CN101470941B - 城市环境中的传感器数据收集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市环境中的传感器数据收集系统，属于无线自组织网络技术领域。本发明系统包含传感器节点，车载信息收发器，无线接入点和数据服务器。传感器节点设置于城市环境中的固定位置，用于记录观测区域内的数据；无线接入点设置于城市环境中的固定位置，和数据服务器产生数据连接；车载信息收发器设置于流动的车辆上，比如公交车，通过无线数据传输方式接收传感器节点收集的数据，并将该数据以无线数据传输方式通过无线接入点将数据发送给数据服务器；数据服务器接收来自各无线接入点的数据并存储。本发明使得稀疏部署的传感器节点不需要多跳就能实现数据上传，大大降低了传感器节点的功耗延长了网络寿命，成本低，扩展性好。

Description

城市环境中的传感器数据收集系统

技术领域

本发明涉及一种在城市环境中实现数据收集的传感器网络系统，属于无线自组织网络技术领域。

背景技术

无线传感器网络是由一组分布在不同位置的多个传感器节点以无线自组织方式构成的无线网络，传感器节点协作地感知、采集和处理该网络覆盖地理区域中感知对象的信息，并及时向用户发布感知结果。

如附图1所示，无线传感器网络系统由多个传感器节点(黑色小方块)，汇聚节点(sink节点)和用户端组成。其中各传感器之间以及每个传感器节点与sink节点之间都采用无线通信，sink节点则通过Internet等方式将数据传输到用户端。

无线传感器网络的特点是节点密集部署，节点数量多，覆盖范围广，而在城市环境检测应用中，往往只在城市某些特定位置(区域)内部署少量的传感器，如检测城市内的噪声和空气指数、流感病毒或车流量，并不需要在整个区域内密集部署多个传感器节点，由于传感器节点能量受限，无线传输范围有限(比如50米)，因此，在这类应用中，由于传感器稀疏部署，传感器节点无法彼此互联，已有的传感器组网技术将失效，传感器无法通过多跳方式将数据传输到sink节点。可选用的技术包括，部署大功率基站在传感器节点之间中继通信，保证传感器网络连通，或者额外部署更多的传感器来实现网络连通，这都面临着成本高昂的代价。

发明内容

本发明旨在提供一种针对城市环境中的稀疏传感器数据的收集系统，使得稀疏部署的传感器节点不需要多跳就能实现数据上传，同时将原来由传感器节点完成的路由功能转移到功能强大的车载设备上，不仅大大降低了传感器节点的功耗延长了网络寿命，而且整个系统具有很好的扩展性。

为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：

本发明系统包含传感器节点，车载信息收发器(Vehicular Information Transceiver，VIT)，无线接入点和数据服务器，其中：

传感器节点设置于城市环境中的固定位置，用于记录观测区域内的数据；

无线接入点设置于城市环境中的固定位置，和数据服务器产生数据连接；

车载信息收发器设置于流动的车辆上，最好是具有固定行驶路线的车辆，比如公交车等，通过无线数据传输方式，比如短距离Zigbee或UWB、蓝牙，接收传感器节点收集的数据，并将该数据以无线数据传输方式，比如802.11，通过无线接入点将数据发送给数据服务器；

数据服务器接收来自各无线接入点的数据并存储。

进一步，传感器节点设有无线通信模块以实现和传感器节点之间的无线通信，比如短距离Zigbee通信模块，UWB通信模块或蓝牙通信模块；车载信息收发器设有处理器，处理器还物理连接存储器，GPS模块，与传感器节点的无线通信接口比如Zigbee(或超宽带UWB、蓝牙)接口，以及和无线接入点的无线通信接口如802.11接口；该处理器可以是嵌入式处理器，其运行的操作系统可以是嵌入式linux或ucos；该存储器用于存储本发明的使用城市的电子地图和所述的流动的车辆的行驶路线数据以及无线接入点的位置信息；无线接入点设有802.11通信模块。

再进一步，上述车载信息收发器通过Zigbee(或超宽带UWB、蓝牙)接口周期性连续发送beacon消息；传感器节点内设有时间控制装置，其可以周期性睡眠，每次睡眠醒来监听信道一段时间(该时间长度可根据应用配置)，若监听到来自车载信息收发器的beacon消息，则将缓存的数据传输到车载信息收发器上，在收到车载信息收发器的的回复ack消息后，删除该数据；否则重新进入睡眠直到下一个工作周期。

为了缩短数据上传时间，本发明设置了不同车载信息收发器之间的数据转发机制。当装有车载信息收发器的流动车辆在同向或相向经过另一辆装有车载信息收发器的流动车辆时，两个车载信息收发器首先交换各自的无线接入点位置信息列表；然后分别根据自身当前位置和存储的自身行驶路线数据结合无线接入点信息计算各自能够到达无线接入点的最短距离；然后交换该最短距离，距离更长的公交车将数据转发到距离更短的公交车上。

与现有技术相比，本发明的优势在于：

1.在传感器稀疏部署传统组网技术失效的情况下，实现了数据收集；

2.将复杂的数据处理和路由功能转移到VIT设备中，仅采用单跳通信，降低了传感器节点功耗，并延长了网络寿命；

3.成本低廉，相比于基站和节点密集部署，本系统成本相对低廉

4.当网络区域变大时，仅需要增加少量的移动车辆就可以实现系统扩展，成本低廉。

附图说明

图1是目前典型的传感器网络系统示意图

图2是本发明实施例系统示意图，其中：

1是公交车，2是无线接入点，3是传感器节点，4是数据服务器；

图3是本发明实施例系统中的VIT设备结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图2所示，本实施例系统包含部署在市区内观测区域的传感器节点，安装在公交车上的车载信息收发器(Vehicular Information Transceiver，VIT)设备，无线接入点和基于IP网络的数据服务器。

传感器节点可以安装在观测区域内的道路周边，也可以安装在道路上。它可以记录环境噪声，车辆速度，空气质量，或者立交桥的应力强度等信息。

VIT设备安装在公交车上。如附图3所示，该设备设有处理器和存储器，GPS模块，Zigbee接口和802.11接口。处理器为嵌入式处理器ARM，其操作系统是嵌入式linux；存储器内存储本发明系统使用城市的电子地图，公交车自身的行驶路线数据和城市内的无线接入点分布位置信息；GPS模块通过接收GPS卫星定位系统发送的信号(该信号可自由接收，gps模块成本较低)，可实时获取该公交车当前的位置信息，并内置一个定时器，每隔1s根据两个时刻的位置由处理器计算出当前的运行方向保存在存储器中；Zigbee接口用于与传感器节点通信，当公交车运行进入传感器节点通信范围(即传感器节点的无线传输距离)内时，提取并缓存传感器节点所储存的数据，传感器节点中的数据则从缓存中删除；802.11接口用于与无线接入点和其他公交车通信，当公交车运行进入无线接入点的无线传输通信范围时，通过无线接入点连接数据服务器并将数据发送给数据服务器，同时删除VIT上的数据。

无线接入点是一个市面常见的WLAN接入设备，一般部署在城市人群密集的热点地区，该设备接入在一个局域网上，VIT设备通过无线接入点接入网络后，首先通过dhcp协议向dhcp服务器请求ip地址和网关和dns服务器地址等，当VIT设备获得这些地址后，启动一个tcp连接到互联网的数据服务器，并将缓存的数据通过tcp连接传输到数据服务器。

数据的收集过程大致可以分成如下三个步骤：

1.VIT设备提取传感器节点数据

VIT设备以200ms的周期持续通过Zigbee接口发布beacon消息(包含自身标识)，传感器节点周期性睡眠，其工作周期为2s，每2s内传感器节点醒来并监听信道500ms，当没有消息时继续睡眠直到下一个工作周期(即睡眠1500ms)，而当接收到VIT的beacon消息，则回复ack消息，并将缓存的感知数据传输到VIT设备上，同时删除该数据。假定传感器节点数据长度200bit，zigbee的传输速率最低是9.6kbit/s，最差情况下大约需要20ms即可完成传输。而VIT设备上的Zigbee接口有效的数据传输范围是100m，以市内车辆速度约10m/s(36km/h)计算，有效的通信时间大约为200m/10m/s＝20s，大大超过数据的传输时间，因此不会产生公交车经过传感器节点却来不及传输数据的问题，也就是说，只要公交车经过传感器节点，且该传感器节点缓存有感知数据而没有被其他车辆提取时，就可以成功实现数据上传。

2.VIT设备之间的转发

本发明通过车辆之间的数据多跳传输来降低数据收集机制的延迟。假设有两辆公交车，分别装有VIT设备A和B，当这两辆公交车同向或者相向经过对方时，VIT设备上的802.11端口以20ms为间隔周期性广播beacon消息的机制保证了A和B可以发现对方。A和B首先交换各自的无线接入点位置信息列表(以适应无线接入点位置以及数量的升级)；然后分别根据自身当前位置和存储的自身行驶路线数据结合无线接入点信息计算各自能够到达无线接入点的最短距离；然后交换该最短距离，距离更长的公交车将数据转发到距离更短的公交车上；具体的数据传输过程如下：不妨假设A所在的公交车距离更长，则A首先将需发送给B的数据打包在一个消息中，并通过802.11接口发送给B，并随即启动一个定时器，若在定时时间内，A收到由B反馈的确认消息则表示传输成功，否则传输失败。当车辆比较密集时，由于无线信道竞争导致冲突，可能导致传输失败，但传输失败并不意味着数据丢失，只是加大了数据的传输延时。

3.VIT设备通过无线接入点将数据发送到数据服务器

当VIT设备遇到无线接入点时，通过802.11接口将数据发送到数据服务器。

下面将计算一次连接所能传输的数据量。

以下数据都考虑最坏情况，考虑到城市内的各种干扰，802.11的传输速率约为5Mbit/s，设802.11传输距离为100m，车辆速度为10m/s，VIT设备接入网络的时间包括关联到无线接入点和获取网络地址的时间，VIT设备需要接收无线接入点周期性发送的beacon消息(该消息周期一般为0.1s)，并关联到该无线接入点然后获得网络地址，该阶段在不同的网络负载下会产生不同的延时，平均估算取值为7s，然后VIT设备需要初始化一个tcp连接到数据服务器，延时大概4s(802.11传输tcp控制包和internet延时之和，tcp需要三次握手)，同时假设拆除tcp链路和来自数据服务器传输tcp ack包的延时都计入为4s，则有效上传数据的时间为100*2/10-7-4-4＝5s，同时假定802.11的帧长为1528bytes，同时tcp头+ip头+mac头的字节约等于60个字节，每帧传输的数据为1460bytes，则5s内能传输的数据大约为1460*5*5/(8*1528)约等于3Mbytes，假设每个传感器节点每5s采集一次数据，每个数据长20bytes，则每个传感器节点每小时可产生10kbytes左右数据，假定每个公交车运行周期为1.5个小时，平均可遇到3个无线接入点，则每个公交车可携带3*3*1024/(1.5*10)大约600个传感器节点的数据，完全可以满足实际需要。

Claims (10)

1.一种城市环境中的传感器数据收集系统，包含传感器节点，车载信息收发器，无线接入点和数据服务器，其中：

传感器节点设置于城市环境中的固定位置，用于记录观测区域内的数据；

无线接入点设置于城市环境中的固定位置，和数据服务器产生数据连接；

车载信息收发器设置于流动的车辆上，通过无线数据传输方式接收传感器节点收集的数据，并将该数据以无线数据传输方式通过无线接入点将数据发送给数据服务器；

数据服务器存储收集的数据；

其特征在于，

所述的装有车载信息收发器的流动车辆在同向或相向经过另一辆装有车载信息收发器的流动车辆时，两个车载信息收发器分别计算各自能够到达无线接入点的最短距离；相互交换该最短距离，距离更长的车载信息收发器将数据转发到距离更短的车载信息收发器上。

2.如权利要求1所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，所述两个车载信息收发器在计算所述最短距离之前先交换各自的无线接入点位置信息列表，然后分别根据自身当前位置和存储的自身行驶路线数据结合无线接入点信息计算所述最短距离。

3.如权利要求1所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，所述的流动的车辆为公交车。

4.如权利要求1所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，车载信息收发器和传感器节点之间通过Zigbee通信方式、UWB通信方式或蓝牙通信方式实现数据传输；

5.如权利要求1所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，车载信息收发器设有处理器，处理器还物理连接存储器、GPS模块和与传感器节点之间通信的无线通信接口，以及与无线接入点之间通信的无线通信接口。

6.如权利要求5所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，所述处理器为嵌入式处理器，其运行的操作系统为嵌入式linux或UCOS。

7.如权利要求5所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，所述存储器内存储了使用所述传感器数据收集系统的城市的电子地图，和所述流动车辆的行驶路线数据，以及无线接入点的位置信息。

8.如权利要求5所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，车载信息收发器通过与传感器之间通信的无线通信接口持续周期性发送beacon消息。

9.如权利要求5所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，车载信息收发器通过与无线接入点之间通信的无线通信接口持续周期性发送beacon消息。

10.如权利要求1所述的一种城市环境中的传感器数据收集系统，其特征在于，传感器节点设有时间控制装置，用于实现传感器节点的周期性睡眠。

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