CN101459978A - 无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，包括传感器网络中各传感器节点采用基于动态工作周期调整的高可靠网络组织方法和传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用基于2阶段重传的高可靠数据传输方法。在网络组织可靠性保障方面，将传感器节点的工作模式划分为正常工作和网络修复两种模式，并通过动态工作周期调整保证节点在两种模式下都能进行间歇工作，从而同时保证节点低功耗特性和快速网络修复能力。在数据传输可靠性保障方面，采用了基于2阶段重传的高可靠数据传输方法，保证在出现数据传输错误甚至链路中断时的数据完整性，并将数据传输错误对于数据实时性的影响降至最低。

Description

无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法

技术领域

本发明涉及无线传感器网络数据传输问题，特别是一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法。

背景技术

目前，无线传感器网络由于其低功耗、部署便捷等优势越来越广泛地应用在数据采集应用中。在许多数据采集应用，如环境监测、建筑物结构监测中，对于数据可靠性，包括实时性和完整性有很高的要求。

由于无线通信的不可靠性，数据传输错误、链路中断等问题严重影响着无线传感器网络中数据采集传输的可靠性。然而，目前尚未出现针对无线传感器网络中数据采集传输可靠性保障的相关专利。为保证数据传输可靠性，需首先保证可靠网络组织，目前常用的路由可靠性保障技术如文献[1]]X.H.Hu，Y.Liu，M.J.Lee，and T.N.Saadawi.Route update and repairin wireless sensor networks.In IEEE Conference on ConsumerCommunications and Networking(CCNC 2004)，January 2004.和文献[2]Y.H.Liu，H.Y.Zhu，K.H.Xu，and W.Teng.An Improved Route Repair Approachof Wireless Sensor Networks.In Proceedings of the lst InternationalMulti-Symposiums on Computer and Computational Sciences(IMSCCS 2006)，June 2006.在同步间歇工作的传感器网络中存在无法修复时间同步的不足。因此文献[3]C.Hartung，R.Han，C.Seielstad，S.Holbrook.FireWxNet：AMulti-Tiered Portable Wireless System for Monitoring Weather Conditions inWildland Fire Environments.In 4th International Conference on MobileSystems，Applications，and Services(MobiSys 2006)，June 2006.和文献[4]I.Marl′n，J.Arias，E.Arceredillo，A.Zuloaga，I.Losada，J.Mabe.LL-MAC：Alow latency MAC protocol for wireless self-organised networks.InMicroprocessors and Microsystems，Elsevier，pp.197-209，June 2008.采用了周期信标广播的方法实现可靠网络组织。然而该方法存在功耗较高的问题。在可靠数据传输方面，文献[5]F.Stann and J.Heidemann.RMST：reliable data transport in sensor networks.In IEEE Internet Workshop onSensor Network Protocols and Applications(SNPA 2003)，May 2003.和文献[6]C.Y.Wan，A.T.Campbell，and L.Krishnamurthy.PSFQ：a reliabletransport protocol for wireless sensor networks.In International Workshop onWireless Sensor Networks and Applications(WSNA 2002)，September 2002.描述了基于逐跳重传的数据传输可靠性保障方法，然而，这些方法没有考虑链路中断时数据完整性保证问题。文献[7]B.Deb，S.Bhatnagar and B.Nath.ReInForM：Reliable Information Forwarding Using Multiple Paths inSensor Networks.In 28th Annual IEEE International Conference on LocalComputer Networks(LCN 2003)，October 2003.采用了多重传输，文献[8]

.B.Akan，I.F.Akyildiz.Event-to-Sink ReliableTransport in Wireless SensorNetworks.In IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORKING，Vol.13，No.5，October 2005.采用了报告速率调整以提高数据成功传输概率，这些方法并无法保证数据完整传输。文献[9]R.Patra，S.Nedevschi.DTNLite：AReliable DataTransfer Architecture for Sensor Networks.Technical report，CSBerkeley，2003.则提出了保管传输的方法来保证在链路中断时的数据完整性，但是，该种方法没有同时考虑实时性和完整性的数据可靠性要求。若要保证数据完整性则要求存储大量数据，而单纯采用EEPROM或Flash无法同时满足快速写入和大容量存储的需求。

发明内容

一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，设置无线传感器网络中的传感器节点处于间歇工作状态，分为唤醒状态和休眠状态，唤醒状态即为活动状态，即传感器节点周期性地进行唤醒/休眠，以减小传感器节点的能量消耗。

传感器网络中采用基于周期性信标的广播技术和动态工作周期调整方法进行无线传感器网络的组织和维护，其中周期性信标是一种包含路由发现信息和时间同步信息的数据包。

设置无线传感器网络中的传感器节点的两种工作模式：正常工作模式和网络修复模式，并通过动态工作周期调整保证节点在两种模式下都能进行间歇工作，从而同时保证节点低功耗特性和快速网络修复能力；

当传感器节点已工作于网络中时，其处于正常工作模式，传感器节点处于正常工作模式时的工作周期为T_NC，活动时间为T_NA，在活动时间T_NA内传感器节点进行网络组织，数据采集、发送和转发；当传感器节点无法找到网络，即可能出现于新节点加入或通信错误持续时，传感器节点进入网络修复模式，传感器节点处于网络修复模式时的工作周期为T_RC，活动时间为T_RA，在活动时间T_RA内传感器节点进行数据采集，同时进行信道监听以捕获信标。

传感器网络中各传感器节点采用基于动态工作周期调整的高可靠网络组织方法包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，传感器节点处于网络修复模式或正常工作模式；

(2)判断传感器节点是否连续数个周期未收到信标，若是，执行步骤(4)，若否，执行步骤(3)；

(3)传感器节点维持正常工作模式，设置传感器节点的活动时间为T_NA，直至活动时间结束，即T_NA为0；

执行步骤(6)；

(4)传感器节点维持或进入网络修复模式，设置传感器节点的活动时间为T_RA，T_RA满足以下公式：T_RA＝T_NC；

(5)判断传感器节点在活动时间T_RA内是否捕获到周期性信标，

若是，则返回正常工作模式活动，并将剩余活动时间设为0；

执行步骤(6)；

若否，传感器节点在网络修复模式下活动直至活动时间结束，即T_RA为0；执行步骤(6)；

(6)判断传感器节点所处的模式，

若传感器节点处于正常工作模式，则设置传感器节点的休眠时间为T_NC-T_NOW，其中T_NOW为在活动时间内用去的时间；

若传感器节点处于处于网络修复模式，则设置休眠时间为T_RC-T_NOW；T_RC由公式 $T_{\mathrm{RC}\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}},& \mathrm{if}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}}<T_{\max }\\ T_{\max },& \mathrm{else}\end{array}\right.$ 计算得到，其中T_RC(i)表示经过连续i个T_RC无法找到网络后的T_RC，T_max是一个用于防止过慢网络恢复速度的阈值；

(7)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入唤醒状态。

在数据传输可靠性保障方面，传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用逐跳的数据传输可靠性保证机制，即每个传感器节点只负责保证到上一跳的数据可靠传输，传感器节点暂时缓存发送或转发的数据，当数据传输出现错误时，传感器节点重传该数据，保证在出现数据传输错误甚至链路中断时的数据完整性，并将数据传输错误对于数据实时性的影响降至最低。

所述的传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用基于2阶段重传的高可靠数据传输方法将数据重传分为周期内和周期间重传2个阶段，包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，判断安全失败缓存中是否有数据；

若有，传感器节点从安全失败缓存中读取数据，与本周期内的数据融合后执行步骤(2)；

若无，执行步骤(2)；

(2)传感器节点开始尝试发送数据；

(3)判断传感器节点数据是否发送成功，若是，执行步骤(4)；若否，执行步骤a；

a传感器节点立即重新尝试发送数据，在周期内数据发送次数的阈值内，若数据发送成功则转到步骤(4)，

若数据发送失败重复步骤a数次，直至达到周期内数据发送次数的阈值，执行步骤b；

b传感器节点通过二级缓存方法将数据存储在安全失败缓存中，执行步骤(4)；

(4)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入下一个活动周期，即唤醒状态。

其中安全失败缓存由一个按字节操作的小容量存储器R1和一个按块操作大容量存储器R2构成。其中，存储器R1作为快速缓存以减少数据写入的时间开销。同时，存储器R1还用于存放管理缓存信息的数据结构，以避免将数据结构存放在内存中导致的掉电后信息丢失问题。存储器R2作为存储器R1的二级缓存，在存储器R1空闲空间不足时将存储器R1中的数据移入存储器R2，从而大大提高缓存容量，采用EEPROM存储器作为存储器R1，采用大容量FLASH存储器作为存储器R2。R1和R2都是非易失性存储器，其写入次数均是受限的。存储器R1分为两部分：管理区和数据区，管理区分为数十个块，每块中都可存放一个管理数据结构，每个管理数据结构包括以下字段：块起始标志(S)、块写入次数(C_P)、R1读指针(I_F1)、R1写指针(I_P1)、R2读指针(I_F2)、R2写指针(I_P2)、奇偶校验位(R)，数据区用来缓存数据，存储器R2则完全用于缓存数据。

所述的二级缓存方法，利用循环存储的方法避免对非易失性存储器进行重复写入操作导致存储器快速损坏的问题，包括以下步骤：

(1)存储器设备上电，在存储器R1管理区中定位当前管理数据结构所在位置；

(2)若无法定位，则将所有管理区数据块置空，并将当前管理数据结构所在位置定位为第0块；

(3)传感器节点开始对安全失败缓存进行读操作和写操作。

所述的在存储器R1管理区中定位当前管理数据结构所在位置的方法包括以下步骤：

(1)设置搜索指针i为0；

(2)搜索第i块；

(3)如第i块上块起始标志(S)为空值，则令i＝i+1，并转到步骤(2)；

(4)当第i块上块起始标志(S)不为空值时，则确定该块为当前管理数据结构的存放块。

所述的传感器节点对安全失败缓存进行写操作的方法包括以下步骤：

(1)传感器节点将需缓存数据按字节写入存储器R1中地址为R1写指针(I_P1)之处，数据量记为L_P；

(2)如存储器R1中的数据量大于等于阈值L_T，将存储器R1中起始地址为R1读指针(I_F1)，长度为L_T的数据读入处理器；

(3)将来自存储器R1的数据按块写入到存储器R2中地址为R2写指针(I_P2)之处；

(4)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_T；并更新管理数据结构中的R2写指针(I_P2)，令I_P2＝I_P2+L_T；

(5)更新管理数据结构中的R1写指针(I_P1)，令I_P1＝I_P1+L_P；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)若当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于阈值，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

所述的传感器节点对安全失败缓存进行读操作的方法包括以下步骤：

(1)传感器节点从存储器R1中地址为R1读指针(I_F1)处读取所需数据，直至读取数据量满足所需数据量，或R1读指针(I_F1)等于R1写指针(I_P1)，所需数据量记为L_F，实际读取数据量记为L_F’；

(2)若L_F’<L_F，则检查R2读指针(I_F2)是否等于R2写指针(I_P2)；

(3)若R2读指针(I_F2)不等于R2写指针(I_P2)，则从存储器R2中地址为R2读指针(I_F2)处读取长度为L_F-L_F’的数据；

(4)更新管理数据结构中的R2读指针(I_F2)，令I_F2＝I_F2+L_F-L_F’；

(5)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_F’；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)如当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于阈值，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

本发明的一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性方法，主要包括网络组织可靠性和数据传输可靠性保障两部分。在网络组织可靠性保障方面，将传感器节点的工作模式划分为正常工作和网络修复两种模式，并通过动态工作周期调整保证节点在两种模式下都能进行间歇工作，从而同时保证节点低功耗特性和快速网络修复能力。同时，在数据传输可靠性保障方面，采用了基于2阶段重传的高可靠数据传输方法，保证在出现数据传输错误甚至链路中断时的数据完整性，并将数据传输错误对于数据实时性的影响降至最低。

附图说明

图1是本发明无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法的工作示意图；

图2是本发明所述无线传感器网络中高可靠网络组织方法流程图；

图3是本发明所述无线传感器网络中高可靠数据传输方法流程图；

图4是本发明所述二级缓存管理数据结构字段示意图；

图5是本发明所述存储器R1中管理数据结构定位方法流程图；

图6是本发明所述二级缓存写入流程图；

图7是本发明所述二级缓存读取流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性方法的实施例进行详细说明。

一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，设置无线传感器网络中的传感器节点处于间歇工作状态，分为唤醒状态和休眠状态，唤醒状态即为活动状态，以减小传感器节点的能量消耗。

传感器网络中采用基于周期性信标的广播技术和动态工作周期调整方法进行无线传感器网络的组织和维护，其中周期性信标是一种包含路由发现信息和时间同步信息的数据包。

设置无线传感器网络中的传感器节点的两种工作模式：正常工作模式和网络修复模式，并通过动态工作周期调整保证节点在两种模式下都能进行间歇工作，从而同时保证节点低功耗特性和快速网络修复能力。

当传感器节点已工作于网络中时，其处于正常工作模式，传感器节点处于正常工作模式时的工作周期为T_NC，活动时间为T_NA，在活动时间T_NA内传感器节点进行网络组织，数据采集、发送和转发；当传感器节点无法找到网络，即可能出现于新节点加入或通信错误持续时，传感器节点进入网络修复模式，传感器节点处于网络修复模式时的工作周期为T_RC，活动时间为T_RA，在活动时间T_RA内传感器节点进行数据采集，同时进行信道监听以捕获信标。

如图1所示，传感器节点的工作流程如下：

(1)假设传感器节点目前处于修复模式，并进入活动时间进行网络监听以捕获信标。

(2)如在活动时间内成功捕获信标，节点进入正常工作模式，并转到步骤(3)。如在活动时间内无法捕获到信标，则转到步骤(9)。

(3)节点进行数据传输。当出现数据传输错误时，节点利用2阶段重传的高可靠数据传输方法防止数据丢失。节点将首先在本活动时间内连续尝试重新发送数据2次。

(4)如仍然无法成功发送数据，则将数据保存到安全失败缓存。节点将首先将数据保存到存储器R1中，如此时中数据量大于阈值L_T(50％)即阈值L_T为R1容量的50％，则将R1中的数据全部读出，并写入存储器R2中。然后节点进行管理数据结构更新，如R1管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于900000，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

(5)节点进入休眠状态。

(6)在下一个周期唤醒时，如节点处于正常工作模式，则监听信标进行路由和时间同步信息更新，并转到步骤(7)，否则转到步骤(9)。

(7)节点准备进行数据传输。节点首先判断安全失败缓存中是否有数据。如有，则进行数据读取，并与本周期采集得到的数据融合。节点将首先从存储器R1中读取数据，如R1中的数据量不足以满足本周期数据发送所需数据量，则节点继续从存储器R2中读取数据，直至读取数据量达到发送所需数据量，或存储器R1、R2中没有缓存数据。然后节点进行管理数据结构更新，如存放块中写入次数(C_P)大于900000，则将管理数据结构移动到下一个存放块。执行步骤(3)-(5)。

(8)如节点处于正常工作模式，并且连续6个工作周期无法捕获到信标，则节点进入网络修复模式，并修改其工作周期，转入步骤(9)。

(9)节点进入活动时间内进行信标监听，并执行步骤(4)-(5)以保证数据完整性与低功耗。

(10)如在活动时间内未监听到信标，则保持网络修复模式，并增大其工作周期以节省能量，工作周期最大阈值T_max一般设为正常模式下工作周期(T_NC)的10倍，转到步骤(5)。

如在活动时间内成功捕获信标，则调整其启动时间和工作周期，则返回正常工作模式。转到步骤(5)。

其中传感器网络中各传感器节点采用基于动态工作周期调整的高可靠网络组织方法如图2所示，包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，传感器节点处于网络修复模式或正常工作模式；

(2)判断传感器节点是否连续6个周期未收到信标，若是，执行步骤(4)，若否，执行步骤(3)；

(3)传感器节点维持正常工作模式，设置传感器节点的活动时间为T_NA，直至活动时间结束，即T_NA为0；

执行步骤(6)；

(4)传感器节点维持或进入网络修复模式，设置传感器节点的活动时间为T_RA，T_RA满足以下公式：T_RA＝T_NC；

(5)判断传感器节点在活动时间T_RA内是否捕获到周期性信标，

若是，则返回正常工作模式活动，并将剩余活动时间设为0；执行步骤(6)；

若否，传感器节点在网络修复模式下活动直至活动时间结束，即T_RA为0；执行步骤(6)；

(6)判断传感器节点所处的模式，

若传感器节点处于正常工作模式，则设置传感器节点的休眠时间为T_NC-T_NOW，其中T_NOW为在活动时间内用去的时间；

若传感器节点处于处于网络修复模式，则设置休眠时间为T_RC-T_NOW；T_RC由公式 $T_{\mathrm{RC}\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}},& \mathrm{if}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}}<T_{\max }\\ T_{\max },& \mathrm{else}\end{array}\right.$ 计算得到，其中T_RC(i)表示经过连续i个T_RC无法找到网络后的T_RC，T_max是一个用于防止过慢网络恢复速度的阈值，较大的T_max可以降低在出现长时间网络组织失败时节点的功耗，但同时也会降低网络组织修复的速度，所以这里T_max设为正常模式下工作周期(T_NC)的10倍；

(7)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入唤醒状态。

其中传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用基于2阶段重传的高可靠数据传输方法如图3所示，该方法将数据重传分为周期内和周期间重传2个阶段，包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，判断安全失败缓存中是否有数据；

若有，传感器节点从安全失败缓存中读取数据，与本周期内的数据融合后执行步骤(2)；

若无，执行步骤(2)；

(2)传感器节点开始尝试发送数据；

(3)判断传感器节点数据是否发送成功，若是，执行步骤(4)；若否，执行步骤a；

a 传感器节点立即重新尝试发送数据，在周期内数据发送次数的阈值内，若数据发送成功则转到步骤(4)，

若数据发送失败，则重复步骤a直至达到周期内数据发送次数的阈值。周期内数据发送次数的阈值取决于功耗和数据实时性的权衡。较大的阈值在网络通信成功率较低时可有效提高数据实时性，但同时带来较大的网络流量，甚至超过节点在一个周期内能够发送数据量的上限；较小的阈值可降低网络流量，但同时导致较差的数据实时性。这里该阈值取经验值2。执行步骤b；

b 传感器节点通过二级缓存方法将数据存储在安全失败缓存中，执行步骤(4)；

(4)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入下一个活动周期，即唤醒状态。

其中安全失败缓存由一个按字节操作的小容量存储器R1和一个按块操作大容量存储器R2构成。采用EEPROM存储器作为存储器R1，采用大容量FLASH存储器作为存储器R2。R1和R2都是非易失性存储器，其写入次数均是受限的。存储器R1分为两部分：管理区和数据区。管理区总大小为512字节，块数量N为32，每块大小为16字节。每块中可存放一个管理数据结构，如图4所示。其中，块起始标志(S)为2字节，块写入次数(C_P)为3字节，R1读指针(I_F1)和R1写指针(I_P1)长度为2字节，R2读指针(I_F2)和R2写指针(I_P2)长度为3字节，奇偶校验位(R)为1字节。数据区用来缓存数据。存储器R2则完全用于缓存数据。

其中在存储器R1中进行循环存储时定位当前管理数据结构所在位置的方法如图5所示，包括以下步骤：

(1)设置搜索指针i为0；

(2)搜索第i块；

(3)如第i块上块起始标志(S)为空值，则令i＝i+1，并转到步骤(2)；

(4)当第i块上块起始标志(S)不为空值时，则确定该块为当前管理数据结构的存放块。

其中传感器节点对安全失败缓存进行写操作的方法如图6所示，包括以下步骤：

(1)传感器节点将需缓存数据按字节写入存储器R1中地址为R1写指针(I_P1)之处，数据量记为L_P；

(2)如存储器R1中的数据量大于等于阈值L_T(50％)，将存储器R1中起始地址为R1读指针(I_F1)，长度为L_T的数据读入处理器；

(3)将来自存储器R1的数据按块写入到存储器R2中地址为R2写指针(I_P2)之处；

(4)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_T；并更新管理数据结构中的R2写指针(I_P2)，令I_P2＝I_P2+L_T；

(5)更新管理数据结构中的R1写指针(I_P1)，令I_P1＝I_P1+L_P；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)若当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于900000，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

其中传感器节点对安全失败缓存进行读操作的方法如图7所示，包括以下步骤：

(1)传感器节点从存储器R1中地址为R1读指针(I_F1)处读取所需数据，直至读取数据量满足所需数据量，或R1读指针(I_F1)等于R1写指针(I_P1)。所需数据量记为L_F，实际读取数据量记为L_F’；

(2)若L_F’<L_F，则检查R2读指针(I_F2)是否等于R2写指针(I_P2)；

(3)若R2读指针(I_F2)不等于R2写指针(I_P2)，则从存储器R2中地址为R2读指针(I_F2)处读取长度为L_F-L_F’的数据；

(4)更新管理数据结构中的R2读指针(I_F2)，令I_F2＝I_F2+L_F-L_F’；

(5)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_F’；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)如当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于900000，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

Claims (9)

1.一种无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，

设置无线传感器网络中的传感器节点处于间歇工作状态，分为唤醒状态和休眠状态；

设置无线传感器网络中的传感器节点的两种工作模式：正常工作模式和网络修复模式；

传感器节点处于正常工作模式时的工作周期为T_NC，活动时间为T_NA，在活动时间T_NA内传感器节点进行网络组织，数据采集、发送和转发；

传感器节点处于网络修复模式时的工作周期为T_RC，活动时间为T_RA，在活动时间T_RA内传感器节点进行数据采集，同时进行信道监听以捕获信标；

包括：

1)传感器网络中各传感器节点采用基于动态工作周期调整的高可靠网络组织方法；和

传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用基于2阶段重传的高可靠数据传输方法。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的周期性信标是一种包含路由发现信息和时间同步信息的数据包。

3.根据权利要求1所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的传感器网络中各传感器节点采用基于动态工作周期调整的高可靠网络组织方法包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，传感器节点处于网络修复模式或正常工作模式；

(2)判断传感器节点是否连续数个周期未收到信标，若是，执行步骤(4)，若否，执行步骤(3)；

(3)传感器节点维持正常工作模式，设置传感器节点的活动时间为T_NA，直至活动时间结束，即T_NA为0；

执行步骤(6)；

(4)传感器节点维持或进入网络修复模式，设置传感器节点的活动时间为T_RA，T_RA满足以下公式：T_RA＝T_NC；

(5)判断传感器节点在活动时间T_RA内是否捕获到周期性信标，若是，则返回正常工作模式活动，并将剩余活动时间设为0；执行步骤(6)；

若否，传感器节点在网络修复模式下活动直至活动时间结束，即T_RA为0；执行步骤(6)；

(6)判断传感器节点所处的模式，

若传感器节点处于正常工作模式，则设置传感器节点的休眠时间为T_NC-T_NOW，其中T_NOW为在活动时间内用去的时间；

若传感器节点处于处于网络修复模式，则设置休眠时间为T_RC-T_NOW；T_RC由公式 $T_{\mathrm{RC}\left(i\right)}=\left\{\begin{array}{cc}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}},& \mathrm{if}{2}^{i-1}{T}_{\mathrm{init}}<T_{\max }\\ T_{\max },& \mathrm{else}\end{array}\right.$ 计算得到，其中T_RC(i)表示经过连续i个T_RC无法找到网络后的T_RC，T_max是一个用于防止过慢网络恢复速度的阈值；

(7)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入唤醒状态。

4.根据权利要求1所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的传感器网络中各传感器节点之间及与汇聚节点之间采用基于2阶段重传的高可靠数据传输方法将数据重传分为周期内和周期间重传2个阶段，包括以下步骤：

(1)传感器网络中的传感器节点休眠时间结束后进入唤醒状态，判断安全失败缓存中是否有数据；

若有，传感器节点从安全失败缓存中读取数据，与本周期内的数据融合后执行步骤(2)；

若无，执行步骤(2)；

(2)传感器节点开始尝试发送数据；

(3)判断传感器节点数据是否发送成功，若是，执行步骤(4)；若否，执行步骤a；

a传感器节点立即重新尝试发送数据，在周期内数据发送次数的阈值内，若数据发送成功则转到步骤(4)，

若数据发送失败重复步骤a数次，直至达到周期内数据发送次数的阈值，执行步骤b；

b传感器节点通过二级缓存方法将数据存储在安全失败缓存中，执行步骤(4)；

(4)传感器节点进入休眠状态，直至休眠时间结束进入下一个活动周期，即唤醒状态。

5.根据权利要求4所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的用于实现二级缓存方法的安全失败缓存由一个按字节操作的小容量存储器R1和一个按块操作大容量存储器R2构成，R1和R2都是非易失性存储器；

其中存储器R1分为两部分：

管理区，分为数十个块，每块中都可存放一个管理数据结构，每个管理数据结构包括以下字段：块起始标志(S)、块写入次数(C_P)、R1读指针(I_F1)、R1写指针(I_P1)、R2读指针(I_F2)、R2写指针(I_P2)、奇偶校验位(R)，

和数据区，用来缓存数据；

存储器R2全用于缓存数据。

6.根据权利要求4或5所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的二级缓存方法，包括以下步骤：

(1)存储器设备上电，在存储器R1管理区中定位当前管理数据结构所在位置；

(2)若无法定位，则将所有管理区数据块置空，并将当前管理数据结构所在位置定位为第0块；

(3)传感器节点开始对安全失败缓存进行读操作和写操作。

7.根据权利要求6所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的在存储器R1管理区中定位当前管理数据结构所在位置的方法包括以下步骤：

(1)设置搜索指针i为0；

(2)搜索第i块；

(3)如第i块上块起始标志(S)为空值，则令i＝i+1，并转到步骤(2)；

(4)当第i块上块起始标志(S)不为空值时，则确定该块为当前管理数据结构的存放块。

8.根据权利要求6所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的传感器节点对安全失败缓存进行写操作的方法包括以下步骤：

(1)传感器节点将需缓存数据按字节写入存储器R1中地址为R1写指针(I_P1)之处，数据量记为L_P；

(2)如存储器R1中的数据量大于等于阈值L_T，将存储器R1中起始地址为R1读指针(I_F1)，长度为L_T的数据读入处理器；

(3)将来自存储器R1的数据按块写入到存储器R2中地址为R2写指针(I_P2)之处；

(4)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_T；并更新管理数据结构中的R2写指针(I_P2)，令I_P2＝I_P2+L_T；

(5)更新管理数据结构中的R1写指针(I_P1)，令I_P1＝I_P1+L_P；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)若当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于阈值，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

9.根据权利要求6所述的无线传感器网络中数据采集传输的可靠性保障方法，其特征在于：所述的传感器节点对安全失败缓存进行读操作的方法包括以下步骤：

(1)传感器节点从存储器R1中地址为R1读指针(I_F1)处读取所需数据，直至读取数据量满足所需数据量，或R1读指针(I_F1)等于R1写指针(I_P1)，所需数据量记为L_F，实际读取数据量记为L_F’；

(2)若L_F’<L_F，则检查R2读指针(I_F2)是否等于R2写指针(I_P2)；

(3)若R2读指针(I_F2)不等于R2写指针(I_P2)，则从存储器R2中地址为R2读指针(I_F2)处读取长度为L_F-L_F’的数据；

(4)更新管理数据结构中的R2读指针(I_F2)，令I_F2＝I_F2+L_F-L_F’；

(5)更新管理数据结构中的R1读指针(I_F1)，令I_F1＝I_F1+L_F’；

(6)更新管理数据结构中的块写入次数(C_P)，令C_P＝C_P+1；

(7)如当前管理数据结构存放块中写入次数(C_P)大于阈值，则将管理数据结构移动到下一个存放块。

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