee赋予网络的自组织性。另外，由于在信息传递通道上节点密度高于传统的传感器网络，当网络中的部分节点出现问题不能正常工作时，信息能够越级传输，也保持了IEEE 802.15.4和Zigbee赋予网络的鲁棒性。

本发明与现有技术相比，具有无线传感器网络监测的范围增大，成本价格较低，具有较好的经济效益等优点。特别适宜森林火警预报，水污染监测等应用领域。

附图说明：

图1为无线传感器网络标准IEEE802.15.4规定无线传感器网络工作原理示意图。图中方形图标为全功能无线测试节点。

图2为传统的无线传感器网络拓扑结构示意图。图中方形图标为全功能无线测试节点，原形图标为基站节点。

图3为本方法的降低无线传感器网络节点密度从而增大无线传感器网络监测范围的拓扑结构示意图。图中方形图标为全功能无线测试节点，原形图标为基站节点，三角形图标为只具有传输功能的节点。

图4为本方法的测试数据在高节点密度的数据传输通道上传递的模型。图中三角形图标为只具有传输功能的节点。

具体实施方式：

实施例1(森林火警监控)：

监控一个50平方千米的成正方形的林区内的温度、湿度和风速。如果采用传统的传感器网络拓扑结构(图2所示)，取η为1.2，根据传统的计算式计算，需要6000个节点，成本30万元，且得到的数据是监控范围内每隔100米距离的温湿度和风速数据。由于数据是监控范围内的间隔短，所以，数据量非常巨大，每个节点将花费大量的时间和电池电力用于传输数据，其成本高。

根据实际防火工作经验，林区内温度、湿度和风速在空间上变化较慢，相差100米左右的两个地点的温度、湿度和风速基本相同，本发明采取间隔1000米的温度、湿度和风速数据作为森林火警预报的数据。

为了增加网络的鲁棒性，增大了信息传递主干道上的部分功能网络节点的密度，本发明在主干道上每隔30米设一个只具有传输功能的节点，此时，主干道上传输节点密度加大的倍数

根据计算式测算出每个既具有数据传输又具有测试功能的节点的成本为p＝50元，而每个只具有传输功能的节点的成本ζ·p＝30元，即ζ＝0.6。如果采用原来的网络结构，网络节点之间的距离受到无线通讯芯片的限制，通讯距离d₀＝100米。将不同的通讯距离通过计算，本发明密度仅为原来的 $n=\frac{1000}{100}=10$ 倍。再将以上数据带入(3)计算得到采用新拓扑结构的网络的成本为：U_N＝6.30万元，远低于原来网络结构的成本30万元。

实际应用表明，本发明的方法不仅能够增大无线传感器网络监测的范围，而且成本价格较低，具有较好的经济效益。

实施例2(湖泊、河流水污染监控)

同实施例1。

Claims (1)

1、一种增大无线传感器网络监测范围的方法，其特征在于该方法改进无线传感器网络协议IEEE 802.15.4和Zigbee的网络拓扑结构，仅在n条网格线中的一条上布置无线传感器网络全功能节点和部分数据传输节点，同时在数据传输的通路上布置密度高于协议密度的只具有数据传输功能的节点。

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