CN101646233B - 一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法，簇首节点固定，具有较强的数据处理能力和持续的能量供应。Sink节点、簇首节点周期性地发送信标信号，信标信号是构成整个无线传感器网络的骨架。簇首节点、传感器节点根据对应的信标信号进行一系列的操作，其中时钟周期调整机制是该算法中的关键支撑技术；网络中节点采用主动同步的数据传输方式，旨在进行低功耗高速率的数据通信，减小各节点之间的通信干扰，保证数据传输的稳定性、可靠性和实时性。本发明适用于需要快速、连续、实时采集数据的应用场合。

Description

一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法

技术领域

本发明涉及无线传感器技术领域，尤其涉及一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法。

背景技术

近年来随着传感器、嵌入式计算、微机电系统(MEMS)、网络及无线通信、分布式信息处理等技术的飞速发展，出现了一种全新的信息获取和处理模式，即同时具有数据采集、无线通信、信息处理及协同工作等功能，由大量具有此类功能的微型无线传感器节点自组织构成的网络——无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，WSN)。网络的特点是硬件资源有限、电源容量有限、无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑、节点数量众多及分布密集等。WSN是以数据为中心的网络，怎样将有效源数据以最有效的方式传送到目的地，是WSN研究的重点。在数据量不大的网络中，节点的能耗设计相对更加重要；但是在数据量很大的网络中，怎样将数据稳定地传送到目的地成为设计的重点。

目前已有的路由算法可以分为平面路由算法和层次路由算法。平面路由算法中的节点是平等的，每个节点通过多跳的方式进行数据传输，如DD、RR等。实验表明，传输数据所消耗的能量比运算处理所消耗的能量大。所以平面路由算法中会造成部分节点耗能过快，寿命过短，从而影响网络的整体性能；此外，平面路由算法中的源数据需要经过多个中间节点的转发，对于数据量较大的网络，容易引起网络堵塞。鉴于以上原因，根据平面路由算法设计的数据采集系统不适合数据量较大的网络系统。层次路由算法与平面路由算法相比，具有易扩展，易管理，节约系统能耗等优点，被认为是比较符合传感器网络特性的高效算法。层次型路由算法中最常见的是分簇路由算法，如LEACH、TEEN、SEP、EEUC等，分簇路由算法在一个大循环中需要完成的工作有：一、簇首选择；二、簇的形成；三、数据传输。该类算法的不足之处是每轮都要选择簇首和分簇，故建立阶段的协议开销较大。对于需要连续、快速、实时的数据采集系统，以上分簇路由算法存在一定的缺陷。

对于数据量较大的无线传感器网络系统，以上所述算法都存在一定的缺陷。本文提出了一种基于分簇的数据采集方法，该方法利用分簇的低能耗特点，采用分簇网络结构，最大限度地降低传感器节点的能耗；利用网络信标信号为骨架建立起整个网络，簇首节点固定，各个簇相对稳定；采用时钟周期调整机制和刷新机制，保证节点之间的同步性和网络路由的稳定性，提高网络中数据通信的效率。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法。

本发明的目的是通过技术方案来实现的：一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法，包括以下步骤：

(1)节点初始化；

(2)sink节点设定自身周期，然后周期性地发送信标信号，接收簇首节点数据包并进行数据处理，同时通过USB接口与外部设备进行数据通信；

(3)簇首节点根据sink节点的信标信号加入网络，然后周期性地发送信标信号，接收传感器节点的数据包并作相应处理，每隔一定的时间进行一次刷新操作；

(4)传感器节点根据簇首节点的信标信号加入网络，然后周期性地采集传感数据并发送给相应的簇首节点，每隔一定的时间进行一次刷新操作。

本发明的有益效果是：

1、每个传感器节点拥有唯一的一条通路，在网络中不会产生冗余数据；

2、网络中能够随时加入或撤出节点，增强了网络的灵活性；

3、当某个簇首节点失效时，传感器节点在R轮循环后会发现这一事件，然后搜寻其它有效簇首节点，从而保证网络的连通性；

4、网络中数据传输快速、连续、实时，这是最大的特点，当然这是以一定的丢包率为代价的；

5、由于簇首固定，所以网络中不需簇首选择时间片，同时该算法中也不需要簇的重组，各节点管理自身的状态，这些都减小了传感器节点的时间片开销；

6、建立及维持整个网络的骨架是sink节点、簇首节点的信标信号，无论簇首节点还是传感器节点加入网络都是依据对应的信标信号，这给网络增大了能耗。然而，结合具体的应用，sink节点、簇首节点可以有持续的能量供应；

7、网络中数据传输的方式不同于一般的查询方式，它采取的是主动传输的方式，即节点将数据发送给上一层节点后，上层节点并不发回确认信号，这就对时间同步调整提出了更高的要求。如果时间同步不好，必然引起较大的丢包率，所以时间同步算法是其中的关键支撑技术，本发明中的关键技术之一就是时钟周期调整。

附图说明

图1是无线传感网络结构模型图；

图2是传感器节点结构框图；

图3是簇首节点结构框图；

图4是sink节点结构框图；

图5是sink节点行为的流程图；

图6是簇首节点行为的流程图；

图7是传感器节点行为的流程图。

具体实施方式

本发明利用分簇路由能耗低的优点，在分簇路由的基础上，设计了一种高效的数据采集方法。其中簇首节点固定，具有较强的数据处理能力和持续的能量供应。在簇首节点固定的情况下，减少了簇首选择所占用的时间片，同时，网络中的各个簇相对稳定，是否加入或者离开某簇由簇内节点自己决策。根据以上策略，连续、快速、实时的数据传输成为可能。

1、本发明的无线传感数据高效采集方法，包括以下机制：时隙分配机制、时钟周期调整机制、刷新机制，下面对这些机制分别作出说明。

在论述以上机制之前，先引入虚拟时间戳的概念，其定义为以某个周期为起点的周期序列号，记为N，起始周期对应虚拟时间戳为N＝0。另外引入父节点、子节点的概念，父节点为两节点之间有直接通信的上层节点，相应子节点为下层节点。每个节点拥有一个自身的虚拟时间戳，父节点记为N_f，子节点l记为N_l。父节点周期记为T_f，子节点l的周期记为T_l。某个周期中的时刻值记为τ，该时刻区别于绝对时刻，其与绝对时刻的关系是：t＝N·T+τ+t_I，t为绝对时刻值，T为周期值，t_I为初始周期时对应的绝对时刻，即N＝0，τ＝0时对应的时刻值，相应的父节点记为t_If，子节点记为t_Il。各节点的时钟频率为F，则计数值与周期之间的关系为： $T_f=\frac{M_f}{F},$ $T_l=\frac{M_l}{F},$ 其中M_f，M_l分别为父节点、子节点l的时钟周期计数值。节点一旦设定了时钟周期为M，则节点的时钟计数在[0，M]之间循环。父节点在某一周期内的时刻值 ${\mathrm{\τ}}_f=\frac{m_f}{F},$ m_f为父节点的瞬时计数值。子节点亦有相同的形式，为 ${\mathrm{\τ}}_l=\frac{m_l}{F},$ m_l为子节点l的瞬时计数值。

一、时隙分配机制

时隙分配机制的目的是将各个子节点的数据通信对应于父节点的不同时隙，使得各子节点之间的通信不会相互干扰。令时隙大小为Δτ，其中 $\mathrm{\Δ\τ}=\frac{\mathrm{\Δm}}{F},$ 则时隙分配方法如下：

t_l＝N_l·T_l+l·Δτ+t_Il    (1)

(1)表明子节点l的周期为t_l，其在每个周期中的相应时刻l·Δτ发送数据。设数据包传输时间为t_s，数据传输延迟时间为t_d，则父节点接收到子节点l的数据包时的本地时间为：

t_fl＝t_l+t_s+t_d

   ＝N_l·T_l+t_Il+t_sd+l·Δτ(2)

其中t_sd＝t_s+t_d，当发送的数据包长度固定时，t_sd为一个固定值。父节点的绝对时间表示如下：

t_f＝N_f·T_f+τ_f+t_If    (3)

(1)式和(3)式中t_Il、t_If的关系定义如下：

t_Il＝t_If+(N_f-N_l)·T_f+τ_c    (4)

式中τ_c为一个常量。N_f-N_l表示子节点的虚拟时间戳相对父节点虚拟时间戳的差值。

根据(2)式，结合(4)式，父节点接收到子节点l和子节点j的时间间隔为：

Δt_lj＝N_l·(T_l-T_f)+N_j·(T_f-T_j)+(l-j)·Δτ(5)

Δt_lj即为子节点l与子节点j之间对应时隙的时间间隔。由(5)式可知，对于固定的l和j值，若T_l≠T_j≠T_f，则随着时间的推移，即随着N_l，N_j的不断增大，Δt_lj是不断增大的，这必然满足不了固定的时隙分配。所以下面给出时钟周期调整机制以解决这一问题。

二、时钟周期调整机制

时钟周期调整机制的目的是使得各个子节点的时钟周期调整到与父节点的时钟周期一致。

子节点l周期性地接收父节点的信标信号，并记录接收到信标信号时的本地时刻值，该值对应的瞬时计数值为：m_l0，m_l1，m_l2…m_lN。其对应的绝对时刻值为：

t_l＝N_l·T_l+τ_lN+t_Il    N_l＝0，1，2…(6)

其中 ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{lN}}=\frac{m_{\mathrm{lN}}}{F},$ τ_Il表示子节点l初始周期对应的绝对时刻。

因为父节点是周期性地发送信标信号，即它在各个周期中的固定时刻值τ_fs发送，所以可知信标信号发送的绝对时刻值为：

t_f＝N_f·T_f+τ_fs+t_If    N_f＝0，1，2…(7)

由(6)式可知，子节点连续接收N+1个信标信号所需时间为为：

Δt_l＝N·T_l+τ_lN-τ_l0(8)

同理，由(7)式可知，父节点发送N+1个信标信号所需时间为：

Δt_f＝N·T_f(9)

由(8)式＝(9)式，可得

N(T_f-T_l)＝τ_lN-τ_l0

$N=(\frac{M_f}{F}-\frac{M_l}{F})=\frac{m_{\mathrm{lN}}}{F}-\frac{m_{l0}}{F}$

$M_f=M_l+\frac{m_{\mathrm{lN}}-m_{l0}}{N}=M_l+\mathrm{\ΔM}---\left(10\right)$

式中 $\mathrm{\ΔM}=\frac{m_{\mathrm{lN}}-m_{l0}}{N}$ 为计数偏移量。

由(10)式可知，只要将子节点的计数周期值调整偏移量ΔM就可以达到与父节点相同的周期值。各个子节点经过以上操作后，都具有与父节点相同的周期值，即

T_l＝T_f(11)

根据(5)式，结合(11)式，可以得到如下关系：

Δt_lj＝(l-j)·Δτ(12)

对于固定的l和j值，Δt_lj是一个固定值，即对于固定的两个子节点，父节点接收到它们的数据包时对应的时间间隔始终是固定的，这就保证了各子节点能够始终独占自己的时隙，不产生相互之间的干扰。

然而，由于各节点之间存在时钟漂移，他们之间的周期不可能完全相等，下面提出的一种刷新机制，将针对如何减小漂移作用带来的影响作出讨论。

三、刷新机制

由于各节点之间的晶振漂移，以上算法只能使各子节点之间的时钟周期达到最小的偏差值，而不能保证各节点的时钟周期完全相等。刷新机制的目的是使各个节点的时钟漂移尽量小，以减小其带来的通信影响。由上可知(11)式不是严格正确的，严格的表示方法应该为：

T_l≈T_f(13)

所以(12)式只是在理想情况下得到的结论，当在非理想情况下，两节点之间的时隙间隔又回到(5)式。

经过时钟周期调整后，各个子节点可以软件设置接收到信标信号时的本地时刻值，如设置为τ_A，则各子节点对应的绝对时间为：

t_l＝N_l·T_l+τ_A+t_Il  N_l＝0，1，2…(14)

(14)式的操作是重新设置虚拟时间戳。在(12)式的约束条件下，(14)式表明各子节点之间完全达到了时间同步，而在(13)式的约束条件下表明各子节点之间只达到近似同步。

刷新机制表述如下：子节点l经过一定时间的数据通信后，重新进行虚拟时间戳的调整，其调整的基准是接收到父节点信标信号的时刻值，如(14)式所示。经过一次调整后，其对应的虚拟时间戳重新从0开始计数，即N_l＝0，1，2…。换一种说法就是，当子节点l的虚拟时间戳达到某一个值后，重新将虚拟时间戳设为0，即始终满足如下关系：N_l≤N_max，N_max可以软件设置，其大小部分决定了因漂移而产生的时间偏差的大小。设经过时钟周期调整后满足如下关系：|T_f-T_l|≤ΔT_max。根据(5)式，可以定义子节点l产生的时隙偏移如下：

δ_l＝N_l·|(T_l-T_f)|(15)

(15)式满足δ_l≤N_max·ΔT_max，下面给出该刷新机制可行性与稳定性的判据：

δ_l＜＜Δτ(16)

在(16)式的判据下，(5)式-(12)式的绝对值为：

|Δt_lj-Δt_lj|＝N_l·(T_l-T_f)+N_j·(T_f-T_j)|

≤2·N_max·ΔT_max＜＜Δt_lj(17)

所以只要始终能够满足(16)式，则在该刷新机制下，时隙的偏移相对于理想时隙的大小是很小的，也就是说相邻时隙之间产生的错位很小，相邻节点之间的通信不会产生太大的干扰。

根据该数据采集方法设计的无线传感网络结构模型如图1所示。由图中可以看出，网络中总共有三类节点：传感器节点，簇首节点，sink节点。传感器节点采集传感数据，经过简单处理后传送给簇首节点；簇首节点接收传感数据，对数据做相应的处理，然后将数据转发给sink节点；sink节点接收簇首节点的数据，同时通过USB接口与外部设备进行通信。

传感器节点结构框图如图2所示。由图中可以看出，传感器节点主要包括以下几个个部分：电源、MCU、传感器、射频收发模块。电源采用锂电池供电，这样设计的优点是能够使节点体积尽量小，缺点是能量有限。MCU包含模数转换(ADC)、串行外围接口(SPI)、串行通信接口(SCI)、键盘中断(KBI)等模块，它控制节点的一系列操作。MCU可以采用Freescale公司的MC9SO8QG8，该芯片的优点是能耗低，具有系统设计要求的所有外围接口。传感器是传感数据的来源，根据不同的应用系统可以有不同的传感器，如温度传感器、加速度传感器、磁感应传感器等。RF为射频收发模块，负责发送和接收无线数据，工作频率为2.4GHz，外接天线可以是印刷F天线或者陶瓷天线等。射频芯片可以采用Freescale公司的MC13203，该芯片需要外接晶振，同时芯片的输出时钟可以作为MCU的时钟源。

簇首节点结构框图如图3所示。由图中可以看出，簇首节点主要包括以下几个部分：电源、电压调整模块、DSP、射频收发模块。电源采用持续电源供电，如220V家用电源。电压调整模块将电压转换到DSP工作需要的电压。DSP包括串行外围接口(SPI)、键盘中断(KBI)等模块，它控制节点的一系列操作，对传感数据进行相应处理。这里之所以采用DSP是因为该节点需要进行较多的数据处理，DSP芯片可以采用Freescale公司的MC56F8122。射频模块同上。

Sink节点结构框图如图4所示。由图中可以看出，sink节点主要包括以下几个部分：电压调整模块、MCU、射频收发模块。其中电源采用USB的5V电源。电压调整模块将电压转换到MCU工作需要的电压。MCU包括串行外围接口(SPI)、键盘中断(KBI)、USB等模块，它控制节点的一系列操作，通过USB接口与外部设备进行通信。因为网络中的全部数据最终都汇聚到sink节点，所以对该节点设计三个射频收发模块，以提高sink节点的数据接收速率。该节点的MCU可以采用Freescale公司的MC9SO8JM60。射频模块同上。

本发明提供了一种基于分簇的无线传感数据高效采集方法，实现数据的连续、快速、实时传输。该方法主要通过以下步骤实现：

(1)节点初始化。

节点初始化包括MCU的初始化、射频芯片的初始化。MCU的初始化包括总线频率的设定、SPI模块的配置、GPIO口的配置、中断配置、看门狗的设置等；射频芯片的初始化包括初始化频道设置、发射能量设置、芯片时钟频率设置等。(2)sink节点设定自身周期，然后周期性地发送信标信号，接收簇首节点数据包并进行数据处理，同时通过USB接口与外部设备进行数据通信。

Sink节点一旦设定自身周期就不再改变，它的信标信号中包含的信息有可以分配的频道、已经分配的频道、已连接的簇首节点及该节点的连接状态等。簇首节点发送的数据包类型有频道申请信号、传感器节点加入或撤出信号、传感数据信号等。Sink节点与外部通信可以有多种途径，如USB、串口等。Sink节点工作的流程图如图5所示，表述如下：

一、节点初始化；

二、设定时钟周期；

三、发送信标信号；

四、接收簇首节点发送的数据包；

五、处理簇首节点数据包，对于频道申请信号，如果该频道为空，可以申请，则返回允许信号；如果该频道已被其他节点占用，则返回拒绝信号。对于传感器节点加入撤出信号，sink节点作出相应处理后即返回确认信号，表示已经处理了这些信息。对于传感数据信号，则通过USB接口将数据传送给外部设备。同时，根据簇首节点的数据包接收状况设定相应簇首节点的通信状态，并将相应状态值包含于信标信号；

六、一次循环结束，返回步骤二。

sink节点的数据结构如下：sink_node{sink_channel，phy_addr，timestamp，sen_num，ch_num，ch_list[i]}，其中sink_channel为sink节点与簇首节点之间的通信频道；phy_addr为sink节点的固定编号；timestamp为sink节点的时间戳；sen_num为连接上的总传感器节点个数；ch_num为连接上的簇首节点个数；ch_list[i]为簇首节点序列，ch_list[i]的结构为：ch_list[i]{state，phy_addr，net_id，timestamp，sen_num，sen_list[i]}，其中state、phy_addr、net_id、timestamp、sen_num、sen_list[i]分别为簇首节点的状态、固定编号、网络编号、时间戳、所连接的传感器节点个数、传感器节点序列。sen_list[i]的结构为：sen_list[i]{state，phy_addr，net_id，timestamp，data}，与簇首节点中的传感器节点序列结构相同。

sink节点发送的信标信号(beaconing signal，b_signal)的格式如下：sink_b_signal{ch_num_max，channel_allocated，ch_state}，其中ch_num_max为可以连接的最大簇首节点数量；channel_allocated为已经被分配的频道；ch_state为连接上的簇首节点的连接状态。簇首节点申请有效频道的过程、时钟周期调整、时隙分配、刷新操作的进行都需要依据sink节点的信标信号。

(3)簇首节点根据sink节点的信标信号加入网络，然后周期性地发送信标信号，接收传感器节点的数据包并作相应处理，每隔一定的时间进行一次刷新操作。

簇首节点根据sink节点的信标信号进行频道申请、时钟周期调整、时隙分配、刷新等操作，它的信标信号中包含的信息有可以连接最大节点数、已连接的节点数和连接节点的状态值等。簇首节点在发送信标信号后就处于帧听状态，接收传感器节点的信息并进行相应的处理。簇首节点工作的流程图如图6所示，表述如下：

一、节点初始化；

二、向sink节点申请可用频道，同时得到一个网络编号(NetID)，若申成功则进入下一步；

频道申请过程如下：簇首节点接收sink节点的信标信号，查找其中的可用频道，选择一个最合适的频道并向sink节点发送请求信号，请求信号中包含的信息有该簇首节点的固定编号(物理地址)、需要申请的频道等。Sink节点接收到该请求信号后，判断是否已经有其它节点优先占用该频道，若有，则返回拒绝信号；若无，则返回允许信号。簇首节点若接收到拒绝信号，则继续申请其它频道；若接收到允许信号，则设定该节点的通信频道，该频道为簇首节点与传感器节点的通信频道，因为其具有唯一性，所以可以根据该通信频道值来设定相应簇首节点的NetID。这里再作出一点说明，每个簇首节点拥有两个通信频道，一个频道用于与sink节点通信，另一个频道用于与传感器节点通信。

三、以sink节点的时钟周期为基准进行时钟周期调整，时钟周期调整详见前面的论述；

四、根据网络编号分配时隙，然后设定周期并周期性地发送信标信号，接收传感器节点数据包并作相应处理；

传感器节点发送的数据包类型有网络编号请求信号、传感数据信号等。当接收到请求信号时，若该NetID没有被其他节点占用，则返回允许信号，表示该NetID可用；若已被其他节点占用，则返回拒绝信号。当接收到传感数据信号时，对数据进行相应的处理，然后转发给sink节点。同时根据数据包接收状况对传感器节点的通信状态进行设定，并将相应状态值包含于信标信号中。当有新的传感器节点加入，或者有传感器节点退出时，簇首节点将相应的传感器节点加入撤出信息传送给sink节点。

五、经过R轮循环后，进入帧听状态，若成功接收到sink节点的信标信号则进入下一步，若不成功则返回步骤二。这里称为刷新操作；

六、在成功接收sink节点信标信号的前提下，判断自身连接状态，若连接正常则返回步骤四，若不好则返回步骤三。

簇首节点的数据结构如下：ch_node{sen_channel，sink_channel，phy_addr，net_id，state，timestamp，sen_num，sen_list[i]}，其中sen_channel为簇首节点与传感器节点之间的通信频道；sink_channel为簇首节点与sink节点之间的通信频道；phy_addr为唯一的标志簇首节点身份的固定编号；net_id为向sink节点申请的有效网络编号；state为节点状态；timestamp为簇首节点的时间戳；sen_num为连接的传感器节点个数；sen_list[i]为连接上的传感器节点序列。sen_list[i]的结构为：sen_list[i]{state，phy_addr，net_id，timestamp，data}，其中state、phy_addr、net_id、timestamp、data分别为对应传感器节点的状态、固定编号、网络编号、时间戳、传感数据。在每个周期中，簇首节点将接收到的传感数据经处理后转发给sink节点，同时检查每个连接上的传感器节点的状态，设定相应的状态值。

簇首节点发送的信标信号(b_signal)的格式如下：ch_b_signal{sen_num_max，netid_allocated，sen_state}，其中sen_num_max为单个簇首节点可以连接的最大传感器节点数；netid_allocated为已经被分配的网络编号；sen_state为连接上的传感器节点的连接状态。传感器节点搜寻簇首节点及申请网络编号的过程、时钟周期调整、时隙分配、刷新操作的进行都需要依据簇首节点的信标信号。

(4)传感器节点根据簇首节点的信标信号加入网络，然后周期性地采集传感数据并发送给相应的簇首节点，每隔一定的时间进行一次刷新操作。

传感器节点根据簇首节点的信标信号进行网络编号申请、时钟周期调整、时隙分配、刷新等操作。传感器节点工作的流程图如图7所示，表述如下：

一、节点初始化；

二、传感器节点搜寻簇首节点，搜到有效簇首节点后进入下一步；

搜寻簇首节点的过程即为搜寻有效频道的过程，因为每个簇首节点占用不同的频道。其过程如下：传感器节点设定某个频道，进入帧听状态，若能够接收到簇首节点的信标信号，则该频道为可用频道；若一定时间内接收不到有效信号，则为不可用频道。传感器节点对所有频道进行查找，并对查找到的簇首节点进行判断，找出其中最空闲的那个节点，然后设定相应的通信频道。每个传感器节点只占用一个频道。

三、向该簇首节点申请网络编号(NetID)，若申请成功则进入下一步；

NetID请过程如下：传感器节点接收簇首节点的信标信号，查找其中已占用的NetID，如果发现该簇首节点的负载已经达到最大，则返回步骤二；如果不是，则选择一个最合适的NetID并向簇首节点发送请求信号，请求信号中包含的信息有该传感器节点的固定编号(物理地址)、需要申请的NetID等。簇首节点接收到该请求信号后，判断是否已经有其它节点优先占用该NetID，若有，则返回拒绝信号；若无，则返回允许信号。传感器节点若接收到拒绝信号，则继续申请其它NetID；若接收到允许信号，则设定该节点的NetID。

四、以该簇首节点为基准进行时钟周期调整；

五、根据网络编号进行时隙分配，然后设定周期并周期性地采集数据和发送数据；

六、经过R轮循环后，进入帧听状态，若成功接收到对应簇首节点的信标信号则进入下一步，若不成功则返回步骤二。同上，这里称为刷新操作；

七、在成功接收对应簇首节点信标信号的前提下，判断自身连接状态是否正常，若正常则返回步骤五，若不正常则返回步骤四。

传感器节点的数据结构如下：sensor_node{sen_channel，phy_addr，net_id，state，timestamp，data}，其中sen_channel为通信频道，传感器节点搜寻簇首节点的过程即是搜寻可用频道的过程，搜到可用频道后，即向该簇首节点申请网络编号，每个簇首节点拥有唯一的一个通信频道，所以每个传感器节点与唯一的一个簇首节点进行通信；phy_addr是传感器节点的固定编号，每个传感器节点拥有一个唯一标志自己身份的编号；net_id是向簇首节点申请的有效网络编号，传感器节点根据该网络编号进行时隙分配与数据通信；state为节点的状态；timestamp为时间戳，根据该时间戳进行时钟周期调整及循环轮数的判定；data为传感器节点采集的传感数据。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于分簇的无线传感器数据高效采集方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)节点初始化：包括MCU的初始化和射频芯片的初始化；

(2)sink节点设定自身时钟周期，然后周期性地发送信标信号，接收簇首节点数据包并进行数据处理，同时通过USB接口与外部设备进行数据通信；

(3)簇首节点根据sink节点的信标信号加入网络，然后周期性地发送信标信号，接收传感器节点的数据包并作相应处理，每隔一定的时间进行一次刷新操作；

(4)传感器节点根据簇首节点的信标信号加入网络，然后周期性地采集传感数据并发送给相应的簇首节点，每隔一定的时间进行一次刷新操作；

其中，所述步骤(2)具体为：

(A)sink节点初始化；

(B)设定自身时钟周期；

(C)发送信标信号；

(D)接收簇首节点发送的数据包；

(E)处理簇首节点数据包，对于频道申请信号，如果该频道为空，可以申请，则返回允许信号；如果该频道已被其他节点占用，则返回拒绝信号；对于传感器节点加入撤出信号，sink节点作出相应处理后即返回确认信号；对于传感数据信号，则通过USB接口将数据传送给外部设备；同时，根据簇首节点的数据包接收状况设定相应簇首节点的通信状态，并将相应状态值包含于信标信号；

(F)一次循环结束，返回步骤(B)；

所述步骤(3)具体为：

(a)簇首节点初始化；

(b)向sink节点申请可用频道，同时得到一个网络编号；

(c)以sink节点的时钟周期为基准进行时钟周期调整；

(d)根据网络编号分配时隙，然后设定周期并周期性地发送信标信号，接收传感器节点数据包并处理；

(e)经过R轮循环后，进入侦听状态，若成功接收到sink节点的信标信号则进入下一步，若不成功则返回步骤(b)；该子步骤称为刷新操作；

(f)在成功接收sink节点信标信号的前提下，判断自身连接状态，若连接正常则返回步骤(d)，若不正常则返回步骤(c)。

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